動力機械裝置試驗電力回收裝置及其控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種動力機械裝置試驗電力回收裝置，包括整流器和電力儲存裝置，所述整流器的交流輸入端用于連接和動力機械裝置相連的發(fā)電機的交流輸出端，所述整流器的直流輸出端連接所述電力儲存裝置的輸入端。在本發(fā)明的動力機械裝置試驗電力回收裝置中，動力機械裝置試驗產(chǎn)生的所有或部分電力被電力儲存裝置儲存，然后以一定的方式進行釋放，使得輸出至電網(wǎng)或負載的電力穩(wěn)定，避免了可能給負載帶來的危害以及給電網(wǎng)帶來的沖擊，并且能夠全部回收動力機械裝置實驗所產(chǎn)生的電力。
【專利說明】動力機械裝置試驗電力回收裝置及其控制系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種動力機械裝置試驗電力回收裝置及其控制系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]動力機械裝置實驗階段的電力回收利用，是普遍關注的節(jié)能課題其中，關于柴油機試驗階段的電力回收方向的研究較多。
[0003]現(xiàn)有技術中，主要有三種用于柴油機試驗的電力回收系統(tǒng)。第一種為柴油機驅(qū)動型發(fā)電機系統(tǒng)，在第一種系統(tǒng)中，由柴油機及發(fā)電機組產(chǎn)生的交流電在整流之后轉(zhuǎn)化為直流電，然后直流電牽引直流電動機和交流同步發(fā)電機組以獲得交流電并反饋至電網(wǎng)。采用第一種系統(tǒng)進行電力回收是運行柴油機試驗的較為穩(wěn)定可靠的方法，它已經(jīng)在幾個機車車輛公司中采用，例如中國南車戚墅堰機車車輛有限公司和中國北車大連機車車輛有限公司。然而，采用第一種系統(tǒng)進行電力回收存在多種問題，例如輸出不穩(wěn)定、設備成本高、回收效率低、以及操作和機械方面的諸多問題。
[0004]第二種和第三種系統(tǒng)屬于直接轉(zhuǎn)換的一類。由柴油機及發(fā)電機組產(chǎn)生的交流電通過整流器進行處理，然后轉(zhuǎn)換為50HZ交流電并且通過晶閘管(SCR)或絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)反饋至電網(wǎng)。直接轉(zhuǎn)換能量回收裝置不具有運動部件，并且容易將電力反饋至電網(wǎng)，但是在交流電波形中仍然具有高次諧波。采用第二種和第三種系統(tǒng)進行電力回收的效率高、成本低，規(guī)避了采用第一種系統(tǒng)的大部分限制。目前，在柴油機試驗中，資陽內(nèi)燃機車廠、中國南車戚墅堰機車車輛有限公司和四方車輛有限公司都利用晶閘管靜逆變器來回收電力。
[0005]然而，由于晶閘管是半控型開關元件，通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷，這容易導致導通失敗。因此要求限制逆變器的角度，否則逆變器將會頻繁地工作，增加了系統(tǒng)損耗并且容易導致電力間歇現(xiàn)象、電網(wǎng)電流波形畸變、高次諧波增加以及輸入功率因數(shù)低等問題。因此采用晶閘管的第二種系統(tǒng)沒能滿足應用于柴油機試驗的全工況能量回收的要求。
[0006]伴隨著全控型器件(例如IGBT)被用作主要的電力開關器件，用于能量反饋控制系統(tǒng)的全控型電力開關元件有源逆變電路已經(jīng)變成研究的焦點。第三種系統(tǒng)采用的IGBT直接轉(zhuǎn)換方法與SCR直接轉(zhuǎn)換方法相比，IGBT直接轉(zhuǎn)換方法擴展了輸入電壓范圍并且當直流輸入超過200V時更適于工作。IGBT技術輸出的電壓和電流的波形很好，并且具有簡單的濾波。SCR轉(zhuǎn)換技術輸出的波形相對較差，并且需要更大的容量和更復雜的濾波器，否則，較差的電力質(zhì)量將給電網(wǎng)帶來更大的干擾。
[0007]綜上所述，現(xiàn)有技術中柴油機試驗產(chǎn)生的電力在直接轉(zhuǎn)換之后直接連接至電網(wǎng)或負載，而柴油機的測試過程中的輸出功率會劇烈變化，因此導致輸出至電網(wǎng)或負載的電力不穩(wěn)定，這可能給負載帶來危害或給電網(wǎng)帶來沖擊?，F(xiàn)有技術中的其他動力機械裝置試驗電力的回收同樣存在上述問題。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種動力機械裝置試驗電力回收裝置，以解決現(xiàn)有技術中因動力機械裝置試驗產(chǎn)生的電力在直接轉(zhuǎn)換之后直接連接至電網(wǎng)或負載而導致的輸出至電網(wǎng)或負載的電力不穩(wěn)定，可能給負載帶來危害或給電網(wǎng)帶來沖擊的問題。
