CN101944745B - 储能系统及该储能系统的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种储能系统，包括用于控制产生空间矢量脉宽调制信号和脉宽调制信号并得到离散空间矢量脉宽调制信号控制器；主电路，该主电路包括用于储存和释放电能的储能装置，推挽变换器，包括高频变压器，采用高频电压器升压对储能系统的输入和输出进行电气隔离，将高频交流电压转换为工频交流电的周波变换器，对并网电流进行滤波的滤波电感；以及用于采集外部电路的电压及电流的采样电路。此种储能系统能产生离散脉冲式SVPWM，母线电压的利用率较高，总谐波含量低，适用范围较广。本发明还提供一种储能系统的控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种储能系统及控制方法，特别是涉及一种电网削峰填谷的储能系统及控制方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，储能系统的用途越来越广，如不间断电源(UPS)，电动车以及电网削峰填谷的储能装置。储能装置在用电低谷时段(充电)，将电能储存起来，在用电高峰时段(放电)，释放电能支撑电网。为了能达到的削峰填谷的效果，储能装置与电网之间的变流器不仅要有双向变流能力，同时要求变流的快速响应，以及系统的单位功率因数。
国家知识产权局于2009年10月公开的专利“谷电峰用储能装置”采用buck型逆变器作为双向变流器，储能装置直接接逆变器母线，逆变器的输出通过无源滤波器接电网，采用SPWM控制。可以做功率因数校正，但buck逆变器要求母线电压高于交流输出电压，所以这种拓扑不适合低电压的储能装置，如超级电容器。并且电网与储能装置之间无电气隔离。IEEE Trans.on Power Electronics【电力电子期刊】于2008年第5期发表了“Three-Phase Boost-Type Grid-Connected Inverter”【三相boost型并网逆变器】一文，在直流侧加感，构成升压型逆变器，采用单周控制策略，一定程度上降低了直流侧电压，但boost型变换器升压能力有限，对超级电容这种超低压的储能装置仍然不适用，并且采用boost型逆变器，增加了输出电流的总谐波含量(THD)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种储能系统及该储能系统的控制方法，能够适用于低电压的储能装置，使用广泛。
为了解决上述问题，本发明公开了一种储能系统，包括用于控制产生空间矢量脉宽调制信号和脉宽调制信号并得到离散空间矢量脉宽调制信号控制器；主电路，该主电路包括用于储存和释放电能的储能装置，推挽变换器，包括高频变压器，采用高频电压器升压对储能系统的输入和输出进行电气隔离，将高频交流电压转换为工频交流电的周波变换器，对并网电流进行滤波的滤波电感；以及用于采集电网电压及并网电流的采样电路；其中，所述的控制器包括复杂可编程逻辑器件，所述空间矢量脉宽调制信号和脉宽调制信号通过复杂可编程逻辑器件进行同或逻辑得到离散空间矢量脉宽调制信号。
进一步地，该控制器包括数字信号处理芯片，该数字信号处理芯片包括事件管理器模块EVA和事件管理器模块EVB，事件管理器模块EVA用于产生空间矢量脉宽调制信号，事件管理器模块EVB用于产生占空比为50％的脉宽调制信号。
进一步地，该事件管理器模块EVA具有第一定时器，第一定时器采用先增后减的计数方式，事件管理器模块EVB具有第二定时器，第二定时器采用单增的计数方式。
进一步地，该推挽变换器还包括第一开关管和第二开关管，所述储能装置的正极接高频变压器原边的中间抽头，负极分别接第一开关管和第二开关管的源极或发射极，高频变压器的副边与周波变换器的母线连接。
进一步地，该第一开关管和第二开关管是绝缘栅型场效应管或绝缘栅双极型晶体管。
进一步地，该周波变换器为三相周波变换器，由六个双向开关按三相全桥的方式连接而成。
