CN104184160A - 移动储能电站储能功率转换系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移动储能电站储能功率转换系统，包括主电路和控制器电路，所述主电路包括并联在直流母线上的电压源变换器和电容，预充电模块连接到电容的两端；所述控制器电路包括模拟数字转换器模块、信号处理电路、驱动及功率保护电路和控制器,信号处理电路采集母线充放电电流信号、电池组电压信号、逆变器输出电流信号、系统输出电流信号、电网电压信号和直流侧电压信号，模拟数字转化器模块通过绝缘检测模块与电容连接，电压源变换器的交流侧和直流侧分别设有并网开关和充放电开关,控制器通过驱动及功率保护电路连接电压源变换器。

Description

移动储能电站储能功率转换系统

技术领域

本发明涉及电气自动化控制技术领域，更具体的说涉及移动储能电站储能功率转换系统。

背景技术

储能功率转换系统PCS是电池储能载体与电网交互的关键部件，通过PCS，储能电池从交流电网中获取能量或向交流电网输出能量，在放电状态下，电池组中的直流电能通过PCS进行能量变换，将直流电能变换为交流电能回馈电网，在充电状态，PCS通过能量变换，将交流电能变换为直流电能，给电池充电，从而实现对电池组的充/放电管理、网侧有功调频和无功调压、孤岛运行、黑启动等功能。目前，大功率移动储能技术还处于新兴的发展阶段，其快速充放电、高效有功无功调节等优点有着广泛的应用。大功率的移动储能技术的孤岛运行、并离网无缝切换、系统运行安全以及抑制高次谐波等技术以及其应用需要进一步的完善移动储能的系统设计。

发明内容

针对相关技术领域文献和以上现有技术的不足，在大量现有文献研究和长期在相关领域研发实践的基础上，本发明提出“移动储能电站储能功率转换系统”，克服了现有技术中“大功率的移动储能技术的孤岛运行、并离网无缝切换、系统运行安全以及抑制高次谐波等技术以及其应用需要进一步的完善移动储能的系统设计”等技术难题，通过“采用DSP和FPGA的控制器”实现“实现大功率的快速充放电、很好的抑制高次谐波”的有益效果。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种移动储能电站储能功率转换系统，该系统包括主电路和控制器电路，所述主电路包括并联在直流母线上的电压源变换器和电容，预充电模块连接到电容的两端；所述控制器电路包括模拟数字转换器模块、信号处理电路、驱动及功率保护电路和控制器,信号处理电路采集母线充放电电流信号、电池组电压信号、逆变器输出电流信号、系统输出电流信号、电网电压信号和直流侧电压信号，模拟数字转化器模块通过绝缘检测模块与电容连接，电压源变换器的交流侧和直流侧分别设有并网开关和充放电开关。所述主电路的直流母线端接入蓄电池，通过改变电压源换流器的调制比m和功角差δ使电压源换流器四象限运行，提供双向可控的有功、无功，以控制系统接入点的电压和频率的稳定。所述主电路的直流母线电压范围是从590V到800V。所述主电路的直流母线的直流侧电流的最大值170A。所述控制器包括DSP、FPGA、以及连接到FPGA的模拟信号采样调理电路、开关量光耦输入接口电路、开关量光耦输出接口电路、PWM光纤驱动接口电路以及IPM故障光纤输入接口电路，FPGA将采集的数据上传到DSP中。所述DSP包括实时运算处理单元和通讯控制单元，实时运算单元处理数字滤波、静止坐标变换、旋转坐标变换、数字PLL算法、PI调节以及SVPWM生成占空比控制算法，所述通讯控制单元与监控系统和BMS进行通信。所述控制器发出预充电开关控制信号控制预充电过程的开始和结束；控制器发出并网开关控制信号，控制储能系统是否并网运行；控制器发出充放电开关控制信号，控制充放电过程的开始和结束。所述预充电模块向直流侧电容充电，使之达到预定电压值，并对电池组充电。

本发明具备的有益效果是：本发明设计了100KW的储能系统，可以实现大功率的快速充放电、很好的抑制高次谐波，其采用DSP和FPGA的控制器可以实现复杂的运算及信号隔离，保证系统安全运行。

