CN101145697A - 蓄电池多单元同步充放电装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种蓄电池多单元同步充放电装置及方法,主控制器分别与整流(逆变)单元,直直变换单元和上位机连接。主控制器的主电路结构有两部分组成:前级电路部分和后级电路部分,本发明提出的蓄电池多单元同步充放电装置由于前级使用了SVPWM(空间电压矢量脉宽调制)技术,使功率因数在充电模式时候接近1,放电模式时接近-1,提高了能量的利用效率,因此可以降低对隔离变压器的容量要求,也降低了其它硬件成本。同时谐波含量少,减少对电网的污染。由于并接了多个独立的双向直直变换器,使得多组电池单元同步充放电时,某些电池释放的剩余电量可以不通过电网直接充入其它电池,提高了电池剩余能量的使用效率节约电费支出。
Description
技术领域
本发明涉及一种蓄电池多单元同步充放电装置及方法,同时可用于蓄电池的维护,属于蓄电池技术领域。
背景技术
目前,大功率蓄电池充放电系统仍大量采用晶闸管的移相控制技术,改变导通触发角来改变能量传输方向和大小,充电时将交流电转化为直流电,放电时将电池剩余电量逆变到电网或者直接消耗在电阻上,但是在进行充电同时不能对其它电池进行放电或者在放电同时不能对其它电池进行充电。
现有的充放电设备存在一些缺点:第一,功率因数低,设计时候需要考虑功率裕量,造成硬件成本的增加;第二,谐波含量高,导致对电网污染严重;第三,能量在时间上的单向流动性,决定了单套设备无法完成多个电池单元的同步充放电,电池单元释放的剩余电量不能同时提供给需要充电的电池单元。需要对多个电池单元同时充放电只能增加充放电设备数量,但是电池能量的传递就需要利用电网作为媒介来传递,增加设备投资且降低了能量利用效率。以上和国家倡导的“节约、绿色、环保”能源战略不符。
发明内容
本发明要解决的技术问题:
第一,解决现有充放电设备功率因数低,谐波含量高对电网污染大的问题。第二,实现对多个电池单元同步充电和放电,电池单元之间的能量不经由电网而直接互补流通,提高电池剩余电量的使用效率,能量多出部分回馈电网,缺失部分则由电网补充,可以有效降低电费支出。
本发明采取的技术方案:
一种蓄电池多单元同步充放电方法,包括以下步骤;
整流(逆变)单元控制整流和逆变的功率因数的±1,同时稳定直流侧的电压,并将运行数据传送给主控制器;
直直变换单元控制每个电池单元的充放电状态,并将运行数据传送给主控制器;
上位机用于显示和记录各种运行状态数据;
主控制器协调管理整流(逆变)控制单元和直直变换控制单元实现能量的双向流动,同时负责和上位机进行通讯。
一种蓄电池多单元同步充放电装置,包括:主控制器分别与整流(逆变)控制单元,直直变换控制单元和上位机连接。主电路结构有两部分组成:
1、 前级电路部分:
该部分采用的功率开关管为全控器件IGBT,拓扑结构为三相全桥的电压型PWM整流器。电网电压经过三相变压器输出,经过启动电阻和三相工频电感相连,再连接三相IGBT全桥,直流侧输出并接支撑滤波电容和假负载,启动电阻处并联有交流接触器。采用空间电压矢量的PWM(脉冲宽度调制)控制策略,控制功率因数的±1和降低谐波含量,同时为后级电路提供稳定的直流侧电压。
2、后级电路部分:
后级电路由多个双向直直变换器单元并接组成,直直变换器的核心器件是两个连接的全控型开关管IGBT,上管子的C端(集电极)接前级电路输出功率总线正端,下管子E端(发射极)接功率总线的负端,中间点接高频电感,支撑滤波电容分别和电感以及功率总线负端相连。当运行于充电模式时上开关管工作它是一个Buck电路,当运行于放电模式时下开关管工作它是一个Boost电路,每个直直变换器的运行模式是独立的,因此多个电池单元可以实现同步充放电。
