CN101976879B - 基于系统变流器的移动应急电源 - Google Patents
基于系统变流器的移动应急电源 Download PDFInfo
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Abstract
一种电力电源技术领域的基于系统变流器的移动应急电源,包括:蓄电池模块、多功能变流器、直流电抗器、三个交流电抗器、两个直流稳压电容、八个接触器以及主控电路模块。本发明以DSP2812数字信号处理器为核心控制器,采用触摸屏作为系统上位机,选择系统运行状态,给出系统运行指令信号,操作简单。电源核心部分为多功能变流器,通过接触器闭合不同回路,可使系统工作于直流变换、PWM整流、PWM逆变状态之一。电能可来源于风能、太阳能、市电、柴油机四种输入,有效提高系统可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种电力电源技术领域的装置,具体是一种基于系统变流器的移动应急电源。
背景技术
移动应急电源已广泛应用于各个行业,如作为现代楼宇的后备电源,抢险救灾中的应急供电,以及医疗、消防、军事装备等,需求量不断增大。近年来,随着微网概念的提出以及分布式发电系统的不断发展,移动应急电源也可用于小型电网的后备支撑,及作为各种新能源的并网中介等。
所述移动应急电源基于全控电力电子器件IGBT及PWM变换技术,与传统移动应急电源系统相比,具有以下优点:1)除利用传统的柴油机组外,将风能、太阳能也作为应急电源的主要能量来源,通过变流器输出高质量电能,从而减小污染,达到节能环保的目的。2)移动应急电源核心部分采用一种多功能变流器,将直流升降压(Boost、Buck)、PWM整流、PWM逆变功能集于一身,减小了设备整体体积,提高了效率。3)可提供三相及单相交流输出电压,幅值和频率可控,能够适用于各种电压等级和频率的负载,扩大系统应用范围。4)除具备应急发电功能外,还可作为新能源并网接口,成为分布式发电系统的重要组成部分。5)采用PWM变流技术,开关频率高,谐波含量低,输出波形质量高。
针对现有移动应急电源大都依赖柴油机组发电,存在噪声大、污染环境,以及输出电能质量差等问题,设计了一种移动应急电源系统,其核心部分是一种多功能变流器,是在传统三相桥式变流器拓扑结构基础上,增加电容、电感、接触器和蓄电池构成。将直流升降压(Boost、Buck)、PWM整流、PWM逆变功能集于一身,使风能,太阳能能够应用于移动应急电源系统。整个移动应急电源系统可通过上位机和PLC协调控制,发出指令信号及监控系统运行状态,所有操作可通过安装在控制室内的触摸屏或工控机来完成。
对于变流器实现的各种功能所采用的控制方式也各不相同,对于直流升、降压变换,采用PI调节器,通过调节控制信号输出幅值改变PWM占空比,从而维持输出直流电压跟踪给定,对系统中蓄电池充电或维持电容电压恒定。对于PWM整流方式,采用双闭环矢量控制策略,分为内环和外环,其中,内环为电流闭环,采用前馈解耦控制策略,有功电流、无功电流分别跟踪外环给定值;外环分别为直流电压和无功功率闭环,采用PI调节器控制系统输出跟踪给定值。对于PWM逆变方式,分别控制两相旋转坐标系下dq轴电压跟踪给定,由PI调节器输出控制信号,再经坐标反变换得到三相静止坐标系下参考信号,触发各IGBT器件,输出频率、幅值可调的三相交流电。
