CN110071572B - 一种双向充放电一体应急电源装置及其控制方法 - Google Patents

一种双向充放电一体应急电源装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双向充放电一体应急电源装置及其控制方法，包括直流输入电路、功率变流单元、升压隔离单元、交流输出滤波单元、控制单元、信号采集单元。本发明提供的一种双向充放电一体应急电源装置，能够实现旁路工作正常情况下的市电向直流电池充电，维持直流电池的储能，且在旁路供电异常情况下，由直流电池供电提供能量，将应急电池逆变得到三相交流电压为负荷供电，在工作过程中，应急电源装置通过功率变流单元进行能量双向流动，实现充放电一体化，避免了市场上无高压大功率充电机，而造成高压直流电压供电的大容量应急电源在应用上受到限制，并优化了优化了应急电源的控制方法，节省了成本。

Description

一种双向充放电一体应急电源装置及其控制方法
技术领域
本发明属于应急电源技术领域，涉及到一种双向充放电一体应急电源装置及其控制方法。
背景技术
交流应急电源系统是满足化工、冶金、医院、消防等特殊要求的独立于电网之外的备用电源，被广泛应用于各种工业、民用建筑行业，近年来含蓄电池交流应急电源，被广泛应用，尤其是被用做消防应急电源。它的工作原理就是采用单体逆变技术双路供电以备应急，优点是自动切换、带载能力强。随着工业、消防设备重要负荷的增加，应急电源的容量越来越大，受限于功率半导体容量及散热，只能提高应急电源直流母线电压，这样可以在提高应急电源容量的同时减小功率半导体器件的工作电流，减小发热量。但在应急电源系统中，在应急电源不工作时需要给直流电池充电，而当前市面上的直流充机一般采用移相合桥BDC或LLC全桥，三相交流输入，输出直流电压一般在600V以内，最大电流不超过10A，不能满足高压大容量应急电源对直流电源充电的需求，同时在直流系统中加多个并联的充电机增了成本、控制复杂性、结构的复杂性，对高直流电压大容量应急电源的应用带来限制，因此寻求另一种技术路线成为必然。
发明内容
本发明的目的在于提供的一种双向充放电一体应急电源装置及其控制方法，能够实现正常旁路正常工作时，市电向直流电池充电，维持直流电池的储能，在旁路供电异常情况下，由直流电池供电提供能量，经应急电源逆变得到标准三相交流电压给重要负荷供电，应急电源装置通过功率变流单元进行能量双向流动，实现充放电一体化，解决了大容量应急电源在应用上受到限制的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种双向充放电一体应急电源装置，包括直流输入电路、功率变流单元、升压隔离单元、交流输出滤波单元、控制单元、信号采集单元；
所述直流输入电路包括直流电池组、直流侧开关Qc、直流熔断器FU1及FU2、直流接触器Kc2、直流预充电电路和直流母线储能电容C，直流预充电电路由直流接触器Kc1、电阻R组成；
所述功率变流单元包括三相全桥型变流器S；
所述升压隔离单元包括滤波电抗器T；
所述交流输出滤波单元包括电容C1、应急电源输出切换接触器Km1、旁路电源输出切换接触器Km2和输出交流开关Q1；
所述信号采集单元分别与直流输入电路、功率变流单元、交流输出滤波单元和控制单元连接。
所述直流电池组阳极通过直流侧开关Qc与直流熔断器FU1一端连接，直流熔断器FU1另一端通过直流接触器Kc2与三相全桥型变流器S连接，直流接触器Kc1与电阻R串联后与直流接触器Kc2并联，直流电池组阴极通过直流熔断器FU2与三相全桥型变流器S连接，滤波电抗器T一端与三相全桥型变流器S连接，另一端分别与电容C1和应急电源输出切换接触器Km1一端连接，应急电源输出切换接触器Km1另一端分别与旁路电源输出切换接触器Km2和输出交流开关Q1连接，旁路电源输出切换接触器Km2与旁路电源连接；
所述信号采集单元分别与直流熔断器FU1与直流接触器Kc2交点、直流接触器Kc2与三相全桥型变流器S交点、滤波电抗器T与应急电源输出切换接触器Km1交点以及旁路电源与旁路电源输出切换接触器Km2交点连接，分别用于采集直流电池电压、直流母线电压、直流母线电流、应急电源三相输出电压、应急电源三相输出电流和旁路电压，信号采集单元将采集的直流电池电压、直流母线电压、直流母线电流、应急电源三相输出电压、应急电源三相输出电流和旁路电压发送至控制单元，控制单元进行处理和控制后，输出PWM信号至功率变流单元，以对功率变流单元进行控制。
进一步地，所述应急电源装置包括直流合闸软启动模式、应急电源并网充电P/Q模式和应急电源离网放电V/F模式。
进一步地，所述应急电源装置在进行直流合闸软启动时，闭合直流侧开关Qc，信号采集单元检测直流电池电压Udc及直流母线电压Vdc，比较直流电池电压Udc及直流母线电压Vdc，当Udc-Vdc>δUdc时，断开直流接触器Kc2，闭合直流接触器Kc1，通过直流输入预充电电阻R给直流母线储能电容C充电，直流母线电压Udc增加，当Udc-Vdc≤δUdc时，闭合直流接触器Kc2，断开直流接触器Kc1，以完成直流合闸软启动，其中，δUdc为设定的阈值。
进一步地，所述信号采集单元采集旁路电压Ua、Ub、Uc，直流电池电压信号Udc，将旁路电压Ua、Ub、Uc进行CLARK得到alpha-beta坐标系下的值Uα、Uβ，再经PARK变换，得到dq坐标系下的值Ud、Uq，求取
Figure GDA0002804217040000031
Urms_dq为旁路相电压峰值，通过Urms_dq判断旁路电压是否正常，若旁路电压正常，并同时判断直流电池电压Udc是否低于设定的电池最高电压，若旁路电压正常且直流电池电压Udc低于设定的电池最高电压，则应急电源工作在并网充电模式下，此时应急电源装置不需配置另外充电设备，而是采用逆变变流器作为硬件平台，同步并入旁路电网，以电流源特性工作，把旁路电网电能存入直流电池，以对直流电池充电，若直流电池电压Udc达到预设的电池最高电压，则停止并网充电模式，应急电源处于待机状态。
