CN105870966A - V2g双向交直流转换变流器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种V2G双向交直流转换变流器，其包括工作电路、信号采集电路和控制电路，所述工作电路包括与直流母线相连接的三相桥式逆变电路、与交流母线相连接的隔离变压器和设置在所述三相桥式逆变电路和隔离变压器之间的滤波电路，所述微处理器通过PWM驱动电路连接所述逆变电路，所述控制电路连接有信号采集电路，并根据交直流混合微电网不同的运行方式设有不同的控制方式，所述控制方式包括V‑f控制方式和P‑Q解耦控制方式。本发明通过合理的结构设计和控制方式实现微电网内双向交直流能量转换，维持交流母线和直流母线的电压，提高V2G交直流混合微电网的工作效率。

Description

V2G双向交直流转换变流器

技术领域

本发明涉及一种V2G双向交直流转换变流器，主要应用于采用V2G技术的交直流混合微电网中交流母线与直流母线之间电能的转换控制。

背景技术

V2G（车电互联模式）是指乘用车与电网采用的是能量双向流动的控制技术，电动车不但单向接收电网能量，必要时还可以向电网提供能量支撑，是未来智能电网的坚强后盾。V2G技术是新能源汽车的方向，通过V2G技术，可以平滑电动汽车充电对电网的冲击，不仅可以使充电时间和充电功率可控，必要时还可以反向向电网放电，从而缓解电网的高峰压力。

V2G技术的发展使电动汽车发展迅速，从而带动采用V2G技术的交直流混合微电网的发展。传统的交直流转换变流器不能在孤网运行与并网运行两种工作模式之间来回切换，且只能实现有功功率或者无功功率的设定，因此采用传统的交直流转换变流器将会影响V2G交直流混合微电网的工作效率。

发明内容

为了克服现有技术下的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种V2G双向交直流转换变流器，该变流器解决了背景技术中所指出的不足，通过合理的结构设计和控制方式实现微电网内双向交直流能量转换，维持交流母线和直流母线的电压，提高V2G交直流混合微电网的工作效率。

本发明的技术方案是：

一种V2G双向交直流转换变流器，包括工作电路、信号采集电路和用于控制所述工作电路工作状态的控制电路，所述工作电路包括与直流母线相连接的三相桥式逆变电路、与交流母线相连接的隔离变压器和设置在所述三相桥式逆变电路和隔离变压器之间的滤波电路，所述控制电路内设有微处理器，所述微处理器通过PWM驱动电路连接所述逆变电路，所述信号采集电路用于采集控制所需的实际运行信号，例如所述工作电路的相关电信号，具体信号可以依据相关控制策略和控制方式确定，，以实时获得相关各零部件的工作状态和工作参数等，所述信号采集电路的输出接入所述控制电路。

优选的，所述直流母线与三相桥式逆变电路之间依次设有直流避雷器、直流断路器、直流熔断器、直流接触器和直流滤波器，所述直流母线连接有直流预充电路和直流泄放电路。

优选的，所述交流母线与隔离变压器之间依次设有交流避雷器、交流断路器、交流熔断器和交流接触器，所述交流母线连接有交流预充电路。

优选的，所述控制电路设有二次辅助电源，所述二次辅助电源采用交直流混合供电方式，所述二次辅助电源的直流电源电压范围为200-1000V, 所述二次辅助电源的交流电源电压范围为176-264V。

优选的，所述控制电路还连接有交互电路，所述交互电路设有人机交互界面，所述人机交互界面包括显示器和控制面板，所述控制面板上设有运行指示灯、故障指示灯和紧急停机按钮。

优选的，所述三相桥式逆变电路包括三路并联设置的桥臂单元，每一个所述桥臂单元均由两个串联设置的功率开关管组成，所述功率开关管反向并联有二极管。

优选的，所述控制电路与上级控制设备通讯连接。

优选的，所述PWM驱动电路的驱动信号由所述微处理器计算得出，所述驱动信号包括频率信号和占空比信号，所述PWM驱动电路连接所述功率开关管，控制所述功率开关管的开关动作使所述三相逆变电路工作在逆变状态或整流状态。当所述三相逆变电路工作在逆变状态时，电能从所述直流母线流向所述交流母线；当所述三相逆变电路工作在整流状态时，电能从所述交流母线流向所述直流母线。

优选的，所述控制电路根据交直流混合微电网不同的运行方式设有不同的控制方式，所述控制方式包括V-f控制方式和P-Q解耦控制方式。当所述交直流混合微电网孤网运行时，所述微处理器执行V-f控制方式。当所述交直流混合微电网并网运行时，所述微处理器执行P-Q解耦控制方式。当所述交直流混合微电网由孤网模式向并网模式切换时，在孤网模式下所述微处理器采用V-f控制方式对并网模式下的电压和相位进行跟踪，并网后所述微处理器将控制方式转为P-Q解耦控制方式。所述交直流混合微电网由并网模式向孤网模式切换包括计划性并网模式转孤网模式切换和非计划性并网模式转孤网模式切换。计划性并网模式转孤网模式切换时所述微处理器的控制方式在接收到并网模式转孤网模式的指令后由P-Q解耦控制方式转为V-f控制方式；非计划性并网模式转孤网模式切换时所述微处理器的控制方式直接由P-Q解耦控制方式转为V-f控制方式。

优选的，通过调节所述三相桥式逆变电路输出电压与电流的相位夹角来实现所述V2G双向交直流转换变流器的P-Q解耦功能。

优选的，所述V-f控制方式为：对工频正弦波进行离散化，获得一个工频周期内若干离散时间点的正弦波数据，形成由该若干正弦波数据组成的正弦表数组sin[n]，依据正弦表数组形成对应的矩形脉冲序列代替V-f控制所需工频正弦波作为调制波，通过开关频率和工频频率的关系得到一个工频周期正弦表对应的开关点数nf，以正弦表数组元素总数n和nf的倍数为实现工频正弦波时正弦表指针移动的步长选取用于调制的矩形脉冲。

优选的，所述P-Q解耦控制方式为：对工频正弦波进行离散化，获得一个工频周期内若干离散时间点的正弦波数据，形成由该若干正弦波数据组成的正弦表数组sin[m]，依据该正弦表数组形成对应的矩形脉冲序列代替P-Q解耦控制中电压前馈部分所需工频正弦波作为调制波，通过开关频率和工频频率的关系得到一个工频周期正弦表对应的开关点数mf，以正弦表数组元素总数m和mf的倍数为实现工频正弦波时正弦表指针移动的步长选取用于调制的矩形脉冲。

本发明的有益效果为：

1、本发明采用三相全桥双向PWM变换，能实现双向交直流能源转换；

2、本发明采用一级变换器,拓扑简单,可靠性高；

3、本发明实现了P-Q解耦的功能（四象限工作能力）；

4、本发明直流电网与交流电网之间采用隔离变压器进行电气隔离，隔离变压器还能够进行交直流之间的电压匹配；

5、本发明直流侧配置直流断路器、直流熔断器，交流侧配置交流断路器、交流熔断器，可以实现过载过流保护；

6、本发明直流母线和交流母线均连接有预充电路，电网启动方式灵活，启动冲击小；

7、本发明设置有人机交互界面可以随时查看V2G双向交直流转换变流器的运行信息，进行相关参数设置和运行操作；

8、本发明设有用于V2G双向交直流转换变流器与后台管理系统之间进行通讯的专用通讯接口，管理系统通过控制公共电网并网点（PCC开关）处的通断状态实现V2G交直流混合微电网在孤网运行与并网运行两种工作模式之间来回切换，实现无缝切换功能；

9、本发明设有专门的运行指示灯和故障指示灯，用于指示设备的运行状态和故障状态；

10、本发明设有紧急停机按钮用于设备紧急停机，设有运行/停止转换开关限制设备运行条件，使设备更加安全、稳定、可靠运行。

附图说明

图1是本发明的框架结构简图；

图2是本发明的电路图；

图3是本发明三相桥式逆变电路工作在有源逆变状态下的电路简图；

图4是本发明三相桥式逆变电路工作在有源整流状态下的电路简图；

图5是本发明四象限工作界限简图。

具体实施方式

参见图1至图2，本发明公开了一种V2G双向交直流转换变流器，包括工作电路、信号采集电路和用于控制所述工作电路工作状态的控制电路，所述控制电路与信号采集电路通讯连接，所述控制电路内设有微处理器，所述微处理器通过PWM驱动电路连接所述逆变电路。

所述工作电路包括与直流母线相连接的三相桥式逆变电路5、与交流母线相连接的隔离变压器7和设置在所述三相桥式逆变电路和隔离变压器之间的滤波电路6。

所述三相桥式逆变电路为工作电路的核心，其调制比就是所述双向逆变电路的调制比，其处于逆变状态，双向逆变电路就处于逆变状态，其处于整流状态，双向逆变电路就处于整流状态。所述三相桥式逆变电路包括三路并联设置的桥臂单元，每个桥臂单元均由IGBT开关管和二极管反向并联组成。其中，反向二极管的作用是防止被高的反向电压击穿，起续流保护作用；IGBT开关管的开通和关断实现了能量的交直流变换和双向流动。所述三相桥式逆变电路采用强制风冷的散热方式，能够保证良好的散热，使电路能够可靠、稳定、高效地工作。

