CN112909974A - 一种复合储能与无功补偿一体化系统 - Google Patents

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周洪青
张晶
李建飞
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陈迪雨
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Abstract

本发明公开了一种复合储能与无功补偿一体化系统，包括控制系统、逆变器主电路、IGBT驱动电路、信号调理电路、电压电流测量电路以及控制部分电源电路；逆变器主电路包括IGBT逆变桥和滤波电感；电压电流测量电路采集逆变器的输出电压与电流以及滤波电感上的电流，并将采集的数据传输给控制系统；控制系统经IGBT驱动电路控制逆变器；信号调理电路包括依次连接的一阶有源滤波器、加法电路、一阶滤波器、以及保护电路。本发明充分发挥不同类型储能的优势，满足高功率密度分布式光伏接入配电网的多重需求，有助于调控不同储能介质运行于各自的优化工作区间，延长储能系统的寿命。

Description

一种复合储能与无功补偿一体化系统
技术领域
本发明属于电力工程技术领域，具体涉及复合储能与无功补偿一体化系统。
背景技术
随着分布式光伏发电系统在配电网中迅猛发展，使以往传统的配电网转变为主动配电网，使其具有了更多的需求响应、负荷协调控制等灵活特性，同时也对配电网的稳定运行控制带来了一些问题，尤其是高功率密度分布式光伏接入配网台区所出现的问题主要有：
(1)分布式电源接入配电网后，配电网由单电源转变为存在中小型电源的分布式有源配电网络，其稳定运行控制面临更高的要求，尤其是具有间歇性、随机性的高功率密度分布式光伏接入配电网，配电网的功率波动将更加具有随机性，平抑难度大大增加，甚至难以满足用户的供电需求。
(2)分布式光伏电源规模化接入配网台区，对配电网的电能质量带来巨大的影响，且配网台区所配备的无功补偿、三相不平衡治理等装置较为缺乏，将难以解决高功率密度分布式光伏电源接入配电网后发生的电压骤降、三相不平衡等电能质量问题。
(3)配网台区变压器容量有限，抗击大负荷冲击的干扰能力和瞬时大功率波动能力较弱，尤其在高功率密度分布式光伏接入条件下，难以满足配电网功率瞬时大波动所带来的影响。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种复合储能与无功补偿一体化系统，解决光伏发电间歇性、间断性的缺点对配电网的影响，提高配电网系统的稳定性。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种复合储能与无功补偿一体化系统，包括控制系统、逆变器主电路、IGBT驱动电路、信号调理电路、电压电流测量电路以及控制部分电源电路；
所述逆变器主电路包括IGBT逆变桥和滤波电感；
所述电压电流测量电路采集逆变器的输出电压与电流以及滤波电感上的电流，并将采集的数据经信号调理电路处理后传输给控制系统；
所述控制系统经IGBT驱动电路控制逆变器；
所述信号调理电路连接电压电流测量电路和控制系统，包括依次连接的一阶有源滤波器、加法电路、一阶滤波器、以及保护电路；
所述控制部分电源电路为控制系统、IGBT驱动电路、信号调理电路供电。
优选的，所述加法电路的输入为U1，输出为U0，其输入端设有电阻R6并通过电阻R9接基准电压，所述加法电路满足：
Figure BDA0002928973300000021
优选的，所述保护电路包括硬件保护电路和软件保护电路，所述硬件保护电路包括对应每相设置的窗口比较器，当任意一相电流幅值超过所设定的限值时，对应相窗口比较器输出的限流信号为高电平，该高电平将会使IGBT驱动电路使能信号变为0，从而关闭IGBT驱动电路的输出，使逆变器停止工作；
当控制系统判断需要使逆变器停止工作时，控制系统中软件保护电路通过输出控制信号关闭IGBT驱动电路的使能端，使逆变器停止工作。
优选的，所述电压电流测量电路包括用于测量电压的电压互感器和用于测量电流的电流互感器。
本发明的复合储能与无功补偿一体化系统充分发挥不同类型储能的优势，满足高功率密度分布式光伏接入配电网的多重需求，有助于调控不同储能介质运行于各自的优化工作区间，延长储能系统的寿命，并实现蓄电池平抑功率波动、无功补偿控制、以及三相不平衡治理等一体化功能，大幅提升配电网的能量管理能力与供电质量。
本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
图1为发明一种复合储能与无功补偿一体化系统的电路原理图；
图2为本发明中信号调理电路的电路图；
图3为本发明中电压电流测量电路中的电流转电压电路图；
图4为本发明中硬件保护电路的电路图；
图5为本发明中软件保护电路的电路图；
图6为本发明中控制部分电源电路的电路图。
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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示的一种复合储能与无功补偿一体化系统，包括控制系统、逆变器主电路、IGBT驱动电路、信号调理电路、电压电流测量电路以及控制部分电源电路。其中：所述逆变器主电路包括IGBT逆变桥和滤波电感；所述电压电流测量电路采集逆变器的输出电压与电流以及滤波电感上的电流，并将采集的数据传输给控制系统；所述控制系统经IGBT驱动电路控制逆变器；所述信号调理电路包括依次连接的一阶有源滤波器、加法电路、一阶滤波器、以及保护电路；所述控制部分电源电路为控制系统、IGBT驱动电路、信号调理电路供电。
具体的，控制系统采用F28M35H52C1，具有独立通信和实时控制子系统的多内核片载系统微控制器(MCU)。其中通信子系统基于业界标准的32位
Figure BDA0002928973300000043
CortexTM-M3CPU，实时控制子系统基于TI的业界领先的私有32位C28xTM浮点CPU。Concerto通过将ARMCortex-M3TM内核与C2000的C28x内核结合到一个设备之上，体现了连接和控制一体化。通过Concerto，太阳能逆变器和工业控制等应用能保留以下优势，即在维护单芯片解决方案的同时将通信和控制部分分隔开来。此次选取了F28M35H52C1芯片作为控制器。
在本实施例中，逆变器选取了三相全桥拓扑结构与LC滤波器，开关器件选取的是FF50R12RT4的IGBT模块，IGBT驱动则选取了落木源电子的TX-DA962D系列的驱动板，可以驱动300A/1700V以下的IGBT。
如图2所示的信号调理电路，DSP的测量输入范围在0～3.3V之间，因此由传感器测回的电气信号需要经过调理电路处理后才可以输入到DSP中。此外，开关器件工作于高频状态，因此电压电流信号中必然存在高次谐波，信号调理电路还需要完成滤除高次谐波的任务。
采用的运算放大器为LF347，由传感器测得的电压电流信号经过一阶有源低通滤波器后进入加法电路，然后再送至DSP中处理。
加法电路满足：
Figure BDA0002928973300000041
当R6＝R9时，可得：
Figure BDA0002928973300000042
因此，经过加法电路调理后，输入信号幅值减半，同时被抬升了1.65V。
同时，信号调理电路中加入了3.3V的稳压二极管，当电压高于3.3V时二极管将被击穿，从而电位将被嵌位，达到了保护DSP中AD模块的目的。
电压电流测量电路需要采集的电气量包括逆变器的输出电压与电流及滤波电感上的电流，因此需要3个电压互感器与6个电流互感器。具体采用星格的SPT204A电压互感器和SCT220B电流互感器，由于都是电流型的，其输出信号是电流形式，因此需要通过电流转电压电路将电流信号转换为电压信号，方便DSP测量。图3给出了电流转电压的电路图。
输出电压与输入电流之间的关系为：
Output_U＝-Input_I×R_Sample。
保护电路，在硬件与软件上均设置了保护措施，即对应设置硬件保护电路和软件保护电路，如图4和图5所示，图4硬件保护电路是针对故障时电流增大而设计的电流过限判断电路，主要是应用工作于饱和区的运算放大器构成的逻辑判断电路，图5软件保护电路则是IGBT驱动电路使能信号的产生电路，使能信号可以由软件或者硬件电路关闭。
图4以B相为例来说明硬件保护电路的工作原理。当B相电流幅值超过所设定的限值时，B相限流信号将会输出高电平，该高电平将会使IGBT驱动电路使能信号变为0，从而关闭IGBT驱动电路的输出，使逆变器停止工作，达到保护的目的。
图5中IGBT驱动信号的使能也可以由软件控制，一旦控制器判断系统出现故障或因其他原因需要使逆变器停止工作时，DSP通过输出控制信号即可以关闭使能端，使逆变器停止工作。软件与硬件双重保护增加了系统的可靠性与安全性。
如图6所示，控制部分电源电路，为DSP、IGBT驱动电路、信号调理电路及保护电路供电，其中DSP采用的是其自带的电源，为了满足IGBT驱动电路供电可靠性以及大功率的需求，其采用了24V/2A的开关电源供电。信号调理电路与保护电路的供电要求较低且需要的功率较小，因此采用三端稳压芯片产生直流供电电源。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (4)