进一步地，当应急电源旁路正常且并网充电模式时，应急电源输出切换接触器Km1、旁路电源输出切换接触器Km2、输出交流开关Q1均吸合，应急电源并到旁路电网上，同时旁路给负荷供电，应急电源采用P/Q模式控制，采集旁路电压、应急电源三相输出电流和直流电池电压，设定直流电池电压的最终目标电压值，采用爬坡函数模型增加直流电池电压直至达到最终目标电压值，首先采用恒流充电模式，待直流电池电压值接近最终目标电压值，再采用恒压模式充电，最后采用恒压浮充模式。
一种双向充放电一体应急电源装置的控制方法，包括以下步骤：
S1、假设旁路电压初始角频率为ω0＝100π，对应频率为50Hz，实时角频率为ω，旁路A相电压相位为θ，采样周期为Δt，则实时相位为θ＝θ+ωΔt，对旁路三相电压Ua、Ub、Uc分别进行CLARK及PARK变换得到：
alpha-beta坐标系中值
Figure GDA0002804217040000041
dq坐标系中值
Figure GDA0002804217040000042
S2、判断旁路电压是否正常：根据锁相得到的旁路电压A相相位θ，经PARK变换得到的dq坐标系下值
Figure GDA0002804217040000043
根据公式
Figure GDA0002804217040000044
计算出旁路相电压峰值Urms_dq，根据Urms_dq的值瞬时判断旁路电压是否异常，若连续判断5次Urms_dq均在预设的旁路电压正常范围内，则最终结果为旁路电压正常，否则为异常；
S3、对应急电源三相输出电流采样得到旁路三相电流Ia、Ib、Ic，对采样得到的旁路三相电流进行CLARK及PARK变换：
alpha-beta坐标系中值
Figure GDA0002804217040000051
dq坐标系中值
Figure GDA0002804217040000052
S4、根据S2步骤判断旁路是否正常，若旁路正常，同时，判断直流电池电压Vdc是否低于电池上限电压，若低于电池上限电压，则应急电源装置工作在并网充电模式下，在dq坐标系中进行双闭环控制，直流电池电压Udc与目标电压
Figure GDA0002804217040000053
的差经PI控制得到dq坐标系下有功分量目标值
Figure GDA0002804217040000054
采用电压外环控制，无功分量目标值
Figure GDA0002804217040000055
将
Figure GDA0002804217040000056
与应急电源输出电流
Figure GDA0002804217040000057
进行电流内环PI控制,同时对旁路电压dq分量
Figure GDA0002804217040000058
进行前馈控制，得到桥臂目标电压
Figure GDA0002804217040000059
对dq坐标下桥臂目标电压
Figure GDA00028042170400000510
进行逆PARK变换得到
Figure GDA00028042170400000511
再进行SVPWM控制完成整个并网充电模式控制；
S5、在并网充电模式下，若直流电池电压与电池目标电压值之差大于给定阈值，则采用恒流充电模式，将直流电流控制作为外环控制，Idc为实测直流电流，
Figure GDA00028042170400000512
为目标直流电流，Idc与
Figure GDA00028042170400000513
差经PI控制得到dq坐标系下有功分量目标值
Figure GDA00028042170400000514
采用电流外环控制，无功分量目标值
Figure GDA00028042170400000515
将
Figure GDA00028042170400000516
与应急电源输出电流
Figure GDA0002804217040000061
进行电流内环PI控制,同时对旁路电压dq分量
Figure GDA0002804217040000062
进行前馈控制，得到桥臂目标电压
Figure GDA0002804217040000063
对dq坐标下桥臂目标电压
Figure GDA0002804217040000064
进行逆PARK变换得到
Figure GDA0002804217040000065
再进行SVPWM控制完成整个并网充电模式控制；
S6、在并网充电模式下，若直流电池电压达到目标电压值，则应急电源装置工作浮充状态下，此时应急电源连接在电池上，目标直流电流
Figure GDA0002804217040000066
将
Figure GDA0002804217040000067
Figure GDA0002804217040000068
与应急电源输出电流
Figure GDA0002804217040000069
进行电流内环PI控制,同时对旁路电压dq分量
Figure GDA00028042170400000610
进行前馈控制，得到桥臂目标电压
Figure GDA00028042170400000611
对dq坐标下桥臂目标电压
Figure GDA00028042170400000612
进行逆PARK变换得到
Figure GDA00028042170400000613
再进行SVPWM控制完成整个并网充电模式控制；
S7、根据Urms_dq判断旁路是否正常，若旁路异常，或旁路电压正常但应急电源装置收到手动信号、强制信号启动信号，则应急电源装置工作在离网放电模式，参考电压d轴分量
Figure GDA00028042170400000614
为目标输出电压的相电压峰值，q轴分量
Figure GDA00028042170400000615
应急电源装置输出电压经CLARK、PARK变换得到Ud、Uq，Ud、Uq分别进行PI控制得到dq坐标下桥臂目标电压
Figure GDA00028042170400000616