PWM驱动电路连接所述三相桥式逆变电路，多路PWM输出分别接到各个IGBT开关管的控制端。PWM驱动电路发出PWM信号, PWM信号所携带的频率或占空比信息由DSP微处理器计算得出，再经PWM驱动电路进行控制信号放大，使输出的控制信号可以驱动IGBT开关管的动作。PWM驱动电路采用专用驱动电路，可以使IGBT开关管工作在最优状态，同时所述驱动电路还具有保护功能，根据所述信号采集电路采集到的IGBT开关管的状态，在检测到有异常时发出故障信号并关断IGBT开关管。

所述滤波电路主要功能是将高频的电压信号转换为谐波符合要求的正弦波，满足国家公用电网质量要求。

所述隔离变压器的作用是将直流微电网与交流微电网隔离，同时进行交直流之间的电压匹配。

所述三相桥式逆变电路与直流母线之间设有直流避雷器1、直流断路器2、直流熔断器、直流接触器3和直流滤波器4，所述直流母线还设有直流预充电路和直流泄放电路，使直流回路的启动方式灵活，减少启动冲击小。

所述隔离变压器与交流母线之间设有交流断路器9、交流熔断器、交流接触器8和交流避雷器10，所述交流母线还设有交流预充电路，实现对交流回路的启动保护等。

所述信号采集电路主要包括数字信号采集模块和模拟信号采集模块，能够实时采集变流器内各零部件的工作状态。

所述控制电路为电控部分的核心，用于将信号采集电路送来的信号进行计算得到目标参量的处理结果数据并输出驱使所述PWM驱动电路按要求工作的控制信号。所述控制电路将处理结果数据与相对应目标参量的给定值进行比较，当超出设定范围时发出警报信息；所述控制电路的微处理器采用工业级DSP芯片（TMS320F28335PGFA），能够实现V2G双向交直流转换变流器的底层功能的支撑和控制，数值计算，逻辑判断，电路故障判断，电路保护及双向通讯等功能。

所述双向通讯功能借助与DSP芯片双向通讯连接的通讯接口电路和开关量接口电路实现，可以实现V2G双向交直流转换变流器的控制功能。

所述通讯接口电路主要用于V2G双向交直流转换变流器与上级控制设备进行通讯，能够通过外部触摸屏传递控制通讯信号。

所述开关量接口电路主要用于发出控制信息和接收开关量信号，从而判断变流器内部元件的状态，进而判断微电网的运行状态。如通过接收PCC开关处的通断状态信号来检测微电网的并网运行或孤网运行状态。

所述V2G双向交直流转换变流器设有二次辅助电源，所述二次辅助电源采用交直流混合供电方式，即可以是直流电源，也可以是交流电源，且所述二次辅助电源的范围很宽，直流电源的电压范围在200-1000V/dc,交流电源的电压范围在176-264V/ac。

如图3所示，所述三相桥式逆变电路工作在有源逆变状态下，直流母线侧向交流母线释放电能，通过对三相桥式逆变电路的控制，实现能量从DC到AC的转换，从而获得高质量的三相交流电（UA /UB /UC /N）。当V2G双向交直流转换变流器工作在孤网运行时，这部分电能可供给交流母线的负荷；当V2G双向交直流转换变流器工作在并网运行时，这部分电能除供给交流母线的负荷外还可以流向公共电网。

如图4所示，所述三相桥式逆变电路工作在有源整流状态下，交流母线侧向直流母线释放电能，通过对三相桥式逆变电路的控制，实现电能从AC到DC的转变，从而获得稳定的直流电能供给直流母线用电设备。

通过调节所述三相桥式逆变电路输出电压与电流的相位夹角来实现V2G双向交直流转换变流器的P-Q解耦的功能（四象限工作能力），其四象限工作界限简图如图5所示。

所述V2G双向交直流转换变流器根据交直流混合微电网不同的运行方式有不同的控制方式：

1、所述交直流混合微电网孤网运行时，所述微处理器执行V-f控制方式，V-f控制需要有工频正弦波作为调制波，本发明中该调制波的形成方法为：对工频正弦波（优选为幅值为1的工频正弦波）进行离散化，获得一个工频周期内若干（n个）离散时间点的正弦波数据，形成由该若干正弦波数据组成的正弦表数组sin[n]，依据所述正弦表数组形成各离散时间点下的对应于该离散时间点下工频正弦波数据的矩形脉冲序列代替V-f控制所需工频正弦波作为调制波，通过开关频率和工频频率的关系得到一个工频周期正弦表对应的开关点数nf（即以一个工频周期为单位的开关频率数值），以正弦表数组元素总数n和nf的倍数为实现工频正弦波时正弦表指针移动的步长选取用于调制的矩形脉冲，由此从上述矩阵脉冲序列中选取了与开关信号时点对应的若干矩阵脉冲（矩阵脉冲子序列），以此作为调制波与开关信号比较和调制输出使其符合工频正弦波形（包括位相相同）。而正弦表数组中的当前数组指针sin-pointer按照一定的步长变化，实现工频调制波，用sin-pointer对应的角度去更新锁相角θ。

