一種新型兩級式雙向儲能變流器控制系統及其控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子功率變換器運用領域，涉及一種儲能變流器，尤其涉及一種 應用于維持微型電網穩(wěn)定運行的兩級式雙向儲能變流器。
【背景技術】
[0002] 由分布式電源（DistributedGenerations，DGS)、儲能裝置、能量變換裝置、相關 負荷和監(jiān)控設備、保護裝置匯集而成的微型電網絡系統，并且可以實現自我控制、保護和管 理的自治功能，同時還具有并網運行和孤島運行的能力。隨著分布式發(fā)電技術、微電網和智 能電網的快速發(fā)展，儲能系統的作用越來越重要，其中雙向儲能變流器實現直流儲能電池 與交流電網之間的雙向能量傳遞，是將儲能電池接入電力系統的關鍵設備。雙向儲能變流 器可將夜間或平日富余的電能轉移給儲能元件存儲起來，并在電網電能不足時回饋給電網 以平衡電網峰谷；同時，雙向儲能變流器用于風能、太陽能、潮汐等具有間歇性的新能源發(fā) 電系統中，可以在很大程度上平滑新能源發(fā)電輸出，改善微電網供電質量，使大規(guī)模可再生 能源系統安全可靠地并入電網，真正體現了 "綠色電能變換"。
[0003] 傳統的儲能變流器通過晶閘管相控整流來實現對蓄電池的充電，蓄電池放電時， 通過電子開關將蓄電池反接，同時通過移相使晶閘管橋工作在有源逆變的狀態(tài)。這種儲能 變流器操作復雜，自動化程度低，且容易出現故障，可靠性不高，工作時，交流側電流波形畸 變嚴重，功率因數低，嚴重污染電網。單級式儲能變流器電池容量配置缺乏靈活性，蓄電池 的工作電壓范圍較小，電池組的均流特性不好。
[0004] 本發(fā)明提出新型兩級式雙向儲能變流器主要由三相PffM電壓型逆變整流器與半 橋三電平推挽式雙向DC-DC變換器構成，而控制策略是儲能變流器最核心的技術。雙向 DC-DC變換器可增大輸出電壓調節(jié)范圍，實現蓄電池的恒流、恒壓二階式的充電模式，實現 能量的雙向流動，起到"一機兩用"的功能。三相PWM電壓型逆變整流器采用全數字化SVPffM 算法可以實現在整流時網側電流正弦化，穩(wěn)定直流母線電壓，同樣可實現單位功率因數整 流和逆變并網。針對新型雙向儲能變流器，提出基于儲能電池的荷電狀態(tài)（SOC)檢測與上 位機指令信號以及相關的電壓電流的檢測信號相結合來控制實現儲能變流器的多模式工 作切換。

【發(fā)明內容】

[0005] 針對上述傳統的晶閘管相控式儲能變流器與傳統單級式儲能變流器的缺陷，本發(fā) 明提出一種新型兩級式雙向儲能變流器，雙向變流器由可四象限運行的三相電壓型PWM整 流器和新型半橋三電平推挽式（halfbridgeTLpush-pull)雙向直流變換器串聯而成，可 實現儲能蓄電池與電網的隔離和實現蓄電池的寬范圍運行。
[0006] 本發(fā)明采用以下技術方案：一種新型兩級式雙向儲能變流器控制系統，包括兩級 式雙向儲能變流器主電路及其控制系統電路；
[0007] 所述兩級式雙向儲能變流器主電路包括依次相串接的隔離變壓器、三相交流接觸 器、三相緩沖電路、LCL濾波器模塊、三相電壓型PffM整流器、半橋三電平推挽式雙向DC-DC變換器、直流輸出低通濾波器、限制電池充電電流的充放電緩沖接口電路；所述三相電壓型 PWM整流器用于實現整流和逆變的功能，所述雙向DC-DC變換器用于完成蓄電池組的充放 電功能；
[0008] 控制系統電路主要包括主控制器、電壓電流傳感器模塊、驅動電路、保護電路、散 熱器、蜂鳴器、SOC檢測傳感器模塊、人機界面、通信接口電路、系統輔助供電電源；所述主 控制器分別和電壓、電流傳感器模塊、驅動電路、保護電路、散熱器、蜂鳴器、SOC檢測傳感器 模塊、人機界面、通信接口電路、系統輔助供電電源相連接，用于接收并處理來自各傳感器、 保護電路、人機界面、通信借口電路的信號，并且通過對信號處理進行判斷后發(fā)出相應的驅 動信號和故障報警信號；所述電壓電流傳感器模塊連接并檢測三相電網電流電壓，所述驅 動電路、保護電路的輸出連接儲能變流器主電路；所述儲能變流器主電路一端連接三相電 網，另一端連接蓄電池組，所述蓄電池組還連接SOC檢測傳感器模塊；所述系統輔助供電電 源用于為控制系統電路供電。
[0009] 進一步，所述半橋三電平推挽式雙向DC-DC變換器為高壓直流側接半橋飛跨電容 型三電平電路，與其相連的是二次側帶中間抽頭式的高頻變壓器，一次與二次側變壓比為 NI:N2 :N3 = 3 : 1 : 1，高頻變壓器與兩個相同電壓、電流應力的N溝道電力MOSFET 構成推挽電路。
