CN102055368B - 100kva微网储能双向变流器 - Google Patents
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Abstract
100KVA微网储能双向变流器，包括控制器、三相桥式逆变器、适配器和隔离变压器；隔离变压器的高压端连接交流母线，交流母线通过交流断路器连接电网；低压端通过交流接触器分别连接三相桥式逆变器的交流输出端，以及适配器的交流输入端；三相桥式逆变器的直流输入端设有直流断路器；适配器的直流输出端设有直流断路器；控制器的采样信号输入端分别连接三相桥式逆变器的直流输入端/交流输出端，以及适配器的直流输出端/交流出入端；控制器控制三相桥式逆变器和适配器的输出；控制器还控制三相桥式逆变器和适配器连接的交流接触器、直流断路器、以及交流断路器；控制器设有通信接口和人机设备接口。本技术方案适用于各种储能电池以充电和放电的形式与电网交换能量。
Description
技术领域
本发明属于输变电技术领域，具体是一种100KVA微网储能双向变流器。
背景技术
随着风电、太阳能光伏等技术的推广应用，急需一种与这种间歇式分布式能源(小型风电、光伏)配合使用的双向变流器。这种双向变流器的技术要求是，与电网调度系统相配合时，能实现对电网负荷的“削峰填谷”；与间歇式分布式能源(小型风电、光伏)配合时，能平抑间歇式能源的波动性，使得间歇式能源的负荷特性趋于可控制的“电网友好型负荷”。
发明内容
为了满足现有技术中的上述要求，本发明提出一种适用于100KVA的微网储能双向变流器，具体技术方案如下：
一种100KVA微网储能双向变流器，包括控制器、三相桥式逆变器、适配器和隔离变压器；
隔离变压器的高压端连接交流母线，交流母线通过交流断路器连接电网；低压端通过交流接触器分别连接三相桥式逆变器的交流输出端，以及适配器的交流输入端；
所述三相桥式逆变器的直流输入端设有直流断路器；所述适配器的直流输出端设有直流断路器；
所述控制器的采样信号输入端分别连接三相桥式逆变器的直流输入端/交流输出端，以及适配器的直流输出端/交流出入端；
控制器控制三相桥式逆变器和适配器的输出；控制器还控制三相桥式逆变器和适配器连接的交流接触器、直流断路器、以及所述交流断路器；
所述控制器设有通信接口和人机设备接口；
本变流器的控制方式包括本地控制和远程控制；本地控制方式优先级高于远程控制方式，两种控制方式的切换是通过人机设备接口连接的人机设备完成；选定控制方式后，只能通过相应的控制方式来完成本双向变流器的控制；
本变流器的工作状态包括：并网储能状态、并网放电状态、离网运行状态、故障处理状态和待机状态，其中，并网放电状态由用户设置功率因数；
并网储能状态：在控制器控制下，能量从电网侧经适配器的交流输入端流向直流输出端；
并网放电状态：在控制器控制下，能量经适配器的直流输入流向交流输出侧，最终流向电网侧；
离网运行状态：在控制器控制下交流母线与电网断开，交流母线为负载供电；控制器控制三相桥式逆变器以恒频恒压方式输出；
故障处理状态：故障分为轻微故障、严重故障和紧急故障三类；
待机状态：无故障，所述交流断路和直流断路器均合上，但适配器和三相桥式逆变器处于非工作状态。
与现有技术相比，本技术方案适用于各种储能电池以充电和放电的形式与电网交换能量，用以对储能元件进行充、放电的控制与管理。当与电网调度系统相配合时，能实现对电网负荷的“削峰填谷”；与间歇式分布式能源(小型风电、光伏)配合时，能平抑间歇式能源的波动性，使得间歇式能源的负荷特性趋于可控制的“电网友好型负荷”；当电网需要时，可作为配网静止无功发生器使用，在总容量范围内提供就地的无功功率支撑；当与就地负荷、其他分布式能源组成微网并孤网运行时，能够为微网内的负荷提供稳定的电压和频率。
变流器功能特点是包括：
1、并网四段式自动充电(预充、快充、均充、浮充)；
2、并网放电，放电倍率可预先固定设置或者从监控系统实时控制；
3、并网充电或者放电运行时，可设置功率因数，分别独立控制有功和无功；
4、离网运行时，可作为提供稳定的电压和频率的UPS运行，并可防止过功率充、放电；
5、并网运行时，可按照计划曲线进行自动充、放电控制，实现电网“削峰填谷”的调节；
6、并网运行时，与电网调度系统相配合，可实现对波动性间歇式能源输出功率的平抑，改变间歇式能源的输出特性，满足电网调度和稳定的要求；
7、并网运行时，可在总容量范围内提供快速、紧急的无功输出，满足电网电压控制的要求；
8、具备完备的保护功能，在各种故障情况下能保护变流器及电池的自身安全；
9、具备完善的自检功能，能对其二次控制回路的开入、开出、CPU进行自检，对三相电网电压相序等外部电流量进行检查，以防止硬件损坏、接线错误等引起的工作异常；
10、具备快速CAN通信接口和RS485接口，提供开放式MODBUS规约，便于接入监控系统或者外部的控制系统；
11、提供中文液晶MMI(人机接口)，支持就地设置定值、参数等操作；
12、提供微机保护调试分析软件CSPC，可以方便地完成故障录波、定值整定、开入开出测试等功能。
附图说明
图1所示为本双向变流器用于太阳能光伏系统的主电路示意图。
图2为本发明原理框图。
具体实施方式
结合附图对本双向变流器进行进一步说明：
如图1，蓄电池组和光伏电池板首先通过DC/DC变流器，将蓄电池输出的直流电压，变换为适合并网逆变器工作的合理直流电压，以适应不同工程中的蓄电池组特性和光伏工作电压范围；而后通过三相桥式逆变器，将直流电压变换为高频的三相斩波电压、通过滤波器滤波变成正弦波电压；最后经隔离变压器接入交流母线。
对于本例的双向变流器：
采用日本瑞斯公司32位浮点运算核与XINLINX公司高端FPGA逻辑芯片的进行控制，元素能力强；
其它芯片全部采用工业级芯片，能适应各种复杂工作环境；
具体电路中的绝缘栅双极型晶体管IGBT采用德国SEMIKRON公司的弹簧压接式IGBT；
本例的变流器的工作状态：
控制方式：
控制方式分为不同优先级的“本地控制”或“远程控制”。
“本地控制”模式优先级高于“远程控制”模式，两种模式的切换必须在本地的控制面板上完成。
控制方式包括：选定控制方式后，本双向变流器的状态切换和参数调整只能通过相应方式实现，不接收其它控制方式下发的指令。
工作状态：
本双向变流器包括五种工作状态，分别是，并网储能状态、并网放电状态、离网运行状态、故障处理状态和待机状态。其中，并网放电状态可以由用户任意设置功率因数。
1、并网储能状态：
并网储能状态是指本变流器交流侧与电网交流母线连接，变流器控制能量从电网侧流向变流器直流侧，此时系统交流侧DC/AC双向变流器处于并网充电状态，采用功率控制方式，直流侧蓄电池一般工作于四段式智能充电状态，光伏MPPT输出(白天)或停机(晚上)。
此处所指电网并非一定是传统意义上的大电网，也可以为交流母线的电压和频率是由柴油发电机等同步发电机电源来提供的交流系统。
变流器首次投入使用时，用户必须对基本参数进行设置，基本参数包括蓄电池组的基准电压、基准充电电流、充电策略选择、和保护定值等，可以通过就地面板设置，也可通过后台监控指令设定。
并网储能状态“就地控制”时，由GES-100kVA用默认充电控制策略和充电参数对蓄电池进行充电，用户可以在设备面板上修改充电参数(电流、电压)。
并网储能状态“远方控制”时，由GES-100kVA接收远方控制指令，修改充电参数(电流、电压)。
用户设置基本参数后，变流器会根据采样值对基本参数的准确性进行判别，如参数正确，则可进入并网充电状态。
并网充电控制策略有“恒流限压”、“恒压限流”、“浮充”三种，充电策略由GES-100kVA自动选择，充电参数可由用户修改。
GES-100kVA依据充电参数自动选择控制策略，并自动控制蓄电池充电策略之间的转换。例如将根据蓄电池端口电压，判别蓄电池当前电量，从而自动选取充电策略。
并网放电状态
并网放电状态是指本变流器交流侧与电网交流母线连接，变流器控制能量从变流器直流侧流向电网侧，此时系统交流侧DC/AC双向变流器处于并网放电状态时，采用功率控制方式，直流侧蓄电池一般工作于恒功率放电或恒流放电，光伏MPPT输出(白天)或停机(晚上)。
此处所指电网并非一定是传统意义上的大电网，也可以为交流母线的电压和频率是由柴油发电机等同步发电机电源来提供的交流系统。
蓄电池放电控制策略包括“恒功率放电”和“恒电流放电”两种，可由用户根据电网需要整定。
并网放电状态下，放电功率的大小可由用户通过“本地”和“远程”两种模式分别加以设置，如无设置，本变流器将按默认放电参数进行放电。
两种出力模式均存在上限值，如用户设置超过这一内置上限值，视为非法设置，告警，并将自动调节为内置上限值。
独立运行状态
独立运行状态是指本变流器外接的交流母线已经与电网断开，其作为恒压/恒频的交流电源外接入交流母线，为交流母线上接入的负载供电，此时系统交流侧DC/AC双向变流器处于并网放电状态时，采用恒频恒压控制方式，直流侧蓄电池控制系统直流母线电压，光伏MPPT输出(白天)或停机(晚上)。在该运行状态下，由双向变流器DC/AC建立交流母线的电压和频率。
离网运行模式需用户在“本地”、“远程”两种模式下，手动启动。
离网运行方式下，装置将根据并网运行时用户设置的电压有效值和频率，进行恒压、恒频率运行。
故障处理状态
按照严重程度的不同，故障可分为轻微故障、严重故障和紧急故障三类。
轻微故障仅告警，不停机，如在线谐波监测、过负荷告警、过温告警和外电网状态监测等告警功能。
严重故障封脉冲，系统转为故障状态并告警，故障消失后故障标志自动清除，转为待机状态。系统中大部分故障为可恢复性短时故障，GES-300KV具有故障消失后自投功能。
紧急故障封脉冲，跳交直流两侧断路器，停机告警，故障标志需故障清除后手动复归确认。
本变流器检测到故障异常后，在就地及远方显示故障类型及相关动作信息。
待机状态
待机状态是指本变流器无故障，交直流断路器均在合位，但换流器没有工作的热备用状态。
在以下几种情况下将处于待机状态：
●无故障情况下，本变流器启动后自动进入待机状态；
●本变流器被设置为并网充电的工作状态，蓄电池充满以后；
●本变流器被设置为并网放电或独立逆变工作状态，蓄电池放电终止以后；
●本变流器处于可恢复的故障状态(如过温)时，在一定的恢复时间内，设备进入待机状态。当达到故障恢复时间并判断故障已清除后，设备重新进入设定的工作状态；
●本变流器遭遇永久性或紧急故障，故障消除后经手动复归确认，从故障停机状态转为待机。
本变流器的保护功能
本变流器应同时配置有硬件故障保护和软件保护，保护功能配置完善，保护范围交叉重叠，没有死区，能确保在各种故障情况下的系统安全。
硬件保护
本变流器的硬件故障保护包括：
●IGBT模块过流
●IGBT模块过温
●直流母线过压故障
当装置检测到上述紧急故障后，应立即封脉冲，跳交直流两侧断路器，停机告警。故障清除后，需手动复归故障标志，本变流器方可继续投入使用。
软件保护
本变流器的软件保护分瞬动保护和定时限保护两种。
瞬动保护元件只设有保护动作定值，为系统检测到紧急故障时单点动作出口，封脉冲，跳交直流两侧断路器，停机告警，故障标志需故障清除后手动复归确认。
定时限保护设有动作定值和延时定值，为系统检测到严重故障，经延时定值确认后出口，封脉冲，系统转为故障状态并告警，故障标志亦需故障清除后手动复归确认(模块过温故障除外，模块过温保护为可恢复性故障，出口封脉冲待机后，待温度恢复到定值之下，故障标志自动清除。)
软件保护功能至少包含以下内容：
(1)直流电压保护
本变流器应配置直流母线电压保护，宜设置直流母线过压速断保护、直流母线过压定时限保护、直流母线欠压速断保护和直流母线欠压定时限保护。各保护应设置相应的软压板，保护功能投退受各自软压板独立控制。
(2)直流过流保护
本变流器应配置直流过流保护，宜设置直流过流速断保护和直流过流定时限保护。各保护应设置相应的软压板，保护功能投退受各自软压板独立控制。
