一种KVCS交直流转换储能变流器的制作方法

一种kvcs交直流转换储能变流器
技术领域
1.本发明涉及一种具有交直流转换变流功能的电力电子设备，具有涉及一种kvcs交直流转换储能变流器，属于储能控制连接技术领域。


背景技术：

2.构建完善的智慧储能系统是实现碳达峰碳中和，努力构建清洁低碳、安全高效能源体系的必然选择；新型储能是支撑以新能源为主体的新型电力系统的重要组成部分和基础支撑，新型储能可以显著增强电力系统的新能源消纳能力，提升能源电力系统的稳定性，提高能源综合利用效率和安全保障能力，对推动能源绿色转型、应对极端事件、保障能源安全、促进能源高质量发展、支撑应对气候变化目标实现具有重要意义。
3.变流器是应用于储能系统中交流母线与直流母线能量转换端；传统变流器技术存在以下缺陷：1)传统的变流器能量单向流动，能量只能是交流流向直流的方式，或者能量只能是直流流向交流的方式，不能实现能量的双向流动；2)传统的变流器只能实现有功功率的设定，或者无功设定；不能实现p-q解耦的功能(四象限工作能力)；3)传统的变流器只能并网运行或者离网运行，不能实现一个设备根据需要运行在不同状态。因此为了解决以上问题，亟待设计一种kvcs交直流转换储能变流器。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提出了一种kvcs交直流转换储能变流器，可以按照设定的方式实现双向交直流能量转换。
5.本发明的kvcs交直流转换储能变流器，用于实现将直流母线与交流母线双向能量转换，能够运行在离网模式、并网模式，其包括
6.双向逆变电路，所述双向逆变电路的直流侧电连接储能系统的直流母线，双向逆变电路的交流侧连接储能系统的交流母线；所述双向逆变电路包括三相桥式逆变电路；及用于将高频的电压信号转换为谐波符合要求的正弦波，以满足国家公用电网质量要求，且与三相桥式逆变电路电连接的滤波电路；及用于实现对直流回路的开关通断、保护及滤波，且与三相桥式逆变电路电连接的直流主电路；及用于实现对交流回路的开关通断、保护及滤波，且与滤波电路电连接的交流主电路；所述直流主电路接入直流母线；所述交流主电路接入交流母线；双向逆变电路是kvcs交直流转换储能变流器的能量流主通道；其中，三相桥式逆变电路是双向逆变电路的主要核心部分，其调制比就是所述双向逆变电路的调制比，其处于逆变状态，双向逆变电路就处于逆变状态，其处于整流状态，双向逆变电路就处于整流状态；三相桥式逆变电路采用强制风冷的散热方式，能够保证良好的散热，使其三相桥式逆变电路能够可靠、稳定、高效地工作；
7.控制电路，用于对信号采集电路送来的信号进行计算得到目标参量的处理结果数据，并将处理结果数据与相对应目标参量的给定值进行比较，以及输出驱使pwm驱动控制电路按要求工作的控制信号；所述控制电路包括用于数据处理的微处理器；所述微处理器通
过pwm驱动控制电路电连接所述双向逆变电路，微处理器经pwm驱动控制电路连接双向逆变电路，并向其输出pwm驱动控制信号，使其工作在有源变流状态，实现pwm控制；所述控制电路还包括用于与上级控制设备进行通讯，与hmi触摸屏(人机交互界面)之间进行信号收发的通讯接口电路；及用于接收数字信号和模拟信号的输入/输出接口电路；及用于接收bms电池管理系统开出故障硬接点信号，从而进行有效判断，保护系统运行的开关量接口电路；所述通讯接口电路、输入/输出接口电路和开关量接口电路分别与微处理器通信连接；其中，通讯接口电路与微处理器之间双向通信连接；
8.信号采集电路，用于实现对直流端电压、电流和交流端电压、电流信号的高精度检测，信号处理及故障信号的检测；所述信号采集电路的输入端与双向逆变电路电连接；所述信号采集电路的输出端经a/d转换电路接入微处理器；所述信号采集电路包括用于采集数字信号和模拟信号的信号采集模块，及用于对采集的信号进行调理，且与信号采集模块电连接的信号调理模块；
9.二次辅助电源，所述二次辅助电源与控制电路电连接，且二次辅助电源采用交直流混合供电；二次辅助电源可以是直流电源，也可以是交流电源，且二次辅助电源的范围很宽，直流电源为200-1000v/dc，交流电源为176-264v/ac；交直流双路供电有效解决设备前期通讯调试二次供电问题。
10.本发明的kvcs交直流转换储能变流器，其运行方式如下：
11.当储能控制系统处于离网运行工作状态时，微处理器执行v-f控制方式，以连接于kvcs交直流转换储能变流器双向逆变电路直流母线为交流母线负载提供标准交流电压源，并根据交流母线出力和负载变化提供功率支持；
12.v-f控制时，对工频正弦波进行离散化，获得一个工频周期内若干离散时间点的正弦波数据，形成由该若干正弦波数据组成的正弦表数组sin[n]，依据正弦表数组形成对应的矩形脉冲序列代替v-f控制所需工频正弦波作为调制波，通过开关频率和工频频率的关系得到一个工频周期正弦表对应的开关点数nf，以正弦表数组元素总数n和nf的倍数为实现工频正弦波时正弦表指针移动的步长选取用于调制的矩形脉冲；
[0013]
当储能控制系统处于并网运行工作状态时，微处理器快速地跟踪功率变化，同时控制kvcs交直流转换储能变流器直流母线的变化，满足直流母线负载功率缺额；并网运行工作状态时，kvcs交直流转换储能变流器执行p-q解耦控制方式，依据调度指令实现有功功率和无功功率的控制；
[0014]
p-q解耦控制时，对工频正弦波进行离散化，获得一个工频周期内若干离散时间点的正弦波数据，形成由该若干正弦波数据组成的正弦表数组sin[m]，依据该正弦表数组形成对应的矩形脉冲序列代替p-q解耦控制中电压前馈部分所需工频正弦波作为调制波，通过开关频率和工频频率的关系得到一个工频周期正弦表对应的开关点数mf，以正弦表数组元素总数m和mf的倍数为实现工频正弦波时正弦表指针移动的步长选取用于调制的矩形脉冲。
[0015]
进一步地，所述微处理器为采用工业级dsp芯片tms320f28335pgfa；其可实现的主要功能如下：kvcs交直流转换储能变流器底层功能的支撑、控制、数值计算、逻辑判断、电路故障判断、保护、双向通讯功能；其中，通讯功能主要借助与dsp双向通讯连接的相应接口电路实现，可以实现kvcs交直流转换储能变流器的控制功能。
[0016]
进一步地，所述pwm驱动控制电路与三相桥式逆变电路电连接；多路pwm输出分别接到各个igbt模块的控制端；pwm驱动控制电路发出pwm信号,pwm信号所携带的频率或占空比信息由dsp计算得出，再进行控制信号放大，使由其输出的控制信号可以驱动igbt模块；pwm驱动控制电路采用专用驱动电路，可以使igbt管开关在最优状态，同时还包括了完善的保护功能(igbt模块的过流、驱动欠压、过温、故障等异常状态进行检测)，在检测到有异常时，故障信号可以有效地关断igbt模块。
[0017]
再进一步地，所述三相桥式逆变电路由全桥电路构成；所述全桥电路的每个桥臂由一个igbt模块和一个二极管反向并联组成；反向二极管和igbt(英飞凌ff450r12me4)封装在一起，反向二极管的作用是防止被高的反向电压击穿，起保护作用；igbt管的开通和关断实现了能量的交直流变换和双向流动。
[0018]
进一步地，所述滤波电路由lcl滤波器构成。
[0019]
进一步地，所述直流主电路由直流断路器、直流避雷器、直流接触器、直流滤波器、直流熔断器、预充电路、泄放电路、母线电容和igbt吸收电容组成。
[0020]
进一步地，所述交流主电路由交流断路器、交流避雷器、交流接触器、交流滤波器、交流熔断器和预充电路组成。
[0021]
与现有技术相比较，本发明的kvcs交直流转换储能变流器，通过采集信号、信号处理、逻辑判断、控制算法等技术，使本产品成为储能系统中的交直流转换储能变流器；满足了储能系统的能量变换、智能控制，提高智能储能系统的供电可靠性、灵活性，为新能源电网的发展提供了可持续的保证。
附图说明
[0022]
图1是本发明的整体结构示意图。
[0023]
图2是本发明的双向逆变电路拓扑示意图。
[0024]
图3是本发明的三相桥式逆变电路工作在有源逆变状态下的示意图。
[0025]
图4是本发明的三相桥式逆变电路工作在有源整流状态下的示意图。
[0026]
图5是本发明的四象限工作示意图。
[0027]
图6是本发明的v-f控制原理示意框图。
[0028]
图7是本发明的p-q解耦控制原理意框图。
[0029]