[0009]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第一個方面提供了 一種動力機械裝置試驗電力回收裝置，包括整流器和電力儲存裝置，所述整流器的交流輸入端用于連接和動力機械裝置相連的發(fā)電機的交流輸出端，所述整流器的直流輸出端連接所述電力儲存裝置的輸入端。
[0010]在本發(fā)明的動力機械裝置試驗電力回收裝置中，所述電力儲存裝置可包括化學儲能裝置和/或物理儲能裝置。優(yōu)選地，所述化學儲能裝置可包括一個電池或由多個電池組成的電池組,所述電池組中的各個電池并聯(lián)或串聯(lián)連接。而所述電池組中的各個電池可以是相同種類或不同種類的電池。同樣優(yōu)選地，所述物理儲能裝置為壓縮空氣儲能裝置和/或飛輪儲能裝置。
[0011 ] 在本發(fā)明的一個實施方式中，所述電力儲存裝置還包括與所述一個電池或所述電池組并聯(lián)或串聯(lián)連接的超級電容器。
[0012]在本發(fā)明的動力機械裝置試驗電力回收裝置中，所述電力儲存裝置還可以包括與所述一個電池或所述電池組并聯(lián)或串聯(lián)連接的壓縮空氣儲能裝置和/或飛輪儲能裝置。
[0013]在本發(fā)明的一個實施方式中，所述電力存儲裝置的輸出端用于連接直流負載。
[0014]在本發(fā)明的另一個實施方式中，還包括逆變器，所述逆變器的直流端連接所述電力存儲裝置的輸出端。所述逆變器的交流端可用于連接交流負載。或者，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，進一步包括變壓器，所述變壓器的一端連接所述逆變器的交流端。而所述變壓器的另一端可以用于連接電網(wǎng)。另外，所述逆變器可以是雙向逆變器(儲能逆變器)。
[0015]在本發(fā)明的上述各種實施方式中，所述動力機械裝置可以為內(nèi)燃機或電動機。
[0016]為了有效監(jiān)控上述動力機械裝置試驗電力回收裝置的回收過程，本發(fā)明的第二個方面提供了一種上述動力機械裝置試驗電力回收裝置的控制系統(tǒng)，包括用于控制和調(diào)整電力的整流和轉(zhuǎn)換以及決定電流的方向和充電/放電過程的電力控制子系統(tǒng)和用于監(jiān)控和管理所述電力儲存裝置的電力存儲子系統(tǒng)。
[0017]為了達到遠程和/或?qū)崟r監(jiān)控的目的，本發(fā)明的控制系統(tǒng)還可以包括主控模塊，所述主控模塊與所述電力管理模塊和儲能管理模塊通過有線或無線連接以對所述電力控制子系統(tǒng)和電力存儲子系統(tǒng)實施監(jiān)控。
[0018]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:在本發(fā)明的動力機械裝置試驗電力回收裝置中，動力機械裝置試驗產(chǎn)生的所有或部分電力首先被電力儲存裝置儲存和回收，然后電力儲存裝置根據(jù)動力機械裝置輸出的特點以特定的方式充放電，使得輸出至電網(wǎng)或負載的電力穩(wěn)定，避免了可能給負載帶來的危害以及給電網(wǎng)帶來的沖擊。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明實施例一的柴油機試驗電力回收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明實施例二的柴油機試驗電力回收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3為本發(fā)明實施例三的柴油機試驗電力回收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖4為本發(fā)明實施例四的柴油機試驗電力回收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；[0023]圖5為本發(fā)明實施例五的柴油機試驗電力回收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖6為本發(fā)明實施例六的柴油機試驗電力回收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖7為本發(fā)明實施例七的柴油機試驗電力回收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖8為本發(fā)明實施例八的柴油機試驗電力回收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖9為本發(fā)明實施例九的柴油機試驗電力回收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖10為本發(fā)明的柴油機試驗電力回收裝置的控制系統(tǒng)的一個實施方式示意圖。
