CN105958468A - V2g直流双向储能变流器 - Google Patents

V2g直流双向储能变流器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种V2G直流双向储能变流器，包括双向变流电路、信息采集电路和控制***，所述双向变流电路包括三个相互并联设置的桥臂，每个桥臂的上桥臂和下桥臂均采用设有反向二极管的功率开关管,各桥臂及其对应电源侧电感构成一个独立的变流支路，各变流支路相互并联，且两侧共用同一个母线侧电容和电源侧电容，所述控制***通过控制各所述功率开关管的开关状态控制所述双向变流电路的电流方向及输出侧电压，实现对输出侧电压的定电压控制.本发明结构简单，控制方便，有效地解决了采用V2G技术的微电网中直流侧不同电压等级之间电流变换的问题。

Description

V2G直流双向储能变流器
技术领域
本发明涉及一种V2G直流双向储能变流器，适用于微电网中不同直流电压之间的互相转换，特别是储能电池或电动车电池与直流母线之间的直流电能传输。
背景技术
传统的发电方式主要是是指火力发电和水利发电。时至今日，火力发电仍旧是市场主流的发电方式，但是随着资源枯竭和空气污染问题的日益严重，可以预见火力发电必然会在未来被取代。水利发电在前几年很受关注，各地的水坝小水电项目在火力发电受质疑时如雨后青笋纷纷出现，但是水利发电的局限性也显而易见，那就是水利资源的丰富性问题。在传统发电各方面开始无法满足供电要求时，新能源发电进入快速发展阶段，当前的新能源主要是指太阳能、风能、核能等，是指不会造成污染又具有可持续性的发电能源。
伴随新能源的出现，微电网这个概念应运而生，顾名思义，微电网就是微型电网的意思，是相对传统大电网的一个概念，是指多个分布式电源及其相关负载按照一定的拓扑结构组成的网络，并通过静态开关关联至常规电网。微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电***，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治***，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。是智能电网的重要组成部分。在储能装置这一块，通常是用电池作为储能，但是电池的电压是额定的，在小范围能波动，微电网***需要与电池电压不同的直流电压来支撑其他设备的工作，因此需要一种设备来实现这种电压跨度。
相比于交流微电网，直流微电网更加的稳定和安全，而当前市场上的双向储能变流器大多是适用于交流微电网的进行交流和直流之间互相转换的设备，用于直流电压之间双向变换的储能装置较少，并且现有的进行直流电压之间转换的设备，大部分是对传统的buck（降压）或者boost（升压）电路的利用，采用单相结构，其工作电流受到电力电子器件的严重制约，不适用于直流大功率变换。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种V2G直流双向储能变流器，以实现微电网内不同部分之间的直流-直流电能输送和转换，且输出稳定，谐波少。
本发明的技术方案是：
一种V2G直流双向储能变流器，包括控制***和双向变流电路，所述双向变流电路包括母线侧电容、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、电源侧第一电感、电源侧第二电感、电源侧第三电感和电源侧电容，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂的上桥臂和下桥臂均采用相同的开关单元，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和电源侧电容的上端相互连接，并连接有直流母线正极连接端子（所称连接端子泛指各种形式的相关连接件/组件，下同），所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、母线侧电容和电源侧电容的下端相互连接，并连接有直流母线负极连接端子和电源侧负极连接端子，所述电源侧第一电感、电源侧第二电感、电源侧第三电感的一端分别连接在所