CN103117558A - 具有lcl滤波功能的电梯能量回馈装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有LCL滤波功能的电梯能量回馈装置，该装置电路包括外部三相交流电网电源、不可控整流桥模块、变频器功率模块、电梯曳引机及并网逆变器，还包括有LCL并网滤波器、直流母线滤波电容及隔离二极管，不可控整流桥模块将外部电网三相交流信号整流后由直流母线输出，变频器功率模块与直流母线的正负输出端连接，对直流信号进行逆变处理后输出给电梯曳引机，并网逆变器的输入端分别与直流母线的正负端连接，并网逆变器的输出端与外部电网连接，LCL并网滤波器连接在并网逆变器的三相输出与外部三相交流电网之间；直流母线滤波电容并联在直流母线的正负两端；隔离二极管连接在直流母线正极与并网逆变器的输入正极之间。本发明无论从体积、成本，特别是针对开关频率的高次谐波滤波效果更优。

Description

具有LCL滤波功能的电梯能量回馈装置

技术领域

本发明属于电梯变频调速传动控制技术领域，尤其涉及一种具有LCL滤波功能的电梯能量回馈装置。

背景技术

在变频调速传动***中，特别是电梯曳引机拖动***，电机有相当一部分时间是处于再生发电状态。这部分再生电能通过电机和变频器转换为直流电能，作用于中间直流滤波电容上并产生泵升电压。为了防止这部分储存在直流滤波电容上的再生能量因不能及时释放而威胁***安全，同时出于节能问题考虑，要求再次利用这部分再生电能，由此电梯再生电能能量回馈技术受到人们广泛关注。

目前，国内外对电梯能量回馈技术已有一定的研究基础。传统的能量回馈单元是在原有的变频驱动***基础上，将功率开关管模块组成的有源逆变单元直接作为变频拖动***的***电路，并联在变频器直流侧和三相电网之间，从而将再生电能回馈至电网。能量回馈技术中一个至关重要的问题在于并网能量的谐波处理。传统的能量回馈单元大都采取单L型或CL型滤波电路，这两类电路电路结构简单、控制方法成熟。但针对单L型滤波器而言，为了在开关频率或特定频率的高次谐波处获得足够大的衰减幅度，其滤波电感通常取值较大，由此不仅造成整个能量回馈单元体积庞大，而且增加了***的成本。而就CL型滤波电路而言，由于整个电机变频拖动***整体上呈现阻感负载特性，因此很大程度上会相互作用而引发***谐振，由此导致***稳定性变差。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种具有LCL滤波功能的电梯能量回馈装置，本发明所使用的并网滤波器LCL电路结构，不但有效滤除掉回馈电网的有害谐波，同时有效避免零阻抗谐振点的出现。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种具有LCL滤波功能的电梯能量回馈装置，该装置电路包括外部三相交流电网电源、不可控整流桥模块、变频器功率模块、电梯曳引机及并网逆变器，外部三相交流电网电能经不可控整流桥模块将三相交流信号整流为直流信号由直流母线输出，变频器功率模块与直流母线的正负输出端连接，对直流信号进行逆变处理，然后输出电梯曳引机所需要频率的三相交流信号；并网逆变器的输入端与直流母线的正负输出端连接，并网逆变器的输出端与外部三相交流电网连接，本发明的创新点是：该电路还包括LCL并网滤波器、直流母线滤波电容及隔离二极管，所述LCL并网滤波器连接在并网逆变器的三相输出与外部三相交流电网之间；所述直流母线滤波电容并联在不可控整流桥模块的直流母线的正负输出两端；所述隔离二极管的P极连接直流母线的正极端，N极连接并网逆变器的直流输入信号的正极。

而且，所述LCL并网滤波器由网侧滤波电感L₁₁、L₁₂、L₁₃，滤波电容C₁、C₂、C₃、阻尼电阻R₁、R₂、R₃以及逆变器侧滤波电感L₂₁、L₂₂、L₂₃组成，LCL并网滤波器的逆变器侧滤波电感L₂₁、L₂₂、L₂₃分别连接并网逆变器的三相交流输出端，LCL并网滤波器网侧滤波电感L₁₁、L₁₂、L₁₃分别与外部三相交流电网的a、b、c相连接，同时，在滤波电感L₂₁与L₁₁、L₂₂与L₁₂、L₂₃与L₁₃连接的节点处，分别连接由R₁与C₁串联、R₂与C₂串联、R₃与C₃串联后组成的滤波阻尼电路。

