廣東省輸變電工程公司 秦 理
變電站嵌入式智能充放電控制系統(tǒng)
廣東省輸變電工程公司 秦 理
研究開發(fā)基于嵌入式智能變電站高效充放電控制系統(tǒng),應(yīng)用先進的DSP控制芯片和IGBT整流器件,采用SPWM脈寬調(diào)制和PFC功率因數(shù)矯正技術(shù),替代傳統(tǒng)高耗能可控硅移相整流電源;采用能量回收循環(huán)利用直流母線模式,消除諧波對充放電設(shè)備的污染和干擾,使得設(shè)備整體的能量利用、轉(zhuǎn)換效率得到一個顯著地提高。
IGBT功率器件;高頻SPWM脈寬調(diào)制;PFC恒壓逆變控制;恒壓逆變
變電站直流電源采用工頻交流電源整流得到,通常采用可控硅作為整流功率器件。傳統(tǒng)的直流系統(tǒng)采用交流輸入,輸出的功率因數(shù)較低,同時會產(chