CN104682431A - 一种储能变流器的自启动方法及其自启动系统 - Google Patents

一种储能变流器的自启动方法及其自启动系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及的是一种储能变流器的自启动方法及其自启动系统。系统主要包括直流侧电源、直流侧断路器、直流侧接触器、储能变流器、交流侧接触器、电网/负载、小容量开关、高位取能电源、开关电源和直流负载。启动时，控制部分首先由蓄电池供电，蓄电池中的高压直流电经高位取能电源降到控制部分所需电压，给变流器主控板、监控屏幕等供电。主控板控制主电路导通后，开关电源从储能变流器交流侧取电转换为低压控制电并取代高位取能电源供电。本发明提出的启动系统和方法无需外部辅助电源，无论储能变流器处于并网还是离网状态都能完成自启动，提高了系统的可靠性，节约了成本。

Description

一种储能变流器的自启动方法及其自启动系统
技术领域
本发明涉及的是一种储能变流器的自启动方法及其自启动系统。
技术背景
进入二十一世纪以后，世界能源的格局发生了变化，以风力发电、光伏发电为代表的新能源技术的开发和利用越来越广泛。同时，为了解决传统电力系统集中发电、长距离传输、远离负荷中心的问题，国家大力发展可以接入分布式电源、运行方式灵活的微电网技术。由于新能源发电的输出功率的随机性和微电网自身构成的需要，电池储能系统越来越凸显其重要作用，它可以启到削峰填谷、提高系统稳定性、平抑功率波动、改善电能质量等作用。储能双向变流器是实现直流储能电池与交流电网之间双向能量传递的关键设备，其控制性能决定着整个储能系统的可靠性、控制精度和输出电能质量等重要指标。作为微网储能系统中的关键设备，储能变流器的发展与微网储能的发展密切相关。
然而现在储能系统或微网系统中的储能变流器设备的启动采用的方法存在一些缺陷，典型的有两种：一种是从电网取电经变换后作为控制电源来控制储能变流器的启动；另一种方法是配备一台UPS作为启动电源；这两种方法都有各自的弊端，如第一种方法，当电网停电时储能变流器则无法启动，第二种方法需要配置额外配置一台UPS电源，由于一般的UPS不能直接连接高压直流电源，需额外配置48V或96V的蓄电池，增加了成本，同时降低了系统可靠性。
发明内容
本发明目的是针对上述不足之处提供一种储能变流器的自启动方法及其自启动系统，是一种无外部辅助电源，直接从系统中蓄电池取电启动，无论系统处于并网状态还是离网状态，均可以方便启动。
一种储能变流器的自启动方法及其自启动系统是采取以下技术方案实现：
一种储能变流器的自启动系统包括直流侧电源、直流侧断路器QF1、直流侧接触器KM1、储能变流器、交流侧接触器KM2、电网/负载、小容量开关、高位取能电源、开关电源、防反二极管D1和D2、防反二极管D3和直流负载。
所述系统中直流侧电源通过直流侧断路器QF1、直流侧接触器KM1与储能变流器的直流侧连接；储能变流器的交流侧通过交流侧接触器KM2与电网/负载连接；小容量开关并联在直流侧接触器KM1两侧；高位取能电源的输入端接在直流侧断路器QF1与直流侧接触器KM1之间，输出端接在直流负载的电源输入端，其中在高位取能电源的正极串联两个防反二极管D1和D2；开关电源的输入端接在储能变流器的输出端任意一相上，输出端接在直流负载的电源输入端，其中开关电源输出端的正极上串联一个防反二极管D3；直流负载中的驱动信号通过驱动线L1和L2分别于小容量开关和储能变流器中的IGBT连接。
所述的直流负载包括变流器主控板和监控屏幕。
直流负载部分的连接方式如下：
高位取能电源和开关电源的输出接变流器主控板和监控屏幕的电源输入接口；变流器主控板输出的驱动信号通过两根排线分别与储能变流器中的IGBT和小容量开关的驱动接口连接；变流器主控板的通讯接口通过两根信号线与监控屏幕的通讯接口连接。
直流侧电源为蓄电池，蓄电池可以是铅酸电池、锂电池等常见的储能电池，蓄电池电压通常为400V～1000V。
工作原理如下：
闭合断路器QF1之后，高位取能电源得电启动运行，输出控制电V1，V1的输出侧串联两个二极管降压，使输出略低于24V；系统控制部分从高位取能电源得电启动，本例中变流器主控板和监控屏幕等均启动；变流器主控板发出控制信号使小容量开关和储能变流器中的IGBT导通，此时接触器KM1被小容量开关旁路，直流侧到交流侧形成通路，系统进入逆变工作状态，交流侧输出交流电；