将桥臂目标电压
Figure GDA00028042170400000617
进行逆PARK变换得到
Figure GDA00028042170400000618
再进行SVPWM控制完成整个离网放电模式控制。
进一步地，根据步骤S1中获得旁路电压A相相位θ的方法，具体步骤如下:
V1、输入信号v经正交信号发生器后得到正交信号v′、qv′，其传递函数为：
Figure GDA0002804217040000071
其中，k为一系数，
Figure GDA0002804217040000072
为谐振频率；
正交信号发生器对频率为
Figure GDA0002804217040000073
的正弦信号实现无静差跟踪，可将旁路电压中的谐波、负序分量信号滤除；
V2、将旁路电压信号静止同步alpha-beta坐标系统中的Uα、Uβ值分别输入正交信号发生器中，分别得到两对正交信号U'α、qU'α及U'β、qU'β，定义
Figure GDA0002804217040000074
其中，
Figure GDA0002804217040000075
分别为Uα、Uβ中滤除谐波、负序分量后的正序分量；
V3、将
Figure GDA0002804217040000076
进行PARK变换得到
Figure GDA0002804217040000077
其中，d轴分量
Figure GDA0002804217040000078
为有功分量、q轴分量
Figure GDA0002804217040000079
为无功分量，若坐标转换矩阵Cdq中的所用的相位与实际旁路电压A相相位相同，则
Figure GDA00028042170400000710
为0；
V4、对
Figure GDA00028042170400000711
进行PI控制得到Δω，则实时角频率ω＝ω0+Δω，实时A相相位θ＝θ+ωΔt，其中，Δt为采用时间。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种双向充放电一体应急电源装置及其控制方法，能够实现旁路工作正常情况下的市电向直流电池充电，维持直流电池的储能，且在旁路供电异常情况下，由直流电池供电提供能量，将应急电池逆变得到三相交流电压为负荷供电，在工作过程中，应急电源装置通过功率变流单元进行能量双向流动，实现充放电一体化，避免了市场上无高压大功率充电机，而造成高压直流电压供电的大容量应急电源在应用上受到限制，并优化了应急电源的控制方法，节省了成本。
本发明解决了两个技术问题，分别是并网条件下对直流电池的充电控制及离网条件下逆变控制对重要负荷的供电。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中双向充放电一体化应急电源拓扑示意图；
图2为本发明中传统应急电源与旁路连接示意图；
图3为本发明中双向充放电一体化应急电源与旁路连接示意图；
图4为本发明的应用的CLARK、PARK变换坐标轴示意图；
图5为改进的基于二阶广义积分器的正交信号发生器(SOG I-QSG)；
图6为改进型双二阶广义积分软件锁相控制原理图；
图7为双向充放电一体化应急电源并网充电模式恒压控制原理图；
图8为双向充放电一体化应急电源并网充电模式恒流控制原理图；
图9为双向充放电一体化应急电源离网放电模式控制原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1所示，双向充放电一体化应急电源拓扑图，包括直流输入电路、功率变流单元、升压隔离单元、交流输出滤波单元、控制单元、信号采集单元，其中，直流输入电路包括直流电池组、直流侧开关Qc、直流熔断器FU1及FU2、直流接触器Kc2、直流预充电电路和直流母线储能电容C，直流预充电电路由直流接触器Kc1、电阻R组成；功率变流单元包括三相全桥型变流器S；升压隔离单元包括滤波电抗器T；交流输出滤波单元包括电容C1、应急电源输出切换接触器Km1、旁路电源输出切换接触器Km2和输出交流开关Q1；信号采集单元采集旁路电压、应急电源输出电压、应急电源输出电流、直流电压与直流电流，并经控制单元进行处理控制后得输出PWM信号给功率变流单元，用于控制功率变流单元。
图2为传统应急电源与旁路连接示意图，传统应急电源需增加充电机给直流电池充电，但市场难以找到高电压大容量充电机，限制了高压大容量应急电源的应用。
图3为本发明双向充放电一体化应急电源与旁路连接示意图，与图2相比，减少了充电机，采用应急电源自身变流器采用PWM整流模式给直流电池充电，解决了高压大容量充电机的不足。
请参阅图4，展示了本发明的CLARK、PARK变换坐标轴示意图，本发明所需的各坐标变换阵定义如下：
CLARK变换：
Figure GDA0002804217040000101
逆时针PARK变换：
Figure GDA0002804217040000102
逆时针PARK逆变换：
Figure GDA0002804217040000103
一种双向充放电一体应急电源装置，包括直流输入电路、功率变流单元、升压隔离单元、交流输出滤波单元、控制单元、信号采集单元，其中，直流输入电路包括直流电池组、直流侧开关Qc、直流熔断器FU1及FU2、直流接触器Kc2、直流预充电电路和直流母线储能电容C，直流预充电电路由直流接触器Kc1、电阻R组成；功率变流单元包括三相全桥型变流器S；升压隔离单元包括滤波电抗器T；交流输出滤波单元包括电容C1、应急电源输出切换接触器Km1、旁路电源输出切换接触器Km2和输出交流开关Q1；信号采集单元分别与直流输入电路、功率变流单元、交流输出滤波单元和控制单元连接。
其中，直流电池组阳极通过直流侧开关Qc与直流熔断器FU1一端连接，直流熔断器FU1另一端通过直流接触器Kc2与三相全桥型变流器S连接，直流接触器Kc1与电阻R串联后与直流接触器Kc2并联，直流电池组阴极通过直流熔断器FU2与三相全桥型变流器S连接，滤波电抗器T一端与三相全桥型变流器S连接，另一端分别与电容C1和应急电源输出切换接触器Km1一端连接，应急电源输出切换接触器Km1另一端分别与旁路电源输出切换接触器Km2和输出交流开关Q1连接，旁路电源输出切换接触器Km2与旁路电源连接。