附图说明

图1为本发明具体实施例的PCS系统结构；

图2为本发明具体实施例的控制器硬件系统。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的控制系统，相互间的连接关系，及实施方法，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1所示，一种移动储能电站储能功率转换系统，该系统包括主电路和控制器电路，所述主电路包括并联在直流母线上的电压源变换器和电容，预充电模块连接到电容的两端；所述控制器电路包括模拟数字转换器模块、信号处理电路、驱动及功率保护电路和控制器,信号处理电路采集母线充放电电流信号、电池组电压信号、逆变器输出电流信号、系统输出电流信号、电网电压信号和直流侧电压信号，模拟数字转化器模块通过绝缘检测模块与预充电模块连接，电压源变换器的交流侧和直流侧分别设有并网开关和充放电开关。所述主电路的直流母线端接入蓄电池，通过改变电压源换流器的调制比m和功角差δ使电压源换流器四象限运行，提供双向可控的有功、无功，以控制系统接入点的电压和频率的稳定。所述主电路的直流母线电压范围是从590V到800V。所述主电路的直流母线的直流侧电流的最大值170A。所述控制器包括DSP、FPGA、以及连接到FPGA的模拟信号采样调理电路、开关量光耦输入接口电路、开关量光耦输出接口电路、PWM光纤驱动接口电路以及IPM故障光纤输入接口电路，FPGA将采集的数据上传到DSP中。所述DSP包括实时运算处理单元和通讯控制单元，实时运算单元处理数字滤波、静止坐标变换、旋转坐标变换、数字PLL算法、PI调节以及SVPWM生成占空比控制算法，所述通讯控制单元与监控系统和BMS进行通信。所述控制器发出预充电开关控制信号控制预充电过程的开始和结束；控制器发出并网开关控制信号，控制储能系统是否并网运行；控制器发出充放电开关控制信号，控制充放电过程的开始和结束。所述预充电模块向直流侧电容充电，使之达到预定电压值，并对电池组充电。控制器应具有PWM输出功能，从而控制功率器件的开通和关断，实现PCS能量控制的基本功能。

PCS通过检测交流侧电压的幅值和相位，调节注入系统接入点(PCC点)的电流幅值和相位，从而实现能量在直流侧与交流侧之间的双向流动，也就是能四象限运行，实现储能单元与供电系统间的双向有功、无功功率交换，因而具有网侧功率因数控制、能量双向传输的性能。当PCS从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态；当PCS向电网传输电能时，其运行于逆变工作状态。

PCS控制器通过CPU进行运算来实现各种控制功能：

(1)预充电：移动式储能系统到达目的地后初次使用时需要进行预充电，一方面通过主回路的预充电电路向直流侧电容充电，使之达到预定电压值，另一方面对电池组充电，使之满足应用要求。