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂的上桥臂和下桥臂之间的连接处，另一端均与所述电源侧电容的上端相互连接，并连接有电源侧正极接线端子，所述控制***设有分别用于控制各所述开关单元状态的若干控制输出，各所述控制输出分别接入各自对应的所述开关单元的控制端，所述控制***设有用于采集控制用基础信息的信息采集电路，所述信息采集电路的信息输出接入所述控制***，所述控制***根据控制策略对来自所述信息采集电路的基础信息进行分析运算，生成用于控制各所述开关单元状态的控制信号，通过控制各所述功率开关管的开关状态控制所述双向变流电路的电流方向及输出侧电压，实现对输出侧电压的定电压控制，所述输出侧依据电流方向确定，可以为直流母线侧，也可以为电源侧。
优选的，所述控制***通过PWM方式调节各桥臂所在支路的输出侧电压的大小，进而调节所述变流电路的输出侧总电压的大小。
优选的，所述PWM采用三角载波且分别用于三个桥臂的三个三角载波的相位差依次为120°，由此使流经三个桥臂的三路电流的相位差依次为120°。
优选的，所述控制***采用双闭环PI控制的方式进行输出侧的定电压控制，以电压环为主控制环（也可称为外环），在所述电压环的内部加入电流内环。
优选的，在进行所述双闭环PI控制的过程中，以输出侧电压变化为扰动量在所述电流环中加入前馈控制，所述输出侧电压变化优选从PI控制的电压环比较器获得。
优选的，在所述前馈控制中设置死区，当输出侧电压变化小于设定值时关闭（不实施）所述前馈控制。
优选的，在空载启动时通过调节PI参数以稳定运行过程，具体为：空载启动时采用较低的PI参数进行所述的PI控制，并随着输出侧电压的升高提高PI参数，在输出侧电压达到设定值后，将PI参数设置为正常运行时的值。
优选的，在多设备协调运行且没有通讯条件的状况下，将双闭环中作为控制外环的电压环的控制方式设定为下垂控制。
所述开关单元可以为并联有续流二极管的IGBT，所述IGBT的基极构成所述开关单元的控制端子，同一桥臂中用作上桥臂的上IGBT的发射极连接用作下桥臂的下IGBT的集电极，用作上桥臂的上IGBT的集电极构成其所在桥臂的上端，用作下桥臂的下IGBT的发射极构成其所在桥臂的下端。
所述控制***可以设有处理器，所述处理器的芯片优选为工业级DSP芯片。
所述控制***可以设有能够与远程控制中心通信的远程通信单元和/或能够接入计算机网络的网络接入单元，由此，通过所述远程通信单元与远程控制中心通信连接，通过所述网络接入单元与远端服务器通信连接。
本发明的有益效果为：
本发明结构简单，控制方便，有效的实现了微电网中不同电压之间的双向电能输送，可以针对具体电压变化要求进行升压或者降压变流，以满足直流母线上用电设备的工作要求或储能电池组等的充电要求；通过三相桥臂结构提高了设备的响应速度和工作容量，能够更好地维持直流母线电压的稳定，保证供电质量；由于采用了适宜的控制方法进行输出侧电压的定电压控制，有利于减小电压波动，保证设备的稳定运行和用电安全；由此三路桥臂相互并联，能够增加变流器的容量，在配电方面具有更大的实用性和可靠性，有利于降低成本，方便使用。本发明的实施有助于解决部分偏远地区供电困难的问题，有助于V2G直流微电网的发展。
附图说明
图1是本发明双向变流电路的电路原理图；
图2是本发明定电压控制的原理简图；
图3是本发明下垂控制的原理简图；
图4是本发明下垂控制涉及的下垂曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明公开了一种V2G直流双向储能变流器，包括双向变流电路、信息采集电路和控制***，所述双向变流电路包括三个相互并联设置的桥臂，每个桥臂的上桥臂和下桥臂均采用设有反向二极管D的功率开关管T1、T2、T3、T4、T5和T6，例如相应的IGBT模块，各所述桥臂的上端相互连接，可以通过直流母线正极接线端子连接直流母线正极，各所述桥臂的下端相互连接，可以通过直流母线负极接线端子连接直流母线负极，各桥臂及其对应电源侧电感L1、L2、和L3构成一个独立的变流支路，各变流支路相互并联，且两侧共用同一个母线侧电容C1和电源侧电容C2，位于电源侧的电源侧正极接线端子和负极接线端子可以分别用于连接储能电池等电源。