而且，所述LCL并网滤波器电路为对称型电路，采用C₁=C₂=C₃=C，L_i1=L_i2=L_i3=L_i（i=1,2）的对称型电路。

而且，所述LCL并网滤波器电路中R_j的取值为：

本发明专利的优点和积极效果是：

1、本发明实现电梯能量回馈技术的同时，不影响原电梯变频驱动电路拓扑结构。

2、本发明采用LCL电路结构的并网滤波器，无论从电路的体积、成本，还是滤波性能，特别是针对开关频率或特定频率的高次谐波的滤波效果更加优越。

3、本发明所采用的LCL滤波器的拓扑结构，在每条滤波电容支路上分别串入一个阻尼电阻，有效地避免零阻抗谐振点的出现，增加了***的稳定性。

附图说明

图1为本发明电路电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明专利实施例做进一步详述：需要强调的是，本发明的实施例是说明性的，而不是限定性的，不能以本实施例作为对本发明专利的限定。

一种具有LCL滤波功能的电梯能量回馈装置，如图1所示，包括外部三相交流电网电源1、不可控整流桥模块2、变频器功率模块4、电梯曳引机5以及并网逆变器7，外部三相交流电网电能经不可控整流桥模块将三相交流信号整流为直流信号由直流母线输出，变频器功率模块与直流母线的正负输出两端连接，对直流信号进行逆变处理，然后输出电梯曳引机所需要频率的三相交流信号；并网逆变器的输入端与直流母线的正负输出两端连接，并网逆变器的输出端与外部三相交流电网连接，本发明的创新点是，

该电路还包括LCL并网滤波器8、直流母线滤波电容3及隔离二极管6，所述LCL并网滤波器连接在并网逆变器的三相输出与外部三相交流电网之间；所述直流母线滤波电容并联在不可控整流桥模块的直流母线的正负输出两端；所述隔离二极管的P极连接直流母线的正极端，N极连接并网逆变器的直流输入信号的正极。

在本发明的具体实施中，如图1所示，LCL并网滤波器由网侧滤波电感L₁₁、L₁₂、L₁₃，滤波电容C₁、C₂、C₃、阻尼电阻R₁、R₂、R₃以及逆变器侧滤波电感L₂₁、L₂₂、L₂₃组成，LCL并网滤波器的逆变器侧滤波电感L₂₁、L₂₂、L₂₃分别连接并网逆变器的三相交流输出端，LCL并网滤波器网侧滤波电感L₁₁、L₁₂、L₁₃分别与外部三相交流电网的a、b、c相连接，同时，在滤波电感L₂₁与L₁₁、L₂₂与L₁₂、L₂₃与L₁₃连接的节点处，分别连接由R₁与C₁串联、R₂与C₂串联、R₃与C₃串联后组成的滤波阻尼电路。

根据电网各相对称的特性，LCL并网滤波器电路为对称型电路，相应的滤波电容采用C₁=C₂=C₃=C，电感采用L_i1=L_i2=L_i3=L_i（i=1,2）的对称型电路。

在本发明的具体实施中，R_j的取值一方面结合其他滤波元件的取值，以使谐振频率f₀避开敏感频段，特别是开关频率及其倍数频率处。同时，综合考虑***损耗和稳定性特性，一般设定 $R_j=\frac{1}{3\×2\mathrm{\π}{f}_0{C}_j}.$

在本发明的具体实施中，对于LCL并网滤波器各项参数L_ij以及C_j(i=1,2;j=1,2,3)，根据现有知识进行初步设定，然后通过仿真或硬件测试进行调整修正。

本发明的工作原理

1，电梯曳引机5处于电动状态

此时，电梯变频驱动部分工作，并网逆变器和LCL并网滤波器暂停工作。

外部三相交流电网首先经不可控整流桥模块将三相交流信号整流为直流信号。直流母线滤波电容并联在不可控整流桥模块的直流母线的正负输出两端，对不可控整流桥模块输出的直流信号进行滤波处理。变频器功率模块与直流母线的正负输出两端连接，对直流母线滤波电容滤波处理后的直流信号进行逆变处理，输出电梯曳引机所需要频率的三相交流信号，最终曳引机拖动外部电梯对重9及轿箱10运动。

2，电梯曳引机5处于发电状态

此时，电梯变频驱动部分、并网逆变器和LCL并网滤波器三部分均处于工作状态。

当并网逆变器工作时，为防止电能由外部三相交流电网直接经LCL并网滤波器流入并网逆变器，从而在并网逆变器和变频器功率模块之间形成环流，导致电梯能量回馈电路不能正常工作，因此，在并网逆变器输入端口增加一个隔离二极管。隔离二极管的P极连接直流母线的正极端，N极连接并网逆变器的直流输入信号的正极侧。

LCL并网滤波器分别由网侧滤波电感L₁₁、L₁₂、L₁₃，滤波电容C₁、C₂、C₃、阻尼电阻R₁、R₂、R₃以及逆变器侧滤波电感L₂₁、L₂₂、L₂₃四部分组成。

