一种共直流母线多机运行储能系统能量管理控制装置的制作方法

[0001]
本发明属于节能控制技术领域，具体涉及一种共直流母线多机运行储能系统能量管理控制装置。


背景技术：

[0002]
随着工业生产自动化程度的提高，多电机驱动系统广泛应用于纺织、造纸、轧钢、堆垛机等控制系统中。各个电机在驱动过程中存在电动、制动运行状态，制动运行产生的能量多以热量的形式消耗，造成能量损失较大。一种有效的手段就是采用共直流母线方式，将能量集中控制与管理，实现负载之间的能量自我消纳，可以大大提升系统的能量利用率。但这种方式仍然存在制动能量过大，系统内部无法自我消耗的情况，多余的制动能量仍然会使直流母线处的能量聚集，进而造成直流母线电压泵升。
[0003]
目前，现有的解决方案有，一是直流母线通过制动单元将直流母线多余的能量以热量的形式消耗，这样可以保证系统的安全正常运行，但存在制动单元配置不能实时满足系统负载变换的需求，能量损失较大。二是通过回馈单元把多余能量回馈于电网，实现节能，但这样会造成电网电压波动并增加了谐波含量，使电网质量下降。


技术实现要素：

[0004]
本发明提供了一种共直流母线多机运行储能系统能量管理控制装置，其目的在于解决现有装置存在的弊端，从而公开一种制动能量直接回收再利用的共直流母线多机运行储能系统能量管理控制装置。适用于多电机驱动系统的节能控制。
[0005]
为解决上述技术问题，本发明提供了一种共直流母线多机运行储能系统能量管理控制装置，包括主电路单元、信号采集单元和控制单元，其中，所述主电路单元包括三相整流器、滤波电容、制动单元、第一逆变器、第一交流电机、第二逆变器、第二交流电机、双向dc/dc变换器、超级电容模组、直流母线正、直流母线负；所述信号采集单元包括第一电压传感器、第一模数转换电路、第一功率传感器、第二模数转换电路、第二功率传感器、第三模数转换电路、第二电压传感器、第四模数转换电路、电流传感器、第五模数转换电路；所述控制单元包括负载功率计算模块、负载状态判断模块、soc计算模块、制动模式开关、电动模式开关、第一电压给定模块、第一电压调节器、第一加法器、第一电流调节器、第一pwm驱动模块、第一逻辑运算模块、第一动态功率前馈补偿模块、第二电压给定模块、第二电压调节器、第二加法器、第二电流调节器、第二pwm驱动模块、第二逻辑运算模块、第二动态功率前馈补偿模块、选择开关、数模转换电路、制动保护控制模块；
[0006]
u、v、w三相线对应连接至三相整流器的三相输入端，三相整流器的dc+输出端和dc-输出端通过直流母线正和直流母线负连接至第一逆变器直流侧和第二逆变器直流侧，直流母线正和直流母线负之间并联设置滤波电容、第一电压传感器和制动单元；第一逆变器交流侧经第一功率传感器连接至第一交流电机，第二逆变器交流侧经第二功率传感器连接至第二交流电机；双向dc/dc变换器的高压侧+端和-端分别连接直流母线正和直流母线
负，双向dc/dc变换器的低压侧+端通过电流传感器与超级电容模组的+端相连，双向dc/dc变换器的低压侧-端直接与超级电容模组的-端相连，第二电压传感器并联在双向dc/dc变换器和超级电容模组之间；
[0007]
第二模数转换电路连接于第一功率传感器和负载功率计算模块之间，第三模数转换电路连接于第二功率传感器和负载功率计算模块之间，其中第一功率传感器、第二功率传感器分别采集第一交流电机、第二交流电机的功率瞬时值，经由第二模数转换电路、第三模数转换电路转换后输入到负载功率计算模块，负载功率计算模块计算后输出电机总功率值到负载状态判断模块，负载状态判断模块输出电平信号到选择开关端口a2；第一电压传感器采集母线电压实际值，经由第一模数转换电路输送至第一动态功率前馈补偿模块；第二电压传感器采集超级电容电压实际值，经由第四模数转换电路输送至第一动态功率前馈补偿模块；负载功率计算模块输出的电机总功率值输送至第一动态功率前馈补偿模块，第一动态功率前馈补偿模块接收三部分数据，经补偿运算后输出至第一加法器；第一电压调节器根据第一电压给定模块输出的超级电容电压参考值和第四模数转换电路输出的超级电容电压实际值进行调节后输出结果输送至第一加法器，第一加法器输出的信号和第五模数转换电路输出的超级电容电流实际值均输送至第一电流调节器，第一电流调节器输出信号经第一pwm驱动模块后生成pwm信号输送至第一逻辑运算模块；制动模式开关对来自soc计算模块输出的超级电容soc值和第四模数转换电路输出的超级电容电压实际值进行综合判断后结果输出至第一逻辑运算模块，第一逻辑运算模块通过对制动模式开关和第一pwm驱动模块输出信号进行与操作后送至选择开关端口a1；
