CN104269882A - 能量回馈单元及能量回馈方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能量回馈单元及能量回馈方法，所述能量回馈单元包括用于对电网进行电压采样，并传送给控制模块的三相输入线电压采样模块；用于对电网进行电流采样，并传送给控制模块的电流采样模块；用于对能量回馈单元的母线侧电压进行采样，并传送给控制模块的母线电压采样模块；用于根据三相输入线电压采样模块传送的信号，进行相位自动辨别、自动锁相算法，并用于根据电流采样模块和母线电压采样模块传送的信号，进行双闭环控制算法和零序电流补偿控制算法，以产生驱动第一逆变桥的PWM驱动信号的控制模块。实施本发明的有益效果是，采用零序电流补偿法消除环流，提高供电可靠性；可以实现自动鉴别电网的相位，实现无差并网。

Description

能量回馈单元及能量回馈方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，更具体地说，涉及一种能量回馈单元及能量回馈方法。 

背景技术

随着国家节能减排政策的不断完善以及法制的不断健全，节能环保观念已经深入人心，变频器作为电力电子技术发展的产物，在国民经济的各个领域如冶金、石化、自来水、电力等行业得到广泛的应用，并发挥着越来越重要的作用。变频器是利用半导体功率器件的开通和关断作用将工频电源变换为频率可调的电能变换装置。该装置先把交流电源的电能变换为直流电，再把直流电变换为频率可变的交流电来驱动负载。 

对于应用于电机制动的场合的变频器，一般采用电阻耗能制动方式。该方法虽然简单，但是存在浪费能量、效率低、电阻发热严重、影响***的其他部分正常工作等缺点。 

近几年，能量回馈单元的应用越来越广泛，能量回馈单元主要分为串联式能量回馈单元和并联式能量回馈单元。串联式能量回馈单元虽然有利于增加提高功率因数，提高***的运行性能，并且能够实现能量回馈至电网，但是成本较高、功能单一，再加上一些产品对电网的要求很高，不适合我国的国情。 

并联式能量回馈单元，作为变频器的***设备，并联到变频器的直流侧，将电机制动的再生能量回馈到电网。 

并联式能量回馈单元不必改变变频器的***结构，可以作为一个制动单元使用，因此非常适合我国国情。由于并联式能量回馈单元与变频器母线并联，与电源输入并联，传统的双闭环控制容易出现环路电流，引起电网电压和回馈电流的畸变。另一方面，并联式能量回馈单元在使用时将能量回馈至电网，传统的电能表无法实现反向电流的测量，因此对于回馈电量无法准确测量。 

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述双闭环控制易出现环路电流的缺陷，提供一种能量回馈单元及能量回馈方法。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种能量回馈单元，与变频器并联，所述能量回馈单元包括滤波电路、第一逆变桥，第一逆变桥用于将变频器的直流母线间的电压进行逆变，滤波电路用于滤除逆变后的并网电流中的高次谐波从而将其滤成正弦波并注入电网；其特征在于，还包括：控制模块、三相输入线电压采样模块、电流采样模块和母线电压采样模块； 

三相输入线电压采样模块用于对电网进行电压采样，并进行信号调理后，将电网电压转换为控制模块可接受的电压范围，并传送给控制模块； 

电流采样模块用于对电网进行电流采样，并进行滤波调理后，传送给控制模块； 

母线电压采样模块用于对能量回馈单元的母线侧电压进行采样，并经过滤波调理后传送给控制模块； 

控制模块用于根据三相输入线电压采样模块传送的信号，进行相位自动辨别、自动锁相算法，并用于根据电流采样模块和母线电压采样模块传送的信 号，进行双闭环控制算法和零序电流补偿控制算法，以产生驱动所述第一逆变桥的PWM驱动信号。 

优选的，电流采样模块包括依次连接的加法器、比例运算电路和调理电路，还包括均与加法器连接的三个电流霍尔传感器； 

调理电路与控制模块连接；电流霍尔传感器用于采样电网电流。 

优选的，所述控制模块还用于根据公式计算有功功率，并将得到的有功功率乘以时间得到回馈到电网的总电量，其中，P为有功功率，U为线电压，I为线电流，为***的功率因数。 