附图中的各部件标注为：1-双向逆变电路，11-三相桥式逆变电路，12-滤波电路，13-直流主电路，14-交流主电路，2-直流母线，3-交流母线，4-控制电路，5-信号采集电路，6-二次辅助电源，7-人机交互界面，k1-直流断路器，m1-直流避雷器，n1-直流接触器，h1-直流滤波器，k2-交流断路器，m2-交流避雷器，n2-交流接触器，h2-交流滤波器。
具体实施方式
[0030]
如图1和图2所示的kvcs交直流转换储能变流器，用于实现将直流母线与交流母线双向能量转换，能够运行在离网模式、并网模式，其包括
[0031]
双向逆变电路1，所述双向逆变电路1的直流侧电连接储能系统的直流母线2，双向逆变电路的交流侧连接储能系统的交流母线3；所述双向逆变电路1包括三相桥式逆变电路11；及用于将高频的电压信号转换为谐波符合要求的正弦波，以满足国家公用电网质量要
求，且与三相桥式逆变电路电连接的滤波电路12；及用于实现对直流回路的开关通断、保护及滤波，且与三相桥式逆变电路电连接的直流主电路13；及用于实现对交流回路的开关通断、保护及滤波，且与滤波电路电连接的交流主电路14；所述直流主电路接入直流母线；所述交流主电路接入交流母线；双向逆变电路是kvcs交直流转换储能变流器的能量流主通道；其中，三相桥式逆变电路是双向逆变电路的主要核心部分，其调制比就是所述双向逆变电路的调制比，其处于逆变状态，双向逆变电路就处于逆变状态，其处于整流状态，双向逆变电路就处于整流状态；三相桥式逆变电路采用强制风冷的散热方式，能够保证良好的散热，使其三相桥式逆变电路能够可靠、稳定、高效地工作；
[0032]
控制电路4，用于对信号采集电路送来的信号进行计算得到目标参量的处理结果数据，并将处理结果数据与相对应目标参量的给定值进行比较，以及输出驱使pwm驱动控制电路按要求工作的控制信号；所述控制电路4包括用于数据处理的微处理器；所述微处理器通过pwm驱动控制电路电连接所述双向逆变电路，微处理器经pwm驱动控制电路连接双向逆变电路，并向其输出pwm驱动控制信号，使其工作在有源变流状态，实现pwm控制；所述控制电路还包括用于与上级控制设备进行通讯，与hmi触摸屏(人机交互界面7)之间进行信号收发的通讯接口电路；及用于接收数字信号和模拟信号的输入/输出接口电路；及用于接收bms电池管理系统开出故障硬接点信号，从而进行有效判断，保护系统运行的开关量接口电路；所述通讯接口电路、输入/输出接口电路和开关量接口电路分别与微处理器通信连接；其中，通讯接口电路与微处理器之间双向通信连接；
[0033]
信号采集电路5，用于实现对直流端电压、电流和交流端电压、电流信号的高精度检测，信号处理及故障信号的检测；所述信号采集电路5的输入端与双向逆变电路1电连接；所述信号采集电路5的输出端经a/d转换电路接入微处理器；所述信号采集电路5包括用于采集数字信号和模拟信号的信号采集模块，及用于对采集的信号进行调理，且与信号采集模块电连接的信号调理模块；
[0034]
二次辅助电源6，所述二次辅助电源6与控制电路4电连接，且二次辅助电源采用交直流混合供电；二次辅助电源可以是直流电源，也可以是交流电源，且二次辅助电源的范围很宽，直流电源为200-1000v/dc，交流电源为176-264v/ac；交直流双路供电有效解决设备前期通讯调试二次供电问题。
[0035]
所述微处理器为采用工业级dsp芯片tms320f28335pgfa；其可实现的主要功能如下：kvcs交直流转换储能变流器底层功能的支撑、控制、数值计算、逻辑判断、电路故障判断、保护、双向通讯功能；其中，通讯功能主要借助与dsp双向通讯连接的相应接口电路实现，可以实现kvcs交直流转换储能变流器的控制功能。
[0036]
所述pwm驱动控制电路与三相桥式逆变电路11电连接；多路pwm输出分别接到各个igbt模块的控制端；pwm驱动控制电路发出pwm信号,pwm信号所携带的频率或占空比信息由dsp计算得出，再进行控制信号放大，使由其输出的控制信号可以驱动igbt模块；pwm驱动控制电路采用专用驱动电路，可以使igbt管开关在最优状态，同时还包括了完善的保护功能(igbt模块的过流、驱动欠压、过温、故障等异常状态进行检测)，在检测到有异常时，故障信号可以有效地关断igbt模块。
[0037]
所述三相桥式逆变电路11由全桥电路构成；所述全桥电路的每个桥臂由一个igbt模块和一个二极管反向并联组成；反向二极管和igbt(英飞凌ff450r12me4)封装在一起，反
