CN102832682A - 具有无功补偿功能的大功率充放电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有无功补偿功能的大功率充放电机，包括机柜和电气部分，所述电气部分包括DSP控制电路、PWM控制及驱动电路、取样与AD转换电路、LCL“T”型滤波电路、软起动电路、接触器控制电路、三相桥式IGBT模块电路、交错互联DCDC变换电路、触摸屏人机交互通信与控制模块。该装置的充电与放电操作可以按照人为设置任意切换。本发明采用SVPWM空间矢量控制技术以及交错互联的DCDC变换控制技术使得在单位体积和重量下充放电电流与功率以及充放电效率得到了较大的提高，产品成本降低。

Description

具有无功补偿功能的大功率充放电机

技术领域

本发明涉及一种充放电机，尤其涉及一种具有无功补偿功能的大功率充放电机。

背景技术

随着近十几年新电池种类的出现，电池在性能方面已经有了极大的突破。由于电池可以安装在电力系统的任意位置、反应迅速易于调度，利用电池的储能技术成为了新能源领域越来越重要的议题。大功率充放电机作为电池储能的核心设备在电池能与电能的相互转化中起决定性的作用，于是出现有各种充放电设备。

国内市场上大功率充电设备多采用三相相控或全控整流方式，通过这些设备充电的后果是给电网带来了大量的低次谐波，这些谐波严重污染了供电电网。而充电与放电也大多采用两套器件，这不仅增加了材料成本还使得设备运行的可靠性和可维护性大幅降低。

一种大功率便携式智能充放电机（专利申请号：201010045859.6）介绍了一种便携式的大功率智能充放电机，在保持大电流输出状态下，使得设备的体积和重量都大幅度减小，达到了便携式的要求，但由于其采用三相相控整流方式，会产生大量低次谐波，污染电网。

大功率智能快速充电机（专利申请号：200820152048.4）提出了一种大功率智能快速充电机，具有体积小、重量轻和电源效率较高的优点；然而该充电机仅为针对大功率，快速充电的充电机。该充电机仍然没有解决会带来低次谐波的问题。

为此，本发明提供一种具有无功补偿功能的大功率充放电机，采用并网逆变与整流的双向结构，集充电、放电于一体，使得充电电流谐波比例大幅降低，同时又使充放电的电流与功率成倍提高。

发明内容

本发明的目的是：为了解决目前充放电设备普遍存在的问题，本发明提供了一种具有无功补偿功能的大功率充放电机。该设备采用了并网逆变与整流的双向结构，集充电、放电于一体，极大的降低了材料成本；该设备采用的SVPWM和高频整流技术、交错互联DCDC变换技术使得充电电流谐波比例大幅降低，同时又使充放电的电流与功率成倍提高。通过功率因数设定，该设备在工作中不仅可以在单位功率因数下运行，也可以吸收或发出超前与滞后的无功，改善了网侧电能品质，有效防止电网波动，使分布式供电系统更加安全可靠。

本发明所采用的技术方案是：一种具有无功补偿功能的大功率充放电机，包括机柜和电气部分，其特征在于：所述电气部分包括DSP控制电路、PWM控制及驱动电路、取样与AD转换电路、LCL“T”型滤波电路、软起动电路、接触器控制电路、三相桥式IGBT模块电路、交错互联DCDC变换电路、触摸屏人机交互通信与控制模块；所述取样与AD转化电路将检测到的信号送到所述的DSP控制电路，所述的DSP控制电路根据检测信号来确定电池的状态；三相交流电通过所述三相桥式IGBT模块电路和软起动电路建立母线电压提供初始工作电源；所述PWM控制及驱动电路接受所述DSP控制电路的内部程序控制；所述PWM控制及驱动电路输出脉冲信号驱动IGBT模块电路按一定时序和占空比导通与关断；所述交错互联DCDC变换电路在放电的情况下，将电池升压送到的IGBT模块电路，所述IGBT模块电路接收到PWM控制及驱动电路发出的驱动而导通关断产生脉动电信号经LCL“T”型滤波电路滤波后生成正弦波向电网回馈能量；所述LCL“T”型滤波电路在充电模式下将电网侧三相交流电经过滤波送到IGBT模块电路，所述IGBT模块电路接收到PWM控制及驱动电路发出的驱动而导通关断生成直流电压电流信号再转送到交错互联DCDC变换电路；所述交错互联DCDC变换电路经过降压变换对电池进行充电；所述触摸屏人机交互通信与控制模块接收人为的开关量和充放电参数设置之后将控制指令发送至DSP控制电路使设备工作在用户设定的充电或放电状态。