经对现有技术文献的检索发现,Guiyin Yu在The Ninth International Conference onElectronic Measurement & Instruments学术会议上发表的A New Type of Three-phaseEmergency Power Supply(EPS)(一种三相应急电源(EPS))设计了一种基于IPM模块和DSPTMS320LF2407A处理器的应急电源系统,实现应急电源的基本功能,但存在以下缺点:1)主电路中电能来源单一,只有蓄电池作为唯一储能环节,经直流变换电路及三相桥式逆变电路后输出,而蓄电池在频繁充放电情况下使用寿命短、成本高,系统容量受蓄电池体积和成本影响大。2)对于风能、太阳能等新能源没有预留接口,无法利用风力发电机和太阳能电池板等输出电能。3)输出接口较少,只能输出一路三相交流电。4)应用范围较小,文献中所述应急电源系统不可移动,对于电力抢险、通信维修、突发事件处理、抢险救灾等场合无法应用。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足,提供一种基于系统变流器的移动应急电源,以DSP2812数字信号处理器为核心控制器,采用触摸屏作为系统上位机,选择系统运行状态,给出系统运行指令信号,操作简单。电源核心部分为多功能变流器,通过接触器闭合不同回路,可使系统工作于直流变换、PWM整流、PWM逆变状态之一。电能可来源于风能、太阳能、市电、柴油机四种输入,有效提高系统可靠性。
本发明是通过以下技术方案实现的,本发明包括:蓄电池模块、多功能变流器、直流电抗器、三个交流电抗器、两个直流稳压电容、八个接触器以及主控电路模块,其中:第一接触器分别连接直流电抗器和多功能变流器第一桥臂中点,蓄电池模块经第六接触器与第一直流稳压电容并联后连接于直流电抗器另一端,第二直流电容并联于三相全控桥式结构的直流侧,三个交流电抗器用于连接第三、第四接触器及变流器三相桥臂的中点,第二接触器连接蓄电池模块和第二直流电容模块,第三、四、五、七、八接触器分别作为风力发电机、柴油机或市电、太阳能电池板、单相负载及三相负载或电网的接口模块,主控电路模块的输入连接于系统中多功能变流器三相桥臂输出的交流电压、电流及两个直流电容电压的检测元件,主控电路模块输出的触发脉冲与变流器中六个全控开关器件门极相连。
所述的蓄电池模块由多节蓄电池依次串联组成蓄电池组,单节蓄电池采用密封免维护铅酸蓄电池。
所述的多功能变流器包括:功率电路和主控电路,其中:功率电路由第三直流电容、第四直流电容,一个直流电抗器和六个带反并联二极管的全控开关器件组成,主控电路以DSP2812芯片为核心,通过检测系统三相电压、电流及直流电压信号进行运算,生成触发脉冲信号通过光纤传递至功率电路触发各全控开关器件工作,同时也具备过电流、过电压保护,输出故障信号的功能。
所述的直流电抗器的电感值按照以下两种方式中的任意一种进行计算:
a)对于降压变换的电感临界值LC1按照式(1)计算,
b)对于升压变换的电感临界值LC2按照式(2)计算,
其中:R为负载电阻,TS为PWM开关周期,DC为降压变换占空比,DCmin为升压变换最小占空比,实际电感值选取时应比计算得到的临界电感值稍大,又由于升降压电器采用一个电感,电感L值取LC1、LC2中较大者。
所述的第一直流电容和第二直流电容的容值分别按照直流升降压变换输出直流电压纹波大小来确定,其中:
第一直流电容可按照式(3)计算,
第二直流电容按照式(4)计算,
其中:R为负载电阻,TS为PWM开关周期,vdc、Δvdc分别为输出直流电压及纹波电压,DC为降压变换占空比,DCmax为升压变换最大占空比,L为直流电感值。
所述的主控电路模块以DSP2812开发板为核心,该主控电路模块包括:电压电流检测模块、坐标变换模块、PWM模块、电流内环模块和锁相环模块,其中:电压电流检测模块与坐标变换模块相连接并传输交流电压电流瞬时值,锁相环模块与坐标变换模块及电流内环模块相连接并传输电压相位角信号,电流内环模块与PWM模块相连接并传输三相电压指令信号,PWM模块与主电路全控开关器件相连接并传输触发脉冲信号。