优选的，所述相位自动辨别算法包括： 

对采样得到的三相电压进行预锁相；判断相序，若判断结果为反相序，则调换采样结果U_BC和U_CA，并执行锁相算法；若判断结果不为反相序，则不执行相位调整，并结束流程。 

优选的，所述第一逆变桥包括三相桥臂，所述三相桥臂由六个功率开关管组成；所述第一逆变桥用于将变频器的直流母线间的直流电压逆变成交流电压。 

优选的，所述滤波电路包括三个电感。 

另一方面，提供一种能量回馈方法，包括以下步骤： 

对电网进行电压采样，并进行滤波调理； 

对电网进行电流采样，并进行滤波调理； 

对能量回馈单元的母线侧电压进行采样，并进行滤波调理； 

根据采样得到的电网电压，进行相位自动辨别和自动锁相算法； 

根据电流采样和电压采样结果，进行双闭环控制算法和零序电流补偿控制算法，以产生驱动第一逆变桥PWM的驱动信号。 

优选的，所述根据采样得到的电网电压，进行自动锁相算法包括： 

将采样得到的三相电网线电压U_AB、U_BC、U_CA进行电网电压锁相算法，通过锁相环使并网电流相位始终跟踪电网电压相位； 

采用PI调节器控制母线电压，将母线电压稳定于设定的电压值V_dc。 

优选的，所述双闭环控制算法包括以下步骤： 

将母线电压参考值V_dc-ref与母线电压V_dc经加法器后，经过PI调节器，得到有功电流分量的参考值i_{d_ref}； 

将采样并经滤波调理后得到的电网电流i_a、i_b、i_c经三相到两相变换后，再由两相变换到dq坐标系下，得到电流i_d、i_q； 

给定电流的无功分量i_{q_ref}的参考值为0，将i_{q_ref}和i_q经过加法器和PI调节器后，与电流i_d在q轴的电流耦合量相加后得到电压分量V_d，其中，d轴上的电流分量i_d在q轴上的电流耦合量为+ωLi_d； 

将i_{d_ref}与i_d通过加法器相加，相加后的信号经PI调节器调节，将经PI调节器后的电压、q轴电流的耦合量以及电网电压有功分量U_d通过加法器相加得到电压分量V_q，其中，q轴上的电流分量i_q在d轴上的耦合量为+ωLi_q。 

优选的，所述零序电流补偿控制算法包括：将零序电流的实际值i₀与0经加法器，并经过PI调节器调节后得到电压分量V₀； 

将电压分量V_d、V_q和V₀经过dq0坐标系到αβ0坐标系的转换后，得到V_α、V_β、V₀，然后进行空间矢量调制，获得驱动第一逆变桥的PWM驱动信号； 

其中，i_a、i_b和i_c为通过电流霍尔传感器采样得到的电网电流。 

实施本发明一种能量回馈单元及能量回馈方法，具有以下有益效果：通过 采用零序电流补偿法消除环流，提高供电可靠性，而且可以实现电能表的功能，能够准确的计算出回馈到电网的电量；通过三相输入线电压采样和三相电流的采样，可以实现自动鉴别电网的相位，实现无差并网；实现并联式能量回馈单元安全、可靠、方便的与变频器并联使用；能够实现快速回馈、能够解决传统的并联式能量回馈单元的环流问题，并且不必顾忌接入电网的相位问题，使用更加方便、可靠。 

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中： 

图1是本发明实施例的能量回馈单元与变频器的连接电路图； 

图2是本发明实施例的能量回馈单元的结构框图； 

图3是本发明实施例的控制模块的双闭环控制算法和零序电流补偿控制算法原理图； 

图4是本发明实施例的相位自动辨别的流程图； 

图5是本发明实施例的电流采样模块的结构框图。 

图6是本发明实施例的能量回馈方法的流程图。 

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。 

本发明实施例的并联式能量回馈单元，应用于电机制动场合，与变频器并联使用。本发明实施例的并联式能量回馈单元及能量回馈方法，通过采用零序电流补偿法消除环流，提高供电可靠性，而且可以实现电能表的功能，能够准确的计算出回馈到电网的电量；通过三相输入线电压采样和三相电流 的采样，可以实现自动鉴别电网的相位，实现无差并网。 