(3)交流电流保护
本变流器应配置交流电流保护，宜设置交流过流速断保护和II段式定时限过流保护。各保护应设置相应的软压板，保护功能投退受各自软压板独立控制。
(4)交流过/欠压保护
本变流器应配置过/欠压保护功能。当本变流器检测到电网电压异常时，按照预订的整定值断开交流接触器，停止向电网送电或由电网向装置充电。过/欠压保护的配置可参照IEEE1547标准(见表1-1)设置，但相关定值应允许用户修改。且各保护应设置相应的软压板，保护功能投退受各自软压板独立控制。
表1-1IEEE1547对接入系统响应异常电压的要求
| 与输电线路接入点电压 | 最大允许响应时间 |
| U＜50％ | 0.16s |
| 50％≤U＜88％ | 2.00s |
| 88％≤U≤110％ | 正常运行 |
| 110％＜U＜120％ | 1.00s |
| 120％≤U | 0.16s |
(5)过温保护
除硬件温度保护外，装置还应配置数字温度保护。过温保护宜设置为II段式，过温高定值保护动作后，装置封脉冲，并转为待机状态，温度恢复后故障标志自动清除。过温低定值保护动作后，启动换流器冷却系统。
监控装置应设置多个温度监视点，如监视舱内温度、电抗器温度、隔离变压器温度和换流器外壳温度等。
(6)功率翻转保护
本变流器具备双向变流功能，对应储能设备的充放电两种状态。为防止可能的非期望功率翻转，应配置功率翻转保护。
(7)频率异常(高频/低频)
当本变流器并网放电时应具备一定的耐受系统频率异常的能力，应能够在表1-2所示电网频率偏离下运行。系统发生频率异常时，本变流器并网充电状态应根据实际电网运行要求而定。
表1-2本变流器在交流系统频率异常时的运行时间要求
(8)防孤岛保护
本变流器必须具备快速监测孤岛且立即断开与电网连接的能力，其防孤岛保护应与电网侧线路保护相配合。
防孤岛保护分为主动式和被动式两种，优先采用被动式防孤岛保护，主要有频率变化率、电压变化率、电压相位跳动等。
投标方所提供的防孤岛保护的动作特性，应符合IEEE1547与IEEE 929-2000标准的要求，所提供的并网逆变器在电网断电后检测孤岛状态和断开与电网连接的时间限制应按照上述标准进行设计。
(9)其他保护功能
本变流器还具备极性反接保护、在线谐波监测、过负荷告警、过温告警和外电网状态监测等告警功能。
通讯与监控
通讯安装
当采用PC机对单个或多个本变流器进行监控时，提供以太网和RS485通信接口，采用MODBUS规约。
控制和监控
本变流器选择本地控制时，可以接收液晶面板设定参数进行就地控制；GES-100kVA选择远程控制时，可以接收远程控制指令。用户能够通过本地或远程控制修改参数值(如充电电流，放电电流，均充电压，控制定值等)。
故障监控和恢复
本变流器具备如下保护：
直流过压保护、交流过/欠压保护、过/欠频保护、防孤岛效应保护、输出短路保护、IGBT故障保护、IGBT过温保护、变压器过温、蓄电池保护、短路保护等。
本变流器能够通过保护功能防止装置损坏和危险操作。
本变流器可以接收远程修改保护定值。
本变流器的电源性能指标：
1、直流侧输入特性：
| 输入电压范围 | 300Vdc～800Vdc |
| 最大输入电流 | 166A/(50kW支路) |
| 效率 | 95％ |
| 泄漏电流 | ＜20mA |
| 待机功耗 | ＜100W |
2、输出特性
Claims (9)
1.一种100KVA微网储能双向变流器，其特征是包括控制器、三相桥式逆变器、适配器和隔离变压器；
隔离变压器的高压端连接交流母线，交流母线通过交流断路器连接电网；低压端通过交流接触器分别连接三相桥式逆变器的交流输出端，以及适配器的交流输入端；
所述三相桥式逆变器的直流输入端设有直流断路器；所述适配器的直流输出端设有直流断路器；
所述控制器的采样信号输入端分别连接三相桥式逆变器的直流输入端/交流输出端，以及适配器的直流输出端/交流出入端；