所述的PWM模块包括:坐标反变换模块、限幅模块和触发脉冲生成模块,坐标反变换模块接收dq轴电压指令信号经计算后得到三相静止坐标系下指令信号,作为三相参考信号送至触发脉冲生成模块输出触发脉冲驱动相应全控开关器件动作。
所述的多功能变流器的工作过程如下:
1、直流电压的变换功能由第一直流电容、第二直流电容,直流电抗器和第一桥臂的两只全控开关器件完成,通过控制第一桥臂下部开关器件高频开关,可将第一直流电容两端电压升压后对第二直流电容充电,即直流升压变换(Boost),或者通过控制第一桥臂上部开关器件高频开关,将第二直流电容两端电压降压后对第一直流电容或蓄电池模块充电,即直流降压变换(Buck)。各功率器件的触发脉冲由主控电路生成,直流变换采用PI调节器生成参考信号,与高频三角波比较输出触发脉冲(即SPWM方法)。
2、PWM整流和PWM逆变功能由主电路中六个全控开关器件和第二直流电容完成,工作于整流状态时通过第三、第四接触器的切换可利用风能、市电及柴油机其中一种能源对第二直流电容充电,使输出直流电压跟踪给定;工作于逆变状态时,闭合第二、第六接触器将蓄电池组中的电能逆变为单相(通过第二、第三桥臂开关器件高频开关)或三相(通过全部六只开关器件高频开关)PWM交流电压输出供给负载或并网。各功率器件的触发脉冲同样由主控电路生成,对于PWM逆变功能,基于同步旋转坐标系,分别控制dq轴电压跟踪给定,从而分别控制输出电压的频率和幅值;对于PWM整流采用双闭环矢量控制方式,外环为直流电压环和无功功率环,基于两相同步旋转坐标系(dq系),内环为有功电流和无功电流闭环,采用前馈解耦控制方法,跟踪外环调节器输出信号,使系统直流电压和无功功率分别独立控制。
当工作于PWM整流状态时,系统检测交流电压、电流,并传送至坐标变换模块,得到两相旋转坐标系下电压值vd、vq,电流值id、iq,送至无功功率计算模块得到无功功率实际值Q与无功给定值Q*比较,误差经PI调节器后送至电流内环,作为内环q轴电流给定值检测第二直流电容电压vdc与直流电压给定值比较,误差经PI调节器后送至电流内环,作为内环d轴电流给定值
当系统工作于PWM逆变状态时,系统将dq轴电压给定值与坐标变换模块计算得到的dq轴实际电流值比较后经PI调节器得到指令信号送至PWM模块,输出触发脉冲,其中d轴电压指令值根据实际情况可以是负载额定电压矢量幅值或电网电压矢量的幅值。
本发明的优点包括:
1.将多种变换功能结合在一起,仅用六个全控电力电子器件及简单的接触器相互切换即可实现直流升-降压变换、PWM整流、PWM逆变功能,与上述文献相比可节省一组全控开关器件桥(文献中共四组桥),降低设备成本,减小设备体积。
2.将新能源应用于移动应急电源,可利用风能、太阳能对蓄电池充电,达到节能、环保的目的。避免了以柴油机作为电能唯一来源的传统应急电源存在的环境污染、输出电能质量差及可靠性不高等缺点。
3.系统采用PWM变流技术,开关频率高,输出波形质量好,谐波含量低,可明显减小输出无源滤波器的体积,甚至可不配置滤波器,使设备整体体积减小,具有较好的机动性。
4.采用矢量控制技术,系统输出交、直流电压均可控,且跟踪精度较高,不仅可对负载应急供电,也可作为新能源并网变流器使用,作为太阳能、风能并网发电的接口单元,成为分布式发电系统的组成部分。
5.采用DSP2812作为主控系统处理芯片,集成CAN总线通讯功能,可利用通讯网络使多个系统集成管理,便于形成统一管理及操作平台,扩大系统规模。
本发明采用多功能变流器,将直流升降压变换、PWM整流、PWM逆变功能用三组全控桥实现,通过接触器相互切换实现各种变换功能。同时将太阳能、风能应用于移动应急电源系统,使其电能来源多样化,可提高系统可靠性。采用PWM及矢量控制技术使系统输出电压质量较高,幅值、相位均可控,既可对负载应急供电,也可作为新能源并网变流器使用,扩大了移动应急电源系统的应用范围。
多功能变流器拓扑结构的主要特征是在传统三相桥式全控结构的基础上增加电容、电感及接触器使其不仅具备PWM整流、逆变功能,同时具备直流升-降压变换功能。将直流变换电路与交流三相PWM变流器功能结合在一起。通过控制第一组桥臂两只全控开关器件的高频通断可实现双相直流升压或降压变换,直流电抗器为直流升、降压共用电感。降压变换时输出电压对第一直流电容和蓄电池充电,升压变换时输出直流电压对第二直流电容充电。且输出电压可调,均具有较高跟踪精度。
主控系统的主要特征是采用DSP2812作为主控芯片,根据系统各种运行状态(直流升-降压、PWM整流、逆变)输出控制触发脉冲,控制系统中六个全控电力电子器件动作,主控系统与主电路之间PWM触发信号以光纤连接,避免传输过程中的干扰影响系统性能。系统工作状态,即电压、电流信息,以霍尔元件检测,经信号调理、滤波后送入DSP芯片。
工作时,若风能处于可用状态(风速在风机正常工作范围内),系统将风机输出通过交流电抗器送至变流器交流侧,通过控制六只全控开关器件,使其工作于PWM整流状态,可将风机输出三相交流电变换为直流,储存于第二直流电容中,通过闭合第二和第六接触器可向蓄电池充电,通过控制第二、第三桥臂开关管动作可将电容电压逆变为单相交流电,通过控制第一、第二、第三桥臂全控开关器件动作可将电容电压逆变为三相交流电,即将风能作为移动应急电源系统的能量来源。若太阳能处于可用状态,可利用太阳能对蓄电池充电,或与第一、第二直流电容并联,再通过第一、第二、第三桥臂全控开关器件逆变输出单相或三相交流电,即将太阳能作为移动应急电源系统能量来源。若风能、太阳能均处于不可用状态,则可利用柴油发电机或市电对蓄电池充电或直接输出。
本发明既可作为电力抢险、通信维修、突发事件处理、抢险救灾、军事作战演习等方面的应急供电使用,也可以作为新能源并网变流器或作为分布式电源使用,应用范围较广,且电能来源多样化,可以为风能、太阳能、市电或柴油机,上述均可对蓄电池充电,保证蓄电池在任何状态均可用,使系统具有较高的可靠性,且节能环保,对环境污染小。
附图说明
图1是本发明系统结构图。
图2是移动应急电源主控系统与主电路信号传输图。
图3是直流升-降压变换控制示意图。
图4是PWM整流控制示意图。
图5是PWM逆变控制示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示,本实施例包括:一个蓄电池模块,一个多功能变流器,一个直流电抗器,三个交流电抗器,两个直流稳压电容、八个接触器以及主控电路模块。其中:第一接触器KM1连接直流电抗器L和多功能变流器模块第一桥臂B1中点,蓄电池模块SC经第六接触器KM6与第一直流稳压电容C1并联后连接于直流电抗器L另一端,第二直流电容C2并联于三相全控桥式结构的直流侧,三个交流电抗器L1~L3用于连接第三、第四接触器KM3、KM4及变流器三相桥臂B1~B3的中点,第二接触器KM2连接蓄电池模块SC和第二直流电容模块C2,第三、四、五、七、八接触器KM3、KM4、KM5、KM7、KM8分别为风力发电机WF、柴油机或市电AC、太阳能电池板SP、单相负载SPL及三相负载或电网TPL的接口模块。主控电路模块MC的输入连接于系统中多功能变流器三相桥臂输出的交流电压Ua,Ub,Uc、电流Ia,Ib,Ic及两个直流电容电压Vd1,Vd2的检测元件,主控电路模块输出的触发脉冲与变流器中六个全控开关器件T1~T6门极相连。
所述的蓄电池模块由多节蓄电池依次串联组成蓄电池组,单节蓄电池采用密封免维护铅酸蓄电池,单节输出电压12V,每组9节串联,共三组并联。
所述的多功能变流器包括:功率电路和主控电路,其中:功率电路由第三直流电容、第四直流电容C1、C2,一个直流电抗器L和六个带反并联二极管的全控开关器件(T1~T6)组成。主控电路以DSP2812芯片为核心,通过检测系统三相电压、电流及直流电压信号进行运算,生成触发脉冲信号通过光纤传递至功率电路触发各全控开关器件(T1~T6)工作,同时也具备过电流、过电压保护功能,输出故障信号。其中电感LC1参数选取时,最小占空比为0.25,PWM开关频率1050Hz,等效负载电阻20Ω可按照上述式(1)计算得到LC1=7.1mH,实际电感可取为计算值的1.2倍,即8.52mH。电感LC2参数选取时,取最小占空比DCmin为0.5,其余参数同上,按照上述式(2)计算得到LC2=1.2mH,最终电抗器L的电感值取二者中较大的一个,即L=8.52mH。电容C1参数选取时,设置纹波系数为0.2%,即Δvdc为输出电压的0.2%。根据式(3)计算得到C1=5mF。电容C2参数选取时,DCmax设置为5/6,其余参数同上,按照式(4)计算得到C2=4.95mF。
所述的三个交流电抗器是完成PWM整流功能时的必需元件,其值按照系统基准阻抗选取,值的大小决定了直流电压输出范围及系统电流内环的跟踪性能。当工作于PWM整流状态时,系统基准阻抗为直流输出电压除以直流电流值。系统工作于PWM整流状态时,设置直流电压额定值为800V,KM3,KM4处接口输出额定功率300KW,可计算得到基准阻抗2.13Ω,交流电抗器阻抗为ωL,可得到三个交流电抗器值为6.78mH。
所述的主控电路模块以DSP2812开发板为核心,包括电压、电流检测模块,坐标变换模块、PWM模块,电流内环模块和锁相环模块。下面结合图2-5说明多功能变流器在各种工作模式下,主控电路工作方式。
如图2和图3所示,当工作于直流升降压变换状态时,系统将检测到的第一直流电容C1或第二直流电容C2的电压vdc1或vdc2与直流电压给定值比较,得到误差经PI调节后输出指令信号传输至PWM生成模块,输出触发脉冲驱动相应开关器件工作。
如图4所示,当工作于PWM整流状态时,如图4(a)所示,系统检测交流电压、电流,并传送至坐标变换模块,得到两相旋转坐标系下电压值vd、vq,电流值id、iq,送至无功功率计算模块得到无功功率实际值Q与无功给定值Q*比较,误差经PI调节器后送至电流内环,作为内环q轴电流给定值检测第二直流电容电压vdc与直流电压给定值比较,误差经PI调节器后送至电流内环,作为内环d轴电流给定值
如图4(b)所示,电流内环模块将dq轴电流给定值与坐标变换模块得到的电流实际值比较后经PI调节器输出并取反,与系统电压vd、vq及内环前馈解耦量ωLiq、-ωLid求和作为指令信号送至PWM模块,输出触发脉冲。
如图5所示,当系统工作于PWM逆变状态时,系统将dq轴电压给定值与坐标变换模块计算得到的dq轴实际电流值比较后经PI调节器得到指令信号,送至PWM模块,输出触发脉冲,其中d轴电压指令值根据实际情况可以是负载额定电压矢量幅值或电网电压矢量的幅值。
上述PWM模块又包括坐标反变换模块、限幅模块和触发脉冲生成模块,坐标反变换模块接收dq轴电压指令信号经计算后得到三相静止坐标系下指令信号,作为三相参考信号送至触发脉冲生成模块,输出触发脉冲驱动相应全控开关器件动作。
本实施例的工作过程:如图1所示
1、直流电压的变换功能由第一直流电容C1、第二直流电容C2、直流电抗器L和第一桥臂的两只全控器件(T1、T2)完成,通过控制T2高频开关,可将直流电容C1两端电压升压后对电容C2充电,即直流升压变换(Boost),或者通过控制T1高频开关,将C2两端电压降压后对直流电容C1或蓄电池模块充电,即直流降压变换(Buck)。各功率器件的触发脉冲由主控电路生成,直流变换采用PI调节器生成参考信号,与高频三角波比较输出触发脉冲(即SPWM方法)。
2、PWM整流和PWM逆变功能由主电路中六个IGBT和第二直流电容C2完成,工作于整流状态时通过第三(KM3)、第四(KM4)接触器的切换可利用风能、市电及柴油机中任一种能源经开关管T1~T6对直流电容C2充电,使输出直流电压跟踪给定;工作于逆变状态时,闭合第二、第六接触器将蓄电池组中的电能逆变为单相(通过T3~T6高频开关)或三相(通过T1~T6高频开关)PWM交流电压输出共给负载或并网。各功率器件的触发脉冲同样由主控电路生成,对于PWM逆变,基于同步旋转坐标系,分别控制dq轴电压跟踪给定,从而分别控制输出电压的频率和幅值;对于PWM整流采用双闭环矢量控制方式,外环为直流电压环和无功功率环,基于两相同步旋转坐标系(dq系),内环为有功电流和无功电流闭环,采用前馈解耦控制方法,跟踪外环调节器输出信号,使系统直流电压和无功功率分别独立控制。
本实施例的具体优点:通过所设计的多功能变流器,将风能、太阳能应用于移动应急电源。在传统三相桥式结构基础上增加电容、电感及接触器,将直流升-降压变换、PWM整流、PWM逆变功能集成在一起,功能多、体积小,成本低。改变传统移动应急电源以柴油机作为唯一电能来源的缺点,提高了系统可靠性。由于采用了PWM变流技术及矢量控制技术,可使输出波形质量更好,谐波更小,系统响应快,跟踪精度高。
Claims (7)
1.一种基于系统变流器的移动应急电源,包括:蓄电池模块、多功能变流器、直流电抗器、三个交流电抗器、两个直流稳压电容、八个接触器以及主控电路模块,其中:第一接触器分别连接直流电抗器一端和多功能变流器第一桥臂中点,蓄电池模块经第六接触器与第一直流稳压电容并联后连接于直流电抗器另一端,第二直流稳压电容并联于三相全控桥式结构的直流侧,三个交流电抗器用于连接第三、第四接触器及变流器三相桥臂的中点,第二接触器连接蓄电池模块和第二直流稳压电容,第三、四、五、七、八接触器分别作为风力发电机、柴油机或市电、太阳能电池板、单相负载及三相负载或电网的接口模块,其特征在于,所述的基于系统变流器的移动应急电源仅由三组IGBT桥同时完成DC/DC和DC/AC功能,输出单相交流电能,所述的主控电路模块部分直接由DSP2812芯片输出控制触发脉冲,经驱动电路与变流器中六个全控开关器件门极相连。
2.根据权利要求1所述的基于系统变流器的移动应急电源,其特征是,所述的DSP2812芯片,集成CAN总线通讯功能,利用通讯网络使多个系统集成管理,直接由软件计算产生触发信号。
3.根据权利要求1所述的基于系统变流器的移动应急电源,其特征是,所述的多功能变流器包括:功率电路和主控电路,其中:功率电路由第三直流稳压电容、第四直流稳压电容和六个带反并联二极管的全控开关器件组成,主控电路以DSP2812芯片为核心,通过检测系统三相电压、电流及直流电压信号进行运算,生成触发脉冲信号通过光纤传递至功率电路触发各全控开关器件工作,同时也具备过电流、过电压保护,输出故障信号的功能。
6.根据权利要求1所述的基于系统变流器的移动应急电源,其特征是,所述的主控电路模块以DSP2812开发板为核心,该主控电路模块包括:电压电流检测模块、坐标变换模块、PWM模块、电流内环模块和锁相环模块,其中:电压电流检测模块与坐标变换模块相连接并传输交流电压电流瞬时值,锁相环模块与坐标变换模块及电流内环模块相连接并传输电压相位角信号,电流内环模块与PWM模块相连接并传输三相电压指令信号,PWM模块与主电路全控开关器件相连接并传输触发脉冲信号。
7.根据权利要求6所述的基于系统变流器的移动应急电源,其特征是,所述的电流内环模块,采用数字化调节器与外环结构通用,实现电流内环的跟踪控制。
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