当交流侧输出交流电之后，开关电源从交流侧得电启动运行，在二极管D1、D2和D3的钳位作用下，输出控制电V2略大于V1，系统控制部分转为开关电源输出的V2供电；
变流器主控板检测到开关电源工作后，发出控制信号使接触器KM1吸合，再发出关断信号使小容量开关关断，然后发出控制信号使KM2吸合；至此，主电路导通，系统完成自启动。
一种储能变流器的自启动方法，所述方法的步骤如下：
（1）闭合直流侧断路器QF1，高位取能电源得电启动；
（2）高位取能电源启动后输出直流控制电V1，直流控制电V1低于24V两个二极管压降；
（3）直流负载得电，变流器主控板和监控屏幕启动；
（4）变流器主控板输出控制信号，控制小容量开关和储能变流器中的三相IGBT导通，则主电路导通，储能变流器输出交流电；
（5）开关电源从储能变流器交流侧取电运行，输出控制电V2，V2低于24V一个二极管压降；
（6）控制电V2取代控制电V1给系统控制部分的直流负载供电；
（7）系统交流侧得电后，变流器主控板发出信号使直流侧接触器KM1吸合，然后发信号关断小容量开关，再发出信号控制交流侧接触器吸合，系统完成自启动过程。
本发明与最接近的现有相关技术相比优异效果是：
（1）本发明技术方案中，变流器的启动不需要额外的UPS系统供电；
（2）本发明技术方案适用性强，无论储能变流器处于并网状态或离网状态，系统启动都从蓄电池取电进行变流器的自启动运行；
（3）本发明技术方案中的蓄电池可以为铅酸电池、钠硫电池或锂电池等各种常见电池；
（4）本发明技术方案可以使后备控制电的功率尽可能降低，只需满足设备启动即可，不需要像一般的UPS后备电源一样需配备几倍于实际功率的容量，节约了成本；
（5）本发明技术方案中高位取能电源、小容量开关、开关电源等都可以集成在设备内部，系统集成度高。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
附图1是本发明一种储能变流器的自启动系统结构原理图。
附图2是本发明一种储能变流器的自启动系统的控制部分的直流负载原理图。
附图3是本发明一种储能变流器的自启动方法流程图。
具体实施方式
参照附图1～3，一种储能变流器的自启动系统包括直流侧电源（101）、直流侧断路器QF1（102）、直流侧接触器KM1（103）、储能变流器（104）、交流侧接触器KM2（105）、电网/负载（106）、小容量开关（203）、高位取能电源（202）、开关电源（204）、防反二极管D1和D2（205）、防反二极管D3（206）和直流负载（201）。
所述系统中直流侧电源（101）通过直流侧断路器QF1（102）、直流侧接触器KM1（103）与储能变流器（104）的直流侧连接；储能变流器（104）的交流侧通过交流侧接触器KM2（105）与电网/负载（106）连接；小容量开关（203）并联在直流侧接触器KM1（103）两侧；高位取能电源（202）的输入端接在直流侧断路器QF1（102）与直流侧接触器KM1（102）之间，输出端接在直流负载（201）的电源输入端，其中在高位取能电源（202）的正极串联两个防反二极管D1和D2（205）；开关电源（204）的输入端接在储能变流器（104）的输出端任意一相上，输出端接在直流负载（201）的电源输入端，其中开关电源（204）输出端的正极上串联一个防反二极管D3（206）；直流负载（201）中的驱动信号通过驱动线L1和L2分别于小容量开关（203）和储能变流器（104）中的IGBT连接。
直流负载包括变流器主控板和监控屏幕。直流负载部分的连接方式如下：
高位取能电源和开关电源的输出接变流器主控板和监控屏幕的电源输入接口；变流器主控板输出的驱动信号通过两根排线分别与储能变流器中的IGBT和小容量开关的驱动接口连接；变流器主控板的通讯接口通过两根信号线与监控屏幕的通讯接口连接。
直流侧电源为蓄电池，蓄电池可以是铅酸电池、锂电池等常见的储能电池，蓄电池电压通常为400V～1000V。
一种储能变流器的自启动方法，所述方法的步骤如下：
（1）闭合直流侧断路器QF1（102），高位取能电源（202）得电启动；
（2）高位取能电源（202）启动后输出直流控制电V1，直流控制电V1略低于24V；
（3）直流负载（201）得电，变流器主控板和监控屏幕启动；