如上所述的具有无功补偿功能的大功率充放电机，其特征在于：所述DSP控制电路包括DSP微处理器、PWM驱动产生电路、PWM驱动封锁电路、过压保护电路、过流保护电路、缺相保护电路、IGBT直通保护电路、故障显示电路、故障复位电路、按键电路、控制开关电路、掉电存储电路；所述DSP微处理器接收到所述触摸屏人机交互通信模块发过来的开机指令，发出充放电控制信号、软起动控制信号、电池状态检测信号，分别用于控制电池的充放电、控制软起动电阻的接入与断开；所述过压保护电路检测电池和母线电压，一旦发生过压则发出过压故障信号；所述过流保护电路检测交流三相电流、电池充放电电流，一旦发生过流则发出过流保护故障信号；所述缺相保护电路检测三相交流是否缺相，一旦发生缺相则发出缺相故障信号；所述IGBT直通保护电路检测IGBT是否直通，一旦直通发生则发出直通保护故障信号；所述PWM驱动封锁电路收到任何故障信号即封锁所有脉冲输出，充放电机停止工作；所述故障显示电路在故障发生后，驱动相应的故障指示灯亮，并将故障信号发送至所述DSP微处理器，再由所述DSP微处理器转发至触摸屏人机交互通信与控制电路后供用户查看；所述故障复位电路是在故障产生后，经用户检查故障已清除并进行手动复位操作，使充放电恢复到正常待机状态；所述按键电路和所述触摸屏人机交互通信与控制模块一样能控制充放电机正常开关机和模式切换操作，但所述按键电路仅限于简单的开关量控制而且在控制上与所述触摸屏人机交互通信与控制模块并无冲突；所述控制开关电路输出开关信号传送到所述接触器控制电路来驱动其开关动作；所述掉电存储电路将用户设定好的充放电参数存储起来供下次充放电继续使用，避免复杂的重复操作。

如上所述的具有无功补偿功能的大功率充放电机，其特征在于：所述DSP微处理器采用TMS320F28335芯片。

如上所述的具有无功补偿功能的大功率充放电机，其特征在于：所述控制开关电路由五路光耦开关驱动五路继电路器的方式组成；所述故障显示电路由八路LED发光二极管和液晶显示电路构成。

如上所述的具有无功补偿功能的大功率充放电机，其特征在于：所述取样与AD转换电路中的电压取样采用的是CLSM-10MA电压传感器，电流取样采用的是LT108-S7电流传感器；AD转换芯片采用的是AD7656十六位高精度模数转换芯片。

如上所述的具有无功补偿功能的大功率充放电机，其特征在于：所述PWM控制及驱动电路采用M57962L芯片，该芯片接收到经电平转化后的DSP微处理器发出的脉冲信号控制IGBT导通与关断。

如上所述的具有无功补偿功能的大功率充放电机，其特征在于：PWM驱动封锁电路采用LM311芯片，当故障发生时，能在远小于开关周期的时间里切断PWM脉冲。

本发明的有益效果是：

本发明使用了全控型大功率器件IGBT，整流和逆变均采用了SVPWM空间矢量调制技术，电流的畸变得到了有利改善。本发明所使用的多重多相DCDC变换技术，在增加一个IGBT模块的基础上，将充电与放电功率提高了一倍，极大程度上降低了材料的成本，同时大大削弱了电池的充放电电流纹波。本发明在工作中可以吸收或发出超前与滞后的无功，改善了网侧电能品质，有效防止电网波动，使分布式供电系统更加安全可靠。