进一步地，该双向开关由两个绝缘栅型场效应管或绝缘栅双极型晶体管，按共源极或共发射极的方式连接而成。
进一步地，该储能系统充放电时采用电流环解耦控制。
本发明还公开一种储能系统的控制方法，包括：推挽变换器中的高频变压器将储能装置的电压升压为高频交流脉冲后，作为母线电压输入至周波变换器；事件管理器模块EVB产生占空比为50％的脉宽调制信号驱动推挽变换器并决定周波变换器的母线电压极性；事件管理器模块EVA产生空间矢量脉宽调制信号来驱动周波变换器并决定周波变换器的开关模态，周波变换器的母线电压为正时，驱动信号为空间矢量脉宽调制信号，母线电压为负时，驱动信号为空间矢量脉宽调制信号取反；脉宽调制信号和空间矢量脉宽调制信号同步后在复杂可编程逻辑器件进行同或逻辑得到离散空间矢量脉宽调制信号。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的储能系统采用推挽变换器和周波变换器共同作用，产生离散脉冲式SVPWM，母线电压的利用率较高，总谐波含量低。通过推挽变换器中的高频变压器升压，对整个储能系统的输入和输出进行电气隔离，避免电路之间互相干扰。此外，因为高频变压器的升压作用，即使储能装置为低电压，也可以通过高频变压器对其进行放大，因此此种储能系统也能用于低电压的储能装置，适用范围较广。
附图说明
图1是本发明实施例的储能系统的结构示意图。
图2是本发明实施例的主电路的结构示意图。
图3是本发明实施例的储能系统中产生的离散脉冲式SVPWM的电压矢量空间图。
图4是图3所示电压矢量空间图的第一扇区的离散脉冲式SVPWM的驱动信号图。
图5是基于d-q坐标变换的电流内环控制图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参照图1，示出一种储能系统，包括控制器10、主电路30和采样电路50。
控制器10包括数字信号处理芯片11、复杂可编程逻辑器件13、通用输入输出电路15和开关驱动电路。数字信号处理芯片11内包括事件管理器模块EVA和事件管理器模块EVB。EVA包括第一定时器111和第一比较单元112，EVB包括第二定时器115和第二比较单元116。第一定时器111和第一比较单元112用于产生SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)，第一定时器111采用先增后减的计数方式。第二定时器115和第二比较单元116用于产生推挽变换器的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)，第二定时器115采用单增的计数方式。
请同时参照图2，主电路30包括储能装置31、推挽变换器33、周波变换器35和滤波电感37。本实施例中，储能装置31为超级电容。推挽变换器33包括第一开关管331、第二开关管333和隔离式高频变压器335。第一开关管331和第二开关管333为三极管，可以是绝缘栅双极型晶体管，也可以是绝缘栅型场效应管。高频变压器335的原边绕组被中间抽头等分为NP1，NP2，副边绕组为NS，NP1∶NP2∶NS＝1∶1∶N。滤波电感37用于对并网电流进行滤波，以减小并网电流的谐波含量。
储能装置31的正极接高频变压器335原边的中间抽头，负极分别接第一开关管331和第二开关管333的发射极。高频变压器335的副边与周波变换器35的母线连接。周波变换器35为三相周波变换器，由六个双向开关SW1-SW6按三相全桥的方式连接而成。双向开关由两个N沟道的绝缘栅双极型晶体管或者绝缘栅型场效应管按供发射极的方式串联而成。滤波电感37一端与周波变换器35连接，另一端与电网连接。
请再参照图1，采样电路50包括电压传感器51、电流传感器52、调理电路53和模数转换芯片55。本实施例中，电压电流传感器51为霍尔传感器。电压传感器51电网电压，电流传感器52用于检测并网电流，并通过电压传感器51检测的电网电压及电流传感器52检测的并网电流均通过调理电路53进行调理后传送给模数转换芯片55，模数转换芯片55再将信号传送给控制器10中的数字信号处理芯片11。
请参阅图2至图4，本发明实施例的储能系统中的离散脉冲式SVPWM信号产生的控制方法为包括以下步骤：
S101，推挽变换器33中的高频变压器335将储能装置31的电压升压为高频交流脉冲后，作为母线电压输入至周波变换器35。
S102，事件管理器模块EVB产生占空比为50％的脉宽调制信号驱动推挽变换器并决定周波变换器的母线电压极性。
S103，事件管理器模块EVA产生空间矢量脉宽调制信号来驱动周波变换器并决定周波变换器的开关模态，周波变换器的母线电压为正时，驱动信号为空间矢量脉宽调制信号，母线电压为负时，驱动信号为空间矢量脉宽调制信号取反。
S104，脉宽调制信号和空间矢量脉宽调制信号同步后在复杂可编程逻辑器件进行同或逻辑得到离散空间矢量脉宽调制信号。
下面对上述步骤进行详细说明，周波变换器35的上下桥臂开关状态互补，共有八种开关模式(000)、(001)、(010)、(011)、(100)、(101)、(110)及(111)。其中，(000)和(111)对应零电压矢量，其余六种开关模式对应非零电压矢量。六个非零电压矢量将电压矢量空间分成六个扇区，当参考电压位于某个扇区时，依据SVPWM的原理，可通过该扇区边界上相邻的两个电压矢量和两个零电压矢量的交替作用合成参考电压矢量。周波变换器35的母线电压为高频交流脉冲波，同一种开关模式下，当母线电压分别为正负时，对应的电压矢量刚好相反。因此，当母线电压为正时，周波变换器35的 驱动信号为传统的SVPWM信号，当母线电压为负时，周波变换器35的驱动信号为传统的SVPWM取反。此种离散脉冲式SVPWM虽然也是通过两个非零电压矢量对参考电压矢量进行合成，实际却因为母线电压的正负不同而涉及了四种开关模式。其中，周波变换器35的母线电压极性由推挽变换器33的驱动信号决定，通过周波变换器35和推挽变换器33驱动信号的同步来实现离散脉冲式SVPWM。
在控制器10的数字信号处理芯片11中，第一定时器111和第二定时器115同时启动，第一开关管331和第二开关管333的PWM占空比为50％。因此第一定时器111的增计数曲线内，两个开关管331，333的驱动信号为(01)，即第二开关管333导通，此时，周波变换器35的母线电压为正。第一定时器111的减计数区间内，两个开关管331，333的驱动信号为(10)，即第一开关管331导通，此时，周波变换器35的母线电压为负。PWM信号和SVPWM信号在复杂可编程逻辑器件13中作同或逻辑，最终得到离散脉冲式SVPWM(DPSVPWM)(如图3所示)。
请再参照图1，图2，图4和图5，此种储能系统在放电时，双向变流器工作于逆变模式，以输出滤波电感37上的电流为给定，控制输入电网的电流。首先，通过采样电路50中的电压传感器51检测三相电网电压，通过锁相算法算出电网的相位角θ。通过电流传感器52检测输出三相并网电流ia，ib，ic，然后通过Clark变换将其转换为两相静止坐标系下的iα，iβ，再利用电网相位角θ通过Park变换将其转换为两相旋转坐标系下的id，iq。在d-q坐标系下，对并网电流做比例-积分控制(PI控制)，三相对称的交流量转换到同步旋转的d-q坐标系下为常量，所以可以用比例-积分控制器消除静态误差，使并网电流对给定理想交流量无静差跟踪。另外id代表有功电流，iq代表无功电流。通过控制id，iq可使输出功率因数为0～1的任意值。以流入电网为电流正方向，逆变时，id应大于0。因为最终是通过控制并网电感上的电压降来控制并网电流，所以d轴控制器的输出为uq，q轴控制 器的输出为-ud。ud，uq经反Park变换转换为uα，uβ，二者和周波变换器35的母线电压一同作为离散脉冲式SVPWM的输入。因为周波变换器35的母线电压是高频交流脉冲波，再加上高频变压器335漏感造成的电压尖峰，使其幅值很难被正确的检测到，实际操作中，通过电压传感器检测直流侧储能装置31的电压，然后乘以高频变压器335的匝比得到周波变换器35母线电压幅值。逆变放电过程中，储能装置31的电压会不断降低，当储能装置31的电压低于一定值时，停止逆变。
