CN105337282A - 应用于微网的储能单元与apf的组合系统及工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种应用于微网的储能单元与APF组合系统，其特征在于它包含采样调理系统、DSP控制系统、驱动系统、主电路系统和保护系统；其工作方法包括：实时检测、信号调理、发出补偿信号、信号转换、计算处理、状态检测、正确动作；其优越性在于：①结构简单，方法易懂；②一机多用，治理谐波又能调节功率平衡；③母线电压的稳定性提高；④提高了组合系统的可靠性；⑤应用前景和工程应用价值好。
Description
(一)技术领域
本发明属于微网电能质量调节领域，涉及一种应用于微网的储能单元与APF(有源电力滤波器——ActivePowerFilter,APF)的组合系统及工作方法。
(二)背景技术
微网既能够与大电网并网运行,又可以独立运行。对于大电网来说,微网可看作一个即插即用的可控“插件”,能够在短短数秒内快速响应来满足传输系统的要求。从用户的角度来说,微网可当作一个可调电源,可以支持小范围内电压稳定,增强局部地区供电可靠性,以满足不同用户多样化、个性化的需求。由于微网的灵活可调度性,它既可适时向大电网提供重要补充,又解决了分布式电源(Distributedgeneration，DG)的大规模接入问题,还可以更充分地发挥可再生电源的潜能,给人们带来了显著的经济效益和巨大的社会效益。同时,微网具有的安装地点灵活、能源利用率高、可靠性高和绿色环保等特点,有效地解决了大电网的许多难题,微网作为未来大电网的有效支撑和有力补充,是电力系统未来发展所必需的关键组成之一,极具研究意义。
由于独立微网内部各电源不能快速跟踪外界环境和负载变化,难以维持电力供需的动态平衡和系统的稳定运行,所以需要设计出合适的储能单元来保证微电源输出电能的质量。同时，微网中含有大量的电力电子设备，不可避免地给系统带来大量谐波，使微网的电能质量受到严重污染。APF被认为是抑制谐波最有效的设备之一，能够实时跟踪抑制谐波和补偿无功。储能单元的安装可以使微网由刚性变为柔性，但其功能在实际应用中并没有得到充分利用，甚至很多时候处于闲置状态。众所周知，储能单元与APF在主电路结构、功能等方面非常相似，从节约投资成本、实现功能最大化的角度考虑，将APF与储能单元进行组合研究具有很实用的价值和意义。
基于以上分析，考虑在微网环境下，将微网储能单元与APF进行组合，实现“一机多能”，该组合系统既能够治理微网中的谐波，又能调节微网的有功和无功平衡，有效改善微网电能质量。另外，组合系统还能提高储能单元的利用率，且成本较低，实现起来较为容易。
(三)发明内容
本发明的目的在于设计了一种应用于微网的储能单元与APF组合系统及工作方法，它利用储能单元与APF主电路结构、功能相似的特点，将两者结合起来结构简单，并且既能够治理微网中的谐波，又能调节微网的有功功率和无功功率平衡，有效改善微网电能质量。
本发明的技术方案：一种应用于微网的储能单元与APF组合系统，其特征在于它包含采样调理系统、DSP(DigitalSignalProcessor——数字信号处理器)控制系统、驱动系统、主电路系统和保护系统。其中，所述采样调理系统输入端采集微网中电压电流信号，它的输出端与DSP控制系统的输入端连接；DSP控制系统的输出端与驱动系统的输入端连接；驱动系统的输出端与主电路系统的输入端连接；在组合系统内部，主电路系统的输出端分别与采样调理系统和保护系统的输入端连接；在组合系统外部，主电路系统与微网双向连接；保护系统的输出端与DSP控制系统的输入端连接。
所述采样调理系统由电流采样调理电路和电压采样调理电路组成。其中，电流采样调理电路利用霍尔电流互感器采集电流，然后将信号送给运算放大器，后一个运算放大器相当于一个低通滤波器,经电压偏移缩放后转化为目标信号送入DSP控制系统；电压采样调理系统利用霍尔电压互感器采集电压后，经差分放大器缩小，滤波器滤波和限压箝位为0-3V后输入到DSP控制系统中。