附图说明

图1是本发明实施例的具有无功补偿功能的大功率充放电机的系统方框图。

图2是本发明实施例的具有无功补偿功能的大功率充放电机的主电气结构图。

图3 是本发明实施例的具有无功补偿功能的大功率充放电机的算法实现框图。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征与功效易于被了解，下面结合具体实施例，作进一步说明。

附图中的符号说明：1-DSP控制电路、2- PWM控制及驱动电路、3-取样与AD转换电路、4- LCL“T”型滤波电路、5-软起动电路、6-接触器控制电路、7-三相桥式IGBT模块电路、8-交错互联DCDC变换电路、9-触摸屏人机交互通信与控制模块。

参见图1，具有无功补偿功能的大功率充放电机包括机柜和电气部分，电气部分包括DSP控制电路1、PWM控制及驱动电路2、取样与AD转换电路3、LCL“T”型滤波电路4、软起动电路5、接触器控制电路6、三相桥式IGBT模块电路7、交错互联DCDC变换电路8、触摸屏人机交互通信与控制模块9这九大模块。接触器控制电路6接到DSP控制电路1发出的开关信号软起动；DSP控制电路1接收触摸屏人机交互通信与控制模块9的充放电指令并通过信号采集与计算产生PWM控制信号作用于三相桥式IGBT模块电路7，达到按照用户要求进行充电与放电的目的。

取样与AD转换电路3将检测到的信号送到DSP控制电路1，DSP控制电路1根据检测信号来确定电池的状态；三相交流电通过三相桥式IGBT模块电路7和软起动电路5建立母线电压提供初始工作电源。

PWM控制及驱动电路2接受DSP控制电路1的内部程序控制； PWM控制及驱动电路2输出脉冲信号驱动三相桥式IGBT模块电路7按一定时序和占空比导通与关断。

交错互联DCDC变换电路8在放电的情况下，将电池升压送到的三相IGBT模块电路7，三相桥式IGBT模块电路7接收到PWM控制及驱动电路2发出的驱动而导通关断产生脉动电信号经LCL“T”型滤波电路4滤波后生成正弦波向电网桥式回馈能量。

LCL“T”型滤波电路4在充电模式下将电网侧三相交流电经过滤波送到三相桥式IGBT模块电路7，三相桥式IGBT模块电路7接收到PWM控制及驱动电路2发出的驱动而导通关断生成直流电压电流信号再转送到交错互联DCDC变换电路8。

交错互联DCDC变换电路8经过降压变换对电池进行充电；触摸屏人机交互通信与控制模块9接收人为的开关量和充放电参数设置之后将控制指令发送至DSP控制电路1使设备工作在用户设定的充电或放电状态。

DSP控制电路1包括DSP微处理器、PWM驱动产生电路、PWM驱动封锁电路、过压保护电路、过流保护电路、缺相保护电路、IGBT直通保护电路、故障显示电路、故障复位电路、按键电路、控制开关电路、掉电存储电路。