充电时，双向变流器工作于整流模式。仍然通过控制电网侧电流来控制充电功率，此时iq给定为负，iq给定为0。当储能装置31的电压高于最高充电电压时，iq给定为0，停止充电。
本发明实施例的储能系统采用推挽变换器33和周波变换器35共同作用，产生离散脉冲式SVPWM，母线电压的利用率较高，总谐波含量低。通过推挽变换器33中的高频变压器335升压，对整个储能系统的输入和输出进行电气隔离，避免电路之间互相干扰。此外，因为高频变压器335的升压作用，可使储能装置31的电压被放大，即使储能装置31为低电压，也可以通过高频变压器335对其进行放大，因此此种储能系统也能用于低电压的储能装置31，适用范围较广。通过高频变压器335升压的并网电流的频率较高，通过滤波电感37对并网电流进行滤波可以减小并网电流的谐波含量。
以上对本发明所提供的一种储能系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种储能系统，其特征在于，包括：
控制器，控制产生空间矢量脉宽调制信号和脉宽调制信号并得到离散空间矢量脉宽调制信号；所述控制器包括复杂可编程逻辑器件，所述空间矢量脉宽调制信号和脉宽调制信号通过复杂可编程逻辑器件进行同或逻辑得到离散空间矢量脉宽调制信号；
主电路，包括：
储能装置，储存和释放电能；
推挽变换器，包括高频变压器，采用高频电压器升压对储能系统的输入和输出进行电气隔离；
周波变换器，将高频交流电压转换为工频交流电；
滤波电感，对并网电流进行滤波；
采样电路，采集电网电压及并网电流。
2.如权利要求1所述的储能系统，其特征在于，所述控制器包括数字信号处理芯片，该数字信号处理芯片包括事件管理器模块EVA和事件管理器模块EVB，事件管理器模块EVA用于产生空间矢量脉宽调制信号，事件管理器模块EVB用于产生占空比为50％的脉宽调制信号。
3.如权利要求2所述的储能系统，其特征在于，所述事件管理器模块EVA具有第一定时器，第一定时器采用先增后减的计数方式，事件管理器模块EVB具有第二定时器，第二定时器采用单增的计数方式。
4.如权利要求1所述的储能系统，其特征在于，所述推挽变换器还包括第一开关管和第二开关管，所述储能装置的正极接高频变压器原边的中间抽头，负极分别接第一开关管和第二开关管的源极或发射极，高频变压器的副边与周波变换器的母线连接。
5.如权利要求4所述的储能系统，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管是绝缘栅型场效应管或绝缘栅双极型晶体管。
6.如权利要求4所述的储能系统，其特征在于，所述周波变换器为三相周波变换器，由六个双向开关按三相全桥的方式连接而成。
7.如权利要求6所述的储能系统，其特征在于，所述双向开关由两个绝缘栅型场效应管或绝缘栅双极型晶体管，按共源极或共发射极的方式连接而成。
8.如权利要求4所述的储能系统，其特征在于，所述储能系统充放电时采用电流环解耦控制。
9.一种储能系统的控制方法，其特征在于，包括：
推挽变换器中的高频变压器将储能装置的电压升压为高频交流脉冲后，作为母线电压输入至周波变换器；
事件管理器模块EVB产生占空比为50％的脉宽调制信号驱动推挽变换器并决定周波变换器的母线电压极性；
事件管理器模块EVA产生空间矢量脉宽调制信号来驱动周波变换器并决定周波变换器的开关模态，周波变换器的母线电压为正时，驱动信号为空间矢量脉宽调制信号，母线电压为负时，驱动信号为空间矢量脉宽调制信号取反；
脉宽调制信号和空间矢量脉宽调制信号同步后在复杂可编程逻辑器件进行同或逻辑得到离散空间矢量脉宽调制信号。
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