CN203761297U - 多路直流输入双向储能变流器 - Google Patents

Abstract

一种多路直流输入双向储能变流器，包括蓄电池、DC/DC双向升降压电路、三相全桥电路、三相隔离变压器和滤除高次谐波的并网滤波电路，蓄电池经直流断路器和第一直流接触器接至DC/DC双向升降压电路的直流端，第一直流接触器上并联软启动电路，DC/DC双向升降压电路并联接至三相全桥电路的直流端，三相全桥电路的交流端经并网滤波电路接至三相隔离变压器的初级，三相隔离变压器的次级依次经第一交流接触器、第一交流断路器、第二交流接触器与第二交流断路器连至三相电网。该变流器可以实现多路蓄电池的输入，并且具备独立供电与并网功能，并网时根据需要用于电池和电网间能量的可控转换，实现对用电负荷的削峰填谷，降低能耗，挖掘用电潜力。

Description

多路直流输入双向储能变流器

技术领域

本实用新型涉及一种变流器，尤其是一种多路直流输入双向储能变流器，属于输变电技术领域。

背景技术

分布式发电系统中，随着太阳辐射量（或者风力）的不断变化，光伏（或风力）发电系统输出的电能也在不断变化，导致发电具有随机性、间歇性特征，由此决定了其规模化发展必然会对电网调峰和系统安全运行带来显著影响，必须有先进的储能技术作支撑。

申请号为200610039109、201010134390、201220053412的中国专利分别公开了《具备离网/并网、充电控制及功率调节功能的光伏变流装置》、《并网型发电系统》、《一种储能变流器》。这些变流器或者只适用于并网运行，不能用于离网运行；或者不能实现并网模式和离网模式的自动转换。

申请号为201120472058.8 的中国专利公开了一种分布式电源系统蓄电池储能变流器，包括蓄电池、直流断路器、软启动电路、第一直流接触器、母线电容、三相全桥电路、控制器、并网滤波电路、三相隔离变压器、第一交流接触器、第一交流断路器、第二交流接触器和第二交流断路器；该变流器虽然具备独立供电和并网功能，但无法适于多路直流电源使用，存在明显的局限性。

申请号为201010596017.X 的中国专利申请公开了《100KVA微网储能双向变流器》，包括控制器、三相桥式逆变器、适配器和隔离变压器；该变流器虽然即可并网也可离网，但实际应用时，由于其直流电路的单一性，决定了不能同时用于多种种类的储能电池；此外，其防孤岛保护主要为主动式，被动式孤岛保护未做说明。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提出一种即可并网又可离网工作，并且适于多路不同种类直流电源的多路直流输入双向储能变流器。

为了达到以上目的，本实用新型的基本技术方案为：一种多路直流输入双向储能变流器，包括蓄电池、DC/DC双向升降压电路、三相全桥电路、三相隔离变压器和滤除高次谐波的并网滤波电路，蓄电池经直流断路器和第一直流接触器接至DC/DC双向升降压电路的直流端，第一直流接触器上并联由第二直流接触器、电力二极管和软启动电阻串联组成的软启动电路，DC/DC双向升降压电路并联接至三相全桥电路的直流端，三相全桥电路的交流端经并网滤波电路接至三相隔离变压器的初级，三相隔离变压器的次级依次经第一交流接触器、第一交流断路器、第二交流接触器与第二交流断路器连至三相电网。

工作中，当变流器从电网吸收能量时，运行在整流状态，同时DC/DC双向升降压电路实现对蓄电池的降压充电；反之，若变流器向电网馈送能量，变流器工作于有源逆变状态，DC/DC双向升降压电路实现对蓄电池的升压发电。当检测到孤岛效应后，由控制器断开第二交流接触器以断开本地负荷与电网，使变流器工作在孤岛运行状态，为本地负荷提供稳定的电能，DC/DC双向升降压电路实现蓄电池对负载的升压发电。

本实用新型进一步的完善是， DC/DC双向升降压电路包括电感L、降压绝缘栅双极型晶体管VT1、降压续流二极管VD2、升压绝缘栅双极型晶体管VT2和升压续流二极管VD1，蓄电池的正极通过电感L接至降压绝缘栅双极型晶体管VT1的栅极和升压绝缘栅双极型晶体管VT2的漏极，蓄电池的负极与升压绝缘栅双极型晶体管VT2的栅极相连，升压绝缘栅双极型晶体管VT2反并联降压续流二极管VD2，降压绝缘栅双极型晶体管VT1反并联升降压续流二极管VD1，降压绝缘栅双极型晶体管VT1的漏极与升压绝缘栅双极型晶体管VT2的栅极接至电容C两端。

蓄电池放电时，通过控制升压绝缘栅双极型晶体管VT2的占空比以及升压续流二极管VD1来实现电路的升压；蓄电池充电时，通过控制降压绝缘栅双极型晶体管VT1的占空比以及降压续流二极管VD2来实现电路的降压。

本实用新型进一步的完善是，三相全桥电路包括6个绝缘栅双极型晶体管，其中每两个绝缘栅双极型晶体管串联后再相互并联，每个绝缘栅双极型晶体管反并联一个续流二极管。

通过控制器控制6个绝缘栅双极型晶体管的开关时间，由此控制交流端输出SVPWM波，在一个正弦周期中，每个桥壁上的两个开关管交替导通各180°，各桥臂开始导电的角度差为120°，任意时段有三个桥臂同时导通。

本实用新型进一步的完善是，三相全桥电路的交流端通过并网滤波电路接三相隔离变压器的初级，三相隔离变压器为D/Y型三相隔离变压器。

本实用新型进一步的完善是，第一交流断路器的输出端并联本地负载，第二交流断路器的输出端并联避雷器。

本实用新型进一步的完善是，软启动电路包括第二直流接触器、电力二极管和软启动电阻，第二直流接触器、电力二极管和软启动电阻串联后并联第一直流接触器。

采用本实用新型后，可以实现多路蓄电池的输入，由于各直流通路间互不影响，从而在增大系统容量的同时增加了所能接纳电池的种类；该实用新型具备独立供电和并网功能，并网时根据需要用于电池和电网间能量的可控转换，实现对用电负荷的削峰填谷，降低能耗，挖掘用电潜力；同时，该设备还能有效解决分布式电源系统存在的不稳定性和间歇性问题。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

图1为本实用新型一个实施例的电路原理图。

图2为图1实施例的DC/DC双向升降压电路原理图。

图3为图1实施例的三相全桥电路原理图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的多路直流输入双向储能变流器基本结构如图1所示，

一种多路直流输入双向储能变流器，包括蓄电池1、直流断路器2、软启动电路、第一直流接触器3、DC/DC双向升降压电路7、大容量母线电容8、三相全桥电路9、并网滤波电路10、D/Y型三相隔离变压器11、第一交流接触器12、第一交流断路器13、第二交流接触器14、第二交流断路器15、本地负荷16和避雷器17。

每路电池经直流断路器2和第一直流接触器3接至DC/DC双向升降压电路7的直流端，第一直流接触器3上并联由第二直流接触器4、电力二极管5和软启动电阻6串联组成的软启动电路， DC/DC双向升降压电路7的输出端接至大容量母线电容8，母线电容8并联三相全桥电路9的直流端，三相全桥电路9的三相输出经并网滤波电路10的低通滤波后与D/Y型三相隔离变压器11的初级相连，D/Y型三相隔离变压器11的次级依次经过第一交流接触器12和第一交流断路器13接本地负荷，然后经第二交流接触器14和第二交流断路器15连至电网18，和电网18连接处用避雷器17进行防雷保护。

本实用新型的DC/DC双向升降压电路7的基本结构如图2所示，DC/DC双向升降压电路7包括电感L、降压绝缘栅双极型晶体管VT1、降压续流二极管VD2、升压绝缘栅双极型晶体管VT2和升压续流二极管VD1，蓄电池1的正极通过电感L接至降压绝缘栅双极型晶体管VT1的栅极和升压绝缘栅双极型晶体管VT2的漏极，蓄电池1的负极与升压绝缘栅双极型晶体管VT2的栅极相连，升压绝缘栅双极型晶体管VT2反并联升压续流二极管VD2，降压绝缘栅双极型晶体管VT1反并联降压续流二极管VD1，降压绝缘栅双极型晶体管VT1的漏极与升压绝缘栅双极型晶体管VT2的栅极接至电容8两端。

蓄电池1放电时，通过控制升压绝缘栅双极型晶体管VT2的占空比以及升压续流二极管VD1来实现电路的升压；电池充电时，通过控制降压绝缘栅双极型晶体管VT1的占空比以及降压续流二极管VD2来实现电路的降压。

