CN105226693B - 一种基于igbt技术的四象限双向储能逆变装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于IGBT技术的四象限双向储能逆变装置，储能及逆变单元分别由主控制器、触摸屏、功率模块、接触器、UPS电源、电源开关、风机、避雷器构成，通过电缆与各自连接电抗器相连，其中功率模块以IGBT为核心元件，UPS电源、风机及电源开关通过电线与380V供电电源相连，连接电抗器通过电缆经充电电阻及断路器与电网系统相连；直流电容通过电缆经放电电阻及铜排与功率模块相连；电压电流霍尔通过导线与各主控制器相连。本发明的有益效果是：现场运行效率高达98.7％；装置出力谐波含量小于2％，大大提高了输出的电能质量，且根据实际电网情况可进行调整。

Description

一种基于IGBT技术的四象限双向储能逆变装置

技术领域

本发明涉及配电技术领域，特别涉及一种基于IGBT技术的四象限双向储能逆变装置。

背景技术

随着新能源建设及分布式电源特别是风光储能的大规模并网接入，由此带来的供电系统波动性、间歇性、随机性、不可控性等问题，给电网带来了严重的安全隐患，降低了电网系统的稳定性，引发了多种电源接入问题。采用双向储能逆变装置是提高电力系统稳定性、安全性、可靠性，实现可再生能源平滑接入、改善分布式电源并网电能质量的最佳解决方案。双向储能逆变装置可以配合新能源系统并网，平滑控制新能源的出力，配合蓄电池组可减少弃光、弃风，提高经济性；减小瞬时功率变化率，减少电网冲击；跟踪计划调度，提高并网可控性；提高发电预测精度及并网电能质量。

储能逆变器的主要功能和作用是实现交流电网电能与储能电池电能之间的能量双向流动，可以适配于多种直流储能系统，其不仅可以快速有效地实现平滑分布式发电系统随机电能或潮流的波动，提高电网对大规模可再生能源风光储能发电的接入能力，且可以接受调度指令，吸收或补充电网的峰谷电能，及提供系统所需无功功率，保证功率因数，来提高电网的供电质量和经济效益。在电网故障或停电时，其还具备一定的独立组网供电能力，以提高负载的供电安全性。

双向储能逆变装置是既可以将直流电变换成交流电，也可以将交流电变换成直流电的逆变器。主要具备充电和放电功能，同时是分布式电源并网系统的中心控制设备。双向储能逆变装置可以应用到有蓄电功能要求的并网发电系统，也可以应用于独立运行的离网发电系统。

发明内容

本发明针对电网用户对风光储能系统并网稳定性和对双向逆变功能需求的不断升级，以及对目前逆变技术拓展功能的不断研究，而提出了一种可受控的基于IGBT技术的四象限双向储能逆变装置。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种基于IGBT技术的四象限双向储能逆变装置，包括直流电容、储能单元、逆变单元、连接电抗器、电压霍尔、电流霍尔、充电电阻、放电电阻、并网断路器。所述储能及逆变单元分别由主控制器、触摸屏、功率单元、接触器、UPS电源、电源开关、风机、避雷器构成，通过电缆与各自连接电抗器相连，其中功率单元主要以IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)和IGBT驱动板组成的变流装置为核心元件，通过光纤与主控制器相连，触摸屏通过以太网与主控制器相连，接触器通过电线与主控制器相连，UPS电源、风机及电源开关通过电线与380V供电电源相连，避雷器通过电线分别与地排及电抗器相连；连接电抗器通过电缆经充电电阻及断路器与电网系统相连；直流电容通过电缆经放电电阻及铜排与功率单元相连；电压电流霍尔通过导线与各主控制器相连。

控制策略部分以瞬时功率理论为基础，在逆变装置控制策略上进行了持续改进和优化，对采集到的系统电压、电流模拟量进行瞬时功率计算，将有功功率与无功功率进行解耦，通过同步旋转坐标变换将直流电压控制及功率电流控制分量转换为装置输出电流参考分量，并定义其方向，将该分量通过空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse WidthModulation，SVWPM)分解计算，与装置输出电流采集模拟量进行PI调节(ProportionalIntegral Controller)，通过与系统电压的计算后生成PWM调制波参考量，发送到各功率单元驱动板，驱动IGBT动作,实现了双向逆变功能。