所述DSP微处理器接收到所述触摸屏人机交互通信模块发过来的开机指令，发出充放电控制信号、软起动控制信号、电池状态检测信号，分别用于控制电池的充放电、控制软起动电阻的接入与断开；所述过压保护电路检测电池和母线电压，一旦发生过压则发出过压故障信号；所述过流保护电路检测交流三相电流、电池充放电电流，一旦发生过流则发出过流保护故障信号；所述缺相保护电路检测三相交流是否缺相，一旦发生缺相则发出缺相故障信号；所述IGBT直通保护电路检测IGBT是否直通，一旦直通发生则发出直通保护故障信号；所述PWM驱动封锁电路收到任何故障信号即封锁所有脉冲输出，充放电机停止工作；所述故障显示电路在故障发生后，驱动相应的故障指示灯亮，并将故障信号发送至所述DSP微处理器，再由所述DSP微处理器转发至触摸屏人机交互通信与控制电路后供用户查看；所述故障复位电路是在故障产生后，经用户检查故障已清除并进行手动复位操作，使充放电恢复到正常待机状态；所述按键电路和所述触摸屏人机交互通信与控制模块一样能控制充放电机正常开关机和模式切换操作，但所述按键电路仅限于简单的开关量控制而且在控制上与所述触摸屏人机交互通信与控制模块并无冲突；所述控制开关电路输出开关信号传送到所述接触器控制电路来驱动其开关动作；所述掉电存储电路将用户设定好的充放电参数存储起来供下次充放电继续使用，避免复杂的重复操作。

所述DSP微处理器采用TMS320F28335芯片；所述控制开关电路由五路光耦开关驱动五路继电路器的方式组成；所述故障显示电路由八路LED发光二极管和液晶显示电路构成。

所述取样与AD转换电路中的电压取样采用的是CLSM-10MA电压传感器，电流取样采用的是LT108-S7电流传感器；AD转换芯片采用的是AD7656十六位高精度模数转换芯片。

所述PWM控制及驱动电路采用M57962L芯片，该芯片接收到经电平转化后的DSP微处理器发出的脉冲信号控制IGBT导通与关断；PWM驱动封锁电路采用LM311芯片，当故障发生时，能在远小于开关周期的时间里切断PWM脉冲。

参见图2，具有无功补偿功能的大功率充放电机的主电气部分由四个部分构成，电能通过主电气部分实现能量在电池与电网之间的双向流动。软起动电路5通过控制接触器来投切软起动电阻达到电路的软启动目的；LCL“T”型滤波电路4经过合理的参数设计滤除开关动作产生谐波；三相桥式IGBT模块电路7实际上是由三组2单元IGBT模块组成，是整流与逆变的核心模块；交错互联型DCDC变换电路8由两组2单元IGBT模块组成，在控制上采用的多重多相的控制方法，其驱动是相互独立的。

参见图3，从具有无功补偿功能的大功率充放电机的程序算法的流程可见，将直流母线电压的设定值与反馈值进行ＰＩ调节，得到直轴坐标下的电流                                               

，将其与三相交流电流的采样与坐标变换后得的实际电流值

进行ＰＩ调节得到直轴电压值

，它与解耦量

、反馈值

进行代数和计算得到真正意义上的直轴电压输出

，交轴侧的算法与直轴一致，输出量为交轴电压

。需要说明的是，通过调整交轴电流的设定值

就可以调节无功大小，对电网侧进行无功补偿，若设置为０则设备工作与单位功率因数下，

设定为正值会发出滞后无功，反之则发出超前无功。电压、

经过空间矢量算法后发出六路ＰＷＭ驱动以此来维持母线直流电压，电池充电时母线上的电能经过双闭环ＰＩ控制降压得到目标充电电流与电压，电能从电网流往电池；放电时电池侧经过双闭环控制升压得到目标放电电流与电压，电能从电池流往电网。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种具有无功补偿功能的大功率充放电机，包括机柜和电气部分，其特征在于：所述电气部分包括DSP控制电路、PWM控制及驱动电路、取样与AD转换电路、LCL“T”型滤波电路、软起动电路、接触器控制电路、三相桥式IGBT模块电路、交错互联DCDC变换电路、触摸屏人机交互通信与控制模块；

所述取样与AD转换电路将检测到的信号送到所述的DSP控制电路，所述的DSP控制电路根据检测信号来确定电池的状态；三相交流电通过所述三相桥式IGBT模块电路和软起动电路建立母线电压提供初始工作电源；

