專利名稱：100kva微網儲能雙向變流器的制作方法
技術領域：
本發明屬于輸變電技術領域，具體是一種100KVA微網儲能雙向變流器。
背景技術：
隨著風電、太陽能光伏等技術的推廣應用，急需一種與這種間歇式分布式能源 (小型風電、光伏)配合使用的雙向變流器。這種雙向變流器的技術要求是，與電網調度系 統相配合時 ，能實現對電網負荷的“削峰填谷”;與間歇式分布式能源(小型風電、光伏)配 合時，能平抑間歇式能源的波動性，使得間歇式能源的負荷特性趨于可控制的“電網友好型 負荷”。

發明內容
為了滿足現有技術中的上述要求，本發明提出一種適用于100KVA的微網儲能雙 向變流器，具體技術方案如下一種100KVA微網儲能雙向變流器，包括控制器、三相橋式逆變器、適配器和隔離 變壓器；隔離變壓器的高壓端連接交流母線，交流母線通過交流斷路器連接電網；低壓端 通過交流接觸器分別連接三相橋式逆變器的交流輸出端，以及適配器的交流輸入端；所述三相橋式逆變器的直流輸入端設有直流斷路器；所述適配器的直流輸出端設 有直流斷路器；所述控制器的采樣信號輸入端分別連接三相橋式逆變器的直流輸入端/交流輸 出端，以及適配器的直流輸出端/交流出入端；控制器控制三相橋式逆變器和適配器的輸出；控制器還控制三相橋式逆變器和適 配器連接的交流接觸器、直流斷路器、以及所述交流斷路器；所述控制器設有通信接口和人機設備接口 ；本變流器的控制方式包括本地控制和遠程控制；本地控制方式優先級高于遠程控 制方式，兩種控制方式的切換是通過人機設備接口連接的人機設備完成；選定控制方式后， 只能通過相應的控制方式來完成本雙向變流器的控制；本變流器的工作狀態包括并網儲能狀態、并網放電狀態、離網運行狀態、故障處 理狀態和待機狀態，其中，并網放電狀態由用戶設置功率因數；并網儲能狀態在控制器控制下，能量從電網側經適配器的交流輸入端流向直流 輸出端；并網放電狀態在控制器控制下，能量經適配器的直流輸入流向交流輸出側，最終 流向電網側；離網運行狀態在控制器控制下交流母線與電網斷開，交流母線為負載供電；控 制器控制三相橋式逆變器以恒頻恒壓方式輸出；故障處理狀態故障分為輕微故障、嚴重故障和緊急故障三類；
待機狀 態無故障，所述交流斷路和直流斷路器均合上，但適配器和三相橋式逆變 器處于非工作狀態。與現有技術相比，本技術方案適用于各種儲能電池以充電和放電的形式與電網交 換能量，用以對儲能元件進行充、放電的控制與管理。當與電網調度系統相配合時，能實現 對電網負荷的“削峰填谷”;與間歇式分布式能源(小型風電、光伏)配合時，能平抑間歇式 能源的波動性，使得間歇式能源的負荷特性趨于可控制的“電網友好型負荷”；當電網需要 時，可作為配網靜止無功發生器使用，在總容量范圍內提供就地的無功功率支撐；當與就地 負荷、其他分布式能源組成微網并孤網運行時，能夠為微網內的負荷提供穩定的電壓和頻 率。變流器功能特點是包括1、并網四段式自動充電(預充、快充、均充、浮充)；2、并網放電，放電倍率可預先固定設置或者從監控系統實時控制；3、并網充電或者放電運行時，可設置功率因數，分別獨立控制有功和無功；4、離網運行時，可作為提供穩定的電壓和頻率的UPS運行，并可防止過功率充、放 電；5、并網運行時，可按照計劃曲線進行自動充、放電控制，實現電網“削峰填谷”的調 節；6、并網運行時，與電網調度系統相配合，可實現對波動性間歇式能源輸出功率的 