以A相为例分析，三角载波周期对应为周期计数值Counpr，A相导通脉冲时间对应为脉冲计数CouncmpA，A相在正弦表数组中对应的点数为nA，有CouncmpA=0.5×Counpr（1+ma sin[nA]），B相和C相调制波也可从正弦表数组中进行相应的移点操作得到。

2、所述交直流混合微电网并网运行时，微处理器快速地跟踪功率变化，同时控制V2G双向交直流转换变流器直流母线的变化，满足直流母线负载功率缺额；并网工作时，V2G双向交直流转换变流器可以执行P-Q解耦控制方式，P-Q解耦控制需要通过坐标变换将三相对称静止坐标系下的变量变换成以电网基波电压为基准的同步旋转坐标系下的变量，变换之后，基波交流正弦量变为同步旋转坐标系下的直流变量。P-Q解耦控制中电压前馈部分也需要有工频正弦波作为调制波，本专利设备中该调制波的形成方法与V-f控制中调制波的形成方法相同为：对工频正弦波（为便于运算，优选设定为幅值为1的工频正弦波）进行离散化，获得一个工频周期内若干离散时间点的正弦波数据，形成由该若干（m个）正弦波数据组成的正弦表数组sin[m]，依据该正弦表数组形成对应的矩形脉冲序列代替P-Q解耦控制中电压前馈部分所需工频正弦波作为调制波，通过开关频率和工频频率的关系得到一个工频周期正弦表对应的开关点数mf，以正弦表数组元素总数m和mf（即以一个工频周期为单位的开关频率数值）的倍数为实现工频正弦波时正弦表指针移动的步长选取用于调制的矩形脉冲；m和n均为大于1的整数。锁相角θ随着电网电压相位变化，用锁相角度对应于正弦表数组中的指针sin-pointerPQ当前的数组指针sin-pointer及对应的角度，实现参考调制波，将P-Q解耦电流环得到的调制波叠加到正弦表生成的参考调制波上，可得到P-Q解耦控制的输出调制波，实现并网模式的功率跟踪。

3、所述交直流混合微电网由孤网模式向并网模式切换时，在孤网模式时所述微处理器采用V-f控制方式对并网模式下的电压、相位进行跟踪，并网后，所述微处理器将控制方式转为P-Q解耦控制方式。锁相角θ随着电网电压相位变化，计算θ对应于正弦表数组的指针sin-pointerPQ，用当前数组指针sin-pointer追踪sin-pointerPQ，过程中双向逆变电路以V-f电压源方式运行，调制波生成依赖于sin-pointer的变化，当两个指针相等时，控制PCC点快速开关闭合，切换至并网运行模式，参考调制波依赖于sin-pointerPQ（sin-pointer和sin-pointerPQ保持相等）的变化，在稳定运行之后，根据功率指令将P-Q解耦电流环生成的调制波叠加在参考调制波上，实现功率跟踪控制。

4、所述交直流混合微电网由并网模式向孤网模式切换时分为两种情况：

（1）计划性并网模式转孤网模式切换：当V2G双向交直流转换变流器接收到HMI触摸屏或者后台遥控指令‘并网转孤网’时，设备将实施计划性并网模式转孤网模式切换操作，控制方式将转到V-f控制方式，V2G系统无缝切换至孤网运行。

（2）非计划性并网模式转孤网模式切换：即PCC点突然掉电或者电网故障等原因造成PCC点失去电网电源，锁相角度θ对应切换时刻的sin-pointer（此时sin-pointer和sin-pointerPQ仍相等）保持一个开关周期，sin-pointer不再追踪sin-pointerPQ，参考调制波不依赖于sin-pointerPQ的变化，此时可控制PCC点快速开关断开，V2G系统无缝切换至孤网运行。sin-pointer根据切换时刻的指针值，按照一定的步长变化，实现新的参考调制波，此时控制方式直接转为V-f控制方式。

本发明公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。

Claims (10)

