动力机械装置试验电力回收装置及其控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种动力机械装置试验电力回收装置，包括整流器和电力储存装置，所述整流器的交流输入端用于连接和动力机械装置相连的发电机的交流输出端，所述整流器的直流输出端连接所述电力储存装置的输入端。在本发明的动力机械装置试验电力回收装置中，动力机械装置试验产生的所有或部分电力被电力储存装置储存，然后以一定的方式进行释放，使得输出至电网或负载的电力稳定，避免了可能给负载带来的危害以及给电网带来的冲击，并且能够全部回收动力机械装置实验所产生的电力。
【专利说明】动力机械装置试验电力回收装置及其控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种动力机械装置试验电力回收装置及其控制系统。
【背景技术】
[0002]动力机械装置实验阶段的电力回收利用，是普遍关注的节能课题其中，关于柴油机试验阶段的电力回收方向的研究较多。
[0003]现有技术中，主要有三种用于柴油机试验的电力回收系统。第一种为柴油机驱动型发电机系统，在第一种系统中，由柴油机及发电机组产生的交流电在整流之后转化为直流电，然后直流电牵引直流电动机和交流同步发电机组以获得交流电并反馈至电网。采用第一种系统进行电力回收是运行柴油机试验的较为稳定可靠的方法，它已经在几个机车车辆公司中采用，例如中国南车戚墅堰机车车辆有限公司和中国北车大连机车车辆有限公司。然而，采用第一种系统进行电力回收存在多种问题，例如输出不稳定、设备成本高、回收效率低、以及操作和机械方面的诸多问题。
[0004]第二种和第三种系统属于直接转换的一类。由柴油机及发电机组产生的交流电通过整流器进行处理，然后转换为50HZ交流电并且通过晶闸管(SCR)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)反馈至电网。直接转换能量回收装置不具有运动部件，并且容易将电力反馈至电网，但是在交流电波形中仍然具有高次谐波。采用第二种和第三种系统进行电力回收的效率高、成本低，规避了采用第一种系统的大部分限制。目前，在柴油机试验中，资阳内燃机车厂、中国南车戚墅堰机车车辆有限公司和四方车辆有限公司都利用晶闸管静逆变器来回收电力。
[0005]然而，由于晶闸管是半控型开关元件，通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断，这容易导致导通失败。因此要求限制逆变器的角度，否则逆变器将会频繁地工作，增加了系统损耗并且容易导致电力间歇现象、电网电流波形畸变、高次谐波增加以及输入功率因数低等问题。因此采用晶闸管的第二种系统没能满足应用于柴油机试验的全工况能量回收的要求。
[0006]伴随着全控型器件(例如IGBT)被用作主要的电力开关器件，用于能量反馈控制系统的全控型电力开关元件有源逆变电路已经变成研究的焦点。第三种系统采用的IGBT直接转换方法与SCR直接转换方法相比，IGBT直接转换方法扩展了输入电压范围并且当直流输入超过200V时更适于工作。IGBT技术输出的电压和电流的波形很好，并且具有简单的滤波。SCR转换技术输出的波形相对较差，并且需要更大的容量和更复杂的滤波器，否则，较差的电力质量将给电网带来更大的干扰。
[0007]综上所述，现有技术中柴油机试验产生的电力在直接转换之后直接连接至电网或负载，而柴油机的测试过程中的输出功率会剧烈变化，因此导致输出至电网或负载的电力不稳定，这可能给负载带来危害或给电网带来冲击。现有技术中的其他动力机械装置试验电力的回收同样存在上述问题。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种动力机械装置试验电力回收装置，以解决现有技术中因动力机械装置试验产生的电力在直接转换之后直接连接至电网或负载而导致的输出至电网或负载的电力不稳定，可能给负载带来危害或给电网带来冲击的问题。
[0009]为了实现上述目的，本发明的第一个方面提供了 一种动力机械装置试验电力回收装置，包括整流器和电力储存装置，所述整流器的交流输入端用于连接和动力机械装置相连的发电机的交流输出端，所述整流器的直流输出端连接所述电力储存装置的输入端。
[0010]在本发明的动力机械装置试验电力回收装置中，所述电力储存装置可包括化学储能装置和/或物理储能装置。优选地，所述化学储能装置可包括一个电池或由多个电池组成的电池组,所述电池组中的各个电池并联或串联连接。而所述电池组中的各个电池可以是相同种类或不同种类的电池。同样优选地，所述物理储能装置为压缩空气储能装置和/或飞轮储能装置。