向二极管的作用是防止被高的反向电压击穿，起保护作用；igbt管的开通和关断实现了能量的交直流变换和双向流动。
[0038]
所述滤波电路12由lcl滤波器构成。
[0039]
所述直流主电路13由直流断路器k1、直流避雷器m1、直流接触器n1、直流滤波器h1、直流熔断器、预充电路、泄放电路、母线电容和igbt吸收电容组成。
[0040]
所述交流主电路14由交流断路器k2、交流避雷器m2、交流接触器n2、交流滤波器h2、交流熔断器和预充电路组成。
[0041]
本发明的kvcs交直流转换储能变流器，其三相桥式逆变电路工作原理如下：
[0042]
如图3所示，三相桥式逆变电路工作在有源逆变状态下，直流母线向交流母线释放电能，通过对三相桥式逆变电路的控制，实现能量从直流到交流的转换，从而获得高质量的三相交流电(ua/ub/uc)；当kvcs交直流转换储能变流器处于离网运行工作状态时，这部分电能可供给交流母线的负荷；当kvcs交直流转换储能变流器处于并网运行工作状态时，当逆变功率大于交流母线的负荷时，这部分电能除供给交流母线的负荷，还可以流向公共电网；
[0043]
如图4所示，三相桥式逆变电路工作在有源整流状态下，交流母线向直流母线释放电能，通过对三相桥式逆变电路的控制，实现电能从交流到直流的转变，从而获得稳定的直流电能供给直流母线用电设备；
[0044]
如图5所示，通过调节三相桥式逆变电路输出电压与电流的相位夹角，可实现kvcs交直流转换储能变流器的四象限运行；
[0045]
本发明的kvcs交直流转换储能变流器，其运行模式如下：
[0046]
一、离网模式，
[0047]
kvcs交直流转换储能变流器处于离网运行工作状态时，微处理器执行v-f控制方式，v-f控制需要有工频正弦波作为调制波，本发明中该调制波的形成方法为：对工频正弦波(优选为幅值为1的工频正弦波)进行离散化，获得一个工频周期内若干(n个)离散时间点的正弦波数据，形成由该若干正弦波数据组成的正弦表数组sin[n]，依据所述正弦表数组形成各离散时间点下的对应于该离散时间点下工频正弦波数据的矩形脉冲序列代替v-f控制所需工频正弦波作为调制波，通过开关频率和工频频率的关系得到一个工频周期正弦表对应的开关点数nf(即以一个工频周期为单位的开关频率数值)，以正弦表数组元素总数n和nf的倍数为实现工频正弦波时正弦表指针移动的步长选取用于调制的矩形脉冲，由此从上述矩阵脉冲序列中选取了与开关信号时点对应的若干矩阵脉冲(矩阵脉冲子序列)，以此作为调制波与开关信号比较和调制输出使其符合工频正弦波形(包括位相相同)；而正弦表数组中的当前数组指针sin_pointer按照一定的步长变化，实现工频调制波，用sin_pointer对应的角度去更新锁相角θ；
[0048]
如图6所示，以a相为例分析，三角载波周期对应为周期计数值coun
pr
，a相导通脉冲时间对应为脉冲计数coun
cmpa
，a相在正弦表数组中对应的点数为na，有coun
cmpa
＝0.5
×
coun
pr
(1 m
a sin[na])，b相和c相调制波也可从正弦表数组中进行相应的移点操作得到；
[0049]
二、并网模式，
[0050]
kvcs交直流转换储能变流器处于并网运行工作状态时，微处理器快速地跟踪功率变化，同时控制kvcs交直流转换储能变流器直流母线的变化，满足直流母线负载功率缺额；
并网工作时，kvcs交直流转换储能变流器可以执行p-q解耦控制方式，p-q解耦控制需要通过坐标变换将三相对称静止坐标系下的变量变换成以电网基波电压为基准的同步旋转坐标系下的变量(即通过park变换，变换到d-q坐标下)，变换之后，基波交流正弦量变为同步旋转坐标系下的直流变量；其中q轴电流与无功功率相关，d轴电流与有功分量相关，该变换实现了有功功率和无功功率的解耦控制；p-q解耦控制中电压前馈部分也需要有工频正弦波作为调制波，本发明设备中该调制波的形成方法与v-f控制中调制波的形成方法相同为：对工频正弦波(为便于运算，优选设定为幅值为1的工频正弦波)进行离散化，获得一个工频周期内若干离散时间点的正弦波数据，形成由该若干(m个)正弦波数据组成的正弦数组sin[m](根据系统硬件的最佳分辨率及处理器的响应速度，将此组数据的分辨率最小设置为0.5
°