所述直流电容采用EACO公司的SHP-1100-920-FS。

所述连接电抗器用国产的YL.SDF-150/1L-4P。

所述电压霍尔传感器采用LEM公司的LT308-S6。

所述电流霍尔传感器采用LEM公司的AV100-1000。

所述充电电阻采用国产的RXG24-100W-300RJ。

所述放电电阻采用国产的200W-1K。

所述并网断路器采用国产的NMI-225S/3300。

所述储能及逆变单元的接触器采用ABB公司的A75-30-10、AL9-30-10等。

所述储能及逆变单元的功率单元IGBT采用INFINEON公司的FF450R12ME4。

所述储能及逆变单元的功率单元IGBT驱动板采用CONCEPT公司的2SP0115T2A0-12。

所述储能及逆变单元的主控制器采用TI(Texas Instruments)公司的DSP(digital signal processor)28335数字信号处理器和Xilinx公司的FPGA(Field－Programmable Gate Array)可编程门阵列器件。

所述储能及逆变单元的电源开关采用ABB公司的S262-D20、S263-D32等。

所述储能及逆变单元的接触器采用ABB公司的A75-30-10、AL9-30-10等。

所述储能及逆变单元的触摸屏采用国产的ePC-A80。

所述储能及逆变单元的风机采用EBM公司的R4D400-AL17-05。

所述储能及逆变单元的UPS电源采用国产的C6KR-B7081。

所述储能及逆变单元的避雷器采用国产的YH1.5W-0.28/1.3。

所述直流电容SHP-1100-920-FS分别与储能及逆变单元的功率单元采用电缆相连。

所述连接电抗器YL.SDF-150/1L-4P上端与并网断路器、下端与储能及逆变单元进线端分别采用电缆相连。

所述电压霍尔传感器LT308-S6与主控制器模拟量通道采用RVVP屏蔽线相连。

所述电流霍尔传感器AV100-1000与主控制器模拟量通道采用RVVP屏蔽线相连。

所述充电电阻RXG24-100W-300RJ分别与储能及逆变单元进线端采用电缆相连。

所述放电电阻200W-1K分别与储能及逆变单元直流侧采用电缆相连。

所述并网断路器NMI-225S/3300上端与电网、下端与连接电抗器分别采用电缆相连。

所述储能及逆变单元的接触器A75-30-10、AL9-30-10等与主控制器IO板的开入开出信号端采用RVVP屏蔽线相连。

所述储能及逆变单元的功率单元IGBT FF450R12ME4和IGBT驱动板2SP0115T2A0-12焊接后，与功率单元控制板的端口采用数据排线相连。

所述储能及逆变单元的主控制器中DSP28335数字信号处理器、FPGA可编程门阵列器件为主控制器控制板核心部件，均集成在控制板上。

所述储能及逆变单元的电源开关S262-D20、S263-D32等上端与端子排220V节点分别通过电线相连，下端与相应各个用电元器件相连。

所述储能及逆变单元的接触器A75-30-10、AL9-30-10等与主控制器开入开出信号端采用RVVP屏蔽线相连。

所述储能及逆变单元的触摸屏ePC-A80与主控制器采用网线相连。

所述储能及逆变单元的风机R4D400-AL17-05与主控制器IO板的开入开出信号端采用RVVP屏蔽线相连。

所述储能及逆变单元的UPS电源C6KR-B7081与UPS电源开关采用RVVP屏蔽线相连。

所述储能及逆变单元的避雷器YH1.5W-0.28/1.3一端与连接电抗器、另一端与地排通过电线相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)采用新的控制策略，对以往逆变器的控制方法进行了改进，现场运行效率高达98.7％；

2)优化了输出端的整流滤波组件，装置出力谐波含量小于2％，大大提高了输出的电能质量，且根据实际电网情况可进行调整；

3)采用目前国际领先的IGBT技术，系统测量元件采用高精度器件，精确地计量输出电能，大大减少了导通动作损耗；

4)风道优化设计，智能风机运行控制，保证了降温功效且减小了风机损耗，提高了装置整体效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的储能逆变单元结构示意图。

图3是本发明的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明：

如图1、2所示，本发明一种基于IGBT技术的四象限双向储能逆变装置硬件结构部分，包括直流电容、储能单元、逆变单元、连接电抗器、电压霍尔、电流霍尔、充电电阻、放电电阻、并网断路器。所述储能及逆变单元分别由主控制器、触摸屏、功率单元、接触器、UPS电源、电源开关、风机、避雷器构成，通过电缆与各自连接电抗器相连，其中功率单元主要以IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)和IGBT驱动板组成的变流装置为核心元件，通过光纤与主控制器相连，触摸屏通过以太网与主控制器相连，接触器通过电线与主控制器相连，UPS电源、风机及电源开关通过电线与380V供电电源相连，避雷器通过电线分别与地排及电抗器相连；连接电抗器通过电缆经充电电阻及断路器与电网系统相连；直流电容通过电缆经放电电阻及铜排与功率单元相连；电压电流霍尔通过导线与各主控制器相连。

