CN103441694A

CN103441694A - 一种大功率分布式储能变流器

Info

Publication number: CN103441694A
Application number: CN2013103695313A
Authority: CN
Inventors: 司传涛; 杨艺云; 周柯; 张阁; 肖园园; 肖静
Original assignee: Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Co Ltd
Current assignee: Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Co Ltd
Priority date: 2013-08-23
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2013-12-11

Abstract

本发明公开了一种大功率分布式储能变流器，其连接于电网和电池二端，包括主电路以及控制该变流器工作的控制器，所述主电路包括依次连接的DC/DC变换电路、母线电容、AC/DC变换电路、滤波电路和隔离变压器，所述DC/DC变换电路与电池连接，所述隔离变压器与电网连接，其还包括设于DC/DC变换电路与电池之间且用于限制电池充电电流的充放电缓冲接口电路，且所述DC/DC变换电路为一具有升压和降压功能的变换电路。本发明解决了VBR初始零电压充电的问题，使其满足充电特性曲线的要求。

Description

一种大功率分布式储能变流器

技术领域

本发明涉及电力***电能质量技术领域，更具体的说，特别涉及一种大功率分布式储能变流器。

背景技术

随着我国经济不断腾飞，配电网络迅猛发展，可再生能源的开发及其VBR等大功率储能电池的出现，分布式双向储能变流器作为智能电网的重要组成部分，其运行的稳定性直接影响到电网、储能***及其用户的安全稳定，对于VBR专用双向换流器，依靠传统双向换流器，往往难以达到VBR充电特性曲线及其零电压充电的要求。因此，开发一种大功率分布式储能双向换流器，具有极其广阔的市场，并为未来智能电网及其分布式储能***的发展奠定基础。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在不能满足VBR电池零电压充电要求的技术问题，提供一种大功率分布式储能变流器。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

一种大功率分布式储能变流器，其连接于电网和电池二端，包括主电路以及控制该变流器工作的控制器，所述主电路包括依次连接的DC/DC变换电路、母线电容、AC/DC变换电路、滤波电路和隔离变压器，所述DC/DC变换电路与电池连接，所述隔离变压器与电网连接，其还包括设于DC/DC变换电路与电池之间且用于限制电池充电电流的充放电缓冲接口电路，且所述DC/DC变换电路为一具有升压和降压功能的变换电路。

根据本发明的一优选实施例：所述充放电缓冲接口电路包括直流断路器、电压传感器、电流传感器、直流辅助接触器、支路主接触器以及缓冲电路，所述直流断路器安装于位于电池一侧的母线上，所述直流辅助接触器和支路主接触器相互并联的安装于位于DC/DC变换电路一侧的母线上，所述缓冲电路与直流辅助接触器串联，所述电压传感器安装于位于直流断路器和支路主接触器之间的母线上，所述电流传感器安装于位于支路主接触器和DC/DC变换电路之间的母线上。

根据本发明的一优选实施例：所述DC/DC变换电路包括第一电容、第二电容、电感、第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管，所述第一电容位于充放电缓冲接口电路一侧，且所述第一电容一端与电感一端连接，另一端与第一绝缘栅双极型晶体管的栅极连接，所述电感另一端分别与第一绝缘栅双极型晶体管的漏极、第二绝缘栅双极型晶体管的栅极连接，所述第二电容连接于第一绝缘栅双极型晶体管的栅极以及第二绝缘栅双极型晶体管的漏极之间。

根据本发明的一优选实施例：所述AC/DC变换电路为一个三桥臂三相变换器。

根据本发明的一优选实施例：所述控制器包括相互连接的DSP控制器和RAM控制器，所述DSP控制器与主电路之间还设有驱动电路以及保护电路，所述DSP控制器与电网、电池之间均设有传感器，所述RAM控制器还与显示器、键盘、风扇、蜂鸣器以及通信接口连接。

根据本发明的一优选实施例：所述DSP控制器的型号为TMS320C28335。

根据本发明的一优选实施例：所述通信接口为RS485接口，且该接口采用IEC61850或MODBUS通信协议。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、采用了具有升压和降压功能的DC/DC变换电路实现了变流器能量的双向流动；

2、在DC/DC变换电路与电池之间设置用于限制电池充电电流的充放电缓冲接口电路，解决了VBR初始零电压充电的问题，使其满足充电特性曲线的要求。

附图说明

图1.为本发明的大功率分布式储能变流器的框架图。

图2.为本发明的大功率分布式储能变流器中主电路图框架图。

图3.为本发明的大功率分布式储能变流器中DC/DC变换电路的电路图。

图4.为本发明的大功率分布式储能变流器中充放电缓冲接口电路的电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

参阅图1-图2所示，本发明提供的一种大功率分布式储能变流器，其连接于电网和电池二端，包括主电路以及控制该变流器工作的控制器，所述主电路包括依次连接的DC/DC变换电路、母线电容C、AC/DC变换电路、滤波电路和隔离变压器，所述DC/DC变换电路与电池连接，所述隔离变压器与电网连接，其还包括设于DC/DC变换电路与电池之间且用于限制电池充电电流的充放电缓冲接口电路，且所述DC/DC变换电路为一具有升压和降压功能的变换电路。