参见图1，为本发明实施例的能量回馈单元与变频器的连接电路图。变频器的直流母线P(+)端与能量回馈单元的DC+端相连接，变频器的直流母线N(-)端与能量回馈单元的DC-端相连接。能量回馈单元包括滤波电路2、第一逆变桥1和并联于DC+端和DC-端之间的电容C3和电容C4。滤波电路2与电网10连接。变频器为现有的通用变频器，其包括二极管整流桥(由D1～D6组成)、大容量电容C1、C2和第二逆变桥。电机20连接于第二逆变桥的输出端。 

在电机20电动运行时，由二极管整流桥、大容量电容和第二逆变桥组成的电动供电通路向电机20提供电能。当电机20制动(减速或位能释放)时，变频器的直流母线之间的电压会急剧上升，电机20再生的能量灌入能量回馈单元的直流母线间。能量回馈单元检测到直流母线间的电压高于预定值时，控制第一逆变桥1的工作方式，将直流母线间的电压进行逆变，经滤波电路2后成为近似正弦波电流并注入电网10的R、S、T端。滤波电路2(由电感L1、L2和L3组成)于滤除逆变后的并网电流中的高次谐波从而将其滤成正弦波并注入电网，可有效提高回馈到电网的电流质量。本发明实施例中，逆变桥1为由功率开关管T1-T6组成的三相桥臂，用于将直流电压逆变成交流电压。 

在T1～T6进行PWM开通与关断的同时，电网电压经变频器的输入侧二极管整流桥D1～D6及能量回馈单元的T1～T6形成环流。本发明实施例的能量回馈单元通过采用零序电流补偿法消除环流，提高供电可靠性，详见后续结合图2～图5进行的描述。 

参见图2，本发明实施例的能量回馈单元还包括控制模块3、三相输入线电压采样模块4、电流采样模块5和母线电压采样模块6。三相输入线电压采 样模块4与电网的R、S、T端相连接，并与控制模块3连接。电流采样模块5与电网的R、S、T端相连接，并与控制模块3连接。母线电压采样模块6与能量回馈单元的直流母线侧连接，并与控制模块3连接。 

三相输入线电压采样模块4用于对电网进行电压(U_AB、U_BC、U_CA)采样，并进行信号调理后，将电网电压转换为控制模块3可接受的电压范围，并传送给控制模块3。 

电流采样模块5用于对电网进行电流采样，并进行滤波调理后，传送控制模块3。参见图5，电流采样模块5包括三个电流霍尔传感器41～43、加法器44、比例运算电路45和调理电路46。通过电流霍尔传感器41～43采样电网电流后，采样的电流经加法器44后得到零序电流的瞬时值，再经比例运算电路45和调理电路46后转换为控制模块3可接受的电压范围，并传送给控制模块3。 

母线电压采样模块6用于对能量回馈单元的母线侧电压进行采样，并经过滤波调理后传送给控制模块3，以进行母线电压控制算法。 

控制模块3用于根据三相输入线电压采样模块4传送的信号，进行相位自动辨别、自动锁相算法，并用于根据电流采样模块5和母线电压采样模块6传送的信号，进行双闭环控制算法和零序电流补偿控制算法，以产生驱动第一逆变桥的PWM驱动信号。本发明实施例中，通过自动辨别、自动锁相算法、双闭环控制算法和零序电流补偿算法，使得母线电压稳定于设定值，保证变频器正常运行。通过零序电流补偿的算法，控制第一逆变桥和变频器间的环流基本为0，避免了环流对***稳定性造成影响，避免对电网造成污染，减小了噪声。 