使用本发明时，储能及逆变单元将自换相桥式电路通过连接电抗器并联在电网上，各自的主控制器通过电压和电流霍尔传感器可快速检测系统的电压、电流，由此经主控制器控制芯片程序算法计算并分析系统所需功率的变化，实时计算装置应提供给电网系统的输出功率电流大小。根据上级工况调度命令或实时检测跟踪电网系统峰谷状况，对储能装置进行充放电，产生经调制后的脉冲信号，通过主控制器光纤通讯将信号发送给储能及逆变单元的功率单元驱动板来控制IGBT的动作；通过连线接触器和电源开关的开出操作可进行装置并网与断网、装置放电、散热风机启停等功能，并可根据开入信号及储能及逆变单元光纤通讯故障信号可对成套装置实现分层分级的保护；通过以太网通讯与触摸屏进行交互，可实现上位机系统对装置整体进行控制、监视功能，并可根据现场需要实现远程通讯功能。储能及逆变单元以IGBT变流装置为核心，将直流电压逆变成交流电压，并控制该交流电压的频率、幅值和相位，从而实现整个装置的四象限双向储能逆变功能。

如图3所示，本发明一种基于IGBT技术的四象限双向储能逆变装置，控制策略部分以瞬时功率理论为基础，在逆变装置控制算法及策略上进行了持续改进和优化，对采集到的系统电压、电流模拟量进行瞬时功率计算，将有功功率与无功功率进行解耦，通过同步旋转坐标变换将直流电压控制及功率电流控制分量转换为装置输出电流参考分量，并定义其方向，将该分量通过空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVWPM)分解计算，与装置输出电流采集模拟量进行PI调节(Proportional IntegralController)，通过与系统电压的计算后生成PWM调制波参考量，发送到各功率单元驱动板，驱动IGBT动作,实现了双向逆变功能。

使用本发明时，一方面主控制器对采集到的模拟量进行内部偏移量调整，对个通道采集量进行低通平滑处理，对处理后结果进行矢量坐标变换、矢量分解，根据时间比例进行矢量合成、电网同步修正，经坐标系反变换后获得同步电压矢量。另一方面通过采集模拟量计算系统功率，根据计算结果自动切换模式控制，根据矢量参数调整，将功率矢量分解为有功及无功功率，直接进行坐标系反变换，对得到的变换后实际电压或电流矢量进行计算，得到参考输出电压。将同步电压与参考电压进行电压调制，对生成的调制参考波脉冲信号进行窄脉冲消除，输出正弦化的PWM调制波信号，驱动IGBT动作。整体控制过程采用同步旋转坐标变换结合指令电流检测方法，应用空间矢量脉宽调制技术，实现充放电功能。

上面所述仅是本发明的基本原理，并非对本发明作任何限制，凡是依据本发明对其进行等同变化和修饰，均在本专利技术保护方案的范畴之内。

Claims (1)

1.一种基于IGBT技术的四象限双向储能逆变装置的控制方法，所述基于IGBT技术的四象限双向储能逆变装置包括直流电容、储能单元、逆变单元、连接电抗器、电压霍尔、电流霍尔、充电电阻、放电电阻、并网断路器；所述的储能单元和逆变单元分别与直流电容并联；所述的储能单元或逆变单元分别由主控制器、触摸屏、功率单元、接触器、UPS电源、电源开关、风机、避雷器构成，通过电缆与各自连接电抗器相连，其中功率模块是以IGBT器件和IGBT驱动板组成的变流装置为核心元件，通过光纤与主控制器相连，触摸屏通过以太网与主控制器相连，接触器通过电线与主控制器相连，UPS电源、风机及电源开关通过电线与380V供电电源相连，避雷器通过电线分别与地排及电抗器相连；连接电抗器通过电缆经充电电阻及断路器与电网系统相连；直流电容通过电缆经放电电阻及铜排与功率模块相连；电压霍尔及电流霍尔分别通过导线与各主控制器相连；其特征在于，基于IGBT技术的四象限双向储能逆变装置的控制方法，包括以下步骤：

1)主控制器对采集到的模拟量进行内部偏移量调整，对各通道采集量进行低通平滑处理，对处理后结果进行矢量坐标变换、矢量分解，根据时间比例进行矢量合成、电网同步修正，经坐标反变换后获得同步电压矢量；

2)通过采集模拟量计算系统电压及功率，根据计算结果自动切换模式控制，根据矢量参数调整，将功率矢量分解为有功功率和无功功率，直接进行坐标反变换，对得到的变换后实际电压或电流矢量进行计算，得到输出参考电压；

3)将同步电压与参考电压进行电压调制，对生成的调制参考波脉冲信号进行窄脉冲消除，输出正弦化的PWM调制波信号，驱动IGBT动作；整体控制过程采用同步旋转坐标变换结合指令电流检测方法，应用空间矢量脉宽调制技术，实现充放电功能。