信号采集单元分别与直流熔断器FU1与直流接触器Kc2交点、直流接触器Kc2与三相全桥型变流器S交点、滤波电抗器T与应急电源输出切换接触器Km1交点以及旁路电源与旁路电源输出切换接触器Km2交点连接，分别用于采集直流电池电压、直流母线电压、直流母线电流、应急电源三相输出电压、应急电源三相输出电流和旁路电压，信号采集单元将采集的直流电池电压、直流母线电压、直流母线电流、应急电源三相输出电压、应急电源三相输出电流和旁路电压发送至控制单元，控制单元进行处理和控制后，输出PWM信号至功率变流单元，以对功率变流单元进行控制。
所述应急电源装置包括直流合闸软启动模式、应急电源并网P/Q充电模式、应急电源离网放电V/F模式；
应急电源装置在进行直流合闸软启动时，闭合直流侧开关Qc，信号采集单元检测直流电池电压Udc及直流母线电压vdc，比较直流电池电压Udc及直流母线电压Vdc，当Udc-Vdc>δUdc时，断开直流接触器Kc2，闭合直流接触器Kc1，通过直流输入预充电电阻R给直流母线储能电容C充电，直流母线电压Udc增加，当Udc-Vdc≤δUdc时，闭合直流接触器Kc2，断开直流接触器Kc1，以完成直流合闸软启动，其中，δUdc为设定的阈值。
应急电源并网充电P/Q模式：信号采集单元采集旁路电压Ua、Ub、Uc，直流电池电压信号Udc，将旁路电压Ua、Ub、Uc进行CLARK得到alpha-beta坐标系下的值Uα、Uβ，再经PARK变换，得到dq坐标系下的值Ud、Uq，求取
Figure GDA0002804217040000111
Urms_dq为旁路相电压峰值，通过Urms_dq判断旁路电压是否正常，若旁路电压正常，并同时判断直流电池电压Udc是否低于设定的电池最高电压，若旁路电压正常且直流电池电压Udc低于设定的电池最高电压，则应急电源工作在并网充电模式下，此时应急电源装置不需配置另外充电设备，而是采用逆变变流器作为硬件平台，同步并入旁路电网，以电流源特性工作，把旁路电网电能存入直流电池，以对直流电池充电，若直流电池电压Udc达到预设的电池最高电压，则停止并网充电模式，应急电源处于待机状态。
当应急电源旁路正常且并网充电模式时，应急电源输出切换接触器Km1、旁路电源输出切换接触器Km2、输出交流开关Q1均吸合，应急电源并到旁路电网上，同时旁路给负荷供电。应急电源采用P/Q模式控制(恒功率控制)，采集旁路电压、应急电源三相输出电流和直流电池电压，设定直流电池电压的最终目标电压值，采用爬坡函数模型缓慢增加直流电池电压直至达到最终目标电压值，首先采用恒流充电模式，待直流电池电压值接近最终目标电压值，再采用恒压模式充电，最后采用恒压浮充模式。在整个P/Q模式控制中，在恒压充电模式下分为直流电压外环及交流电流内环双环控制，在dq坐标系下，外环采用PI控制得到目标q轴有功电流值、d轴上的无功电流值，无功电流值为0，并进行dq坐标系下旁路电压的前馈控制得到桥臂电压，再经SVPWM控制对电池进行充电，其中，在恒流模式下设置直流电池电压值时采用外环控制。
应急电源离网放电V/F模式：信号采集单元采集旁路电压Ua、Ub、Uc，控制单元判断旁路电压是否正常，当旁路异常，或者应急电源接收到手动应急信号时，应急电源工作在离网放电模式，此时应急电源以电压特性运行，采用V/F模式工作在逆变工作状态，将直流电池组内储存的能量逆变成交流电给重要负荷供电。
应急电源工作在离网放电V/F模式：应急电源断开旁路电源输出切换接触器Km2，防止孤岛效应，应急电源以固定频率，固定电压进行逆变，给负荷供电。信号采集单元采集应急电源三相输出电压、应急电源三相输出电流，其中，采用电压、电流双闭环控制，电流环为内环，电压环为外环，设置目标输出电压进行控制，通过双闭环控制得到逆变桥臂目标电压，同时采集直流母线电压进行SVPWM控制得到输出电压。
一种双向充放电一体应急电源装置的控制方法，包括以下步骤：
S1、假设旁路电压初始角频率为ω0＝100π，对应频率为50Hz，实时角频率为ω，旁路A相电压相位为θ，采样周期为Δt，则实时相位为θ＝θ+ωΔt，并对旁路三相电压Ua、Ub、Uc分别进行CLARK及PARK变换得到：
alpha-beta坐标系中值
Figure GDA0002804217040000131
dq坐标系中值
Figure GDA0002804217040000132
其中，考虑到旁路电压中谐波电压信号及负序电压信号存在，会影响到锁相结果，采取改进型双二阶广义积分软件锁相可避免谐波电压、负序电压的影响，如图5和6所示，锁相得到旁路电压A相相位θ的方法，具体步骤如下:
V1、输入信号v经正交信号发生器后可得到正交信号v′、qv′，其传递函数为：
Figure GDA0002804217040000133
其中，k为一系数，为谐振频率。
正交信号发生器可实现对给定信号中相应频率为
Figure GDA0002804217040000134
的正弦信号实现无静差跟踪，可将旁路电压中的谐波、负序分量信号滤除。
V2、将旁路电压信号静止同步alpha-beta坐标系统中的值Uα、Uβ分别输入正交信号发生器中，分别得到两对正交信号U'α、qU'α及U'β、qU'β，定义
Figure GDA0002804217040000141
其中，
Figure GDA0002804217040000142
分别为Uα、Uβ中滤除谐波、负序分量后的正序分量；
V3、将
Figure GDA0002804217040000143
进行PARK变换得到
Figure GDA0002804217040000144
其中，d轴分量
Figure GDA0002804217040000145
为有功分量、q轴分量