[0008]
第二电压给定模块给定的母线电压参考值和第一模数转换电路输出的母线电压实际值均输送至第二电压调节器，第二电压调节器输出信号到第二加法器，第二动态功率前馈补偿模块对来自第一模数转换电路的母线电压实际值和负载功率计算模块的电机总功率值进行补偿运算后计算结果输出至第二加法器，第二加法器输出的信号和第五模数转换电路输出的超级电容电流实际值均输送至第二电流调节器，第二电流调节器的输出信号经第二pwm驱动模块生成pwm信号输入到第二逻辑运算模块；电动模式开关对来自soc计算模块输出的soc值和第四模数转换电路输出的超级电容电压实际值进行综合判断也输出至第二逻辑运算模块，第二逻辑运算模块通过对电动模式开关和第二pwm驱动模块输出信号进行与操作后送至选择开关端口a3，当选择开关端口a2为高电平信号时，选择开关接通端口a1，当选择开关端口a2为低电平信号时，选择开关接通端口a3，选择开关的输出经数模转换电路输送至双向dc/dc变换器；
[0009]
其中制动模式开关输出的逻辑信号和第一模数转换电路输出的母线电压实际值均输送至制动保护控制模块，制动保护控制模块经过判断后输出逻辑信号到制动单元。
[0010]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0011]
该多机运行储能系统能量管理控制装置将各个电机驱动系统的逆变器直流侧共接在一起，对所有电机的能量进行统一分配和管理，不仅可以实现多电机之间的能量消纳，而且可以通过直流母线综合回收再利用多电机运行过程中产生的制动能量，通过动态功率前馈补偿策略，实现电机在制动和电动状态下的能量协调分配和平稳运行，提高能量利用率。适用于纺织、造纸、轧钢、堆垛机等多电机驱动系统需要提高能量利用率的场合。
附图说明
[0012]
图1是本发明提供的一种共直流母线多机运行储能系统能量管理控制装置示意图。
[0013]
图中：1.三相整流器；2.滤波电容；3.制动单元；4.第一逆变器；5.第一交流电机；6.第二逆变器；7.第二交流电机；8.双向dc/dc变换器；9.超级电容模组；10.第一电压传感器；11.第一模数转换电路；12.第一功率传感器；13.第二模数转换电路；14.第二功率传感器；15.第三模数转换电路；16.第二电压传感器；17.第四模数转换电路；18.电流传感器；19.第五模数转换电路；20.负载功率计算模块；21.负载状态判断模块；22.soc计算模块；23.制动模式开关；24.电动模式开关；25.第一电压给定模块；26.第一电压调节器；27.第一加法器；28.第一电流调节器；29.第一pwm驱动模块；30.第一逻辑运算模块；31.第一动态功率前馈补偿模块；32.第二电压给定模块；33.第二电压调节器；34.第二加法器；35.第二电流调节器；36.第二pwm驱动模块；37.第二逻辑运算模块；38.；第二动态功率前馈补偿模块；39.选择开关；40.数模转换电路；41.制动保护控制模块；42.直流母线正；43.直流母线负。
具体实施方式
[0014]
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
[0015]
