基于飛輪儲(chǔ)能的直流方式電壓凹陷抑制裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示了一種基于飛輪儲(chǔ)能的直流方式電壓凹陷抑制裝置及方法，包括飛輪、直流無刷電機(jī)、三相橋式變流器、直流接觸器，飛輪與直流無刷電機(jī)同軸相連，直流無刷電機(jī)與三相橋式變流電路的交流側(cè)相連，三相橋式變流電路串聯(lián)直流接觸器側(cè)接到直流母線，三相橋式變流器的主電路采用半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主電路交流側(cè)為三相對(duì)稱的無中線連接方式接入到直流無刷電機(jī)交流側(cè)，主電路直流側(cè)通過直流接觸器側(cè)接到直流母線，變流電路的橋臂由功率開關(guān)管組成?？刂齐娐钒ㄖ绷麟娫础Ⅱ?qū)動(dòng)電路、DSP、單片機(jī)、調(diào)理電路、溫度檢測(cè)單元、電壓檢測(cè)單元、電流檢測(cè)單元、速度檢測(cè)單元、鍵盤輸入、液晶顯示，該裝置結(jié)合飛輪儲(chǔ)能的特點(diǎn)，解決了電壓凹陷問題。
【專利說明】基于飛輪儲(chǔ)能的直流方式電壓凹陷抑制裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力設(shè)備領(lǐng)域，具體為一種基于飛輪儲(chǔ)能的直流方式電壓凹陷抑制裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，用電規(guī)模越來越大，用電環(huán)境越來越復(fù)雜，無論是企業(yè)、政府還是普通用戶，對(duì)提高供電的可靠性、改善電能質(zhì)量都提出了越來越高的要求。在現(xiàn)代化企業(yè)中，大量的智能控制設(shè)備和自動(dòng)化程度很高的用電設(shè)備相繼投入使用，如變頻器、機(jī)器人、自動(dòng)生產(chǎn)線、精密加工設(shè)備以及計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)等，這些設(shè)備對(duì)電壓凹陷十分敏感，甚至20ms左右的電壓凹陷就可能造成停產(chǎn)或產(chǎn)品質(zhì)量的下降，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般自動(dòng)化程度很高的工業(yè)用戶每年要遭受10?50次與電能質(zhì)量問題有關(guān)的事故，而其中因電壓凹陷造成的事故數(shù)約占事故總數(shù)的83%，因此電壓凹陷已成為威脅許多重要用戶供電可靠性的主要原因之一，必須對(duì)其進(jìn)行有效、快速地檢測(cè)和抑制。
[0003]交流機(jī)變頻調(diào)速具有平滑、調(diào)速范圍寬、效率高特性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械特性硬、保護(hù)功能齊全等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行平穩(wěn)安全可靠，在生產(chǎn)過程中能獲得最佳速度參數(shù)，是理想的調(diào)速方式。應(yīng)用實(shí)踐證明，交流電機(jī)變頻調(diào)速一般能節(jié)電30%，變頻調(diào)速技術(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用。交直交變頻器具有低電壓保護(hù)的功能，對(duì)于具有直流側(cè)低電壓保護(hù)的交直交變頻器可采用直流電壓凹陷抑制技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種基于飛輪儲(chǔ)能的直流方式電壓凹陷抑制裝置及方法解決電壓凹陷問題。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0006]該裝置包括飛輪、直流無刷電機(jī)、三相橋式變流器、直流接觸器和控制模塊，飛輪處在真空中，飛輪與直流無刷電機(jī)同軸相連，直流無刷電機(jī)與三相橋式變流電路的交流側(cè)相連，三相橋式變流電路的直流側(cè)串聯(lián)直流接觸器后接到直流母線。
[0007]所述的三相橋式變流器的主電路采用半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主電路交流側(cè)采用三相對(duì)稱的無中線連接方式接入到直流無刷電機(jī)交流側(cè)，主電路直流側(cè)通過直流接觸器接到直流母線,主電路的每個(gè)橋臂由功率開關(guān)管組成。
[0008]所述的功率開關(guān)管由絕緣柵雙極晶體管和二極管反并聯(lián)連接組成。