参见图4为本发明实施例的相位自动辨别的流程图。控制模块3根据接收 到的信号，进行相位自动辨别、自动锁相等算法，由此，在相位接反的情况下能量反馈单元仍能正常运行。其中，步骤S1是由三相输入线电压采用模块4实现的。步骤S2～S6由控制模块3实现。在步骤S2中，对采样得到的三相电压进行预锁相；在步骤S3中判断相序，步骤S4中若判断结果为反相序，则在步骤S5中调换采样结果U_BC和U_CA，并在步骤S6中执行锁相算法。若步骤S4中判断结果不为反相序，则不执行相位调整，结束流程。 

具体的，控制模块3根据采样得到的电网电压进行自动锁相算法包括：将采样得到的三相电网线电压U_AB、U_BC、U_CA进行电网电压锁相算法，通过锁相环使并网电流相位始终跟踪电网电压相位；采用PI调节器控制母线电压，将母线电压稳定于设定的电压值V_dc。 

参见图3为双闭环控制原理和零序电流补偿原理的原理图。 

在本发明实施例中，外环采用直流母线电压环，采用PI调节器，将母线电压稳定于设定的电压值。电流环采用i_d、i_q、i₀三个电流环并联的模式，均采用PI调节器，可以实现无差调节，并且能够达到良好的动态性能和稳态精度。 

参见图3，本发明实施例的双闭环控制算法包括： 

将母线电压参考值V_dc-ref与母线电压V_dc经加法器后，经过PI调节器，得到有功电流分量的参考值i_{d_ref}； 

将采样并经滤波调理后得到的电网电流i_a、i_b、i_c经三相(a/b/c)到两相(α/β)变换后，再由两相(α/β)变换到dq坐标系下，得到电流i_d、i_q； 

给定电流的无功分量i_{q_ref}的参考值为0，将i_{q_ref}和i_q经过加法器和PI调节器后，与电流i_d在q轴的电流耦合量相加后得到电压分量V_d，其中，d轴上的电流分量i_d在q轴上的电流耦合量为+ωLi_d； 

将i_{d_ref}与i_d通过加法器相加，相加后的信号经PI调节器调节，将经PI调节器后的电压、q轴电流的耦合量以及电网电压有功分量U_d通过加法器相加得到电压分量V_q，其中，q轴上的电流分量i_q在d轴上的耦合量为+ωLi_q。 

参见图3，控制模块3零序电流补偿法的实现方法为将三相电流经过加法器，转换成三相ABC各相的零序电流分量，然后采用零序电流注入法将零序分量注入控制环中，实现零序电流补偿，消除并联应用模式下的环流问题。具体的，零序电流补偿的实现原理为：与能量回馈单元并联的变频器流过的电流可以看成是能量回馈单元的零序电流，即i_a、i_b和i_c为通过电流霍尔传感器采样得到的电网电流，要控制i₀＝0，就能抑制能量回馈单元与变频器并联时产生的环流。由于环流的控制对***的动态性能要求很高，因此加法部分由硬件完成(参见图5)，直接产生零序电流的实际值i₀。将零序电流的实际值i₀与0经加法器，并经过PI调节器调节后得到电压分量V₀；将电压分量V_d、V_q和V₀经过dq0坐标系到αβ0坐标系的转换后，得到V_α、V_β、V₀，然后进行空间矢量调制，获得驱动第一逆变桥的PWM驱动信号，从而驱动T1～T6将直流母线间的电压进行逆变，逆变后经滤波电路2后成为近似正弦波电流并注入电网10的R、S、T端。 

由此，当外部能量使母线电压升高至设定值时，控制模块3通过如图3所示的控制算法，控制第一逆变桥1的工作方式，将直流母线间的电压进行逆变，经滤波电路2后成为近似正弦波电流并注入电网10的R、S、T端，将母线电压稳定在预设值以下，母线电压环输出作为有功电流的给定。由此，可消除环流，提高供电可靠性。 

此外，本发明实施例中，控制模块3还用于根据公式计算有功功率，并将得到的有功功率乘以时间得到回馈到电网的总电量，其中， P为有功功率，U为线电压，I为线电流，为***的功率因数。线电压U、线电流I可根据三相输入线电压采样模块4和电流采样模块5的采样结果获得。 