Figure GDA0002804217040000146
为无功分量，若坐标转换矩阵Cdq中的所用的相位与实际旁路电压A相相位相同，则
Figure GDA0002804217040000147
为0；
V4、对
Figure GDA0002804217040000148
进行PI控制得到Δω，则实时角频率ω＝ω0+Δω，实时A相相位θ＝θ+ωΔt，其中，Δt为采用时间，采用改进型双二阶广义积分(DSOGI)锁相目的是避免旁路电压谐波、负序分量对锁相精度的影响。
S2、判断旁路电压是否正常：根据锁相得到的旁路电压A相相位θ，经PARK变换得到的dq坐标系下值
Figure GDA0002804217040000149
按下式计算
Figure GDA00028042170400001410
计算出的Urms_dq为旁路相电压峰值，即使锁相得到的相位θ与实际相位有偏差，最终的结果仅仅是Ud、Uq值含正弦分量，但Urms_dq物理含义不变，为旁路相电压峰值，根据Urms_dq的值瞬时判断旁路电压是否异常，为可靠判断，连续采样5个周期判断Urms_dq，若判断连续5次Urms_dq均在预设的旁路电压正常范围内，则最终结果为旁路电压正常，否则为异常，这样可准确判别旁路电压是否异常，并保证在1ms完成判断，对于应急、旁路快速切换有重要意义，可应用在静态转置开关STS。
S3、对应急电源三相输出电流采样得到旁路三相电流Ia、Ib、Ic，对采样得到的旁路三相电流进行CLARK及PARK变换：
alpha-beta坐标系中值
Figure GDA0002804217040000151
dq坐标系中值
Figure GDA0002804217040000152
S4、根据S2步骤判断旁路是否正常，若旁路正常，同时，判断直流电池电压Vdc是否低于电池上限电压，若低于电池上限电压，则应急电源装置工作在并网充电模式下，参照图7进行恒压控制，在dq坐标系中进行双闭环控制，直流电池电压Udc与目标电压
Figure GDA0002804217040000153
的差经PI控制得到dq坐标系下有功分量目标值
Figure GDA0002804217040000154
此为电压外环控制，无功分量目标值
Figure GDA0002804217040000155
将
Figure GDA0002804217040000156
与应急电源输出电流
Figure GDA0002804217040000157
Figure GDA0002804217040000158
进行电流内环PI控制，同时对旁路电压dq分量
Figure GDA0002804217040000159
进行前馈控制，得到桥臂目标电压
Figure GDA00028042170400001510
对dq坐标下桥臂目标电压
Figure GDA00028042170400001511
进行逆PARK变换得到
Figure GDA00028042170400001512
再进行SVPWM控制完成整个并网充电模式控制；
S5、在并网充电模式下，若直流电池电压与电池目标电压值之差大于给定阈值，则采用恒流充电模式，参照图8，将直流电流控制作为外环控制，Idc为实测直流电流，
Figure GDA00028042170400001513
为目标直流电流，Idc与
Figure GDA00028042170400001514
差经PI控制得到dq坐标系下有功分量目标值
Figure GDA00028042170400001515
此为外环控制，无功分量目标值
Figure GDA00028042170400001516
将
Figure GDA00028042170400001517
与应急电源输出电流
Figure GDA00028042170400001518
进行电流内环PI控制，同时对旁路电压dq分量
Figure GDA00028042170400001519
进行前馈控制，得到桥臂目标电压
Figure GDA00028042170400001520
对dq坐标下桥臂目标电压
Figure GDA00028042170400001521
进行逆PARK变换得到
Figure GDA00028042170400001522
再进行SVPWM控制完成整个并网充电模式控制。
S6、在并网充电模式下，若直流电池电压达到目标电压值，则应急电源装置工作浮充状态下，此时应急电源连接在电池上，目标直流电流
Figure GDA0002804217040000161
将
Figure GDA0002804217040000162
Figure GDA0002804217040000163
与应急电源输出电流
Figure GDA0002804217040000164
进行电流内环PI控制，同时对旁路电压dq分量
Figure GDA0002804217040000165
进行前馈控制，得到桥臂目标电压
Figure GDA0002804217040000166
对dq坐标下桥臂目标电压
Figure GDA0002804217040000167
进行逆PARK变换得到
Figure GDA0002804217040000168
再进行SVPWM控制完成整个并网充电模式控制；
S7、根据Urms_dq判断旁路是否正常，若旁路异常，或旁路电压正常但应急电源装置收到手动信号、强制信号启动信号，则应急电源装置工作在离网放电模式，由于在DSOGI锁相环中采用了角频率的积分，其积分结果为参考电压相位，以参考电压相位构造参考输出电压信号，并进行逆变，其控制过程参照图9，参考电压d轴分量
Figure GDA0002804217040000169
为目标输出电压的相电压峰值，q轴分量
Figure GDA00028042170400001610
应急电源装置输出电压经CLARK、PARK变换得到Ud、Uq，Ud、Uq分别进行PI控制得到dq坐标下桥臂目标电压
Figure GDA00028042170400001611