[0011 ] 在本发明的一个实施方式中，所述电力储存装置还包括与所述一个电池或所述电池组并联或串联连接的超级电容器。
[0012]在本发明的动力机械装置试验电力回收装置中，所述电力储存装置还可以包括与所述一个电池或所述电池组并联或串联连接的压缩空气储能装置和/或飞轮储能装置。
[0013]在本发明的一个实施方式中，所述电力存储装置的输出端用于连接直流负载。
[0014]在本发明的另一个实施方式中，还包括逆变器，所述逆变器的直流端连接所述电力存储装置的输出端。所述逆变器的交流端可用于连接交流负载。或者，根据本发明的一个实施方式，进一步包括变压器，所述变压器的一端连接所述逆变器的交流端。而所述变压器的另一端可以用于连接电网。另外，所述逆变器可以是双向逆变器(储能逆变器)。
[0015]在本发明的上述各种实施方式中，所述动力机械装置可以为内燃机或电动机。
[0016]为了有效监控上述动力机械装置试验电力回收装置的回收过程，本发明的第二个方面提供了一种上述动力机械装置试验电力回收装置的控制系统，包括用于控制和调整电力的整流和转换以及决定电流的方向和充电/放电过程的电力控制子系统和用于监控和管理所述电力储存装置的电力存储子系统。
[0017]为了达到远程和/或实时监控的目的，本发明的控制系统还可以包括主控模块，所述主控模块与所述电力管理模块和储能管理模块通过有线或无线连接以对所述电力控制子系统和电力存储子系统实施监控。
[0018]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:在本发明的动力机械装置试验电力回收装置中，动力机械装置试验产生的所有或部分电力首先被电力储存装置储存和回收，然后电力储存装置根据动力机械装置输出的特点以特定的方式充放电，使得输出至电网或负载的电力稳定，避免了可能给负载带来的危害以及给电网带来的冲击。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明实施例一的柴油机试验电力回收装置的结构示意图；
[0020]图2为本发明实施例二的柴油机试验电力回收装置的结构示意图；
[0021]图3为本发明实施例三的柴油机试验电力回收装置的结构示意图；
[0022]图4为本发明实施例四的柴油机试验电力回收装置的结构示意图；[0023]图5为本发明实施例五的柴油机试验电力回收装置的结构示意图；
[0024]图6为本发明实施例六的柴油机试验电力回收装置的结构示意图；
[0025]图7为本发明实施例七的柴油机试验电力回收装置的结构示意图；
[0026]图8为本发明实施例八的柴油机试验电力回收装置的结构示意图；
[0027]图9为本发明实施例九的柴油机试验电力回收装置的结构示意图；
[0028]图10为本发明的柴油机试验电力回收装置的控制系统的一个实施方式示意图。
[0029]主要附图标记说明:
[0030]1、柴油机2、发电机
[0031]3、整流器4、电池
[0032]5、逆变器6、变压器
[0033]7、电网8、直流负载
[0034]9、交流负载10、超级电容器
[0035]11、电力控制子系统12、主控模块
[0036]13、电池子系统14、负载
[0037]15、外部通信模块
[0038]111、电力控制系统控制电路112、通信模块
[0039]113、电池管理系统114、锂离子电池监控器
[0040]115、铅酸电池监控器401、锂离子电池
[0041]402、铅酸电池
【具体实施方式】
[0042]下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
[0043]本发明的各个实施例提供的动力机械装置试验电力回收装置用于回收动力机械装置(如电动机或内燃机)试验过程中产生的电力，在本发明中仅以回收柴油机试验过程中产生的电力为例进行说明，但并不以此为限定。
[0044]实施例一:
[0045]如图1所示，实施例一的柴油机试验电力回收装置包括整流器3、电池4、逆变器5和变压器6。整流器3的交流输入端连接发电机2的交流输出端，整流器3的直流输出端连接电池4的输入端(即充电端)，电池4的输出端(即供电端)连接逆变器5直流端，逆变器5的交流端连接变压器6的一端，变压器6的另一端连接电网7。
[0046]采用实施例一的电力回收装置进行电力回收时，柴油机I和发电机2产生的交流电力首先通过整流器3进行整流转换为直流电，然后将直流电力储存在电池4中，即采用电池4吸收柴油机试验产生的电力，最后通过用于DC-AC转换的逆变器5和变压器6将电力反馈至电网7。