参阅图1，图1是本发明提供的一种共直流母线多机运行储能系统能量管理控制装置示意图。该装置包括：主电路单元、信号采集单元和控制单元，所述主电路单元包括三相整流器1、滤波电容2、制动单元3、第一逆变器4、第一交流电机5、第二逆变器6、第二交流电机7、双向dc/dc变换器8、超级电容模组9、直流母线正42、直流母线负43；所述信号采集单元包括第一电压传感器10、第一模数转换电路11、第一功率传感器12、第二模数转换电路13、第二功率传感器14、第三模数转换电路15、第二电压传感器16、第四模数转换电路17、电流传感器18、第五模数转换电路19；所述控制单元包括负载功率计算模块20、负载状态判断模块21、soc计算模块22、制动模式开关23、电动模式开关24、第一电压给定模块25、第一电压调节器26、第一加法器27、第一电流调节器28、第一pwm驱动模块29、第一逻辑运算模块30、第一动态功率前馈补偿模块31、第二电压给定模块32、第二电压调节器33、第二加法器34、第二电流调节器35、第二pwm驱动模块36、第二逻辑运算模块37、第二动态功率前馈补偿模块38、选择开关39、数模转换电路40、制动保护控制模块41。
[0016]
u、v、w三相线均连接至三相整流器1的输入端，三相整流器1的dc+输出端和dc-输出端分别通过直流母线正42和直流母线负43连接至第一逆变器4、第二逆变器6直流侧，直流母线正42和直流母线负43之间并联有滤波电容2、第一电压传感器10、制动单元3，第一逆变器4交流侧经第一功率传感器12连接至第一交流电机5，第二逆变器6交流侧经第二功率传感器14连接至第二交流电机7；双向dc/dc变换器8的高压侧+端和-端分别连接直流母线正42和直流母线负43，双向dc/dc变换器8的低压侧+端通过电流传感器18与超级电容模组9的+端相连，双向dc/dc变换器8的低压侧-端直接与超级电容模组9的-端相连，第二电压传感器16并联在双向dc/dc变换器8和超级电容模组9之间。
[0017]
其中第一功率传感器12、第二功率传感器14分别采集第一交流电机5、第二交流电机7的功率瞬时值经由第二模数转换电路13、第三模数转换电路15转换后输入到负载功率计算模块20，负载功率计算模块20计算后输出电机总功率值到负载状态判断模块21，负载
状态判断模块21输出电平信号到选择开关39端口a2；第一电压传感器10采集母线电压实际值经由第一模数转换电路11、第二电压传感器16采集超级电容电压实际值经由第四模数转换电路17、负载功率计算模块20输出的电机总功率值均输送至第一动态功率前馈补偿模块31，第一动态功率前馈补偿模块31经补偿运算后输出至第一加法器27；第一电压调节器26根据第一电压给定模块25输出的超级电容电压参考值和第四模数转换电路17输出的超级电容电压实际值进行调节后也输送至第一加法器27，第一加法器27输出的信号和第五模数转换电路19输出的超级电容电流实际值均输送至第一电流调节器28，第一电流调节器28输出信号经第一pwm驱动模块29生成pwm信号输送至第一逻辑运算模块30；制动模式开关23对来自soc计算模块22输出的超级电容soc值和第四模数转换电路17输出的超级电容电压实际值进行综合判断后也输出至第一逻辑运算模块30，第一逻辑运算模块30通过对制动模式开关23和第一pwm驱动模块29输出信号进行与操作后送至选择开关39端口a1。
[0018]
其中第二电压给定模块32输出的母线电压参考值和第一模数转换电路11输出的母线电压实际值均输送至第二电压调节器33，第二电压调节器33输出信号到第二加法器34，第二动态功率前馈补偿模块38对来自第一模数转换电路11的母线电压实际值和负载功率计算模块20的电机总功率值进行补偿运算后也输出至第二加法器34，第二加法器34输出的信号和第五模数转换电路19输出的超级电容电流实际值均输送至第二电流调节器35，第二电流调节器35的输出信号经第二pwm驱动模块36生成pwm信号输入到第二逻辑运算模块37；电动模式开关24对来自soc计算模块22输出的soc值和第四模数转换电路17输出的超级电容电压实际值进行综合判断也输出至第二逻辑运算模块37，第二逻辑运算模块37通过对电动模式开关24和第二pwm驱动模块36输出信号进行与操作后送至选择开关39端口a3，当选择开关39端口a2为高电平信号时，选择开关39接通端口a1，当选择开关39端口a2为低电平信号时，选择开关39接通端口a3，选择开关39的输出经数模转换电路40输送至双向dc/dc变换器8；其中制动模式开关23输出的逻辑信号和第一模数转换电路11输出的母线电压实际值均输送至制动保护控制模块41，制动保护控制模块41经过判断后输出逻辑信号到制动单元3。