将桥臂目标电压
Figure GDA00028042170400001612
进行逆PARK变换得到
Figure GDA00028042170400001613
再进行SVPWM控制完成整个离网放电模式控制。
其中，步骤S7中PARK、逆PARK变换所用到的参考电压相位角均为DSOG I锁相环输出角度。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种双向充放电一体应急电源装置，其特征在于：包括直流输入电路、功率变流单元、升压隔离单元、交流输出滤波单元、控制单元、信号采集单元；
所述直流输入电路包括直流电池组、直流侧开关Qc、直流熔断器FU1及FU2、直流接触器Kc2、直流预充电电路和直流母线储能电容C，直流预充电电路由直流接触器Kc1、电阻R组成；
所述功率变流单元包括三相全桥型变流器S；
所述升压隔离单元包括滤波电抗器T；
所述交流输出滤波单元包括电容C1、应急电源输出切换接触器Km1、旁路电源输出切换接触器Km2和输出交流开关Q1；
所述信号采集单元分别与直流输入电路、功率变流单元、交流输出滤波单元和控制单元连接；
所述直流电池组阳极通过直流侧开关Qc与直流熔断器FU1一端连接，直流熔断器FU1另一端通过直流接触器Kc2与三相全桥型变流器S连接，直流接触器Kc1与电阻R串联后与直流接触器Kc2并联，直流电池组阴极通过直流熔断器FU2与三相全桥型变流器S连接，滤波电抗器T一端与三相全桥型变流器S连接，另一端分别与电容C1和应急电源输出切换接触器Km1一端连接，应急电源输出切换接触器Km1另一端分别与旁路电源输出切换接触器Km2和输出交流开关Q1连接，旁路电源输出切换接触器Km2与旁路电源连接；
所述信号采集单元分别与直流熔断器FU1与直流接触器Kc2交点、直流接触器Kc2与三相全桥型变流器S交点、滤波电抗器T与应急电源输出切换接触器Km1交点以及旁路电源与旁路电源输出切换接触器Km2交点连接，所述信号采集单元分别用于采集直流电池电压、直流母线电压、直流母线电流、应急电源三相输出电压、应急电源三相输出电流和旁路电压，信号采集单元将采集的直流电池电压、直流母线电压、直流母线电流、应急电源三相输出电压、应急电源三相输出电流和旁路电压发送至控制单元，控制单元进行处理和控制后，输出PWM信号至功率变流单元，以对功率变流单元进行控制；
所述信号采集单元采集旁路电压Ua、Ub、Uc，直流电池电压信号Udc，将旁路电压Ua、Ub、Uc进行CLARK得到alpha-beta坐标系下的值Uα、Uβ，再经PARK变换，得到dq坐标系下的值Ud、Uq，求取
Figure FDA0002804217030000011
Urms_dq为旁路相电压峰值，通过Urms_dq判断旁路电压是否正常，若旁路电压正常，并同时判断直流电池电压Udc是否低于设定的电池最高电压，若旁路电压正常且直流电池电压Udc低于设定的电池最高电压，则应急电源工作在并网充电模式下，此时应急电源装置不需配置另外充电设备，而是采用逆变变流器作为硬件平台，同步并入旁路电网，以电流源特性工作，把旁路电网电能存入直流电池，以对直流电池充电，若直流电池电压Udc达到预设的电池最高电压，则停止并网充电模式，应急电源处于待机状态；
所述双向充放电一体应急电源装置的控制方法，包括以下步骤：
S1、假设旁路电压初始角频率为ω0＝100π，对应频率为50Hz，实时角频率为ω，旁路A相电压相位为θ，采样周期为Δt，则实时相位为θ＝θ+ωΔt，对旁路三相电压Ua、Ub、Uc分别进行CLARK及PARK变换得到：
alpha-beta坐标系中值
Figure FDA0002804217030000021
dq坐标系中值
Figure FDA0002804217030000022
S2、判断旁路电压是否正常：根据锁相得到的旁路电压A相相位θ，经PARK变换得到的dq坐标系下值
Figure FDA0002804217030000023
根据公式
Figure FDA0002804217030000024
计算出旁路相电压峰值Urms_dq，根据Urms_dq的值瞬时判断旁路电压是否异常，若连续判断5次Urms_dq均在预设的旁路电压正常范围内，则最终结果为旁路电压正常，否则为旁路电压异常；
S3、对应急电源三相输出电流采样得到旁路三相电流Ia、Ib、Ic，对采样得到的旁路三相电流进行CLARK及PARK变换：
alpha-beta坐标系中值
Figure FDA0002804217030000025
dq坐标系中值
Figure FDA0002804217030000026
S4、根据S2步骤判断旁路是否正常，若旁路正常，同时，判断直流电池电压Vdc是否低于电池上限电压，若低于电池上限电压，则应急电源装置工作在并网充电模式下，在dq坐标系中进行双闭环控制，直流电池电压Udc与目标电压
Figure FDA0002804217030000031
的差经PI控制得到dq坐标系下有功分量目标值
Figure FDA0002804217030000032
采用电压外环控制，无功分量目标值
Figure FDA0002804217030000033
将
Figure FDA0002804217030000034
与应急电源输出电流
Figure FDA0002804217030000035
进行电流内环PI控制,同时对旁路电压dq分量
Figure FDA0002804217030000036
进行前馈控制，得到桥臂目标电压
Figure FDA0002804217030000037
对dq坐标下桥臂目标电压
Figure FDA0002804217030000038
进行逆PARK变换得到
Figure FDA0002804217030000039
再进行SVPWM控制完成整个并网充电模式控制；
S5、在并网充电模式下，若直流电池电压与电池目标电压值之差大于给定阈值，则采用恒流充电模式，将直流电流控制作为外环控制，Idc为实测直流电流，