用于变流电路控制的控制***能够控制各开关单元的开关状态，在不同的开关状态下，可以实现电能的双向输送，将电源的电能送至直流母线，可以为连接于直流母线的用电设别提供电能，将直流母线的电能送至电源，可以为电源充电。
所述信息采集电路采集变流电路内的各种电流和电压信息，以便控制***进行相关控制，由于控制***对电能输送方向的控制以利于整体***及其各相关设备的状况，因此，也可以将用于采集***相关信号的电路视为所述的信号采集电路的一部分，所述信息采集电路的信号输出接入所述控制***，控制***通过对相关信息进行分析计算，进而生成和发出相应的控制信号，控制各所述功率开关管的开关状态，调节所述变流器的电路内电流的流向，对所述变流器两端进行定电压控制。
三个变流支路的输出使变流电路的电流容量提高了三倍，通过控制三个变流支路上开关元件的开关时间，使三个支付的输出波形相互交错120°，通过三路输出波形（通常为锯齿波）的交错叠加，可以波形明显平稳，总的电流纹波幅值相对于等效直流的比值大大降低，使电路的等效开关频率扩大到原来的三倍，并且纹波频率也增大到原来的三倍从而更好滤除，同时还降低了对电源侧电感的容量要求，使同等的变流容量下，使电感器的体积大大减小，而用作开关单元的电力电子器件的开关频率也无需太高，从而有效地降低了开关损耗。
所述控制***可以设有中央处理器及相关电路，例如接口电路和输出控制电路，所述输出控制电路可以采用PWM驱动控制电路。
在变流器进行空载启动时，若按照正常运行时的PI参数启动设备，则比例参数P过大将会导致占空比变化过快，进而导致电流上升过快，开关元件会发出刺耳的声音，影响开关元件寿命，甚至对开关元件造成损害。因此，在空载启动时先利用合适的PI参数进行软启动，设备的启动时间约为1s，当电压达到设定值后调整PI参数为设备正常运行时的值，从而更有利于设备的稳定运行与快速响应。
定电压控制的目标是维持输出侧电压的稳定，同时保证换流器内部不发生过流且三个桥臂（支路）的电流平衡，因此在进行闭环控制时需要在电压环的内部加入电流内环，实现对变流器的双闭环PI控制，其控制原理如图2所示，其中Uref为直流母线参考电压，Udc为直流母线实际电压，Iref为流经各桥臂的三路电流的电流参考值，Ia、Ib、Ic分别为三路电流值，Da、Db、Dc为各桥臂的占空比。相关附图中显示的三路电流的参考电流相同，且三个桥臂的PWM载波相互交错120°，从而三路电流为大小相同、相位交错的锯齿波。
在实际工作中,信号的采集往往需要经过滤波环节，再加上双闭环PI控制本身的响应速度较慢，因此当直流负载发生较大变化时，直流母线电压会产生较大跌落且回复时间相对较长，同时增大内环与外环的比例参数P可以提高换流器的响应速度，但是在实际运行中，比例参数（尤其是内环比例参数）过大会导致换流器占空比在稳定状态下的较大波动，进而引起换流器内部电流的剧烈波动，影响换流器稳态特性。加入前馈控制环节可以有效抑制负荷投切时引起的电压波动，当负载变化导致输出侧电容电压产生较大波动时，电压偏差量将直接导致内环参考电流的改变，从而增加电流内环的响应速度。这种前馈控制环节没有脱离电流内环，在负载发生变化时不会导致内部的三路电流过大。在设备稳态运行时，往往不希望启动前馈，因此可在前馈控制环节中加入死区环节，只在电压产生较大偏差时启动前馈。
在没有通讯的条件下实现多设备协调运行时，所述双闭环PI控制的内环控制依然可以依据或参照前述的定电压控制方法，外环控制方法则采用下垂控制方法，所述下垂控制的方法为：所述中央处理器根据设定的电流下垂曲线和直流母线电压控制三路电流输出的强度，维持直流母线电压的稳定。所述下垂控制的原理图如图3所示，其中， 为储能电池母排侧电容电压，为直流母排电压，为储能电池向直流微电网输入/输出的电流，为储能电池向直流微电网输入/输出的参考电流，为输出侧的滤波电感，为负载侧等效电阻。
上述下垂控制涉及的与下垂特性曲线如图4所示，其中Icm为最大放电电流，Ict为定电流充电电流，Idcm为最大充电电流。根据直流电压的变化量()可以将下垂曲线分为三部分，图4中选取电压分层切换点的门槛电压分别为0.02和0.05，用于下垂控制的稳定控制器根据程序设定的下垂曲线，根据直流母线电压来输出相应电流，从而实现直流母线电压的稳定。

Claims (10)