[0019]
上述结构中，第一功率传感器12、第二功率传感器14分别采集第一交流电机5、第二交流电机7的瞬时功率值经由第二模数转换电路13、第三模数转换电路15转换后输入到负载功率计算模块20，负载功率计算模块20输出电机总功率值到负载状态判断模块21，电机总功率值计算如式(1)所示：
[0020][0021]
其中p
l
(t)为t时刻多台电机总功率，p
n
(t)为对应的第n台电机t时刻的功率，此公式也适用于n大于2的情形，当电机工作在制动状态时，p
n
(t)<0，当电机工作在电动状态时，p
n
(t)>0，因此多台电机存在四种工作状态，具体如下：
[0022]
状态1：第一交流电机5、第二交流电机7均工作在制动状态，此时负载状态判断模块21检测到p
l
(t)<0,输出高电平信号到选择开关39端口a2，选择开关39接通端口a1，将第一逻辑运算模块30输出的信号经数模转换电路40输送至双向dc/dc变换器8；第一电压传感器10采集母线电压实际值经由第一模数转换电路11、第二电压传感器16采集超级电容电压实际值经由第四模数转换电路17以及负载功率计算模块20输出的电机总功率值均输送至
第一动态功率前馈补偿模块31，第一动态功率前馈补偿模块31经公式(2)运算后输出第一电流补偿值到第一加法器27；其中公式(2)表达式为：
[0023][0024]
其中i
c1
(t)为t时刻第一电流补偿值，
△
p1为第一功率前馈补偿值，u
sc
(t)为超级电容模组9在t时刻的电压值，c
dc
为滤波电容2的电容值，u
d
(t)为t时刻母线电压值，i
sc
(t)为超级电容模组9在t时刻的电流值，k为采样周期数，
△
t为采样周期值。
[0025]
第一电压给定模块25输出的超级电容电压参考值和第四模数转换电路17输出的超级电容电压实际值均输送至第一电压调节器26，第一电压调节器26经调节后输出至第一加法器27，第一加法器27输出的信号和第五模数转换电路19输出的超级电容电流实际值均输送至第一电流调节器28，第一电流调节器28的输出信号经第一pwm驱动模块29生成pwm信号输入到第一逻辑运算模块30。
[0026]
第四模数转换电路17输出超级电容电压实际值到soc计算模块22，超级电容模组9的soc值计算如式(3)：
[0027][0028]
其中soc(t)为超级电容模组9在t时刻的电荷状态值，soc(t0)为超级电容模组9起始t0时刻的电荷状态值，q0是超级电容模组9的额定电荷容量，c为超级电容模组9的电容值，r是超级电容模组9的并联等效电阻，u
sc
(t0)为超级电容模组9的起始t0时刻的电压，u
scmin
为超级电容模组9最小工作电压，u
scmax
为超级电容模组9最大工作电压。
[0029]
soc计算模块22输出的soc值和第四模数转换电路17输出的超级电容电压实际值均输送至制动模式开关23，当soc<soc
max
&u
sc
<u
scmax
时，其中soc
max
为超级电容soc上限值，制动模式开关23输出逻辑1信号到第一逻辑运算模块30，第一逻辑运算模块30将制动模式开关23的逻辑1信号和第一pwm驱动模块29产生的pwm信号相与后输出pwm信号到选择开关39端口a1，选择开关39输出的pwm信号经数模转换电路40输入到双向dc/dc变换器8，双向dc/
dc变换器8开始工作在降压模式，对超级电容模组9充电；当soc>soc
max
或u
sc
>u
scmax