所述DSP控制系统由A/D采样模块、PWM输出模块、检测、功率计算模块和控制模块组成；其中，A/D采样模块接收采样的电压电流模拟信号，然后转化成处理器可识别的数字信号；A/D采样模块的输出端与检测、功率计算模块和控制模块的输入端连接；检测、功率计算模块和控制模块通过相应的检测、功率计算和控制算法将信号与PWM输出模块连接；PWM输出模块输出驱动系统需要的驱动信号。
所述驱动系统由输入电阻、M579系列芯片、推挽电路和一个稳压二级管组成；其中，输入驱动信号经输入电阻进入M579系列芯片，M579系列芯片的一个输出端直接是IGBT的集电极电压uC，另一个输出端与一个由两个三极管组成的推挽电路的输入端相连接，推挽电路的输出端是IGBT所需要的栅极与发射极之间的门极电压uG；推挽电路另一个输出端与稳压二极管的输入端连接，稳压二极管的输出端是IGBT的发射极电压uE。
所述保护系统由两个运放构成的整流电路和报警电路组成；其中，两个运放分别为运放1和运放2，它们为串联连接，其输出端输出电流采样信号，与报警电路的输入端相连接；报警电路的输出端与DSP控制系统的输入端连接；主要是防止输出电流可能过大。
所述主电路系统是由储能单元、DC-DC模块和典型APF主电路模块组成；其中，储能单元与DC-DC模块并联，为双向连接；DC-DC模块与APF主电路模块并联，为双向连接；储能单元为常规储能装置；DC-DC模块为常规DC-DC变换器；典型APF主电路模块为常规电压源型DC-AC变换器。
一种应用于微网的储能单元与APF组合系统的工作方法，其特征在于它由以下的步骤所构成：
(1)采样调理系统分别与微网和主电路系统相连，实时地检测和调理网侧电压电流、负载电流、电压型逆变器直流侧母线电压、储能单元与APF组合系统发出的实际补偿电流信号；
(2)DSP控制系统内部的A/D采样模块接收采样调理系统发出的模拟信号，然后转化为DSP控制芯片可识别的数字信号；
(3)DSP控制系统内的检测、功率计算模块根据(2)得到的电压、电流信号计算得出谐波电流的参考信号和电网功率的参考信号，经过控制模块由PWM输出模块产生PWM信号；控制模块包括DC-DC变换器的控制算法和DC-AC变换器的控制算法；DC-DC变换器完成对储能单元输出侧电压的升降压以及直流母线电压的稳定性处理；DC-AC变换器完成交流和直流之间的相互转换；
(4)驱动系统接收到DSP控制系统发出的PWM信号后，由此信号驱动主电路系统的DC-DC变换器和DC-AC变换器，以实现APF与储能单元组合系统的能量的双向流动；
(5)组合系统检测到微网有剩余能量时，此时组合装置的能量流动方向由微网侧至储能单元侧，DC-AC变换器处于整流状态，DC-DC变换器处于Buck状态；
(6)组合系统检测到微网有能量缺失或者有谐波时，此时装置的能量流动方向由储能单元侧至微电网侧，DC-AC变换器处于逆变状态，DC-DC变换器处于Boost状态；放电模式下装置需要检测系统是否正常供电，若系统正常供电，组合装置同时具备调节系统功率平衡和治理谐波的功能；若系统因故障停止供电，系统可进入UPS模式为负载供电。
本发明的工作原理：组合系统有两种工作模式，一是充电模式，二是放电模式。储能单元与APF组合系统控制策略的好坏是系统能否安全有效运行的关键。对组合系统的控制包括DC-DC变换器的控制和DC-AC变换器的控制。
DC-DC变换器拓扑结构如图7所示，列写数学模型，可得到DC-DC变换器的传递函数如图8所示，其中，iL’为流过电感L'的电流；idc为流过电容Cdc的电流；id是流过S2的电流；Udc是电容Cdc两端的电压；Ud是储能单元电压；P是指DC-DC变换器的流动功率；1/x是指对输出反馈的Udc进行求倒运算；Uc'是指电容C'两端的电压。