所述PWM控制及驱动电路接受所述DSP控制电路的内部程序控制；所述PWM控制及驱动电路输出脉冲信号驱动三相桥式IGBT模块电路按一定时序和占空比导通与关断；

所述交错互联DCDC变换电路在放电的情况下，将电池升压送到的所述三相IGBT模块电路，所述三相桥式IGBT模块电路接收到PWM控制及驱动电路发出的驱动而导通关断产生脉动电信号经LCL“T”型滤波电路滤波后生成正弦波向电网桥式回馈能量；

所述LCL“T”型滤波电路在充电模式下将电网侧三相交流电经过滤波送到所述三相桥式IGBT模块电路，所述三相桥式IGBT模块电路接收到PWM控制及驱动电路发出的驱动而导通关断生成直流电压电流信号再转送到交错互联DCDC变换电路；

所述交错互联DCDC变换电路经过降压变换对电池进行充电；所述触摸屏人机交互通信与控制模块接收人为的开关量和充放电参数设置之后将控制指令发送至DSP控制电路使设备工作在用户设定的状态。

2.根据权利要求1所述的具有无功补偿功能的大功率充放电机，其特征在于：所述DSP控制电路包括DSP微处理器、PWM驱动产生电路、PWM驱动封锁电路、过压保护电路、过流保护电路、缺相保护电路、IGBT直通保护电路、故障显示电路、故障复位电路、按键电路、控制开关电路、掉电存储电路；所述DSP微处理器接收到所述触摸屏人机交互通信模块发过来的开机指令，发出充放电控制信号、软起动控制信号、电池状态检测信号，分别用于控制电池的充放电、控制软起动电阻的接入与断开；所述过压保护电路检测电池和母线电压，一旦发生过压则发出过压故障信号；所述过流保护电路检测交流三相电流、电池充放电电流，一旦发生过流则发出过流保护故障信号；所述缺相保护电路检测三相交流是否缺相，一旦发生缺相则发出缺相故障信号；所述IGBT直通保护电路检测IGBT是否直通，一旦直通发生则发出直通保护故障信号；所述PWM驱动封锁电路收到任何故障信号即封锁所有脉冲输出，充放电机停止工作；所述故障显示电路在故障发生后，驱动相应的故障指示灯亮，并将故障信号发送至所述DSP微处理器，再由所述DSP微处理器转发至触摸屏人机交互通信与控制电路后供用户查看；所述故障复位电路是在故障产生后，经用户检查故障已清除并进行手动复位操作，使充放电恢复到正常待机状态；所述按键电路和所述触摸屏人机交互通信与控制模块一样能控制充放电机正常开关机和模式切换操作，但所述按键电路仅限于简单的开关量控制而且在控制上与所述触摸屏人机交互通信与控制模块并无冲突；所述控制开关电路输出开关信号传送到所述接触器控制电路来驱动其开关动作；所述掉电存储电路将用户设定好的充放电参数存储起来供下次充放电继续使用，避免复杂的重复操作。

3.根据权利要求2所述的具有无功补偿功能的大功率充放电机，其特征在于：所述DSP微处理器采用TMS320F28335芯片。

4.根据权利要求2所述的具有无功补偿功能的大功率充放电机，其特征在于：所述控制开关电路由五路光耦开关驱动五路继电路器的方式组成；所述故障显示电路由八路LED发光二极管和液晶显示电路构成。

5.根据权利要求1所述的具有无功补偿功能的大功率充放电机，其特征在于：所述取样与AD转换电路中的电压取样采用的是CLSM-10MA电压传感器，电流取样采用的是LT108-S7电流传感器；AD转换芯片采用的是AD7656十六位高精度模数转换芯片。

6.根据权利要求2所述的具有无功补偿功能的大功率充放电机，其特征在于：所述PWM控制及驱动电路采用M57962L芯片，该芯片接收到经电平转化后的DSP微处理器发出的脉冲信号控制IGBT导通与关断。

7.根据权利要求2所述的具有无功补偿功能的大功率充放电机，其特征在于：PWM驱动封锁电路采用LM311芯片，当故障发生时，能在远小于开关周期的时间里切断PWM脉冲。

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