本实用新型的三相全桥电路结构如图3所示，三相全桥电路包括6个绝缘栅双极型晶体管VT3、VT4、VT5、VT6、VT7、VT8，第一绝缘栅双极型晶体管VT3串联第二绝缘栅双极型晶体管VT4后并联串联的第三绝缘栅双极型晶体管VT5与第四绝缘栅双极型晶体管VT6，再并联串联的第五绝缘栅双极型晶体管VT7与第六绝缘栅双极型晶体管VT8，每个绝缘栅双极型晶体管反并联一个续流二极管（升压绝缘栅双极型晶体管VT3反并联升压续流二极管VD3，升压绝缘栅双极型晶体管VT4反并联升压续流二极管VD4，升压绝缘栅双极型晶体管VT5反并联升压续流二极管VD5，升压绝缘栅双极型晶体管VT6反并联升压续流二极管VD6，升压绝缘栅双极型晶体管VT7反并联升压续流二极管VD7，升压绝缘栅双极型晶体管VT8反并联升压续流二极管VD8），电路的直流端为Vc，交流端分别为U、V、W三相。通过控制器控制6个绝缘栅双极型晶体管的开关时间，由此控制交流端输出SVPWM波，在一个正弦周期中，每个桥壁上的两个开关管交替导通各180°，各桥臂开始导电的角度差为120°，任意时段有三个桥臂同时导通。

本实用新型有并网和孤岛独立运行模式，其中并网运行模式时，三相逆变器通过对并网电流的控制实现能量双向流动，DC/DC双向升降压电路7实现对蓄电池1的充放电；当电网18出现故障时，本实用新型能及时检测，并与电网18断开，同时向本地负荷供电，当检测到电网18恢复时，能实现向并网模式切换。

通过DC/DC双向升降压电路7控制对蓄电池1充放电电流，升压工作模式时是对蓄电池1的放电，降压工作模式时，是对蓄电池1的充电，进而实现恒流、恒压、恒功率、快速充放、最长寿命充放等多种充放电管理模式。

并网电流的参考值是由对母线电容的控制形成的，将检测到的母线电容电压与给定电压进行比较，经调节后输出为并网参考电流。

三相全桥电路9输出的并网电流在正向同步旋转坐标系下由直流给定分量以及周期性扰动分量两部分组成。采用同步旋转坐标系下的PI控制能够实现对直流给定信号的无静差跟踪，但不能抵消周期性扰动分量的影响，并网电流中将含有谐波。根据同步旋转坐标系下并网电流的特点，电流控制采用了PI控制与重复控制的并联结构：PI控制器可实现对直流给定信号的无静差跟踪，能有效抑制并网电流的基波扰动。重复控制器作为周期性扰动信号的统一模型嵌入控制回路中，以抑制周期性扰动，实现周期性扰动的无静差调节。调节后采用SVPWM输出。

本实用新型采用被动式与主动式相结合的方法检测孤岛，一方面利用系统本身的过载、过频和欠频保护电路检测，另一方面使用正反馈频率扰动法检测。正反馈频率扰动法的主要思想是首先判断当前电网18电压频率的漂移方向，然后周期性的对输出电流频率施以相应的扰动，同时观测实际的输出电流频率。当三相全桥电路9输出的并网电流频率跟随扰动信号变化时，即输出电流频率可由并网逆变器控制时，就成倍增加扰动量，以达到使输出电流频率快速变化而触发反孤岛频率检测的目的。该方法的优点是多个并网逆变器进行反孤岛控制时，逆变器之间是相互支持的，当一个逆变器的扰动使网压频率上升，则其他并网逆变器会检测到相同的变化方向，控制的结果会使网压频率进一步上升。将被动检测和主动检测相结合，可以有效提高系统对孤岛效应的检测速度、检测准确度和反应速度。

当检测到孤岛效应后，由控制器断开第二交流接触器以断开本地负荷与电网18，同时设备进入孤岛独立运行状态以供当地负载使用。当电网18恢复供电，合第二交流接触器以将本地负载并入电网18，同时储能变流器进入并网充放电工作模式。

储能技术可以在很大程度上解决了新能源的电网不友好特性，实现新能源发电的平滑输出，使大规模风电及太阳能发电方便可靠地并入常规电网。用储能系统对电网进行调峰和调频，来保证发电、供电的稳定性，储能系统起平衡、调节、蓄电、削峰填谷的作用。并且储能技术还能够有效解决分布式电源系统存在的不稳定性和间歇性等问题； 分布式发电系统中，随着太阳辐射量（或者风力）的不断变化，光伏（或风力）发电系统输出的电能也在不断变化，导致发电随机性、间歇性特征，本实用新型可以做到当太阳能、风能或网侧电压富余时将其能量通过变流器存入储能电池中，而当网侧电压故障或是离网运行时，将储能电池储存的能量通过变流器转给用户使用，从而解决分布式电源系统存在的不稳定性和间歇性等问题；外电网18断电时，以电压源方式对本地负荷释放电力，保证本地负荷不因为电网18故障而停止工作；当外电网18恢复送电，自动转换到设定模式：当电网18恢复供电，合第二交流接触器以将本地负载并入电网18，同时储能变流器进入并网充放电工作模式。