平抑，改變間歇式能源的輸出特性，滿足電網調度和穩定的要求；7、并網運行時，可在總容量范圍內提供快速、緊急的無功輸出，滿足電網電壓控制 的要求；8、具備完備的保護功能，在各種故障情況下能保護變流器及電池的自身安全；9、具備完善的自檢功能，能對其二次控制回路的開入、開出、CPU進行自檢，對三相 電網電壓相序等外部電流量進行檢查，以防止硬件損壞、接線錯誤等引起的工作異常；10、具備快速CAN通信接口和RS485接口，提供開放式MODBUS規約，便于接入監控 系統或者外部的控制系統；11、提供中文液晶MMI (人機接口)，支持就地設置定值、參數等操作；12、提供微機保護調試分析軟件CSPC，可以方便地完成故障錄波、定值整定、開入 開出測試等功能。


圖1所示為本雙向變流器用于太陽能光伏系統的主電路示意圖。圖2為本發明原理框圖。
具體實施例方式結合附圖對本雙向變流器進行進一步說明如圖1，蓄電池組和光伏電池板首先通過DC/DC變流器，將蓄電池輸出的直流電 壓，變換為適合并網逆變器工作的合理直流電壓，以適應不同工程中的蓄電池組特性和光 伏工作電壓范圍；而后通過三相橋式逆變器，將直流電壓變換為高頻的三相斬波電壓、通過濾波器濾波變成正弦波電壓；最后經隔離變壓器接入交流母線。對于本例的雙向變流器采用日本瑞斯公司32位浮點運算核與XINLINX公司高端FPGA邏輯芯片的進行控制，元素能力強；其它芯片全部采用工業級芯片，能適應各種復雜工作環境；具體電路中的絕緣柵雙極型晶體管IGBT采用德國SEMIKR0N公司的彈簧壓接式 IGBT ；本例的變流器的工作狀態控制方式控制方式分為不同優先級的“本地控制”或“遠程控制”。“本地控制”模式優先級高于“遠程控制”模式，兩種模式的切換必須在本地的控制 面板上完成。控制方式包括選定控制方式后，本雙向變流器的狀態切換和參數調整只能通過 相應方式實現，不接收其它控制方式下發的指令。工作狀態本雙向變流器包括五種工作狀態，分別是，并網儲能狀態、并網放電狀態、離網運 行狀態、故障處理狀態和待機狀態。其中，并網放電狀態可以由用戶任意設置功率因數。1、并網儲能狀態并網儲能狀態是指本變流器交流側與電網交流母線連接，變流器控制能量從電網 側流向變流器直流側，此時系統交流側DC/AC雙向變流器處于并網充電狀態，采用功率控 制方式，直流側蓄電池一般工作于四段式智能充電狀態，光伏MPPT輸出(白天)或停機(晚 上)。此處所指電網并非一定是傳統意義上的大電網，也可以為交流母線的電壓和頻率 是由柴油發電機等同步發電機電源來提供的交流系統。變流器首次投入使用時，用戶必須對基本參數進行設置，基本參數包括蓄電池組 的基準電壓、基準充電電流、充電策略選擇、和保護定值等，可以通過就地面板設置，也可通 過后臺監控指令設定。并網儲能狀態“就地控制”時，由GES-IOOkVA用默認充電控制策略和充電參數對 蓄電池進行充電，用戶可以在設備面板上修改充電參數(電流、電壓)。并網儲能狀態“遠方控制”時，由GES-IOOkVA接收遠方控制指令，修改充電參數 (電流、電壓)。用戶設置基本參數后，變流器會根據采樣值對基本參數的準確性進行判別，如參 數正確，則可進入并網充電狀態。并網充電控制策略有“恒流限壓”、“恒壓限流”、“浮充”三種，充電策略由 GES-IOOkVA自動選擇，充電參數可由用戶修改。GES-IOOkVA依據充電參數自動選擇控制策略，并自動控制蓄電池充電策略之間的 轉換。