[0010] 進一步，所述隔離變壓器為A/Y隔離變壓器，變壓器一次側為三角形連接，接 380V三相電網，變壓器二次側為星型連接，與三相交流接觸器相連，原副邊變比N1 :N2 = 1 : 1，額定容量150KVA。
[0011] 進一步，所述驅動電路用來將由主控芯片發(fā)出的信號進行功率放大來驅動功率開 關管，驅動電路主要由高速光耦隔離與驅動芯片構成。
[0012] 進一步，所述人機界面與通信接口電路是用來設定有關電壓電流等參數，以及與 微電網中其他設備的通信。
[0013] 本發(fā)明的方法的技術方案為：
[0014] -種新型兩級式雙向儲能變流器控制系統控制方法，包括步驟：
[0015] 步驟1，根據事先預估的直流輸出低通濾波器所通過的電壓、電流值，通過人機界 面或通信接口電路設定相關的閾值；
[0016] 步驟2,通過電壓、電流傳感器模塊實時檢測三相電壓Vh，通過SOC檢測傳感器模 塊檢測蓄電池組的SOC并將其檢測結果送入主控制器芯片進行計算判斷處理；
[0017] 步驟3,通過檢測蓄電池端的充放電電流并送入主控制芯片與設定的閾值進行比 較，如果電流超過設定的值就啟動保護電路，通過保護電路動作切斷儲能變流器與三相電 網的連接，并由蜂鳴器發(fā)出警告信息，起到對蓄電池組及儲能變流器的保護；
[0018] 步驟4,由電壓、電流傳感器模塊檢測的電壓、電流模擬信號，經過DSP芯片中的ADC模塊將模擬信號轉換成數字信號；
[0019] 步驟5,當％低于交流母線所要求的最低電壓乂 _'時，說明負載所需的 能量不能由交流母線完全提供，此時負載所需的剩余能量需要由蓄電池來補充；當v_' V_' (V_'為交流母線所要求的最高電壓），說明交流母線提供的能量可以 滿足負載所需，多余的能量給蓄電池充電；
[0020] 步驟6,當滿足S0C_<SOCt<SOCniax (S0C_為蓄電池組荷電狀態(tài)的最小值，SOCniax 為蓄電池組荷電狀態(tài)的最大值）時，蓄電池處于正常狀態(tài)，此時既可以對其充電也可以使 其放電，當蓄電池30(；慢慢降低至SOCt<SOC_時，蓄電池處于過放電狀態(tài)，應立即停止放 電，同樣當S0Ct>SOCniax，應立即停止充電，以免過充電；
[0021] 步驟7,控制系統電路根據電網和蓄電池的狀態(tài)，判斷處于哪種工作模式，向兩級 式雙向儲能變流器發(fā)出相應的選通和關斷信號，以確保雙向變流器在合適的模式下切換， 從而實現系統的能量管理。
[0022] 進一步，所述步驟7的具體過程為：
[0023] 當VH<VJ且S0Ct<S0C_(蓄電池處于過放電狀態(tài)）時，中間信號VjPVsd輸 出高電平，此時電路立即進入關斷模式，由柴油機給負載供電，多余的能量給蓄電池充電；
[0024] 當乂_'彡VH<Vniax'且S0Ct<SOC議時，中間信號VJPVsd輸出低電平，此時電 路選通降壓充電模式，交流電網迅速給蓄電池充電；
[0025] iVH<V_'且S0Ct>S0C_時，Ve輸出高電平，Vsd輸出低電平，此時電路選通升 壓放電模式，蓄電池處于放電狀態(tài)來給負載供電；
[0026] 當Vniin'彡VH<Vniax'且S0Ct>SOCJ寸，VjPVsd輸出低電平，此時電路選通降 壓充電工作模式，交流電網多余的能量給蓄電池充電，直至SOCt=soc_。
[0027] 進一步，所述蓄電池荷電狀態(tài)SOC采用改進的安時計量法主要在原安時計量法中
[0028] 式中表示：t時刻蓄電池的荷電狀態(tài)；S0C。表示蓄電池初始的荷電狀態(tài)；CN表示蓄 電池的額定容量；X表示影響蓄電池容量的因素；n表示蓄電池的充電效率。
[0029] 本發(fā)明具有以下技術效果：
[0030] 1)所述隔離變壓器用于隔離三相電網與儲能變流器，所述雙向DC-DC變換器中高 頻變壓器用于隔離變流器與蓄電池組，且緩沖電路可以用于限制蓄電池組的充放電電流。 [0031 ] 2)所述三相交流接觸器安裝于主電路與隔離變壓器之間，通過上位機或控制器發(fā) 出相應的啟動信號使交流接觸器動作。所述三相預充電緩沖電路以及與蓄電池組相連接的 緩沖電路中的接觸器由時間繼電器控制，通過設定時間來控制接觸器的動作。
[0032] 3)三相電壓型PffM整流器通過SVPffM控制可實現單位公因數± 1的整流和逆變。
[0033] 4)所述DSP控制器的型號為TMS320F2812。所述的DSP控制器與主電路之間還設 有驅動電路以及保護電路，所述DSP控制器與三