本发明的控制目标首先是要保持直流母线的电压值恒定，同时也要满足储能单元的功率限制。所以控制的关键部分是通过将储能单元的电流IL’控制在一定的范围达到保证开关器件的安全运行的目的。
DC-DC变换器的控制框图如图9所示。其中Udcref为直流母线电压给定值，与直流母线电压瞬时信号Udc相减之后的差值通过电压调节器产生直流母线侧电流控制信号ILref’，与电压信号相乘后得到功率，然后对其功率进行限制，之后，将其与实际信号进行比较，经过PI电流调节器，然后经由PWM得出DC-DC变换器驱动信号。DC-AC变换器工作在并网模式下时的复合校正技术的改进三角波控制框图如图10所示。
图中Gn(s)为前馈补偿的传递函数。在前馈补偿中，通过选择合适的传递函数Gn(s)，使扰动信号UFk(s)经过Gn(s)后能够对系统的输出产生一定的补偿效果，从而消除因电压扰动而对系统输出值的影响。
DC-AC变换器工作在UPS模式下时的电容电流反馈双闭环控制框图如图11所示。将输出电压u0和电压指令信号uref相减之后得出误差ue，经PI调节后作为电流基准iref，与滤波电容电流ic进行比较，然后经过P调节得到调制信号。PWM发生器根据调制信号控制相应的开关动作，这样当负载出现扰动时，由于流过交流侧滤波电感的电流不会发生跃变，输出滤波器中的电容器与负载是并联方式，所以电容器的电流变化情况能够很直观地体现出负载电流的实时大小，从而使系统快速响应的特性得到保证。
对DC-AC变换器和DC-DC变换器的控制主要放在DSP控制芯片中并通过软件实现。整个系统程序编写与调试DSP代码的工作都是在集成开发环境CodeComposerStudio3.3(CCS3.3)中完成的。本发明系统的软件采用结构化程序设计，编写以C语言为主。本发明系统的软件部分主要包括以下几个模块：主程序、初始化子程序、锁相程序、电网线电压极性判断程序、定时器T3下溢中断服务子程序、PWM发波程序、A/D采样结束中断服务子程序、INT1中断服务子程序、故障信号中断服务子程序等模块。
组合系统引入双极式变换器系统，其中，DC-DC变换器完成对储能单元输出侧电压的升降压以及直流母线电压的稳定性处理；DC-AC变换器完成交流和直流之间的相互转换；只需要一套逆变装置，比实现同样功能的其他方法减少一半；增加储能单元的利用率，且成本较低，实现起来较为容易，使其功能延伸到治理微电网谐波电流的方向。
本发明的优越性在于：①硬件设计与软件相结合，硬件装置设计简单，软件编程通俗易懂；②将储能单元与APF组合起来，实现“一机多用”，既能够治理微网中的谐波，又能调节微网的有功和无功平衡，有效改善微网电能质量；③引入双极式变换器系统，DC-DC变换器完成对储能单元输出侧电压的升降压以及直流母线电压的稳定性处理；DC-AC变换器完成交流和直流之间的相互转换；④利用DSP的数据计算和处理能力，大大提高了组合系统的可靠性；⑤具有广阔的市场应用前景和工程应用价值。
(四)附图说明
图1为本发明所涉一种应用于微网的储能单元与有源电力滤波器组合系统的总体结构示意图。
图2为本发明所涉一种应用于微网的储能单元与有源电力滤波器组合系统中采样调理系统示意图。
图3为本发明所涉一种应用于微网的储能单元与有源电力滤波器组合系统中DSP控制系统示意图。
图4为本发明所涉一种应用于微网的储能单元与有源电力滤波器组合系统中驱动系统示意图。
图5为本发明所涉一种应用于微网的储能单元与有源电力滤波器组合系统中保护系统示意图。
图6为本发明所涉一种应用于微网的储能单元与有源电力滤波器组合系统中主电路系统示意图。
图7为本发明所涉一种应用于微网的储能单元与有源电力滤波器组合系统中DC-DC变换器拓扑结构如所示。
图8为本发明所涉一种应用于微网的储能单元与有源电力滤波器组合系统中DC-DC变换器的传递函数结构框图。