[0009]所述的控制模塊包括直流電源、驅(qū)動(dòng)電路、DSP、單片機(jī)、調(diào)理電路、溫度檢測(cè)單元、電壓檢測(cè)單元、電流檢測(cè)單元、速度檢測(cè)單元、鍵盤輸入和液晶顯示；溫度檢測(cè)單元、電壓檢測(cè)單元、電流檢測(cè)單元、速度檢測(cè)單元采集的信號(hào)分別通過調(diào)理電路傳送給DSP，DSP通過驅(qū)動(dòng)電路對(duì)變流電路進(jìn)行控制，單片機(jī)分別與DSP、鍵盤輸入和液晶顯示連接。
[0010]一種基于飛輪儲(chǔ)能的直流方式電壓凹陷抑制方法，包括以下步驟:[0011]步驟1、充電模式，直流接觸器閉合，三相橋式變流器的變流電路工作在逆變狀態(tài)，直流無刷電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動(dòng)飛輪加速旋轉(zhuǎn)，電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能存儲(chǔ)在飛輪中，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速，充電結(jié)束，裝置轉(zhuǎn)到保持模式；
[0012]步驟2、保持模式，直流接觸器斷開，變流器不工作，飛輪儲(chǔ)能保持；
[0013]步驟3、放電模式，電網(wǎng)電壓發(fā)生凹陷使直流母線電壓低于下限值時(shí)，直流接觸器閉合，飛輪拖動(dòng)電機(jī)發(fā)出交流電，變流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電供給直流母線，維持直流母線電壓穩(wěn)定。
[0014]所述的直流無刷電機(jī)既可運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)，也可運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)；運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能儲(chǔ)存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪上，運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，將儲(chǔ)存在飛輪上的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。
[0015]所述的變流電路可工作在逆變狀態(tài)，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，也可工作在整流狀態(tài)，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，直流接觸器閉合，變流器的直流側(cè)接到直流母線。
[0016]在充電模式下，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制飛輪的轉(zhuǎn)速，用三相六開120°導(dǎo)通方式控制變流器，對(duì)導(dǎo)通的器件用PWM脈沖控制。
[0017]在放電模式下，電壓、電流雙閉環(huán)控制直流母線電壓，用三相六開120°導(dǎo)通方式控制變流器，對(duì)導(dǎo)通的器件用PWM脈沖控制。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:(1)該裝置結(jié)合飛輪儲(chǔ)能的特點(diǎn)，解決了電壓凹陷問題；(2)該裝置安裝在對(duì)直流電壓具有低電壓保護(hù)功能的對(duì)電壓暫降敏感的交直交變頻器的直流母線上，能夠避免此類變頻器由于電壓凹陷停止工作對(duì)生產(chǎn)的影響；(3)單片機(jī)連接鍵盤和顯示器，具有人機(jī)接口的作用；(4)本發(fā)明具有可靠性高、速度快、使用壽命長(zhǎng)、損耗小、無污染等特點(diǎn)。(5)單片機(jī)與DSP采用Modbus協(xié)議進(jìn)行通訊，傳輸可靠，信號(hào)穩(wěn)定。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1基于飛輪儲(chǔ)能的直流方式電壓凹陷抑制裝置的主電路原理圖；
[0020]圖2基于飛輪儲(chǔ)能的直流方式電壓凹陷抑制裝置的控制電路框圖；
[0021]圖3基于飛輪儲(chǔ)能的直流方式電壓凹陷抑制裝置充電模式控制結(jié)構(gòu)框圖；
[0022]圖4基于飛輪儲(chǔ)能的直流方式電壓凹陷抑制裝置放電模式控制結(jié)構(gòu)框圖；
[0023]圖5基于飛輪儲(chǔ)能的直流方式電壓凹陷抑制裝置應(yīng)用于交直交變頻器時(shí)的安裝位置圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]基于飛輪儲(chǔ)能的直流方式電壓凹陷抑制裝置由主電路和控制電路組成，主電路負(fù)責(zé)能量的變換和傳輸，控制電路對(duì)主電路的能量傳輸和變換進(jìn)行控制。