例如將根據蓄電池端口電壓，判別蓄電池當前電量，從而自動選取充電策略。并網放電狀態并網放電狀態是指本變流器交流側與電網交流母線連接，變流器控制能量從變流器直流側流向電網側，此時系統交流側DC/AC雙向變流器處于并網放電狀態時，采用功率 控制方式，直流側蓄電池一般工作于恒功率放電或恒流放電，光伏MPPT輸出(白天)或停 機(晚上)。此處所指電網并非一定是傳統意義上的大電網，也可以為交流母線的電壓和頻率 是由柴油發電機等同步發電機電源來提供的交流系統。蓄電池放電控制策略包括“恒功率放電”和“恒電流放電”兩種，可由用戶根據電網需要整定。并網放電狀態下，放電功率的大小可由用戶通過“本地”和“遠程”兩種模式分別 加以設置，如無設置，本變流器將按默認放電參數進行放電。兩種出力模式均存在上限值，如用戶設置超過這一內置上限值，視為非法設置，告 警，并將自動調節為內置上限值。獨立運行狀態獨立運行狀態是指本變流器外接的交流母線已經與電網斷開，其作為恒壓/恒頻 的交流電源外接入交流母線，為交流母線上接入的負載供電，此時系統交流側DC/AC雙向 變流器處于并網放電狀態時，采用恒頻恒壓控制方式，直流側蓄電池控制系統直流母線電 壓，光伏MPPT輸出(白天)或停機(晚上)。在該運行狀態下，由雙向變流器DC/AC建立交 流母線的電壓和頻率。離網運行模式需用戶在“本地”、“遠程”兩種模式下，手動啟動。離網運行方式下，裝置將根據并網運行時用戶設置的電壓有效值和頻率，進行恒 壓、恒頻率運行。故障處理狀態按照嚴重程度的不同，故障可分為輕微故障、嚴重故障和緊急故障三類。輕微故障僅告警，不停機，如在線諧波監測、過負荷告警、過溫告警和外電網狀態 監測等告警功能。嚴重故障封脈沖，系統轉為故障狀態并告警，故障消失后故障標志自動清除，轉為 待機狀態。系統中大部分故障為可恢復性短時故障，GES-300KV具有故障消失后自投功能。緊急故障封脈沖，跳交直流兩側斷路器，停機告警，故障標志需故障清除后手動復 歸確認。本變流器檢測到故障異常后，在就地及遠方顯示故障類型及相關動作信息。待機狀態待機狀態是指本變流器無故障，交直流斷路器均在合位，但換流器沒有工作的熱 備用狀態。在以下幾種情況下將處于待機狀態 無故障情況下，本變流器啟動后自動進入待機狀態； 本變流器被設置為并網充電的工作狀態，蓄電池充滿以后； 本變流器被設置為并網放電或獨立逆變工作狀態，蓄電池放電終止以后； 本變流器處于可恢復的故障狀態(如過溫)時，在一定的恢復時間內，設備進入 待機狀態。當達到故障恢復時間并判斷故障已清除后，設備重新進入設定的工作狀態； 本變流器遭遇永久性或緊急故障，故障消除后經手動復歸確認，從故障停機狀態轉為待機。本變流器的保護功能本變流器應同時配置有硬件故障保護和軟件保護，保護功能配置完善，保護范圍 交叉重疊，沒有死區，能確保在各種故障情況下的系統安全。硬件保護本變流器的硬件故障保護包括· IGBT模塊過流· IGBT模塊過溫 直流母線過壓故障當裝置檢測到上述緊急故障后，應立即封脈沖，跳交直流兩側斷路器，停機告警。 故障清除后，需手動復歸故障標志，本變流器方可繼續投入使用。軟件保護本變流器的軟件保護分瞬動保護和定時限保護兩種。瞬動保護元件只設有保護動作定值，為系統檢測到緊急故障時單點動作出口，封 脈沖，跳交直流兩側斷路器，停機告警，故障標志需故障清除后手動復歸確認。