时，制动模式开关23输出逻辑0信号到第一逻辑运算模块30，第一逻辑运算模块30将制动模式开关23的逻辑0信号和第一pwm驱动模块29产生的pwm信号相与后输出逻辑0信号到选择开关39端口a1，选择开关39输出的逻辑0信号经数模转换电路40将双向dc/dc变换器8闭锁，超级电容模组9不工作；此时，制动模式开关23输出的逻辑信号和第一模数转换电路11输出的母线电压均输送至制动保护控制模块41，当制动保护控制模块41检测到母线电压值u
d
>600v和制动模式开关23输入的逻辑0信号时，制动保护控制模块41输出逻辑1信号到制动单元3启动制动电阻，避免系统电压升高，造成系统危险运行。
[0030]
状态2：如第一交流电机5工作在制动状态、第二交流电机7工作在电动状态，且制动功率大于电动功率，此时，第二交流电机7所需的电动功率完全由第一交流电机5的制动功率提供，剩余的制动功率再由储能装置回收，负载状态判断模块21检测到p
l
(t)<0,输出高电平信号到选择开关39端口a2，选择开关39接通端口a1，将第一逻辑运算模块30输出的信号经数模转换电路40输送至双向dc/dc变换器8，此工作过程与状态1相同，在此不赘述。
[0031]
状态3：第一交流电机5、第二交流电机7均工作在电动状态，此时负载状态判断模块21检测到p
l
(t)>0,输出低电平信号到选择开关39端口a2，选择开关39接通端口a3，第二逻辑运算模块37输出的信号经数模转换电路40输入到双向dc/dc变换器8；第一电压传感器10采集母线电压实际值经由第一模数转换电路11和负载功率计算模块20输出的电机总功率值均输送至第二动态功率前馈补偿模块38，第二动态功率前馈补偿模块38经公式(4)计算后输出第二电流补偿值至第二加法器34；其中公式(4)的表达式为：
[0032][0033]
其i
c2
(t)为t时刻第二电流补偿值，
△
p2为第二功率前馈补偿值。
[0034]
第二电压给定模块32输出的母线电压参考值和第一模数转换电路11输出的母线电压实际值均输送至第二电压调节器33，第二电压调节器33经调节后输出至第二加法器34，第二加法器34输出的信号和第五模数转换电路19输出的超级电容电流实际值均输送至第二电流调节器35，第二电流调节器35的输出信号经第二pwm驱动模块36生成pwm信号输入到第二逻辑运算模块37。
[0035]
soc计算模块22输出的soc值和第四模数转换电路17输出的超级电容电压实际值均输送至电动模式开关24，当soc>soc
min
&u
sc
>u
scmin
时，其中soc
min
为超级电容soc下限值，电动模式开关24输出逻辑1信号到第二逻辑运算模块37，第二逻辑运算模块37将电动模式开关23的逻辑1信号和第二pwm驱动模块36产生的pwm信号相与后输出pwm信号到选择开关39端口a3，选择开关39输出的pwm信号经数模转换电路40输入到双向dc/dc变换器8，双向dc/dc变换器8开始工作在升压模式，对超级电容模组9放电；当soc<soc
min
或u
sc
<u
scmin
时，电动模式开关24输出逻辑0信号到第二逻辑运算模块37，第二逻辑运算模块37将电动模式开关24的逻辑0信号和第二pwm驱动模块36产生的pwm信号相与后输出逻辑0信号到选择开关39
端口a3，选择开关39输出的逻辑0信号经数模转换电路40将双向dc/dc变换器8闭锁，超级电容模组9不工作，此时完全由电网提供电机负载所需功率，储能系统不再参与工作。
[0036]
状态4：如第一交流电机5工作在制动状态、第二交流电机7工作在电动状态，且电动功率多于制动功率，此时第一交流电机5产生的制动功率全部提供给第二交流电机7，第二交流电机7所需剩余的电动功率由储能装置或电网提供，负载状态判断模块21检测到p
l
(t)>0,输出低电平信号到选择开关39端口a2，选择开关39接通端口a3，第二逻辑运算模块37输出信号经数模转换电路40输送至双向dc/dc变换器8，此工作过程与状态3相同，在此不赘述。
[0037]
以上实施方式在双电机拖动系统进行了阐述，当在三个及以上电机系统中该实施方式同样适用，在此不进行详细说明。
[0038]
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。