[0029]主要附圖標記說明:
[0030]1、柴油機2、發(fā)電機
[0031]3、整流器4、電池
[0032]5、逆變器6、變壓器
[0033]7、電網(wǎng)8、直流負載
[0034]9、交流負載10、超級電容器
[0035]11、電力控制子系統(tǒng)12、主控模塊
[0036]13、電池子系統(tǒng)14、負載
[0037]15、外部通信模塊
[0038]111、電力控制系統(tǒng)控制電路112、通信模塊
[0039]113、電池管理系統(tǒng)114、鋰離子電池監(jiān)控器
[0040]115、鉛酸電池監(jiān)控器401、鋰離子電池
[0041]402、鉛酸電池
【具體實施方式】
[0042]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例進行詳細說明。
[0043]本發(fā)明的各個實施例提供的動力機械裝置試驗電力回收裝置用于回收動力機械裝置(如電動機或內(nèi)燃機)試驗過程中產(chǎn)生的電力，在本發(fā)明中僅以回收柴油機試驗過程中產(chǎn)生的電力為例進行說明，但并不以此為限定。
[0044]實施例一:
[0045]如圖1所示，實施例一的柴油機試驗電力回收裝置包括整流器3、電池4、逆變器5和變壓器6。整流器3的交流輸入端連接發(fā)電機2的交流輸出端，整流器3的直流輸出端連接電池4的輸入端(即充電端)，電池4的輸出端(即供電端)連接逆變器5直流端，逆變器5的交流端連接變壓器6的一端，變壓器6的另一端連接電網(wǎng)7。
[0046]采用實施例一的電力回收裝置進行電力回收時，柴油機I和發(fā)電機2產(chǎn)生的交流電力首先通過整流器3進行整流轉(zhuǎn)換為直流電，然后將直流電力儲存在電池4中，即采用電池4吸收柴油機試驗產(chǎn)生的電力，最后通過用于DC-AC轉(zhuǎn)換的逆變器5和變壓器6將電力反饋至電網(wǎng)7。
[0047]在實施例一的電力回收裝置中，柴油機試驗產(chǎn)生的所有或部分電力首先被電池4儲存和回收，然后電力儲存裝置4根據(jù)柴油機輸出的特點以特定的方式充放電，使得輸出至電網(wǎng)7的電力穩(wěn)定，避免了可能給電網(wǎng)7帶來的沖擊。
[0048]在本實施例中，作為優(yōu)選實施方式，逆變器5為雙向逆變器。
[0049]實施例二:[0050]如圖2所示，實施例二的柴油機試驗電力回收裝置包括整流器3和電池4，整流器3的交流輸入端連接發(fā)電機2的交流輸出端，整流器3的直流輸出端連接電池4的輸入端(即充電端)，電池4的輸出端(即供電端)連接直流負載8。
[0051]采用實施例二的電力回收裝置進行電力回收時，柴油機I和發(fā)電機2產(chǎn)生的交流電力首先通過整流器3進行整流轉(zhuǎn)換為直流電，然后將全部或部分直流電力儲存在電池4中，即采用電池4吸收柴油機試驗產(chǎn)生的電力，最后通過電池4為直流負載8進行供電。
[0052]在實施例二的電力回收裝置中，由于柴油機試驗產(chǎn)生的所有或部分電力首先被電池4儲存和回收，然后電力儲存裝置4根據(jù)柴油機輸出的特點以特定的方式充放電，使得輸出至電網(wǎng)8的電力穩(wěn)定，避免了可能給電網(wǎng)8帶來的沖擊。
[0053]實施例三:
[0054]如圖3所示，實施例三的柴油機試驗電力回收裝置包括整流器3、電池4和逆變器
5。整流器3的交流輸入端連接發(fā)電機2的交流輸出端，整流器3的直流輸出端連接電池4的輸入端(即充電端)，電池4的輸出端(即供電端)連接逆變器5直流端，逆變器5的交流端連接交流負載9。
[0055]采用實施例三的電力回收裝置進行電力回收時，柴油機I和發(fā)電機2產(chǎn)生的交流電力首先通過整流器3進行整流轉(zhuǎn)換為直流電，然后將直流電力儲存在電池4中，即采用電池4吸收柴油機試驗產(chǎn)生的電力，最后通過用于DC-AC轉(zhuǎn)換的逆變器5將電力轉(zhuǎn)換為交流電，從而為交流負載9進行供電。