，即每周期分解为720点)，依据该正弦表数组形成对应的矩形脉冲序列代替p-q解耦控制中电压前馈部分所需工频正弦波作为调制波，通过开关频率和工频频率的关系得到一个工频周期正弦表对应的开关点数mf，以正弦表数组元素总数m和mf(即以一个工频周期为单位的开关频率数值)的倍数为实现工频正弦波时正弦表指针移动的步长选取用于调制的矩形脉冲；m和n均为大于1的整数；锁相角θ随着电网电压相位变化，用锁相角度对应于正弦表数组中的指针sin_pointer
pq
当前的数组指针sin_pointer及对应的角度，实现参考调制波，将p-q解耦电流环得到的调制波叠加到正弦表生成的参考调制波上，可得到p-q解耦控制的输出调制波，实现并网模式的功率跟踪；
[0051]
如图7所示，p
ref
为给定的有功功率，q
ref
为给定的无功功率，i
idref
为有功电流，i
iqref
为无功电流，ea、eb、ec为电网电压，i
ia
、i
ib
、i
ic
为逆变器输出电流，u
dc
为逆变器直流侧电压，u
dcref
为逆变器直流电压参考，k为变压器的变比，w0为同步旋转角频率，ma为调制比，u
ma
、u
mb
、u
mc
是p-q解耦控制的调制波，u
iabc
为双向逆变电路的滤波电容的三相电压，u
iabcref
为双向逆变电路的滤波电容三相电压参考。
[0052]
本发明的kvcs交直流转换储能变流器，其关键计算、控制过程如下：
[0053]
1)使用带有硬件误差修正锁相环，获取并网侧交流频率(孤网时固定工频50hz)，锁相时使用设备硬件校正参数进行误差修正；在设备出厂调试时，每台机器都会使用标准源，进行多级硬件误差修正(此误差修正参数会参与计算过程多个步骤)；
[0054]
2)对当前输出、输入的交流有功、无功功率分别进行误差修正计算，将计算结果存储等待后续计算过程使用；
[0055]
3)并网运行状态下，根据指定的目标有功、无功功率，进行pq变换，并根据系统固有误差，进行电压、电流的pi调节；孤网(离网)状态下，不对功率进行计算，直接进行v/f控制，对电压、电流进行pi调节；
[0056]
4)获取pi调节的目标值后，根据硬件系统固有能力，进行限幅控制；最终获取需要控制输出的目标电压、电流值；
[0057]
5)对电压、电流值进行矢量计算，获取矢量域的输出目标值；然后试用正弦调制波，对输出目标值进行pwm计算，在保证硬件系统安全、可靠的情况下(每台不同的设备，pwm输出的安全阀值各部相同，需要进行单独测试，以确保数据偏差在规定范围之内)确定pwm输出的基本参数；
[0058]
6)根据pwm基本参数，进行igbt驱动，igbt驱动需要进行多重硬件检查，确保设备运行安全性；
[0059]
7)在整个设备运行过程中，无异常情况下，不断重复1)～6)的计算过程。
[0060]
本发明的kvcs交直流转换储能变流器具有以下特点：
[0061]
1)充电、放电一体化设计，实现交流系统和直流系统的能量双向流动；
[0062]
2)主功率回路采用高可靠性智能功率模块，控制器采用总线不出芯片的32位高性能cpu；
[0063]
3)高效的矢量控制算法，实现有功、无功的解耦控制；
[0064]
4)功率因数任意可调，在容量范围内可以全发无功，实现无功补偿；
[0065]
5)采用三相全桥双向pwm变换，能实现双向交直流能源转换；
[0066]
6)采用一级变换器，拓扑简单，可靠性高；
[0067]
7)完善的继电保护功能，交流侧配置交流断路器、交流熔断器，直流侧配置直流断路器、直流熔断器，有效防止逆变器的异常损坏；
[0068]
8)交直流侧均配置有预充电回路，启动冲击小；
[0069]
9)hmi触摸屏可以查看kvcs交直流转换储能变流器的运行状态、运行数据、设备信息，参数设置等及设备相关运行操作；
[0070]
10)通讯接口用于kvcs交直流转换储能变流器与后台ems管理系统之间的通讯；
[0071]
11)运行指示灯用于指示设备运行状态，充放电指示灯用于设备充放电状态，故障指示灯用于指示设备故障状态；
[0072]
12)安装于高可靠性的机柜中，满足不同运行区域需要。
[0073]
上述实施例，仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。