由于采用钒液流电池(即VBR)在首次充电时，电池内部初始电压为0V。而由于钒液流电池工作原理和初始电压与常规蓄电池的不同，给充电带来一定的难度，特别是首次充电。在首次充电时，与电池接通的瞬间类似于短路工况，产生的冲击电流是正常充电时的数倍，对于钒液流本身以及储能变流器来说都是一个非常大的冲击，因此给首次充电带来不小的难度。如以20kW单元的钒液流电池来说，在正常充电时，充电电压应为56V，充电电流不能大于140A。而在首次充电时，充电电压应保证大于39V，提供的充电电流应在80A以上，否则，其内部会发生保护，导致充电失败。这样对于通用的储能变流器，不管是在正常充电，还是在首次充电时，都应该能满足钒液流电池的要求。但由于首次充电时的特殊工作状态，想要保证在类似短路工况下，还能够提供足够的充电电压与充电电流，而不触发钒液流电池内部的保护，这给储能变流器的设计带来一定的难度。因此，本发明设计一个充放电缓冲接口电路来实现此功能。

参阅图4所示，所述充放电缓冲接口电路包括直流断路器QF1、电压传感器TV1、电流传感器TA1、直流辅助接触器KM1、支路主接触器KM2以及缓冲电路R1，所述直流断路器QF1安装于位于电池一侧的母线上，所述直流辅助接触器KM1和支路主接触器KM2相互并联的安装于位于DC/DC变换电路一侧的母线上，所述缓冲电路R1与直流辅助接触器KM1串联，所述电压传感器TV1安装于位于直流断路器QF1和支路主接触器KM2之间的母线上，所述电流传感器TA1安装于位于支路主接触器KM2和DC/DC变换电路之间的母线上。该充放电缓冲接口电路的工作原理为：

可根据需要，合理选择缓冲电路R1的电阻值与功率等级，可以将首次充电时的冲击电流限制在安全范围内，保证储能变流器输出电压不被电池拉低至电池启动保护电压下限；另外，按一定时序控制直流辅助接触器KM1与支路主接触器KM2的闭合与关断，就能够解决钒液流首次充电时冲击电流大、不能成功充电的难题。此外，此充放电缓冲接口电路在钒液流电池放电时，若按照一定时序工作，还能减小储能变流器开机瞬间的冲击电流，有效的保护***关键器件，保证***平稳运行。具体为：

在首次充电时，在连接好钒液流电池与储能变流器的前提下，手动合上直流断路器QF1。在储能变流器进入充电模式后，先控制直流辅助接触器KM1闭合，由于有缓冲电阻R1的限流作用，充电电流会被限制在安全范围之内，钒液流电池的电压会慢慢上升。控制器可通过电压传感器TV1与电流传感器TA1实时检测充电的电压与充电的电流，当检测到充电电压达到正常充电电压时(此时认为首次充电启动过程已结束)，再控制直流主接触器KM2闭合，将缓冲电阻R1支路短路，延时一段时间后，可控制直流辅助接触器KM1断开，将缓冲电阻R1支路被切除出去。至此，充电启动过程完成，进入正常充电状态。

参阅图3所示，所述DC/DC变换电路包括第一电容C1、第二电容C2、电感L1、第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1、第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2，所述第一电容C1位于充放电缓冲接口电路一侧，且所述第一电容C1一端与电感L1一端连接，另一端与第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1的栅极连接，所述电感L1另一端分别与第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1的漏极、第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2的栅极连接，所述第二电容C2连接于第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1的栅极以及第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2的漏极之间；该DC/DC变换电路的工作原理为：

当电池放电时，DC/DC变换电路需要完成升压功能，能量由电池侧流向高压侧。此时，由第一电容C1、电感L1、第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1、第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2内部集成一个反并联二极管和C2构成升压电路。同时在保证第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2可靠关断的前提下，按照一定的控制策略(其可以根据需要在控制器中设定控制程序)，控制第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1以一定的开关频率与占空比开通与关断，此电路即可完成升压功能；而当蓄电池充电时，DC/DC变换电路需要完成降压功能，能量由高压侧流向蓄电池侧。此时，由第一电容C1、电感L1、第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1内部集成一个反并联二极管、第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2和第二电容C2构成降压电路，同样在保证第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1可靠关断的前提下，按照一定的控制策略(其也可以根据需要在控制器中设定控制程序)，控制第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2以一定的开关频率与占空比开通与关断，此电路即可完成降压功能。

进一步，AC/DC变换电路为一个三桥臂三相变换器。所述控制器包括相互连接的DSP控制器和RAM控制器，本发明所选用的DSP控制器的型号为TMS320C28335。所述DSP控制器与主电路之间还设有驱动电路以及保护电路，该驱动电路是一般的IGBT驱动电路，而保护电路可以根据需要设计直流过电压保护、过流保护、输入反接保护、短路保护、接地保护(具有故障检测功能)、欠压/过压保护、过载保护、过热保护、过/欠频保护、三相不平衡保护及报警、相位保护以及对地电阻监测和报警功能。