并网逆变器的三相交流输出端分别与并网滤波器的逆变器侧滤波电感L₂₁、L₂₂、L₂₃连接；同时，LCL并网滤波器通过网侧滤波电感L₁₁、L₁₂、L₁₃分别与外部三相交流电网电源1的a、b、c相连接。

具体工作过程如下：

电梯曳引机产生再生电能，变频器功率模块将这部分再生电能整流为直流信号，由于不可控整流桥模块的单向导通特性，阻断电梯再生电能直接按原电梯变频驱动单元路径流回电网的通路。此时，直流母线滤波电容端电压泵升，当升高至一定的阈值后，再生电能经过隔离二极管进入并网逆变器，经并网逆变器逆变输出的交流信号通过LCL并网滤波器滤波处理后，回馈至三相交流电网。

本发明提出的具有LCL滤波功能的电梯能量回馈装置，最终回馈至电网再生能量的谐波含量是评价本电路性能的一个重要指标，而影响该谐波含量的关键因素之一是LCL并网滤波器的结构及参数设计。

进一步地，对于本发明提出的LCL并网滤波器的结构为实现用小电感量实现大幅度纹波电流衰减的目标。

LCL并网滤波器电路基本结构包括网侧滤波电感L_1j、滤波电容C_j、阻尼电阻R_j、逆变侧滤波电感L_2j（j=1,2,3）。

其中，阻尼电阻R_j分别与滤波电容C_j的支路相串联，这种结构是因为考虑到无阻尼电阻时，LCL并网滤波器有一个固定的谐振频率f₀，且有

上式中，考虑外部三相电网对称情况下，即LCL滤波器电路结构也对称，相应的有C₁=C₂=C₃=C，L_i1=L_i2=L_i3=L_i（i=1,2）。

因此，用阻尼电阻R_j与滤波电容C_j的串联支路有效地避免了零阻抗谐振点的出现，增加了***的稳定性。

对于LCL并网滤波器的参数设计，当谐波频率较低时，忽略阻尼电阻作用，此时并网滤波器基本参数按单L型滤波器设计；当谐波频率较高时，考虑阻尼电阻R_j的取值大小，具体设计分析如下：

R_j的取值一方面结合其他滤波元件的取值，以使谐振频率f₀避开敏感频段，特别是开关频率及其倍数频率处。同时，综合考虑***损耗和稳定性特性，一般设定

对于其他各项参数L_ij以及C_j(i=1,2;j=1,2,3)，根据现有知识进行初步设定，然后通过仿真或硬件测试进行调整修正，从而保证并网滤波器的滤波效果。

Claims (4)

1.一种具有LCL滤波功能的电梯能量回馈装置，该装置电路包括外部三相交流电网电源、不可控整流桥模块、变频器功率模块、电梯曳引机及并网逆变器，外部三相交流电网电能经不可控整流桥模块将三相交流信号整流为直流信号由直流母线输出，变频器功率模块与直流母线的正负输出端连接，对直流信号进行逆变处理，然后输出电梯曳引机所需要频率的三相交流信号；并网逆变器的输入端与直流母线的正负输出端连接，并网逆变器的输出端与外部三相交流电网连接，其特征在于：

该电路还包括LCL并网滤波器、直流母线滤波电容及隔离二极管，所述LCL并网滤波器连接在并网逆变器的三相输出与外部三相交流电网之间；所述直流母线滤波电容并联在不可控整流桥模块的直流母线的正负输出两端；所述隔离二极管的P极连接直流母线的正极端，N极连接并网逆变器的直流输入信号的正极。

2.根据权利要求1所述的具有LCL滤波功能的电梯能量回馈装置，其特征在于：所述LCL并网滤波器由网侧滤波电感L₁₁、L₁₂、L₁₃，滤波电容C₁、C₂、C₃、阻尼电阻R₁、R₂、R₃以及逆变器侧滤波电感L₂₁、L₂₂、L₂₃组成，LCL并网滤波器的逆变器侧滤波电感L₂₁、L₂₂、L₂₃分别连接并网逆变器的三相交流输出端，LCL并网滤波器网侧滤波电感L₁₁、L₁₂、L₁₃分别与外部三相交流电网的a、b、c相连接，同时，在滤波电感L₂₁与L₁₁、L₂₂与L₁₂、L₂₃与L₁₃连接的节点处，分别连接由R₁与C₁串联、R₂与C₂串联、R₃与C₃串联后组成的滤波阻尼电路。

3.根据权利要求2所述的具有LCL滤波功能的电梯能量回馈装置，其特征在于：所述LCL并网滤波器电路为对称型电路，采用C₁=C₂=C₃=C，L_i1=L_i2=L_i3=L_i（i=1,2）的对称型电路。

4.根据权利要求2所述的具有LCL滤波功能的电梯能量回馈装置，其特征在于：所述LCL并网滤波器电路中R_j的取值为：

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