定時限保護設有動作定值和延時定值，為系統檢測到嚴重故障，經延時定值確認 后出口，封脈沖，系統轉為故障狀態并告警，故障標志亦需故障清除后手動復歸確認(模 塊過溫故障除外，模塊過溫保護為可恢復性故障，出口封脈沖待機后，待溫度恢復到定值之 下，故障標志自動清除。)軟件保護功能至少包含以下內容(1)直流電壓保護本變流器應配置直流母線電壓保護，宜設置直流母線過壓速斷保護、直流母線過 壓定時限保護、直流母線欠壓速斷保護和直流母線欠壓定時限保護。各保護應設置相應的 軟壓板，保護功能投退受各自軟壓板獨立控制。(2)直流過流保護本變流器應配置直流過流保護，宜設置直流過流速斷保護和直流過流定時限保 護。各保護應設置相應的軟壓板，保護功能投退受各自軟壓板獨立控制。(3)交流電流保護本變流器應配置交流電流保護，宜設置交流過流速斷保護和II段式定時限過流 保護。各保護應設置相應的軟壓板，保護功能投退受各自軟壓板獨立控制。(4)交流過/欠壓保護本變流器應配置過/欠壓保護功能。當本變流器檢測到電網電壓異常時，按照預 訂的整定值斷開交流接觸器，停止向電網送電或由電網向裝置充電。過/欠壓保護的配置 可參照IEEE1547標準(見表1_1)設置，但相關定值應允許用戶修改。且各保護應設置相 應的軟壓板，保護功能投退受各自軟壓板獨立控制。表1-1IEEE1547對接入系統響應異常電壓的要求與輸電線路接入點電壓 最大允許響應時間
權利要求
1.一種100KVA微網儲能雙向變流器，其特征是包括控制器、三相橋式逆變器、適配器 和隔離變壓器；隔離變壓器的高壓端連接交流母線，交流母線通過交流斷路器連接電網；低壓端通過 交流接觸器分別連接三相橋式逆變器的交流輸出端，以及適配器的交流輸入端；所述三相橋式逆變器的直流輸入端設有直流斷路器；所述適配器的直流輸出端設有直 流斷路器；所述控制器的采樣信號輸入端分別連接三相橋式逆變器的直流輸入端/交流輸出端， 以及適配器的直流輸出端/交流出入端；控制器控制三相橋式逆變器和適配器的輸出；控制器還控制三相橋式逆變器和適配器 連接的交流接觸器、直流斷路器、以及所述交流斷路器； 所述控制器設有通信接口和人機設備接口；本變流器的控制方式包括本地控制和遠程控制；本地控制方式優先級高于遠程控制方 式，兩種控制方式的切換是通過人機設備接口連接的人機設備完成；選定控制方式后，只能 通過相應的控制方式來完成本雙向變流器的控制；本變流器的工作狀態包括并網儲能狀態、并網放電狀態、離網運行狀態、故障處理狀 態和待機狀態，其中，并網放電狀態由用戶設置功率因數；并網儲能狀態在控制器控制下，能量從電網側經適配器的交流輸入端流向直流輸出端；并網放電狀態在控制器控制下，能量經適配器的直流輸入流向交流輸出側，最終流向 電網側；離網運行狀態在控制器控制下交流母線與電網斷開，交流母線為負載供電；控制器 控制三相橋式逆變器以恒頻恒壓方式輸出；故障處理狀態故障分為輕微故障、嚴重故障和緊急故障三類； 待機狀態無故障，所述交流斷路和直流斷路器均合上，但適配器和三相橋式逆變器處 于非工作狀態。
2.根據權利要求1所述的100KVA微網儲能雙向變流器，其特征是所述并網儲能狀態下 的儲能控制策略包括恒流限壓、恒壓限流或浮充，充電參數由用戶修改。
3.根據權利要求1所述的100KVA微網儲能雙向變流器，其特征是所述并網放電狀態 下的放電控制策略包括恒功率放電和恒電流放電；兩種放電策略設置上限值，如用戶設置 超過這一內置上限值，則告警，并自動調節為預置上限值。