所述DSP控制器与电网、电池之间均设有传感器，所述RAM控制器还与显示器、键盘、风扇、蜂鸣器以及通信接口连接，且该通信接口为RS485接口，RS485接口采用IEC61850或MODBUS通信协议。主要实现储能变流器主要与外部的微电网监控***进行信息交换，储能变流器将自身的运行状态上送至微电网监控***后台并能接收后台下发的命令及定值。

本发明的大功率分布式储能换流器作为电网和储能***的电气接口，在新能源电力***中起着至关重要的作用，可再生能源发出的电能经变流器变换存储和并网可以提高电网运行的安全性和稳定性，在很大程度上改善了电网的供电质量。而本发明的大功率分布式储能换流器在整个电力储能***中充当着核心单元的作用，直接关系着整个储能***运行的精确性、可靠性及响应速度。其实现的功能主要包括：在电池放电时将其产生的直流电压转换成交流电压，馈入电网；而在电池充电时，将电网电压转换成直流电压，供给电池；同时还能在电网断电时，对关键负荷进行供电，既孤网运行，具有削峰填谷功能。主要还能实现以下功能：1、储能变流器可根据微网监控***指令控制其有功功率输出。通过在DSP芯片中设置程序，使储能变流器能接收并实时跟踪执行微网监控***发送的有功功率控制信号，根据并网侧电压、频率、微网监控***控制指令等信号自动调节有功输出，确保其最大输出功率及功率变化率不超过给定值，在电网故障和特殊运行方式下保证电力***稳定性；2、储能变流器可根据交流侧电压水平、微网监控***控制指令等信号实时跟踪调节无功输出，其调节方式、参考电压、电压调整率、功率因数等参数可由外部的微网监控***设定；3、微电网孤网运行时，储能变流器工作在V/F控制策略下，可以保证微网电压、频率恒定，作为主电源支撑整个微网***的稳定运行；4、储能变流器能够实现恒流充电、恒压充电、恒功率充电和自定义曲线充电；恒流放电、限压放电和恒功率放电等功能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种大功率分布式储能变流器，其连接于电网和电池二端，包括主电路以及控制该变流器工作的控制器，所述主电路包括依次连接的DC/DC变换电路、母线电容、AC/DC变换电路、滤波电路和隔离变压器，所述DC/DC变换电路与电池连接，所述隔离变压器与电网连接，其特征在于：还包括设于DC/DC变换电路与电池之间且用于限制电池充电电流的充放电缓冲接口电路，且所述DC/DC变换电路为一具有升压和降压功能的变换电路。

2.根据权利要求1所述的大功率分布式储能变流器，其特征在于：所述充放电缓冲接口电路包括直流断路器(QF1)、电压传感器(TV1)、电流传感器(TA1)、直流辅助接触器(KM1)、支路主接触器(KM2)以及缓冲电路(R1)，所述直流断路器(QF1)安装于位于电池一侧的母线上，所述直流辅助接触器(KM1)和支路主接触器(KM2)相互并联的安装于位于DC/DC变换电路一侧的母线上，所述缓冲电路(R1)与直流辅助接触器(KM1)串联，所述电压传感器(TV1)安装于位于直流断路器(QF1)和支路主接触器(KM2)之间的母线上，所述电流传感器(TA1)安装于位于支路主接触器(KM2)和DC/DC变换电路之间的母线上。

3.根据权利要求1所述的大功率分布式储能变流器，其特征在于：所述DC/DC变换电路包括第一电容(C1)、第二电容(C2)、电感(L1)、第一绝缘栅双极型晶体管(IGBT1)、第二绝缘栅双极型晶体管(IGBT2)，所述第一电容(C1)位于充放电缓冲接口电路一侧，且所述第一电容(C1)一端与电感(L1)一端连接，另一端与第一绝缘栅双极型晶体管(IGBT1)的栅极连接，所述电感(L1)另一端分别与第一绝缘栅双极型晶体管(IGBT1)的漏极、第二绝缘栅双极型晶体管(IGBT2)的栅极连接，所述第二电容(C2)连接于第一绝缘栅双极型晶体管(IGBT1)的栅极以及第二绝缘栅双极型晶体管(IGBT2)的漏极之间。

4.根据权利要求2或3所述的大功率分布式储能变流器，其特征在于：所述AC/DC变换电路为一个三桥臂三相变换器。

5.根据权利要求2或3所述的大功率分布式储能变流器，其特征在于：所述控制器包括相互连接的DSP控制器和RAM控制器，所述DSP控制器与主电路之间还设有驱动电路以及保护电路，所述DSP控制器与电网、电池之间均设有传感器，所述RAM控制器还与显示器、键盘、风扇、蜂鸣器以及通信接口连接。

6.根据权利要求5所述的大功率分布式储能变流器，其特征在于：所述DSP控制器的型号为TMS320C28335。

7.根据权利要求5所述的大功率分布式储能变流器，其特征在于：所述通信接口为RS485接口，且该接口采用IEC61850或MODBUS通信协议。