本发明的有益效果:
本发明提出的蓄电池多单元同步充放电装置由于前级使用了SVPWM(空间电压矢量脉宽调制)技术,使功率因数在充电模式时候接近1,放电模式时接近-1,提高了能量的利用效率,因此可以降低对隔离变压器的容量要求。同时谐波含量少,减少对电网的污染。由于并接了多个独立的双向直直变换器,使得多组电池单元同步充放电时,某些电池释放的剩余电量可以不通过电网直接充入其它电池,提高了电池剩余能量的使用效率降低电费支出,同时减少了对充放电设备的投资成本提高充放电效率。
附图说明
图1是蓄电池多单元同步充放电装置结构框图。
图2是蓄电池多单元同步充放电装置整流逆变单元框图。
图3是蓄电池多单元同步充放电装置双向直直变换器单元框图。
图4是蓄电池多单元同步充放电装置进行空间矢量运算的程序框图。
图5是实际试验中,主电路工作在整流状态时,电压、电流和直流侧电压波形,波形CH1为电网侧相电压波形,波形CH2为电网侧电流波形,波形CH3为直流侧电压波形。
图6是实际试验中,主电路工作在逆变状态时,电压、电流和直流侧电压波形,波形CH1为电网侧相电压波形,波形CH2为电网侧电流波形,波形CH3为直流侧电压波形。
具体实施方式
如图1为蓄电池多单元同步充放电装置总体方案图,电网经过三相变压器实现电气隔离同时提供需要的电网侧电压E,变压器输出和三相全桥之间通过一个三相工频电感L连接。通过功率总线将DC/DC充电机、放电机和PWM整流器相连。PWM模块和各DCDC模块的控制器通过总线和主控制器单元相连进行通讯协调。
蓄电池多单元同步充放电装置的前级电路具体电路如图2,电网和三相工频变压器T之间有三相接触器S1,用于控制主电路的通断;变压器和三相工频电感L之间有软启动电阻R,用于减少刚启动是电压直接加在电容两端而引起的对系统的危害,在软启动电阻上并联三相接触器S2,当启动结束后控制S2短路掉电阻R,T1和T2、T3和T4、T5和T6分别相连组成三相全桥的三个桥臂并和工频电感L相连,桥臂输出侧接滤波电容Cd和负载R。
整流(逆变)单元控制器采用飞思卡尔的16位微控制器DSP56803,拥有互补PWM脉冲输出并可以编程死区时间插入,留有死区畸变校正检测端口;利用CPLD(复杂可编程逻辑器件)作为数字逻辑保护和信号输出,当出现故障时候快速关闭功率开关管的驱动脉冲,选用的是Xilinx公司的CPLD芯片XC95144XL;驱动芯片选用三菱公司的M57962L,它集成光耦将控制电路和主电路进行隔离,具有短路保护输出。以上器件有与之功能相近的同样可以使用。
蓄电池多单元同步充放电装置前级电路的电流控制策略采用空间电压矢量(SVPWM)算法,提高了电压利用率和动态响应速度。利用霍尔传感器检测三相电压、电流和直流侧电压值,传感器输出经过调理电路和整流(逆变)单元控制器A/D转换口线相连,多次采样取平均值减小误差,利用这些检测量整流(逆变)单元控制器进行空间矢量计算,程序流程见图4,
图4蓄电池多单元同步充放电装置进行空间矢量运算的程序的步骤叙述如下;
1.整流(逆变)单元控制器AD转换完成,得到了直流侧电压,交流侧A相和B相的电流和电压;
2.将得到的直流侧电压和指令电压比较,差值经过数字电压PI环输出得到指令有功电流,同时令无功电流为0;
3.将采样得到的电流电压进行dq坐标变换;
4.将采样转换后的有功电流和电压环的输出比较,转换后的无功电流和0指令无功电流比较,差值分别经过数字电流PI环得到输出;
5.进行前馈解藕计算;
6.进行空间矢量计算,得到PWM输出的占空比;
7.PWM装载中断产生,PWM脉冲输出同时启动AD转换;
8.回到过程1;