Figure FDA00028042170300000310
为目标直流电流，Idc与
Figure FDA00028042170300000311
差经PI控制得到dq坐标系下有功分量目标值
Figure FDA00028042170300000312
采用电流外环控制，无功分量目标值
Figure FDA00028042170300000313
将
Figure FDA00028042170300000314
与应急电源输出电流
Figure FDA00028042170300000315
进行电流内环PI控制,同时对旁路电压dq分量
Figure FDA00028042170300000316
进行前馈控制，得到桥臂目标电压
Figure FDA00028042170300000317
对dq坐标下桥臂目标电压
Figure FDA00028042170300000318
进行逆PARK变换得到
Figure FDA00028042170300000319
再进行SVPWM控制完成整个并网充电模式控制；
S6、在并网充电模式下，若直流电池电压达到目标电压值，则应急电源装置工作浮充状态下，此时应急电源连接在电池上，目标直流电流
Figure FDA00028042170300000320
将
Figure FDA00028042170300000321
与应急电源输出电流
Figure FDA00028042170300000322
Figure FDA00028042170300000323
进行电流内环PI控制,同时对旁路电压dq分量
Figure FDA00028042170300000324
进行前馈控制，得到桥臂目标电压
Figure FDA00028042170300000325
对dq坐标下桥臂目标电压
Figure FDA00028042170300000326
进行逆PARK变换得到
Figure FDA00028042170300000327
再进行SVPWM控制完成整个并网充电模式控制；
S7、根据Urms_dq判断旁路是否正常，若旁路异常，或旁路电压正常但应急电源装置收到手动信号、强制信号启动信号，则应急电源装置工作在离网放电模式，参考电压d轴分量
Figure FDA00028042170300000328
为目标输出电压的相电压峰值，q轴分量
Figure FDA00028042170300000329
应急电源装置输出电压经CLARK、PARK变换得到Ud、Uq，Ud、Uq分别进行PI控制得到dq坐标下桥臂目标电压
Figure FDA00028042170300000330
将桥臂目标电压
Figure FDA0002804217030000041
进行逆PARK变换得到
Figure FDA0002804217030000042
再进行SVPWM控制完成整个离网放电模式控制。
2.根据权利要求1所述的一种双向充放电一体应急电源装置，其特征在于：所述应急电源装置包括直流合闸软启动模式、应急电源并网充电P/Q模式和应急电源离网放电V/F模式。
3.根据权利要求2所述的一种双向充放电一体应急电源装置，其特征在于：所述应急电源装置在进行直流合闸软启动时，闭合直流侧开关Qc，信号采集单元检测直流电池电压Udc及直流母线电压Vdc，比较直流电池电压Udc及直流母线电压Vdc，当Udc-Vdc>δUdc时，断开直流接触器Kc2，闭合直流接触器Kc1，通过直流输入预充电电阻R给直流母线储能电容C充电，直流母线电压Udc增加，当Udc-Vdc≤δUdc时，闭合直流接触器Kc2，断开直流接触器Kc1，以完成直流合闸软启动，其中，δUdc为设定的阈值。
4.根据权利要求2所述的一种双向充放电一体应急电源装置，其特征在于：当应急电源旁路正常且并网充电模式时，应急电源输出切换接触器Km1、旁路电源输出切换接触器Km2、输出交流开关Q1均吸合，应急电源并到旁路电网上，同时旁路给负荷供电，应急电源采用P/Q模式控制，采集旁路电压、应急电源三相输出电流和直流电池电压，设定直流电池电压的最终目标电压值，采用爬坡函数模型增加直流电池电压直至达到最终目标电压值，首先采用恒流充电模式，待直流电池电压值接近最终目标电压值，再采用恒压模式充电，最后采用恒压浮充模式。
5.一种双向充放电一体应急电源装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、假设旁路电压初始角频率为ω0＝100π，对应频率为50Hz，实时角频率为ω，旁路A相电压相位为θ，采样周期为Δt，则实时相位为θ＝θ+ωΔt，对旁路三相电压Ua、Ub、Uc分别进行CLARK及PARK变换得到：
alpha-beta坐标系中值
Figure FDA0002804217030000043
dq坐标系中值
Figure FDA0002804217030000044
S2、判断旁路电压是否正常：根据锁相得到的旁路电压A相相位θ，经PARK变换得到的dq坐标系下值
Figure FDA0002804217030000045
根据公式
Figure FDA0002804217030000046
计算出旁路相电压峰值Urms_dq，根据Urms_dq的值瞬时判断旁路电压是否异常，若连续判断5次Urms_dq均在预设的旁路电压正常范围内，则最终结果为旁路电压正常，否则为旁路电压异常；
S3、对应急电源三相输出电流采样得到旁路三相电流Ia、Ib、Ic，对采样得到的旁路三相电流进行CLARK及PARK变换：
alpha-beta坐标系中值
Figure FDA0002804217030000051
dq坐标系中值
Figure FDA0002804217030000052
S4、根据S2步骤判断旁路是否正常，若旁路正常，同时，判断直流电池电压Vdc是否低于电池上限电压，若低于电池上限电压，则应急电源装置工作在并网充电模式下，在dq坐标系中进行双闭环控制，直流电池电压Udc与目标电压