（4）变流器主控板输出控制信号，控制小容量开关（203）和储能变流器（104）中的三相IGBT导通，则主电路导通，储能变流器（104）输出交流电；
（5）开关电源(204)从储能变流器（104）交流侧取电运行，输出控制电V2，在二极管D1、D2和D3的钳位作用下控制电V2略高于V1；
（6）控制电V2取代控制电V1给系统控制部分的直流负载供电；
（7）系统交流侧得电后，变流器主控板发出信号使直流侧接触器KM1吸合，然后发信号关断小容量开关，再发出信号控制交流侧接触器吸合，系统完成自启动过程。
本发明方法中对于变流器的起动电源不依赖外部供电，只需系统自身的蓄电池供电即可启动，而传统启动方法中，变流器的启动供电一般是从电网取电或从额外配置的UPS中取电。本方法可省去外部UPS设备和外部低压蓄电池，方法中用到的小容量开关、高位取能电源和开关电源都可以集成在储能变流器内部，使系统的集成度更高，可靠性增强。
以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
附图1示出了本发明一种储能变流器的自启动方法的一种典型实施案例的电路结构图。所述系统中蓄电池（101）先后通过直流侧断路器QF1（102）、直流侧接触器KM1（103）与储能变流器（104）的直流侧连接；储能变流器（104）的交流侧通过交流侧接触器KM2（105）与电网/负载（106）连接；小容量开关（203）并联在直流侧接触器KM1（103）两侧；高位取能电源（202）的输入端接在直流侧断路器QF1（102）与直流侧接触器KM1（102）之间，输出端接在直流负载（201）的电源输入端，其中在高位取能电源（202）的正极串联两个防反二极管D1和D2（205）；开关电源（204）的输入端接在储能变流器（104）的输出端任意一相上，输出端接在直流负载（201）的电源输入端，其中开关电源（204）输出端的正极上串联一个防反二极管D3（206）；直流负载（201）中的驱动信号通过驱动线L1和L2分别与小容量开关（203）和储能变流器（104）中的IGBT连接。
本案例中储能变流器功率为100kVA，直流侧输入电压范围400～900V，交流侧输出为三相工频交流电。
本发明方法中用到的小容量开关可以是固态开关，小容量继电器或者SCR、IGBT、MOSFET、GTO、IGCT等各种可控的小容量开关器件，但不限于此；可以用低电压、小电流信号进行驱动导通和关断，能够承受蓄电池侧的直流电压和变流器启动时的冲击电流。在本案例中，小容量开关采用SEMIKRON公司的晶闸管SCR，型号为SKKT27/12E。
所述变流器主控板上的主控芯片可以有多种选择，如市场上主流的TMS320F2808、TMS320F2812、TMS320F28335芯片，在本案例中使用TI公司的TMS320F28335芯片。
所述的监控屏幕可以使用市场上常见的LED屏或LCD屏，本案例中选用昆仑通态公司的10.2寸液晶显示屏。
高位取能电源输入侧能适应多种直流电压等级，将输入侧的高压直流电转换为低压24V直流电输出，功率等级只需满足控制部分需要即可。在本案例中采用广州能达电源技术有限公司的NH120-V2S24电源。
开关电源的输入侧电压为变流器逆变输出的交流电压220V，输出为24V，V2略大于V1，给控制部分供电。在本案例中采用欧姆龙公司的S8VK-C12024电源。
本方法中给控制部分供电的电源有两个：高位取能电源和开关电源。开始时用高位取能电源给控制电供电，高位取能电源输出的电压V1可略低于控制电电压，同时能满足控制部分供电，电源输出端串联两个防反二极管D1和D2；主电路导通后由开关电源为控制部分供电，电源输出端串联一个二极管D3，开关电源输出的电压V2可略高于V1，且能满足控制部分供电要求；由于二极管的钳位作用，V1截止，单独由开关电源供电。
所述高位取能电源（202）是一种直流电压转换装置，能够将高压直流电转换为低压直流电。
所述的小容量开关（203）可以是各种小功率继电器，或者IGBT、MOSFET、GTO、IGCT等各种常见的可控型小容量开关器件，小容量开关（203）与直流侧接触器（103）并联，在变流器启动时可起到临时导通主电路的作用；
所述的开关电源（204）是一种交流转换装置，输入为交流电，输出为控制电电压V2；
电路中的高位取能电源（202）和开关电源（204）输出的电压V1与V2存在压差，V2略高于V1，在二极管D1和D2（205）的钳位作用下，可实现开关电源（204）对高位取能电源（202）的替换。