[0025]圖1所示為基于飛輪儲(chǔ)能的直流方式電壓凹陷抑制裝置的主電路原理圖，主電路由飛輪、直流無刷電機(jī)(M)、采用全控器件的三相橋式變流電路(VI?V6、VD1?VD6)、直流接觸器(K)構(gòu)成，其中:飛輪處在真空中，飛輪與直流無刷電機(jī)同軸相連，直流無刷電機(jī)可運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，也可運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能；變流電路可工作在逆變狀態(tài)，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，也可工作在整流狀態(tài)，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電；直流接觸器閉合，變流器的直流側(cè)接到直流母線(V+、V-)。[0026]三相橋式變流器的主電路采用半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主電路交流側(cè)為三相對(duì)稱的無中線連接方式接入到直流無刷電機(jī)交流側(cè)，主電路直流側(cè)通過直流接觸器側(cè)接到直流母線，半橋的橋臂由功率開關(guān)管組成。功率開關(guān)管由絕緣柵雙極晶體管和二極管反并聯(lián)連接組成。
[0027]圖2為基于飛輪儲(chǔ)能的直流方式電壓凹陷抑制裝置的控制電路框圖，控制電路中的主芯片DSP對(duì)飛輪的速度閉環(huán)控制，通過驅(qū)動(dòng)電路對(duì)變流電路進(jìn)行控制。單片機(jī)用Modbus協(xié)議與DSP通訊，連接鍵盤和顯示器，鍵盤用于設(shè)置或修改裝置的參數(shù)，顯示器用于顯示裝置的運(yùn)行參數(shù)。
[0028]基于飛輪儲(chǔ)能的直流方式電壓凹陷抑制裝置有如下三種工作模式:充電模式、保持模式、放電模式。
[0029]充電模式下，直流接觸器閉合，變流電路工作在逆變狀態(tài)，直流無刷電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動(dòng)飛輪加速旋轉(zhuǎn)，電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能存儲(chǔ)在飛輪中。當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速，充電結(jié)束，裝置轉(zhuǎn)到保持模式。充電模式用如圖3所示的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制飛輪的轉(zhuǎn)速，均采用PI調(diào)節(jié)器，外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)(ω)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)(i)，用三相六拍120°導(dǎo)通方式控制變流器，對(duì)導(dǎo)通的器件用PWM脈沖控制。變流器輸出交流電壓和電流相位基本相同。
[0030]保持模式下，直流接觸器斷開，變流器不工作，飛輪儲(chǔ)能基本保持。
[0031]當(dāng)由于電網(wǎng)電壓發(fā)生凹陷使直流母線電壓低于下限值，工作在放電模式，直流接觸器閉合，飛輪拖動(dòng)電機(jī)發(fā)出交流電，變流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電供給直流母線，維持直流母線電壓穩(wěn)定。當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常時(shí)，裝置轉(zhuǎn)到充電模式。放電模式用圖4所示的電壓、電流雙閉環(huán)控制直流母線電壓，外環(huán)為電壓環(huán)(Ud)，采用PI調(diào)節(jié)器，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)(iab。)，采用跟蹤控制，用三相六拍120°導(dǎo)通方式控制變流器，對(duì)導(dǎo)通的器件用PWM脈沖控制。變流器輸出交流電壓和電流相位基本相反。
[0032]基于飛輪儲(chǔ)能的直流方式電壓凹陷抑制裝置安裝在對(duì)直流電壓具有低電壓保護(hù)功能的對(duì)電壓暫降敏感的用電設(shè)備的直流母線上，對(duì)電壓凹陷進(jìn)行抑制。裝置保護(hù)交直交變頻器時(shí)，如圖5所示安裝。
【權(quán)利要求】