[0047]在实施例一的电力回收装置中，柴油机试验产生的所有或部分电力首先被电池4储存和回收，然后电力储存装置4根据柴油机输出的特点以特定的方式充放电，使得输出至电网7的电力稳定，避免了可能给电网7带来的冲击。
[0048]在本实施例中，作为优选实施方式，逆变器5为双向逆变器。
[0049]实施例二:[0050]如图2所示，实施例二的柴油机试验电力回收装置包括整流器3和电池4，整流器3的交流输入端连接发电机2的交流输出端，整流器3的直流输出端连接电池4的输入端(即充电端)，电池4的输出端(即供电端)连接直流负载8。
[0051]采用实施例二的电力回收装置进行电力回收时，柴油机I和发电机2产生的交流电力首先通过整流器3进行整流转换为直流电，然后将全部或部分直流电力储存在电池4中，即采用电池4吸收柴油机试验产生的电力，最后通过电池4为直流负载8进行供电。
[0052]在实施例二的电力回收装置中，由于柴油机试验产生的所有或部分电力首先被电池4储存和回收，然后电力储存装置4根据柴油机输出的特点以特定的方式充放电，使得输出至电网8的电力稳定，避免了可能给电网8带来的冲击。
[0053]实施例三:
[0054]如图3所示，实施例三的柴油机试验电力回收装置包括整流器3、电池4和逆变器
5。整流器3的交流输入端连接发电机2的交流输出端，整流器3的直流输出端连接电池4的输入端(即充电端)，电池4的输出端(即供电端)连接逆变器5直流端，逆变器5的交流端连接交流负载9。
[0055]采用实施例三的电力回收装置进行电力回收时，柴油机I和发电机2产生的交流电力首先通过整流器3进行整流转换为直流电，然后将直流电力储存在电池4中，即采用电池4吸收柴油机试验产生的电力，最后通过用于DC-AC转换的逆变器5将电力转换为交流电，从而为交流负载9进行供电。
[0056]在实施例三的电力回收装置中，由于柴油机试验产生的所有或部分电力首先被电池4储存和回收，然后电力储存装置4根据柴油机输出的特点以特定的方式充放，使得输出至电网9的电力稳定，避免了可能给电网9带来的冲击。
[0057]实施例四?六:
[0058]如图4、图5和图6所示，实施例四、实施例五和实施例六的电力回收装置与实施例一、实施例二和实施例三的电力回收装置的区别在于，采用由两个或两个以上的并联或串联连接的电池4组成的电池组吸收柴油机试验产生的电力，能够得到更好的电力回收效果。电池组中的各个电池可以是相同种类的电池，也可以是不同种类的电池，例如可以是锂电池或铅酸电池。
[0059]实施例七?九:
[0060]如图7、图8和图9所示，实施例七、实施例八和实施例九的电力回收装置与实施例一、实施例二和实施例三的电力回收装置的区别在于，采用两个或两个以上的并联连接的电力储存装置(例如采用并联连接的电池4和超级电容器10)吸收柴油机试验产生的电力，能够得到更好的电力回收效果。此外，也可以在实施例四、实施例五和实施例六的电力回收装置的电池组上并联连接超级电容器10来吸收柴油机试验产生的电力，同样能够得到更好地电力回收效果。这里使用的超级电容器10也可以采用其他电力储存装置进行替代，例如现有技术中的压缩空气储能装置或飞轮储能装置等。
[0061]实施例十:
[0062]图10为本发明的柴油机试验电力回收装置的控制系统的一种实施方式示意图。如图10所示，控制系统主要包括:主控模块12，电力控制子系统11以及电力存储子系统(电池子系统13)。[0063]在本实施例的控制系统控制的电力储存装置中，包括两种不同类型的电池401、402，在实际应用中是基于应用需求选择电力储存装置的，根据不同需求，可以使用一种或多种类型的电力储存装置。为了例证目的，在图10中使用了锂离子电池401和铅酸电池402。电池子系统13包括储能管理模块(包括电池管理系统113、锂离子电池监控器114和铅酸电池监控器115)，锂离子电池监控器114和铅酸电池监控器115分别用于监控锂离子电池401和铅酸电池402。
[0064]电力控制子系统11用于控制和调整电力的整流和转换，并且决定电流的方向和充电/放电过程。电力控制子系统11包括电力管理模块(电力控制系统控制电路111和通信模块112)。电力控制系统控制电路111可以看作整个电力控制子系统11的大脑，它基于来自电池管理系统(BMS) 113的信号监控电池401、402的充电条件。
[0065]电力控制子系统11监控电网7、负载14和柴油机试验条件，并决定本发明的电力回收装置采用如下三种操作模式:
[0066]I)当柴油机试验产生的电力充足时，电力控制子系统11利用电力储存装置调整、平滑对负载14的电力输出，并将多余电力储存至能量储存系统或在负载14中使用电力(例如水浴);
[0067]2)当柴油机试验产生的电力不充足时，为了在电网7和能量储存系统之间转换以供应稳定的电力，需要采用双向电力电路；并且，电力控制子系统11利用电力储存装置调整、平滑对负载14的电力输出；
[0068]3)当没有进行试验并且能量储存系统达到充满状态时，能量储存系统可以用作UPS(不间断电源)系统以防紧急情况(例如电网7出现问题时)。
[0069]通信模块112是电力控制子系统11的接口。电池管理系统(BMS)113和主控模块12通过通信模块112与电力控制系统控制电路111进行通信。通信模块112的输出包括报警信号、内部网络信号、计算终端信号和互联网通信信号。通信模块112通过与主控模块12进行通信决定电力控制子系统11的操作。基于来自主控模块12和通信模块112的输入，电力控制子系统11控制逆变器在电池和内部网络之间运行。逆变器是双向的，其允许电力从电池流至内部网络，并且允许将电力储存在电池中。
[0070]主控模块12可以看作整个电力回收装置和控制系统的智能中心。其持续地监控电力和负载的输出，并且米取相应的措施，其同时也监控电力输出的质量。与此同时，主控模块12基于柴油机输出和负载做出正确的决定。此外，它也监控电池管理系统(BMS) 113，这决定了电池401、402的充电状态或者输出能力。主控模块12能够通过外部通信模块15与外部系统(例如内网和外网的SCADA系统、及外部计算机显示器)进行通信以远距离控制整个系统。
[0071]以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种动力机械装置试验电力回收装置，包括整流器和电力储存装置，所述整流器的交流输入端用于连接和动力机械装置相连的发电机的交流输出端，所述整流器的直流输出端连接所述电力储存装置的输入端。
2.根据权利要求1所述的动力机械装置试验电力回收装置，其中，所述电力储存装置包括化学储能装置和/或物理储能装置。
3.根据权利要求2所述的动力机械装置试验电力回收装置，其中，所述化学储能装置包括一个电池或由多个电池组成的电池组，所述电池组中的各个电池并联或串联连接。
4.根据权利要求3所述的动力机械装置试验电力回收装置，所述电池组中的各个电池为相同种类或不同种类的电池。
5.根据权利要求2所述的动力机械装置试验电力回收装置，其中，所述物理储能装置为压缩空气储能装置和/或飞轮储能装置。
6.根据权利要求3所述的动力机械装置试验电力回收装置，其中，所述电力储存装置还包括与所述一个电池或所述电池组并联或串联连接的超级电容器。
7.根据权利要求3所述的动力机械装置试验电力回收装置，其中，所述电力储存装置还包括与所述一个电池或所述电池组并联或串联连接的压缩空气储能装置和/或飞轮储能装置。
8.根据权利要求1所述的动力机械装置试验电力回收装置，其中，所述电力存储装置的输出端用于连接直流负载。
9.根据权利要求1所述的动力机械装置试验电力回收装置，其中，还包括逆变器，所述逆变器的直流端连接所述电力存储装置的输出端。
10.根据权利要求9所述的动力机械装置试验电力回收装置，其中，所述逆变器的交流端用于连接交流负载。
11.根据权利要求9所述的动力机械装置试验电力回收装置，其中，进一步包括变压器，所述变压器的一端连接所述逆变器的交流端。
12.根据权利要求11所述的动力机械装置试验电力回收装置，其中，所述变压器的另一端用于连接电网。
13.根据权利要求9所述的动力机械装置试验电力回收装置，其中，所述逆变器为双向逆变器。
14.根据权利要求1所述的动力机械装置试验电力回收装置，其中，所述动力机械装置为内燃机或电动机。
15.一种如权利要求1至14中任一项所述的动力机械装置试验电力回收装置的控制系统，包括用于控制和调整电力的整流和转换以及决定电流的方向和充电/放电过程的电力控制子系统和用于监控和管理所述电力储存装置的电力存储子系统。
16.根据权利要求15所述的控制系统，其中，还包括主控模块，所述主控模块与所述电力管理模块和储能管理模块通过有线或无线连接以对所述电力控制子系统和电力存储子系统实施监控。
【文档编号】H02J3/28GK103812124SQ201210457541
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月14日 优先权日:2012年11月14日
【发明者】王宪宏, 何广利, 金虹, 任瑜, 胡金岷 申请人:神华集团有限责任公司, 北京低碳清洁能源研究所