1.一种V2G双向交直流转换变流器，其特征在于包括工作电路、信号采集电路和控制电路，所述工作电路包括与直流母线相连接的三相桥式逆变电路、与交流母线相连接的隔离变压器和设置在所述三相桥式逆变电路和隔离变压器之间的滤波电路，所述控制电路内设有微处理器，所述微处理器通过PWM驱动电路连接所述逆变电路，所述信号采集电路的信号输出接入所述控制电路。

2.如权利要求1所述的V2G双向交直流转换变流器，其特征在于所述三相桥式逆变电路包括三路并联设置的桥臂单元，每一个所述桥臂单元均由两个串联设置的功率开关管组成，所述功率开关管反向并联有二极管。

3.如权利要求2所述的V2G双向交直流转换变流器，其特征在于所述直流母线与三相桥式逆变电路之间依次设有直流避雷器、直流断路器、直流熔断器、直流接触器和直流滤波器，所述直流母线连接有直流预充电路和直流泄放电路。

4.如权利要求3所述的V2G双向交直流转换变流器，其特征在于所述交流母线与隔离变压器之间依次设有交流避雷器、交流断路器、交流熔断器和交流接触器，所述交流母线连接有交流预充电路。

5.如权利要求4所述的V2G双向交直流转换变流器，其特征在于所述控制电路设有二次辅助电源，所述二次辅助电源采用交直流混合供电方式，所述二次辅助电源的直流电源电压范围为200-1000V, 所述二次辅助电源的交流电源电压范围为176-264V。

6.如权利要求5所述的V2G双向交直流转换变流器，其特征在于所述控制电路还连接有交互电路，所述交互电路设有人机交互界面，所述人机交互界面包括显示器和控制面板，所述控制面板上设有运行指示灯、故障指示灯和紧急停机按钮。

7.如权利要求1-6中任意一项所述的V2G双向交直流转换变流器，其特征在于所述PWM驱动电路的驱动信号由所述微处理器计算得出，所述驱动信号包括频率信号和占空比信号，所述PWM驱动电路连接所述功率开关管，控制所述功率开关管的开关动作使所述三相逆变电路工作在逆变状态或整流状态，当所述三相逆变电路工作在逆变状态时，电能从所述直流母线流向所述交流母线；当所述三相逆变电路工作在整流状态时，电能从所述交流母线流向所述直流母线。

8.如权利要求7所述的V2G双向交直流转换变流器，其特征在于所述控制电路根据交直流混合微电网不同的运行方式设有不同的控制方式，所述控制方式包括V-f控制方式和P-Q解耦控制方式，当所述交直流混合微电网孤网运行时，所述微处理器执行V-f控制方式，当所述交直流混合微电网并网运行时，所述微处理器执行P-Q解耦控制方式，当所述交直流混合微电网由孤网模式向并网模式切换时，在孤网模式下所述微处理器采用V-f控制方式对并网模式下的电压和相位进行跟踪，并网后所述微处理器将控制方式转为P-Q解耦控制方式，所述交直流混合微电网由并网模式向孤网模式切换包括计划性并网模式转孤网模式切换和非计划性并网模式转孤网模式切换，计划性并网模式转孤网模式切换时所述微处理器的控制方式在接收到并网模式转孤网模式的指令后由P-Q解耦控制方式转为V-f控制方式；非计划性并网模式转孤网模式切换时所述微处理器的控制方式直接由P-Q解耦控制方式转为V-f控制方式。

9.如权利要求8所述的V2G双向交直流转换变流器，其特征在于所述V-f控制方式为：对工频正弦波进行离散化，获得一个工频周期内若干离散时间点的正弦波数据，形成由该若干正弦波数据组成的正弦表数组sin[n]，依据正弦表数组形成对应的矩形脉冲序列代替V-f控制所需工频正弦波作为调制波，通过开关频率和工频频率的关系得到一个工频周期正弦表对应的开关点数nf，以正弦表数组元素总数n和nf的倍数为实现工频正弦波时正弦表指针移动的步长选取用于调制的矩形脉冲。

10.如权利要求8所述的V2G双向交直流转换变流器，其特征在于所述P-Q解耦控制方式为：对工频正弦波进行离散化，获得一个工频周期内若干离散时间点的正弦波数据，形成由该若干正弦波数据组成的正弦表数组sin[m]，依据该正弦表数组形成对应的矩形脉冲序列代替P-Q解耦控制中电压前馈部分所需工频正弦波作为调制波，通过开关频率和工频频率的关系得到一个工频周期正弦表对应的开关点数mf，以正弦表数组元素总数m和mf的倍数为实现工频正弦波时正弦表指针移动的步长选取用于调制的矩形脉冲。