1.一種基于飛輪儲(chǔ)能的直流方式電壓凹陷抑制裝置，其特征在于:該裝置包括飛輪、直流無刷電機(jī)、三相橋式變流器、直流接觸器和控制模塊，飛輪處在真空中，飛輪與直流無刷電機(jī)同軸相連，直流無刷電機(jī)與三相橋式變流電路的交流側(cè)相連，三相橋式變流電路的直流側(cè)串聯(lián)直流接觸器后接到直流母線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓凹陷抑制裝置，其特征在于:所述的三相橋式變流器的主電路采用半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主電路交流側(cè)采用三相對(duì)稱的無中線連接方式接入到直流無刷電機(jī)交流側(cè)，主電路直流側(cè)通過直流接觸器接到直流母線，主電路的每個(gè)橋臂由功率開關(guān)管組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電壓凹陷的抑制裝置，其特征在于:所述的功率開關(guān)管由絕緣柵雙極晶體管和二極管反并聯(lián)連接組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓凹陷抑制裝置，其特征還包括:所述的控制模塊包括直流電源、驅(qū)動(dòng)電路、DSP、單片機(jī)、調(diào)理電路、溫度檢測(cè)單元、電壓檢測(cè)單元、電流檢測(cè)單元、速度檢測(cè)單元、鍵盤輸入和液晶顯示；溫度檢測(cè)單元、電壓檢測(cè)單元、電流檢測(cè)單元、速度檢測(cè)單元采集的信號(hào)分別通過調(diào)理電路傳送給DSP，DSP通過驅(qū)動(dòng)電路對(duì)變流電路進(jìn)行控制，單片機(jī)分別與DSP、鍵盤輸入和液晶顯示連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的基于飛輪儲(chǔ)能的直流方式電壓凹陷抑制方法，包括以下步驟: 步驟1、充電模式，直流接觸器閉合，三相橋式變流器的變流電路工作在逆變狀態(tài)，直流無刷電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動(dòng)飛輪加速旋轉(zhuǎn)，電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能存儲(chǔ)在飛輪中，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速，充電結(jié)束，裝置轉(zhuǎn)到保持模式； 步驟2、保持模式，直流接觸器斷開，變流器不工作，飛輪儲(chǔ)能保持； 步驟3、放電模式，電網(wǎng)電壓發(fā)生凹陷使直流母線電壓低于下限值時(shí)，直流接觸器閉合，飛輪拖動(dòng)電機(jī)發(fā)出交流電，變流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電供給直流母線，維持直流母線電壓穩(wěn)定。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電壓凹陷的抑制方法，其特征還包括:所述的直流無刷電機(jī)既可運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)，也可運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)；運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能儲(chǔ)存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪上，運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，將儲(chǔ)存在飛輪上的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電壓凹陷的抑制方法，其特征還包括:所述的變流電路可工作在逆變狀態(tài)，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，也可工作在整流狀態(tài)，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，直流接觸器閉合，變流器的直流側(cè)接到直流母線。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電壓凹陷的抑制方法，其特征在于:充電模式下，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制飛輪的轉(zhuǎn)速，用三相六開120°導(dǎo)通方式控制變流器，對(duì)導(dǎo)通的器件用PWM脈沖控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電壓凹陷的抑制方法，其特征在于:放電模式下，電壓、電流雙閉環(huán)控制直流母線電壓，用三相六開120°導(dǎo)通方式控制變流器，對(duì)導(dǎo)通的器件用PWM脈沖控制。
【文檔編號(hào)】H02J3/12GK103532159SQ201310439969
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月25日
【發(fā)明者】鄭常寶, 高斌, 李懷遷, 包自力, 蘇國(guó)友, 馮文雄, 夏冰 申請(qǐng)人:馬鋼(集團(tuán))控股有限公司, 馬鞍山鋼鐵股份有限公司