一种储能变流器的自启动方法及其自启动系统可以取代传统设备中需要用UPS电源进行启动的方法，省去UPS电源。启动时，无论变流器处于离网还是并网状态，控制部分都从蓄电池侧高压端取电，经过高位取能电源将直流高电压降到控制部分所需电压，给变流器主控板和监控屏幕等供电。当需要启动设备时，闭合直流侧断路器QF1，高位取能电源从蓄电池取电，转化为低电压V1，供控制电路使用；变流器主控板开启后运行自启动程序，发送控制信号使小容量开关和逆变模块中的三相IGBT导通，此时主电路导通，可以逆变出三相交流电。然后开关电源从交流侧取电转换为低压控制电V2，V2略高于V1，此时高位取能电源不工作，由开关电源提供控制电；V2供变流器主控板和监控屏幕等低压小功率设备。当主电路接触器吸合后，变流器主控板输出关断信号控制小容量开关关断。变流器进入正常运行状态，完成了变流器的启动过程。
本发明方法适用性较强，上述工作流程的介绍是本发明方法使用中的典型应用之一，电路中部分器件可以用具有相似功能的器件进行替换，本方案依然适用，基本原理不变的情况下，都属于本专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种储能变流器的自启动系统，其特征在于：包括直流侧电源、直流侧断路器QF1、直流侧接触器KM1、储能变流器、交流侧接触器KM2、电网/负载、小容量开关、高位取能电源、开关电源、防反二极管D1和D2、防反二极管D3和直流负载；
所述系统中直流侧电源通过直流侧断路器QF1、直流侧接触器KM1与储能变流器的直流侧连接；储能变流器的交流侧通过交流侧接触器KM2与电网/负载连接；小容量开关并联在直流侧接触器KM1两侧；高位取能电源的输入端接在直流侧断路器QF1与直流侧接触器KM1之间，输出端接在直流负载的电源输入端，其中在高位取能电源的正极串联两个防反二极管D1和D2；开关电源的输入端接在储能变流器的输出端任意一相上，输出端接在直流负载的电源输入端，其中开关电源输出端的正极上串联一个防反二极管D3；直流负载中的驱动信号通过驱动线L1和L2分别于小容量开关和储能变流器连接。
2.根据权利要求1所述的一种储能变流器的自启动系统，其特征在于：所述的直流负载包括变流器主控板和监控屏幕；
高位取能电源和开关电源的输出接变流器主控板和监控屏幕的电源输入接口；变流器主控板输出的驱动信号通过两根排线分别与储能变流器中的IGBT和小容量开关的驱动接口连接；变流器主控板的通讯接口通过两根信号线与监控屏幕的通讯接口连接。
3.根据权利要求1所述的一种储能变流器的自启动系统，其特征在于：直流侧电源为蓄电池。
4.权利要求1所述的一种储能变流器的自启动方法，其特征在于：
（1）闭合直流侧断路器QF1，高位取能电源得电启动；
（2）高位取能电源启动后输出直流控制电V1，V1低于24V两个二极管压降；
（3）直流负载得电，变流器主控板和监控屏幕启动；
（4）变流器主控板输出控制信号，控制小容量开关和储能变流器中的三相IGBT导通，则主电路导通，储能变流器输出交流电；
（5）开关电源从储能变流器交流侧取电运行，输出控制电V2，V2低于24V一个二极管压降；
（6）控制电V2取代控制电V1给系统控制部分的直流负载供电；
（7）系统交流侧得电后，变流器主控板输出信号使直流侧接触器KM1吸合，然后发信号关断小容量开关，再输出信号控制交流侧接触器吸合，系统完成自启动过程。
5.根据权利要求4所述的一种储能变流器的自启动方法，其特征在于：所述高位取能电源是一种直流电压转换装置，能够将高压直流电转换为低压直流电。
6.根据权利要求4所述的一种储能变流器的自启动方法，其特征在于：所述的小容量开关与直流侧接触器并联，在变流器启动时可起到临时导通主电路的作用。
7.根据权利要求4所述的一种储能变流器的自启动方法，其特征在于：所述的开关电源是一种交流转换装置，输入为交流电，输出为控制电电压V2。
8.根据权利要求4所述的一种储能变流器的自启动方法，其特征在于：在二极管D1、D2和D3的钳位作用下，电路中的高位取能电源输出的电压V1和开关电源输出的电压V2存在压差，V2高于V1，可实现开关电源对高位取能电源的替换。
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