4.根據權利要求1所述的100KVA微網儲能雙向變流器，其特征是輕微故障，僅告警，不 停機；嚴重故障，封脈沖，系統轉為故障狀態并告警，故障消失后故障標志自動清除，轉為待 機狀態；緊急故障，封脈沖，所述交流斷路和直流斷路器為斷開，停機告警，故障標志需故障清 除后手動復歸確認。
5.根據權利要求1所述的100KVA微網儲能雙向變流器，其特征是在以下幾種情況下將 處于待機狀態無故障情況下，本變流器啟動后自動進入待機狀態；本變流器被設置為并網充電的工作狀態，蓄電池充滿以后； 本變流器被設置為并網放電或獨立逆變工作狀態，蓄電池放電終止以后； 本變流器處于可恢復的故障狀態時，在一定的恢復時間內，設備進入待機狀態，當達到 故障恢復時間并判斷故障已清除后，設備重新進入設定的工作狀態；本變流器遭遇永久性或緊急故障，故障消除后經手動復歸確認，從故障停機狀態轉為 待機。
6.根據權利要求1所述的IOOKVA微網儲能雙向變流器，其特征是本變流器應配置有硬 件故障保護和軟件保護；硬件保護包括三相橋式逆變器以及適配器的過流和過溫保護；直流輸出端過壓故障；當控制器檢測到上述故障后，立即封脈沖，斷開交直流兩側斷路器，停機告警；故障清 除后，手動復歸故障標志；軟件保護時機包括分瞬動保護和定時限保護；瞬動保護設有保護動作定值，為系統檢測到緊急故障時單點動作出口，封脈沖，跳交直 流兩側斷路器，停機告警，故障標志需故障清除后手動復歸確認；定時限保護設有動作定值和延時定值，為系統檢測到嚴重故障，經延時定值確認后出 口，封脈沖，系統轉為故障狀態并告警，故障標志亦需故障清除后手動復歸確認軟件保護包 括直流電壓保護、直流過流保護、交流電流保護、交流過/欠壓保護。
7.根據權利要求1所述的100KVA微網儲能雙向變流器，其特征是所述控制器包括 FPGA和CPU ；CPU與FPGA通信，FPGA控制三相橋式逆變器的輸出；CPU的輸入端中設置采樣 信號輸入端；CPU的通用輸入輸出端中設置通信接口和人機設備接口。
8.根據權利要求1所述的100KVA微網儲能雙向變流器，其特征是所述通信接口連接有 CAN通信接口模塊和RS485通信接口模塊。
9.根據權利要求1所述的100KVA微網儲能雙向變流器，其特征是所述人機設備接口連 接的人機設備包括控制面板和顯示設備。
全文摘要
100KVA微網儲能雙向變流器，包括控制器、三相橋式逆變器、適配器和隔離變壓器；隔離變壓器的高壓端連接交流母線，交流母線通過交流斷路器連接電網；低壓端通過交流接觸器分別連接三相橋式逆變器的交流輸出端，以及適配器的交流輸入端；三相橋式逆變器的直流輸入端設有直流斷路器；適配器的直流輸出端設有直流斷路器；控制器的采樣信號輸入端分別連接三相橋式逆變器的直流輸入端/交流輸出端，以及適配器的直流輸出端/交流出入端；控制器控制三相橋式逆變器和適配器的輸出；控制器還控制三相橋式逆變器和適配器連接的交流接觸器、直流斷路器、以及交流斷路器；控制器設有通信接口和人機設備接口。本技術方案適用于各種儲能電池以充電和放電的形式與電網交換能量。
文檔編號H02H7/26GK102055368SQ20101059601
公開日2011年5月11日 申請日期2010年12月20日 優先權日2010年12月20日
發明者周達洪, 徐愛華, 楊少華, 王春寧, 錢亞東, 陳楷 申請人:江蘇省電力公司南京供電公司, 江蘇蘇源高科技有限公司