[0056]在實施例三的電力回收裝置中，由于柴油機試驗產(chǎn)生的所有或部分電力首先被電池4儲存和回收，然后電力儲存裝置4根據(jù)柴油機輸出的特點以特定的方式充放，使得輸出至電網(wǎng)9的電力穩(wěn)定，避免了可能給電網(wǎng)9帶來的沖擊。
[0057]實施例四?六:
[0058]如圖4、圖5和圖6所示，實施例四、實施例五和實施例六的電力回收裝置與實施例一、實施例二和實施例三的電力回收裝置的區(qū)別在于，采用由兩個或兩個以上的并聯(lián)或串聯(lián)連接的電池4組成的電池組吸收柴油機試驗產(chǎn)生的電力，能夠得到更好的電力回收效果。電池組中的各個電池可以是相同種類的電池，也可以是不同種類的電池，例如可以是鋰電池或鉛酸電池。
[0059]實施例七?九:
[0060]如圖7、圖8和圖9所示，實施例七、實施例八和實施例九的電力回收裝置與實施例一、實施例二和實施例三的電力回收裝置的區(qū)別在于，采用兩個或兩個以上的并聯(lián)連接的電力儲存裝置(例如采用并聯(lián)連接的電池4和超級電容器10)吸收柴油機試驗產(chǎn)生的電力，能夠得到更好的電力回收效果。此外，也可以在實施例四、實施例五和實施例六的電力回收裝置的電池組上并聯(lián)連接超級電容器10來吸收柴油機試驗產(chǎn)生的電力，同樣能夠得到更好地電力回收效果。這里使用的超級電容器10也可以采用其他電力儲存裝置進行替代，例如現(xiàn)有技術中的壓縮空氣儲能裝置或飛輪儲能裝置等。
[0061]實施例十:
[0062]圖10為本發(fā)明的柴油機試驗電力回收裝置的控制系統(tǒng)的一種實施方式示意圖。如圖10所示，控制系統(tǒng)主要包括:主控模塊12，電力控制子系統(tǒng)11以及電力存儲子系統(tǒng)(電池子系統(tǒng)13)。[0063]在本實施例的控制系統(tǒng)控制的電力儲存裝置中，包括兩種不同類型的電池401、402，在實際應用中是基于應用需求選擇電力儲存裝置的，根據(jù)不同需求，可以使用一種或多種類型的電力儲存裝置。為了例證目的，在圖10中使用了鋰離子電池401和鉛酸電池402。電池子系統(tǒng)13包括儲能管理模塊(包括電池管理系統(tǒng)113、鋰離子電池監(jiān)控器114和鉛酸電池監(jiān)控器115)，鋰離子電池監(jiān)控器114和鉛酸電池監(jiān)控器115分別用于監(jiān)控鋰離子電池401和鉛酸電池402。
[0064]電力控制子系統(tǒng)11用于控制和調(diào)整電力的整流和轉(zhuǎn)換，并且決定電流的方向和充電/放電過程。電力控制子系統(tǒng)11包括電力管理模塊(電力控制系統(tǒng)控制電路111和通信模塊112)。電力控制系統(tǒng)控制電路111可以看作整個電力控制子系統(tǒng)11的大腦，它基于來自電池管理系統(tǒng)(BMS) 113的信號監(jiān)控電池401、402的充電條件。
[0065]電力控制子系統(tǒng)11監(jiān)控電網(wǎng)7、負載14和柴油機試驗條件，并決定本發(fā)明的電力回收裝置采用如下三種操作模式:
[0066]I)當柴油機試驗產(chǎn)生的電力充足時，電力控制子系統(tǒng)11利用電力儲存裝置調(diào)整、平滑對負載14的電力輸出，并將多余電力儲存至能量儲存系統(tǒng)或在負載14中使用電力(例如水浴);
[0067]2)當柴油機試驗產(chǎn)生的電力不充足時，為了在電網(wǎng)7和能量儲存系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)換以供應穩(wěn)定的電力，需要采用雙向電力電路；并且，電力控制子系統(tǒng)11利用電力儲存裝置調(diào)整、平滑對負載14的電力輸出；
[0068]3)當沒有進行試驗并且能量儲存系統(tǒng)達到充滿狀態(tài)時，能量儲存系統(tǒng)可以用作UPS(不間斷電源)系統(tǒng)以防緊急情況(例如電網(wǎng)7出現(xiàn)問題時)。
[0069]通信模塊112是電力控制子系統(tǒng)11的接口。電池管理系統(tǒng)(BMS)113和主控模塊12通過通信模塊112與電力控制系統(tǒng)控制電路111進行通信。通信模塊112的輸出包括報警信號、內(nèi)部網(wǎng)絡信號、計算終端信號和互聯(lián)網(wǎng)通信信號。通信模塊112通過與主控模塊12進行通信決定電力控制子系統(tǒng)11的操作?；趤碜灾骺啬K12和通信模塊112的輸入，電力控制子系統(tǒng)11控制逆變器在電池和內(nèi)部網(wǎng)絡之間運行。逆變器是雙向的，其允許電力從電池流至內(nèi)部網(wǎng)絡，并且允許將電力儲存在電池中。