1.一种V2G直流双向储能变流器，其特征在于包括控制***和双向变流电路，所述双向变流电路包括母线侧电容、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、电源侧第一电感、电源侧第二电感、电源侧第三电感和电源侧电容，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂的上桥臂和下桥臂均采用相同的开关单元，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和电源侧电容的上端相互连接，并连接有直流母线正极连接端子，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、母线侧电容和电源侧电容的下端相互连接，并连接有直流母线负极连接端子和电源侧负极连接端子，所述电源侧第一电感、电源侧第二电感、电源侧第三电感的一端分别连接在所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂的上桥臂和下桥臂之间的连接处，另一端均与所述电源侧电容的上端相互连接，并连接有电源侧正极接线端子，所述控制***设有分别用于控制各所述开关单元状态的若干控制输出，各所述控制输出分别接入各自对应的所述开关单元的控制端，所述控制***设有用于采集控制用基础信息的信息采集电路，所述信息采集电路的信息输出接入所述控制***，所述控制***根据控制策略对来自所述信息采集电路的基础信息进行分析运算，生成用于控制各所述开关单元状态的控制信号，通过控制各所述功率开关管的开关状态控制所述双向变流电路的电流方向及输出侧电压，实现对输出侧电压的定电压控制。
2.如权利要求1所述的V2G直流双向储能变流器，其特征在于所述控制***通过PWM方式调节各桥臂所在支路的输出侧电压的大小，进而调节所述变流电路的输出侧总电压的大小，所述PWM采用三角载波且分别用于三个桥臂的三个三角载波的相位差依次为120°，由此使流经三个桥臂的三路电流的相位差依次为120°。
3.如权利要求2所述的V2G直流双向储能变流器，其特征在于所述控制***采用双闭环PI控制的方式进行输出侧的定电压控制，以电压环为主控制环，在所述电压环的内部加入电流内环。
4.如权利要求3所述的V2G直流双向储能变流器，其特征在于在进行所述双闭环PI控制的过程中，以输出侧电压变化为扰动量在所述电流环中加入前馈控制，所述输出侧电压变化优选从PI控制的电压环比较器获得。
5.如权利要求4所述的V2G直流双向储能变流器，其特征在于在所述前馈控制中设置死区，当输出侧电压变化小于设定值时关闭所述前馈控制。
6.如权利要求3-5中任意一项所述的V2G直流双向储能变流器，其特征在于在空载启动时通过调节PI参数以稳定运行过程，具体为：空载启动时采用较低的PI参数进行所述的PI控制，并随着输出侧电压的升高提高PI参数，在输出侧电压达到设定值后，将PI参数设置为正常运行时的值。
7.如权利要求3-5中任意一项所述的V2G直流双向储能变流器，其特征在于在多设备协调运行且没有通讯条件的状况下，将双闭环中作为控制外环的电压环的控制方式设定为下垂控制。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的V2G直流双向储能变流器，其特征在于所述开关单元为并联有续流二极管的IGBT，所述IGBT的基极构成所述开关单元的控制端子，同一桥臂中用作上桥臂的上IGBT的发射极连接用作下桥臂的下IGBT的集电极，用作上桥臂的上IGBT的集电极构成其所在桥臂的上端，用作下桥臂的下IGBT的发射极构成其所在桥臂的下端。
9.如权利要求8所述的V2G直流双向储能变流器，其特征在于所述控制***设有处理器，所述处理器的芯片优选为工业级DSP芯片。
10.如权利要求1-7中任意一项所述的V2G直流双向储能变流器，其特征在于所述控制***设有能够与远程控制中心通信的远程通信单元和/或能够接入计算机网络的网络接入单元，通过所述远程通信单元与远程控制中心通信连接，通过所述网络接入单元与远端服务器通信连接。
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