本实用新型的有益效果在于：

1.本实用新型在直流断路器与DC/DC双向升降压之间设有直流接触器，因接触器具有动作速度快，可靠性好，是通过弱电控制强电的电控性断路器，所以可提高系统的安全可靠性；

2.本实用新型在能同时使用多种储能电池的情况下，可增大系统的容量，增加了系统的多样性和可适用性；

3.本实用新型还可以实现对并网电流在同步旋转坐标系下的直流给定分量和周期性扰动分量的无静差跟踪和调节，根据同步旋转坐标系下并网电流的特点，电流控制采用了PI控制与重复控制的并联结构：PI控制器可实现对直流给定信号的无静差跟踪，能有效抑制并网电流的基波扰动。重复控制器作为周期性扰动信号的统一模型嵌入控制回路中，以抑制周期性扰动，实现周期性扰动的无静差调节。调节后采用SVPWM输出。

4.本实用新型在检测孤岛时，采用了被动式与主动式相结合的方法，一方面利用系统本身的过载、过频和欠频保护电路检测，另一方面使用正反馈频率扰动法检测。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种多路直流输入双向储能变流器，包括蓄电池（1）、DC/DC双向升降压电路（7）、三相全桥电路（9）、三相隔离变压器（11）和滤除高次谐波的并网滤波电路（10），其特征在于：所述蓄电池（1）经直流断路器（2）和第一直流接触器（3）接至所述DC/DC双向升降压电路（7）的直流端，所述第一直流接触器（3）上并联软启动电路，所述DC/DC双向升降压电路（7）并联接至三相全桥电路（9）的直流端，三相全桥电路（9）的交流端经并网滤波电路（10）接至三相隔离变压器（11）的初级，三相隔离变压器（11）的次级依次经第一交流接触器（12）、第一交流断路器（13）、第二交流接触器（14）与第二交流断路器（15）连至三相电网（18）。

2.根据权利要求1所述的多路直流输入双向储能变流器，其特征在于：所述DC/DC双向升降压电路（7）包括电感（L）、降压绝缘栅双极型晶体管（VT1）、升压续流二极管（VD1）、升压绝缘栅双极型晶体管（VT2）和降压续流二极管（VD2），所述蓄电池（Vd）的正极通过所述电感（L）接至所述降压绝缘栅双极型晶体管（VT1）的栅极和所述升压绝缘栅双极型晶体管（VT2）的漏极，蓄电池的负极与升压绝缘栅双极型晶体管（VT2）的栅极相连，所述升压绝缘栅双极型晶体管（VT2）反并联所述降压续流二极管（VD2），所述降压绝缘栅双极型晶体管（VT1）反并联所述升压续流二极管（VD1），所述降压绝缘栅双极型晶体管（VT1）的漏极与所述升压绝缘栅双极型晶体管（VT2）的栅极接至电容（8）两端。

3.根据权利要求1所述的多路直流输入双向储能变流器，其特征在于：三相全桥电路（9）包括6个绝缘栅双极型晶体管（VT3、VT4、VT5、VT6、VT7、VT8），其中每两个所述绝缘栅双极型晶体管串联后再相互并联，每两个串联的所述绝缘栅双极型晶体管间设有三相输出端，每个所述绝缘栅双极型晶体管反并联一个续流二极管。

4.根据权利要求1所述的多路直流输入双向储能变流器，其特征在于：所述三相隔离变压器（11）为D/Y型三相隔离变压器。

5.根据权利要求1所述的多路直流输入双向储能变流器，其特征在于：所述第一交流断路器（13）的输出端并联本地负载（16），所述第二交流断路器（15）的输出端并联避雷器（17）。

6.根据权利要求1所述的多路直流输入双向储能变流器，其特征在于：所述软启动电路包括第二直流接触器（4）、电力二极管（5）和软启动电阻（6），所述第二直流接触器（4）、电力二极管（5）和软启动电阻（6）串联后并联所述第一直流接触器（3）。