图9为本发明所涉一种应用于微网的储能单元与有源电力滤波器组合系统中DC-DC变换器的控制框图。
图10为本发明所涉一种应用于微网的储能单元与有源电力滤波器组合系统中DC-AC变换器工作在并网模式下时的复合校正技术的改进三角波控制框图。
图11为本发明所涉一种应用于微网的储能单元与有源电力滤波器组合系统中DC-AC变换器工作在UPS模式下时的电容电流反馈双闭环控制框图。
(五)具体实施方式：
实施例：一种应用于微网的储能单元与APF组合系统(见图1)，其特征在于它包含采样调理系统、DSP控制系统、驱动系统、主电路系统和保护系统。其中，所述采样调理系统输入端采集微网中电压电流信号，它的输出端与DSP控制系统的输入端连接；DSP控制系统的输出端与驱动系统的输入端连接；驱动系统的输出端与主电路系统的输入端连接；在组合系统内部，主电路系统的输出端分别与采样调理系统和保护系统的输入端连接；在组合系统外部，主电路系统与微网双向连接；保护系统的输出端与DSP控制系统的输入端连接。
所述采样调理系统(见图2)由电流采样调理电路和电压采样调理电路组成。其中，电流采样调理电路利用霍尔电流互感器采集电流，然后将信号送给运算放大器，后一个运算放大器相当于一个低通滤波器,经电压偏移缩放后转化为目标信号送入DSP控制系统；电压采样调理系统利用霍尔电压互感器采集电压后，经差分放大器缩小，滤波器滤波和限压箝位为0-3V后输入到DSP控制系统中。
所述DSP控制系统(见图3)由A/D采样模块、PWM输出模块、检测、功率计算模块和控制模块组成；其中，A/D采样模块接收采样的电压电流模拟信号，然后转化成处理器可识别的数字信号；A/D采样模块的输出端与检测、功率计算模块和控制模块的输入端连接；检测、功率计算模块和控制模块通过相应的检测、功率计算和控制算法将信号与PWM输出模块连接；PWM输出模块输出驱动系统需要的驱动信号。
所述驱动系统(见图4)由输入电阻、M579系列芯片、推挽电路和一个稳压二级管组成；其中，输入驱动信号经输入电阻进入M579系列芯片，M579系列芯片的一个输出端直接是IGBT的集电极电压uC，另一个输出端与一个由两个三极管组成的推挽电路的输入端相连接，推挽电路的输出端是IGBT所需要的栅极与发射极之间的门极电压uG；推挽电路另一个输出端与稳压二极管的输入端连接，稳压二极管的输出端是IGBT的发射极电压uE。
所述保护系统(见图5)由两个运放构成的整流电路和报警电路组成；其中，两个运放分别为运放1和运放2，它们为串联连接，其输出端输出电流采样信号，与报警电路的输入端相连接；报警电路的输出端与DSP控制系统的输入端连接；主要是防止输出电流可能过大。
所述主电路系统(见图6)是由储能单元、DC-DC模块和典型APF主电路模块组成；其中，储能单元与DC-DC模块并联，为双向连接；DC-DC模块与APF主电路模块并联，为双向连接；储能单元为常规储能装置；DC-DC模块为常规DC-DC变换器；典型APF主电路模块为常规电压源型DC-AC变换器。
一种应用于微网的储能单元与APF组合系统的工作方法，其特征在于它是由以下的步骤所构成的：
(1)采样调理系统分别与微网和主电路系统相连，实时地检测和调理网侧电压电流、负载电流、电压型逆变器直流侧母线电压、储能单元与APF组合系统发出的实际补偿电流信号；
(2)DSP控制系统内部的A/D采样模块接收采样调理系统发出的模拟信号，然后转化为DSP控制芯片可识别的数字信号；
(3)DSP控制系统内的检测、功率计算模块根据(2)得到的电压、电流信号计算得出谐波电流的参考信号和电网功率的参考信号，经过控制模块由PWM输出模块产生PWM信号；控制模块包括DC-DC变换器的控制算法和DC-AC变换器的控制算法；DC-DC变换器完成对储能单元输出侧电压的升降压以及直流母线电压的稳定性处理；DC-AC变换器完成交流和直流之间的相互转换；