得到3路互补PWM脉冲占空比,实现交流侧电压和电流相位在整流时相同,在逆变时候相反。采用双闭环的控制结构,电压PI外环用于稳定直流侧电压,同时电压PI输出作为电流PI内环的输入,即电流指令。根据电流指令的正负可控制前级电路运行状态。当电流指令为正值的时候,前级电路运行在整流状态如图5,此时表示后级电池单元放电能量小于充电能量需要电网补充;当电流指令为负值的时候,前级电路运行在逆变状态如图6,此时表示后级电池单元放电能量大于充电能量,多余部分逆变回电网。可见两种运行状态由程序根据检测量自行切换无需人工干预,只与后级电路接入的电池单元能量充放差额有关。后级双向直直变换单元如图3,两个开关管T7和T8连接组成桥臂,并分别反并联二极管D1和D2,T7的C端(集电极)接功率总线正端,T8的E端(发射极)接功率总线的负端,两个开关管的连接处和一高频电感L4相连,支撑滤波电容C分别和高频电感L4以及开关管T8的E端(发射极)相连。开关S4和电阻R3相连,平时处于闭合状态用于刚接入电池时避免和电容C直接并联产生大电流对系统的冲击,当电容电压建立后断开开关S4并闭合开关S3。该电路拓扑有充电和放电两种工作状态,当处于充电状态时候,直直变换控制单元给功率开关管T7打PWM脉冲,封锁功率开关管T8,此时电路工作在Buck降压模式。根据蓄电池充电模式需要设定直直变换单元输出为恒定电流限制电压或者恒定电压限制电流。当处于放电状态时候直直变换控制单元给功率开关管T8打PWM脉冲,封锁功率开关管T7,此时电路工作在Boost升压模式。
Claims (6)
1.一种用于动力蓄电池充放电方法,其特征在于包括以下步骤;
整流(逆变)单元控制整流和逆变的功率因数的±1,同时稳定直流侧的电压,并将运行数据传送给主控制器;
直直变换单元控制每个电池单元的充放电状态,并将运行数据传送给主控制;
上位机用于显示和记录各种运行状态数据;
主控制器协调管理整流(逆变)控制单元和直直变换控制单元实现能量的双向流动,同时负责和上位机进行通讯。
2.根据权利要求1所述的一种用于动力蓄电池充放电方法,其特征在于所述的充放电状态为:
1)当所接入电池全部工作在充电状态,则变流器单元工作在整流状态,能量从电网进入电池;
2)当所接入电池全部工作在放电状态,则变流器单元工作在逆变状态,能量从电池回馈到电网;
3)当所接入电池部分工作在放电状态部分工作在充电状态,总的放电能量高于充电能量,则多余能量回馈到电网;
4)当所接入电池部分工作在放电状态部分工作在充电状态,总的放电能量低于充电能量,则缺口能量由电网提供。
3.一种蓄电池多单元同步充放电装置,其特征在于包括:主控制器分别与整流(逆变)单元,直直变换单元和上位机连接,主控制器的主电路结构有两部分组成;前级电路部分:该部分采用的功率开关管为全控器件IGBT,拓扑结构为三相全桥的电压型PWM整流器;电网电压经过三相变压器输出,经过启动电阻和三相工频电感相连,再连接三相IGBT全桥,直流侧输出并接支撑滤波电容和假负载,启动电阻处并联有交流接触器;
后级电路部分:后级电路由多个双向直直变换器单元并接组成,直直变换器的核心器件是两个连接的全控型开关管IGBT,上管子的C端接前级电路输出功率总线正端,下管子E端接功率总线的负端,中间点接高频电感,支撑滤波电容分别和电感以及功率总线负端相连。
4.根据权利要求3所述的一种动力蓄电池充放电装置,其特征在于它的前级电路结构采用的是三相电压型PWM整流器,将电池剩余能量反馈回电网。
5.根据权利要求3所述的一种动力蓄电池充放电装置,其特征在于后级电路采用的是双向的直直变换器,并且变换器数量根据需要灵活接入可进行同步的充放电。
6.根据权利要求3所述的一种动力蓄电池充放电装置,其特征在于前级电路的控制单元和后级所接入的直直变化器控制单元是通过总线结构进行通讯连接。
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