控制器控制三相桥式逆变器和适配器的输出；控制器还控制三相桥式逆变器和适配器连接的交流接触器、直流断路器、以及所述交流断路器；
所述控制器设有通信接口和人机设备接口；
本变流器的控制方式包括本地控制和远程控制；本地控制方式优先级高于远程控制方式，两种控制方式的切换是通过人机设备接口连接的人机设备完成；选定控制方式后，只能通过相应的控制方式来完成本双向变流器的控制；
本变流器的工作状态包括：并网储能状态、并网放电状态、离网运行状态、故障处理状态和待机状态，其中，并网放电状态由用户设置功率因数；
并网储能状态：在控制器控制下，能量从电网侧经适配器的交流输入端流向直流输出端；
并网放电状态：在控制器控制下，能量经适配器的直流输入流向交流输出侧，最终流向电网侧；
离网运行状态：在控制器控制下交流母线与电网断开，交流母线为负载供电；控制器控制三相桥式逆变器以恒频恒压方式输出；
故障处理状态：故障分为轻微故障、严重故障和紧急故障三类；
待机状态：无故障，所述交流断路器和直流断路器均合上，但适配器和三相桥式逆变器处于非工作状态。
2.根据权利要求1所述的100KVA微网储能双向变流器，其特征是所述并网储能状态下的储能控制策略包括恒流限压、恒压限流或浮充，充电参数由用户修改。
3.根据权利要求1所述的100KVA微网储能双向变流器，其特征是所述并网放电状态下的放电控制策略包括恒功率放电和恒电流放电；两种放电策略设置上限值，如用户设置超过这一内置上限值，则告警，并自动调节为内置上限值。
4.根据权利要求1所述的100KVA微网储能双向变流器，其特征是轻微故障，仅告警，不停机；
严重故障，封脉冲，系统转为故障状态并告警，故障消失后故障标志自动清除，转为待机状态；
紧急故障，封脉冲，所述交流断路器和直流断路器为断开，停机告警，故障标志需故障清除后手动复归确认。
5.根据权利要求1所述的100KVA微网储能双向变流器，其特征是在以下几种情况下将处于待机状态：
无故障情况下，本变流器启动后自动进入待机状态；
本变流器被设置为并网储能的工作状态，蓄电池充满以后；
本变流器被设置为并网放电或独立逆变工作状态，蓄电池放电终止以后；
本变流器处于可恢复的故障状态时，在一定的恢复时间内，设备进入待机状态，当达到故障恢复时间并判断故障已清除后，设备重新进入设定的工作状态；
本变流器遭遇永久性或紧急故障，故障消除后经手动复归确认，从故障停机状态转为待机。
6.根据权利要求1所述的100KVA微网储能双向变流器，其特征是本变流器应配置有硬件故障保护和软件保护；
硬件故障保护包括：三相桥式逆变器以及适配器的过流和过温保护；直流输出端过压故障；
当控制器检测到上述故障后，立即封脉冲，断开交直流两侧断路器，停机告警；故障清除后，手动复归故障标志；
软件保护时机包括瞬动保护和定时限保护；
瞬动保护设有保护动作定值，为系统检测到紧急故障时单点动作出口，封脉冲，跳交直流两侧断路器，停机告警，故障标志需故障清除后手动复归确认；
定时限保护设有动作定值和延时定值，为系统检测到严重故障，经延时定值确认后出口，封脉冲，系统转为故障状态并告警，故障标志亦需故障清除后手动复归确认；
软件保护包括：直流电压保护、直流过流保护、交流电流保护、交流过/欠压保护。
7.根据权利要求1所述的100KVA微网储能双向变流器，其特征是所述控制器包括FPGA和CPU；CPU与FPGA通信，FPGA控制三相桥式逆变器的输出；CPU的输入端中设置采样信号输入端；CPU的通用输入输出端中设置通信接口和人机设备接口。
8.根据权利要求1所述的100KVA微网储能双向变流器，其特征是所述通信接口连接有CAN通信接口模块和RS485通信接口模块。
9.根据权利要求1所述的100KVA微网储能双向变流器，其特征是所述人机设备接口连接的人机设备包括控制面板和显示设备。
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