(4)驱动系统接收到DSP控制系统发出的PWM信号后，由此信号驱动主电路系统的DC-DC变换器和DC-AC变换器，以实现APF与储能单元组合系统的能量的双向流动；
(5)组合系统检测到微网有剩余能量时，此时组合装置的能量流动方向由微网侧至储能单元侧，DC-AC变换器处于整流状态，DC-DC变换器处于Buck状态；
(6)组合系统检测到微网有能量缺失或者有谐波时，此时装置的能量流动方向由储能单元侧至微电网侧，DC-AC变换器处于逆变状态，DC-DC变换器处于Boost状态；放电模式下装置需要检测系统是否正常供电，若系统正常供电，组合装置同时具备调节系统功率平衡和治理谐波的功能；若系统因故障停止供电，系统可进入UPS模式为负载供电。
Claims (7)
1.一种应用于微网的储能单元与APF组合系统，其特征在于它包含采样调理系统、DSP控制系统、驱动系统、主电路系统和保护系统；其中，所述采样调理系统输入端采集微网中电压电流信号，它的输出端与DSP控制系统的输入端连接；DSP控制系统的输出端与驱动系统的输入端连接；驱动系统的输出端与主电路系统的输入端连接；在组合系统内部，主电路系统的输出端分别与采样调理系统和保护系统的输入端连接；在组合系统外部，主电路系统与微网双向连接；保护系统的输出端与DSP控制系统的输入端连接。
2.根据权利要求1所述一种应用于微网的储能单元与APF组合系统，其特征在于所述采样调理系统由电流采样调理电路和电压采样调理电路组成；其中，电流采样调理电路利用霍尔电流互感器采集电流，然后将信号送给运算放大器，后一个运算放大器相当于一个低通滤波器,经电压偏移缩放后转化为目标信号送入DSP控制系统；电压采样调理系统利用霍尔电压互感器采集电压后，经差分放大器缩小，滤波器滤波和限压箝位为0-3V后输入到DSP控制系统中。
3.根据权利要求1所述一种应用于微网的储能单元与APF组合系统，其特征在于所述DSP控制系统由A/D采样模块、PWM输出模块、检测、功率计算模块和控制模块组成；其中，A/D采样模块接收采样的电压电流模拟信号，然后转化成处理器可识别的数字信号；A/D采样模块的输出端与检测、功率计算模块和控制模块的输入端连接；检测、功率计算模块和控制模块通过相应的检测、功率计算和控制算法将信号与PWM输出模块连接；PWM输出模块输出驱动系统需要的驱动信号。
4.根据权利要求1所述一种应用于微网的储能单元与APF组合系统，其特征在于所述驱动系统由输入电阻、M579系列芯片、推挽电路和一个稳压二级管组成；其中，输入驱动信号经输入电阻进入M579系列芯片，M579系列芯片的一个输出端直接是IGBT的集电极电压uC，另一个输出端与一个由两个三极管组成的推挽电路的输入端相连接，推挽电路的输出端是IGBT所需要的栅极与发射极之间的门极电压uG；推挽电路另一个输出端与稳压二极管的输入端连接，稳压二极管的输出端是IGBT的发射极电压uE。
5.根据权利要求1所述一种应用于微网的储能单元与APF组合系统，其特征在于所述保护系统由两个运放构成的整流电路和报警电路组成；其中，两个运放分别为运放1和运放2，它们为串联连接，其输出端输出电流采样信号，与报警电路的输入端相连接；报警电路的输出端与DSP控制系统的输入端连接；主要是防止输出电流可能过大。
6.根据权利要求1所述一种应用于微网的储能单元与APF组合系统，其特征在于所述主电路系统是由储能单元、DC-DC模块和典型APF主电路模块组成；其中，储能单元与DC-DC模块并联，为双向连接；DC-DC模块与APF主电路模块并联，为双向连接；储能单元为常规储能装置；DC-DC模块为常规DC-DC变换器；典型APF主电路模块为常规电压源型DC-AC变换器。
7.一种应用于微网的储能单元与APF组合系统的工作方法，其特征在于它由以下的步骤所构成：