Figure FDA0002804217030000053
的差经PI控制得到dq坐标系下有功分量目标值
Figure FDA0002804217030000054
采用电压外环控制，无功分量目标值
Figure FDA0002804217030000055
将
Figure FDA0002804217030000056
与应急电源输出电流
Figure FDA0002804217030000057
进行电流内环PI控制,同时对旁路电压dq分量
Figure FDA0002804217030000058
进行前馈控制，得到桥臂目标电压
Figure FDA0002804217030000059
对dq坐标下桥臂目标电压
Figure FDA00028042170300000510
进行逆PARK变换得到
Figure FDA00028042170300000511
再进行SVPWM控制完成整个并网充电模式控制；
S5、在并网充电模式下，若直流电池电压与电池目标电压值之差大于给定阈值，则采用恒流充电模式，将直流电流控制作为外环控制，Idc为实测直流电流，
Figure FDA00028042170300000512
为目标直流电流，Idc与
Figure FDA00028042170300000513
差经PI控制得到dq坐标系下有功分量目标值
Figure FDA00028042170300000514
采用电流外环控制，无功分量目标值
Figure FDA00028042170300000515
将
Figure FDA00028042170300000516
与应急电源输出电流
Figure FDA00028042170300000517
进行电流内环PI控制,同时对旁路电压dq分量
Figure FDA00028042170300000518
进行前馈控制，得到桥臂目标电压
Figure FDA00028042170300000519
对dq坐标下桥臂目标电压
Figure FDA00028042170300000520
进行逆PARK变换得到
Figure FDA00028042170300000521
再进行SVPWM控制完成整个并网充电模式控制；
S6、在并网充电模式下，若直流电池电压达到目标电压值，则应急电源装置工作浮充状态下，此时应急电源连接在电池上，目标直流电流
Figure FDA00028042170300000522
将
Figure FDA00028042170300000523
与应急电源输出电流
Figure FDA00028042170300000524
Figure FDA0002804217030000061
进行电流内环PI控制,同时对旁路电压dq分量
Figure FDA0002804217030000062
进行前馈控制，得到桥臂目标电压
Figure FDA0002804217030000063
对dq坐标下桥臂目标电压
Figure FDA0002804217030000064
进行逆PARK变换得到
Figure FDA0002804217030000065
再进行SVPWM控制完成整个并网充电模式控制；
S7、根据Urms_dq判断旁路是否正常，若旁路异常，或旁路电压正常但应急电源装置收到手动信号、强制信号启动信号，则应急电源装置工作在离网放电模式，参考电压d轴分量
Figure FDA0002804217030000066
为目标输出电压的相电压峰值，q轴分量
Figure FDA0002804217030000067
应急电源装置输出电压经CLARK、PARK变换得到Ud、Uq，Ud、Uq分别进行PI控制得到dq坐标下桥臂目标电压
Figure FDA0002804217030000068
将桥臂目标电压
Figure FDA0002804217030000069
进行逆PARK变换得到
Figure FDA00028042170300000610
再进行SVPWM控制完成整个离网放电模式控制。
6.根据权利要求5所述的一种双向充放电一体应急电源装置的控制方法，其特征在于：根据步骤S1中获得旁路电压A相相位θ的方法，具体步骤如下:
V1、输入信号v经正交信号发生器后得到正交信号v′、qv′，其传递函数为：
Figure FDA00028042170300000611
其中，k为一系数，
Figure FDA00028042170300000612
为谐振频率；
正交信号发生器对频率为
Figure FDA00028042170300000613
的正弦信号实现无静差跟踪，可将旁路电压中的谐波、负序分量信号滤除；
V2、将旁路电压信号静止同步alpha-beta坐标系统中的Uα、Uβ值分别输入正交信号发生器中，分别得到两对正交信号U'α、qU'α及U'β、qU'β，定义
Figure FDA00028042170300000614
其中，
Figure FDA0002804217030000071
分别为Uα、Uβ中滤除谐波、负序分量后的正序分量；
V3、将
Figure FDA0002804217030000072
进行PARK变换得到
Figure FDA0002804217030000073
其中，d轴分量
Figure FDA0002804217030000074
为有功分量、q轴分量
Figure FDA0002804217030000075
为无功分量，若坐标转换矩阵Cdq中的所用的相位与实际旁路电压A相相位相同，则
Figure FDA0002804217030000076
为0；
V4、对
Figure FDA0002804217030000077
进行PI控制得到Δω，则实时角频率ω＝ω0+Δω，实时A相相位θ＝θ+ωΔt，其中，Δt为采用时间。
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