(2)并网充电控制：在并网状态下，PCS能够实现网侧向储能系统输送所需的能量，充电电流、充电功率可控，且谐波含量控制在额定范围内。

(3)并网放电控制：在并网状态下，PCS能够实现储能系统向网侧输送所需的能量，充电电流、充电功率可控，且谐波含量控制在额定范围内。

(4)网侧功率因数控制：在并网状态下，PCS能够对网侧功率因数进行调节，使储能系统释放或吸收无功功率。

(5)并网转离网：PCS能够使储能系统安全稳定地脱离电网，由并网状态转变为离网状态。

(6)离网转并网：PCS能够使储能系统安全稳定地接入电网，由离网状态转变为并网状态。

本发明的主回路参数选择包括以下方面

1、最大并网电流

电网线电压为380V，单级式的拓扑结构，PCS容量为100kW，考虑功率因数为1的情况，则额定情况下交流侧电流为：

$I_{\mathrm{SN}}=1\×{10}^5/(\sqrt{3}\×380)=151.93A$

考虑120％过载的情况，则电流上限为：

I_SNmax＝I_N×1.2＝182.32A

2、网侧滤波器的功能与设计

移动式储能系统应采用LCL滤波器，需要设计两个电感的电感值和一个电容的电容值。网测滤波器的主要功能是滤除高次谐波，滤波电感越大，滤波效果越好，但随着电感增大，系统的动态性能会变差，系统造价和体积也会升高。当滤波电容增大时，滤波效果会加强，但是系统谐振频率会减小，如果谐振频率减小到基频，会影响系统的稳定性。并且，增大电容会使LCL滤波器吸收更多的无功。设计时要满足谐波电流值和总谐波畸变系数(THD)的要求，尤其是对变流器在开关频率处产生的谐波要有很好的滤除效果，通常用谐波衰减比d来衡量非正弦周期量中某特定次谐波的含量，一般要求网侧电流的谐波衰减比限制在0.2以下。在满足上述设计要求的前提下，应尽量减小所使用的电感、电容值，从而节约成本、减小设备体积，另一方面提高系统的动态性能。LCL滤波器的设计遵循上述设计标准，通常采用下述分布设计法：(1)确定总电感L_T的取值范围：为提高电流的跟踪能力及系统的响应速度，电感L_T的值越小越好。但电感的值越大，滤波器的滤波效果会更好。因此，需要综合考虑选择合适的值：

$\frac{U_{\mathrm{dc}}}{4\sqrt{3}{i}_{\mathrm{ripm}}{f}_{\mathrm{sw}}}\≤L_T\≤\frac{\sqrt{\frac{{U_{\mathrm{dc}}}^2}{3}-E_m^2}}{\mathrm{\ω}{I}_{\mathrm{sm}}}$

其中，i_ripm是谐波电流峰值，一般为基波电流峰值的15％，E_m为电网相电压峰值；I_sm为电网相电流峰值；f_sw为整流器的开关频率；ω为电网电压的角频率。

(2)确定电容C_f取值范围：为了避免整流器功率因数的过低，一般滤波电容吸收的基波无功功率不能大于系统额定有功功率的5％：

$C_f<5\%\frac{P_n}{3\&CenterDot;2\mathrm{\&pi;f}\&CenterDot;E^2}$

其中，P_n为额定状态下系统吸收的有功功率；f为电网电压的频率；E为电网相电压的有效值。

(3)根据谐波衰减比d确定滤波器的各参数：令r＝L_S/L，设定d的取值，滤波电容C_f及电感L_T，判断以下二次方程有无正解：

${\mathrm{dr}}^2+(2d+1-d{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{sw}}^2{L}_T{C}_f)r+d+1=0$

如果方程没有正解可以改变d、C_f、T_L的值，直到方程有正解为止。其中，L为变流器侧电感值，L_S为网侧电感值。

(4)判断谐振频率是否满足要求，如不满足，返回第三步重新设计。为避免谐振发生在主要谐波频率附近，谐振频率需满足：

10f_n≤f_res≤0.57_sw，其中

针对本项目100kW的PCS，设计滤波总电感为0.1pu,那么，滤波总电感为：

L_T＝0.1pu/(√3×ω×I_SN)＝0.1×380/(√3×2π×50×151.93)＝0.46mH

设计L＝150μH，L_S＝300μH.取谐振频率为2kHz,则电容设计为：

$C_f=\frac{L+L_S}{L{L}_S{\left(2\mathrm{\&pi;}{f}_{\mathrm{res}}\right)}^2}=63.3\mathrm{\&mu;F}$

3、直流侧电池组电压范围设定

针对单级式组网方案的电池模组设计，首先需要给出变流器能够适应的直流电压范围。根据国标GB/T 12325-2003《电能质量供电电压允许偏差》中的规定，对于10千伏及以下三相供电系统，其电压允许偏差为正负7％，储能PCS设计中允许的电网电压波动范围应该与此相配合，这里考虑系统电网电压波动范围为正负10％。由于储能电站在何种系统级应用中均需要工作于全功率范围，因此其直流母线电压最低值不应低于590V。接入380V市电电网时，一般选取1200V耐压等级的IGBT管，考虑IGBT开关过程中直流母线杂散电感导致的电压尖峰，一般最高允许工作的直流母线工作电压一般为800V以下，因此这里确定单级式非隔离型PCS可以允许的直流母线电压范围是从590V到800V。

4、直流侧最大电流

采用单级式隔离型方案时，PCS可以允许的直流母线电压最小值为590V，考虑满负荷工作的情况，可得直流侧电流的最大值为：I_dc max＝1×10⁵/590＝170A。