参见图6为本发明实施例的能量回馈方法的流程图，该方法包括以下步骤： 

S10、对电网进行电压采样，并进行滤波调理； 

S11、对电网进行电流采样，并进行滤波调理； 

S12、对能量回馈单元的母线侧电压进行采样，并进行滤波调理； 

S13、根据采样得到的电网电压，进行相位自动辨别和自动锁相算法； 

S14、根据电流采样和电压采样结果，进行双闭环控制算法和零序电流补偿控制算法，以产生驱动第一逆变桥PWM的驱动信号。 

根据采样得到的电网电压，进行自动锁相算法包括： 

将采样得到的三相电网线电压U_AB、U_BC、U_CA进行电网电压锁相算法，通过锁相环使并网电流相位始终跟踪电网电压相位； 

采用PI调节器控制母线电压，将母线电压稳定于设定的电压值V_dc。 

双闭环控制算法包括以下步骤： 

将母线电压参考值V_dc-ref与母线电压V_dc经加法器后，经过PI调节器，得到有功电流分量的参考值i_{d_ref}； 

将采样并经滤波调理后得到的电网电流i_a、i_b、i_c经三相(a/b/c)到两相(α/β)变换后，再由两相(α/β)变换到dq坐标系下，得到电流i_d、i_q； 

给定电流的无功分量i_{q_ref}的参考值为0，将i_{q_ref}和i_q经过加法器和PI调节器后，与电流i_d在q轴的电流耦合量相加后得到电压分量V_d，其中，d轴上的电流分量i_d在q轴上的电流耦合量为+ωLi_d； 

将i_{d_ref}与i_d通过加法器相加，相加后的信号经PI调节器调节，将经PI调 节器后的电压、q轴电流的耦合量以及电网电压有功分量U_d通过加法器相加得到电压分量V_q，其中，q轴上的电流分量i_q在d轴上的耦合量为+ωLi_q。 

零序电流补偿控制算法包括：将零序电流的实际值i₀与0经加法器，并经过PI调节器调节后得到电压分量V₀； 

将电压分量V_d、V_q和V₀经过dq0坐标系到αβ0坐标系的转换后，得到V_α、V_β、V₀，然后进行空间矢量调制(SVPWM)，获得驱动第一逆变桥的PWM驱动信号；其中，i_a、i_b和i_c为通过电流霍尔传感器采样得到的电网电流。 

应理解，本发明实施例的方法和上述能量回馈单元是相对应的，其电流采样、母线电压采样等可由上述的电流采样模块5、母线电压采样模块6实现，其双闭环控制算法和零序电流补偿控制算法可参考上述描述，在此不再赘述。 

本发明实施例的能量回馈单元，在与变频器的并联使用中，采用了零序电流补偿的双闭环控制算法，能够有效的消除能量回馈单元与变频器之间的环流，具有安全、可靠，效率高、无干扰等优点，可以实现电网电压相序自动辨别，使用更加方便，采用交流电抗器，可直接并网回馈，无需使用其他附加电路。本发明实施例的并联式能量回馈单元，可应用于需要电机制动的变频器的应用场合，或者是风能、太阳能分布式发电应用场合。 

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。 

Claims (10)

1.一种能量回馈单元，与变频器并联，所述能量回馈单元包括滤波电路(2)、第一逆变桥(1)，第一逆变桥(1)用于将变频器的直流母线间的电压进行逆变，滤波电路(2)用于滤除逆变后的并网电流中的高次谐波从而将其滤成正弦波并注入电网；其特征在于，还包括：控制模块(3)、三相输入线电压采样模块(4)、电流采样模块(5)和母线电压采样模块(6)；

三相输入线电压采样模块(4)用于对电网进行电压采样，并进行信号调理后，将电网电压转换为控制模块(3)可接受的电压范围，并传送给控制模块(3)；

电流采样模块(5)用于对电网进行电流采样，并进行滤波调理后，传送给控制模块(3)；

母线电压采样模块(6)用于对能量回馈单元的母线侧电压进行采样，并经过滤波调理后传送给控制模块(3)；

控制模块(3)用于根据三相输入线电压采样模块(4)传送的信号，进行相位自动辨别、自动锁相算法，并用于根据电流采样模块(5)和母线电压采样模块(6)传送的信号，进行双闭环控制算法和零序电流补偿控制算法，以产生驱动所述第一逆变桥的PWM驱动信号。