1.一种复合储能与无功补偿一体化系统，其特征在于：包括控制系统、逆变器主电路、IGBT驱动电路、信号调理电路、电压电流测量电路以及控制部分电源电路；
所述逆变器主电路包括IGBT逆变桥和滤波电感；
所述电压电流测量电路采集逆变器的输出电压与电流以及滤波电感上的电流，并将采集的数据经信号调理电路处理后传输给控制系统；
所述控制系统经IGBT驱动电路控制逆变器；
所述信号调理电路连接电压电流测量电路和控制系统，包括依次连接的一阶有源滤波器、加法电路、一阶滤波器、以及保护电路；
所述控制部分电源电路为控制系统、IGBT驱动电路、信号调理电路供电。
2.根据权利要求1所述的一种复合储能与无功补偿一体化系统，其特征在于：所述加法电路的输入为U1，输出为U0，其输入端设有电阻R6并通过电阻R9接基准电压，所述加法电路满足：
Figure FDA0002928973290000011
3.根据权利要求1所述的一种复合储能与无功补偿一体化系统，其特征在于：所述保护电路包括硬件保护电路和软件保护电路，所述硬件保护电路包括对应每相设置的窗口比较器，当任意一相电流幅值超过所设定的限值时，对应相窗口比较器输出的限流信号为高电平，该高电平将会使IGBT驱动电路使能信号变为0，从而关闭IGBT驱动电路的输出，使逆变器停止工作；
当控制系统判断需要使逆变器停止工作时，控制系统中软件保护电路通过输出控制信号关闭IGBT驱动电路的使能端，使逆变器停止工作。
4.根据权利要求1所述的一种复合储能与无功补偿一体化系统，其特征在于：所述电压电流测量电路包括用于测量电压的电压互感器和用于测量电流的电流互感器。
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马骏杰: "交流电压采用及调理电路设计", 《现代交流电机的控制原理及DSP实现》 *
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