(1)采样调理系统分别与微网和主电路系统相连，实时地检测和调理网侧电压电流、负载电流、电压型逆变器直流侧母线电压、储能单元与APF组合系统发出的实际补偿电流信号；
(2)DSP控制系统内部的A/D采样模块接收采样调理系统发出的模拟信号，然后转化为DSP控制芯片可识别的数字信号；
(3)DSP控制系统内的检测、功率计算模块根据(2)得到的电压、电流信号计算得出谐波电流的参考信号和电网功率的参考信号，经过控制模块由PWM输出模块产生PWM信号；控制模块包括DC-DC变换器的控制算法和DC-AC变换器的控制算法；DC-DC变换器完成对储能单元输出侧电压的升降压以及直流母线电压的稳定性处理；DC-AC变换器完成交流和直流之间的相互转换；
(4)驱动系统接收到DSP控制系统发出的PWM信号后，由此信号驱动主电路系统的DC-DC变换器和DC-AC变换器，以实现APF与储能单元组合系统的能量的双向流动；
(5)组合系统检测到微网有剩余能量时，此时组合装置的能量流动方向由微网侧至储能单元侧，DC-AC变换器处于整流状态，DC-DC变换器处于Buck状态；
(6)组合系统检测到微网有能量缺失或者有谐波时，此时装置的能量流动方向由储能单元侧至微电网侧，DC-AC变换器处于逆变状态，DC-DC变换器处于Boost状态；放电模式下装置需要检测系统是否正常供电，若系统正常供电，组合装置同时具备调节系统功率平衡和治理谐波的功能；若系统因故障停止供电，系统可进入UPS模式为负载供电。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510847685.8A CN105337282A (zh) | 2015-11-26 | 2015-11-26 | 应用于微网的储能单元与apf的组合系统及工作方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510847685.8A CN105337282A (zh) | 2015-11-26 | 2015-11-26 | 应用于微网的储能单元与apf的组合系统及工作方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105337282A true CN105337282A (zh) | 2016-02-17 |
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ID=55287654
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN201510847685.8A Pending CN105337282A (zh) | 2015-11-26 | 2015-11-26 | 应用于微网的储能单元与apf的组合系统及工作方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105337282A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107205110A (zh) * | 2016-03-16 | 2017-09-26 | 三星电机株式会社 | 霍尔传感器偏移校正电路及具备此的摄像头模块 |
| CN108736473A (zh) * | 2018-06-04 | 2018-11-02 | 浙江博通信息技术有限公司 | 一种分布式微电源系统 |
-
2015
- 2015-11-26 CN CN201510847685.8A patent/CN105337282A/zh active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160217 |