2.根据权利要求1所述的能量回馈单元，其特征在于，电流采样模块(5)包括依次连接的加法器(44)、比例运算电路(45)和调理电路(46)，还包括均与加法器连接的三个电流霍尔传感器(41、42、43)；

调理电路(46)与控制模块(3)连接；电流霍尔传感器(41、42、43)用于采样电网电流。

3.根据权利要求1所述的能量回馈单元，其特征在于，所述控制模块(3)还用于根据公式计算有功功率，并将得到的有功功率乘以时间得到回馈到电网的总电量，其中，P为有功功率，U为线电压，I为线电流，为***的功率因数。

4.根据权利要求1所述的能量回馈单元，其特征在于，所述相位自动辨别算法包括：

对采样得到的三相电压进行预锁相；判断相序，若判断结果为反相序，则调换采样结果U_BC和U_CA，并执行锁相算法；若判断结果不为反相序，则不执行相位调整，并结束流程。

5.根据权利要求1所述的能量回馈单元，其特征在于，所述第一逆变桥(1)包括三相桥臂，所述三相桥臂由六个功率开关管组成；所述第一逆变桥(1)用于将变频器的直流母线间的直流电压逆变成交流电压。

6.根据权利要求1所述的能量回馈单元，其特征在于，所述滤波电路包括三个电感(L1、L2、L3)。

7.一种能量回馈方法，其特征在于，包括以下步骤：

对电网进行电压采样，并进行滤波调理；

对电网进行电流采样，并进行滤波调理；

对能量回馈单元的母线侧电压进行采样，并进行滤波调理；

根据采样得到的电网电压，进行相位自动辨别和自动锁相算法；

根据电流采样和电压采样结果，进行双闭环控制算法和零序电流补偿控制算法，以产生驱动第一逆变桥PWM的驱动信号。

8.根据权利要求7所述的能量回馈方法，其特征在于，所述根据采样得到的电网电压，进行自动锁相算法包括：

将采样得到的三相电网线电压U_AB、U_BC、U_CA进行电网电压锁相算法，通过锁相环使并网电流相位始终跟踪电网电压相位；

采用PI调节器控制母线电压，将母线电压稳定于设定的电压值V_dc。

9.根据权利要求8所述的能量回馈方法，其特征在于，所述双闭环控制算法包括以下步骤：

将母线电压参考值V_dc-ref与母线电压V_dc经加法器后，经过PI调节器，得到有功电流分量的参考值i_{d_ref}；

将采样并经滤波调理后得到的电网电流i_a、i_b、i_c经三相到两相变换后，再由两相变换到dq坐标系下，得到电流i_d、i_q；

给定电流的无功分量i_{q_ref}的参考值为0，将i_{q_ref}和i_q经过加法器和PI调节器后，与电流i_d在q轴的电流耦合量相加后得到电压分量V_d，其中，d轴上的电流分量i_d在q轴上的电流耦合量为+ωLi_d；

将i_{d_ref}与i_d通过加法器相加，相加后的信号经PI调节器调节，将经PI调节器后的电压、q轴电流的耦合量以及电网电压有功分量U_d通过加法器相加得到电压分量V_q，其中，q轴上的电流分量i_q在d轴上的耦合量为+ωLi_q。

10.根据权利要求9所述的能量回馈方法，其特征在于，所述零序电流补偿控制算法包括：将零序电流的实际值i₀与0经加法器，并经过PI调节器调节后得到电压分量V₀；

将电压分量V_d、V_q和V₀经过dq0坐标系到αβ0坐标系的转换后，得到V_α、V_β、V₀，然后进行空间矢量调制，获得驱动第一逆变桥的PWM驱动信号；

其中，i_a、i_b和i_c为通过电流霍尔传感器采样得到的电网电流。