[0070]主控模塊12可以看作整個電力回收裝置和控制系統(tǒng)的智能中心。其持續(xù)地監(jiān)控電力和負載的輸出，并且米取相應的措施，其同時也監(jiān)控電力輸出的質(zhì)量。與此同時，主控模塊12基于柴油機輸出和負載做出正確的決定。此外，它也監(jiān)控電池管理系統(tǒng)(BMS) 113，這決定了電池401、402的充電狀態(tài)或者輸出能力。主控模塊12能夠通過外部通信模塊15與外部系統(tǒng)(例如內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的SCADA系統(tǒng)、及外部計算機顯示器)進行通信以遠距離控制整個系統(tǒng)。
[0071]以上實施例僅為本發(fā)明的示例性實施例，不用于限制本發(fā)明，本發(fā)明的保護范圍由權利要求書限定。本領域技術人員可以在本發(fā)明的實質(zhì)和保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出各種修改或等同替換，這種修改或等同替換也應視為落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.一種動力機械裝置試驗電力回收裝置，包括整流器和電力儲存裝置，所述整流器的交流輸入端用于連接和動力機械裝置相連的發(fā)電機的交流輸出端，所述整流器的直流輸出端連接所述電力儲存裝置的輸入端。
2.根據(jù)權利要求1所述的動力機械裝置試驗電力回收裝置，其中，所述電力儲存裝置包括化學儲能裝置和/或物理儲能裝置。
3.根據(jù)權利要求2所述的動力機械裝置試驗電力回收裝置，其中，所述化學儲能裝置包括一個電池或由多個電池組成的電池組，所述電池組中的各個電池并聯(lián)或串聯(lián)連接。
4.根據(jù)權利要求3所述的動力機械裝置試驗電力回收裝置，所述電池組中的各個電池為相同種類或不同種類的電池。
5.根據(jù)權利要求2所述的動力機械裝置試驗電力回收裝置，其中，所述物理儲能裝置為壓縮空氣儲能裝置和/或飛輪儲能裝置。
6.根據(jù)權利要求3所述的動力機械裝置試驗電力回收裝置，其中，所述電力儲存裝置還包括與所述一個電池或所述電池組并聯(lián)或串聯(lián)連接的超級電容器。
7.根據(jù)權利要求3所述的動力機械裝置試驗電力回收裝置，其中，所述電力儲存裝置還包括與所述一個電池或所述電池組并聯(lián)或串聯(lián)連接的壓縮空氣儲能裝置和/或飛輪儲能裝置。
8.根據(jù)權利要求1所述的動力機械裝置試驗電力回收裝置，其中，所述電力存儲裝置的輸出端用于連接直流負載。
9.根據(jù)權利要求1所述的動力機械裝置試驗電力回收裝置，其中，還包括逆變器，所述逆變器的直流端連接所述電力存儲裝置的輸出端。
10.根據(jù)權利要求9所述的動力機械裝置試驗電力回收裝置，其中，所述逆變器的交流端用于連接交流負載。
11.根據(jù)權利要求9所述的動力機械裝置試驗電力回收裝置，其中，進一步包括變壓器，所述變壓器的一端連接所述逆變器的交流端。
12.根據(jù)權利要求11所述的動力機械裝置試驗電力回收裝置，其中，所述變壓器的另一端用于連接電網(wǎng)。
13.根據(jù)權利要求9所述的動力機械裝置試驗電力回收裝置，其中，所述逆變器為雙向逆變器。
14.根據(jù)權利要求1所述的動力機械裝置試驗電力回收裝置，其中，所述動力機械裝置為內(nèi)燃機或電動機。
15.一種如權利要求1至14中任一項所述的動力機械裝置試驗電力回收裝置的控制系統(tǒng)，包括用于控制和調(diào)整電力的整流和轉(zhuǎn)換以及決定電流的方向和充電/放電過程的電力控制子系統(tǒng)和用于監(jiān)控和管理所述電力儲存裝置的電力存儲子系統(tǒng)。
16.根據(jù)權利要求15所述的控制系統(tǒng)，其中，還包括主控模塊，所述主控模塊與所述電力管理模塊和儲能管理模塊通過有線或無線連接以對所述電力控制子系統(tǒng)和電力存儲子系統(tǒng)實施監(jiān)控。
【文檔編號】H02J3/28GK103812124SQ201210457541
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年11月14日 優(yōu)先權日:2012年11月14日
【發(fā)明者】王憲宏, 何廣利, 金虹, 任瑜, 胡金岷 申請人:神華集團有限責任公司, 北京低碳清潔能源研究所