介绍一种势能回馈系统超级电容储能系统

在港口现有的常规单传动变频驱动系统中，门机在起升机构下降以及其他主要机构减速过程中，下降的势能和制动的动能将产生的再生能量传递给交流电动机后转换成再生电能，而单传动所配置的变频驱动系统通常通过采用制动单元和制动电阻将再生电能转换为热能消耗掉。然后，再生电能被转换为热能，并白白消耗掉，造成了能源的浪费、电能的损失；目前现有的常规单传动变频驱动系统中也缺少将其储存再利用的技术手段。

现有的超级电容，其特点在于超级电容储能过程是物理过程，可以大电流快速充放电，同时使用寿命长，充放电次数可以达到50万次以上，且具有工作电压范围大等特性。适合于门机频繁充放电的工况运行。



因此，亟需提供一种超级电容储能系统，将下降过程或制动过程中产生的能量回收、存储以及再次利用，实现节能降耗的目的。 本文针对现有技术中的不足，提供一种势能回馈系统超级电容储能系统，以解决上述问题。 其特征在于：包括变频器、制动装置、储能装置、电机、传动装置，所述变频器分别与电源、制动装置、储能装置及电机电连接，所述电机与传动装置相连接，所述传动装置与重物相连接，所述电机用于驱动传动装置控制重物进行升降；所述储能装置包括DCDC模块驱动变流器及超级电容储能装置，所述超级电容储能装置通过DCDC模块驱动变流器与变频器电连接，所述DCDC模块驱动变流器用于控制电流输入或输出超级电容储能装置。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：超级电容储能装置包括数个电容及电容管理系统，电容与电容管理系统电连接，电容管理系统用于监测管理电容的运行情况。包括16个电容，8个电容相互串联为一组电容，两组电容进行并联。DCDC模块驱动变流器的功率不小于电机功率的一半。还包括多功能仪表盘，多功能仪表盘与DCDC模块驱动变流器电连接；多功能仪表盘用于记录显示。

还包括保护控制组件，保护控制组件包括第一霍尔电流传感器；第一霍尔电流传感器与多功能仪表盘电连接，用于读取电流给多功能仪表盘进行电能统计。保护控制组件还包括熔断器、第二霍尔电流传感器及PLC；第二霍尔电流传感器与电容电连接，并与PLC通讯连接，第二霍尔电流传感器用于检测电流并反馈至PLC，PLC用于控制DCDC模块驱动变流器断开电路。  

霍尔电流传感器内部结构

变频器包括变频器整流回路、直流高压母线、变频器逆变回路，制动装置包括制动单元及制动电阻，制动电阻通过制动单元与直流高压母线电连接，超级电容储能装置通过DCDC模块驱动变流器与直流高压母线电连接。 本方案的有益效果是：通过DCDC模块驱动变流器及超级电容储能装置的设置，实现了再生电能的回收、储存、再利用；通过多功能仪表盘及保护控制组件，提供了电路的检测、保护手段；本装置的整个使用过程无需人工参与，切换快速，不影响门机作业。

图1 回收电能模式的示意图；

  图2 利用电能模式的示意图；

图3 超级电容储能装置的接线原理图。

所述霍尔电流传感器CH704系列产品是意瑞专为50A以上大电流检测应用开发的隔离集成式电流传感芯片，具有高精度、增强绝缘耐压、高可靠性、低功耗等优点。该芯片内部集成一个精密的可编程线性霍尔芯片、一个小型聚磁环以及一个导通电阻为0.1mΩ的铜排，可实现+/-50A，+/-100A，+/-150A，+/-200A的电流检测，可以满足储能装置的使用要求。

参考：0-50-400A霍尔电流传感器应用案例分享

关于本案例的使用，当超级电容储能装置7处于回收电能模式时，重物5重载运行在下降过程时，系统处于发电状态，将发电输出的能量回馈到变频器2的直流高压母线22，导致直流高压母线22电压升高。DCDC模块驱动变流器6启动工作和制动单元8启动工作分别设定不同启动工作阈值，DCDC模块驱动变流器6工作阈值小于制动单元8的工作阈值。当直流高压母线22的电压升高到DCDC模块驱动变流器6的工作阈值时，DCDC模块驱动变流器6启动工作，将直流高压母线22的能量优先存储到超级电容储能装置7中。



当超级电容储能装置7处于利用电能模式时，重物5重载运行在上升过程时，系统处于电动耗能状态，变频器2的直流高压母线22电压降低，当直流高压母线22低于DCDC模块驱动变流器6启动工作下限阈值时， DCDC模块驱动变流器6启动工作，将超级电容储能装置7存储的电能能量释放到直流高压母线22中，优先使用，降低电源1的消耗。 将制动单元8的工作阈值设定在660V，为了保证储能装置优先启动，DCDC模块驱动变流器6的工作上限阈值设定在640V，下限阈值设定在565V。

在系统进入发电状态时，当直流高压母线22电压升高到565V~640V，则储能装置自动启动工作，将回馈能量存储到超级电容储能装置7中；在系统进入电动状态时，直流高压母线22电压降低到565V以下，则储能装置自动启动工作，将超级电容储能装置7存储的能量释放到直流高压母线22，用于电机3的正常作业消耗。

当电机3回馈能量导致直流高压母线22瞬间电压超过660V，制动单元8和制动电阻9同步工作，进行电能的消耗，保证整个系统的可靠稳定正常运行。在重物5上升过程中，当直流高压母线22电压降低到540V时，超级电容储能装置7中的能量已经无法满足电机3运行时的电压，此时超级电容储能装置7作为备份补充能量，直流高压母线22电压主要由电网作为电源1供电生成电能，作为重物5上升过程消耗的能量，变频器2以常规模式状态正常运行。

当超级电容储能装置7内的能量降低到设置储存量的最低值时，仍然没有势能补充；DCDC模块驱动变流器6断开直流回路，直到下次直流高压母线22电压达到充电阈值，储能装置进入充电状态，接通直流回路，恢复正常运行。

审核编辑：刘清