如图2所示，是控制器系统的硬件总体架构。控制系统的硬件电路设计主要包括：模拟信号采样调理电路的设计、开关量光耦输入接口电路的设计、开关量光耦输出接口电路的设计、PWM光纤驱动接口电路的设计以及IPM故障光纤输入接口电路的设计等。DSP主要负责实时运算处理和通讯控制，实时运算处理涉及数字滤波、静止坐标变换、旋转坐标变换、数字PLL算法、PI调节以及SVPWM生成占空比等控制算法的实现，通讯控制涉及与主控、BMS等进行通信。FPGA将采集的数据上传到DSP中，用于控制算法的处理；DSP执行控制算法，并生成占空比信息下传到FPGA中，与FPGA中的三角载波进行比较输出PWM控制脉冲。控制系统需要检测和输出的信号主要可以分为以下几类：(1)需要检测的模拟信号有：PCS交流侧三相电流、PCC处三相相电压、直流母线电压、直流母线电流；(2)需要检测的数字信号有：各种状态开关量信号(接触器闭合信号、断路器闭合信号)、各种故障保护信号(熔断器热故障信号、电抗器热故障信号、变流器温度故障信号、变流器的IPM故障信号)等；(3)输出的控制信号一般为开关量信号，主要有：变流器的PWM脉冲驱动信号、各种开关的继电器控制信号(交流侧接触器开关、直流侧断路器开关、预充电开关)等。一般情况下从变流器出来的信号都属于高电压、大电流的强电信号，其开关量控制和状态信号的电平一般也至少为DC24V，而进入控制器或者从控制器输出的信号一般为弱电信号，因此需要设计变流器到控制器的接口电路，将变流器出来的高电压、大电流信号转换为适合控制器的低电压、小电流信号。在电力电子领域中，强电到弱电的接口电路除了要完成高电压信号到低电压信号的转换功能外，还需要实现电气上的隔离，即强电和弱电实现电气上的彻底隔离，以提高系统的抗干扰能力。模拟信号的隔离一般都采用霍尔传感器、互感器或者线性光耦来实现；开关量信号的隔离一般都采用光耦来实现隔离；PWM信号的隔离可以采用高速光耦隔离，亦可采用光纤隔离。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的执行步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。本发明并不局限于上述特定实施例，在不脱离本发明精神及其实质情况下，本领域的普通技术人员可根据本发明做出各种相应改变和变形，这些相应对本发明进行的修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护的范围当中。

Claims (8)

1.一种移动储能电站储能功率转换系统，其特征在于：该系统包括主电路和控制器电路，所述主电路包括并联在直流母线上的电压源变换器和电容，预充电模块连接到电容的两端；所述控制器电路包括模拟数字转换器模块、信号处理电路、驱动及功率保护电路和控制器,信号处理电路采集母线充放电电流信号、电池组电压信号、逆变器输出电流信号、系统输出电流信号、电网电压信号和直流侧电压信号，模拟数字转化器模块通过绝缘检测模块与电容连接，电压源变换器的交流侧和直流侧分别设有并网开关和充放电开关，控制器通过驱动及功率保护电路连接电压源变换器。

2.根据权利要求1所述的能功率转换系统，其特征在于：所述主电路的直流母线端接入蓄电池，通过改变电压源换流器的调制比m和功角差δ使电压源换流器四象限运行，提供双向可控的有功、无功，以控制系统接入点的电压和频率的稳定。

3.根据权利要求2所述的能功率转换系统，其特征在于：所述主电路的直流母线电压范围是从590V到800V。

4.根据权利要求2所述的能功率转换系统，其特征在于：所述主电路的直流母线的直流侧电流的最大值170A。

5.根据权利要求1所述的能功率转换系统，其特征在于：所述控制器包括DSP、FPGA、以及连接到FPGA的模拟信号采样调理电路、开关量光耦输入接口电路、开关量光耦输出接口电路、PWM光纤驱动接口电路以及IPM故障光纤输入接口电路，FPGA将采集的数据上传到DSP中。

6.根据权利要求5所述的能功率转换系统，其特征在于：所述DSP包括实时运算处理单元和通讯控制单元，实时运算单元处理数字滤波、静止坐标变换、旋转坐标变换、数字PLL算法、PI调节以及SVPWM生成占空比控制算法，所述通讯控制单元与监控系统和BMS进行通信。

7.根据权利要求1任意一项所述能功率转换系统，其特征在于：所述控制器发出预充电开关控制信号控制预充电过程的开始和结束；控制器发出并网开关控制信号，控制储能系统是否并网运行；控制器发出充放电开关控制信号，控制充放电过程的开始和结束。

8.根据权利要求1所述的能功率转换系统，其特征在于：所述预充电模块向直流侧电容和电池组充电。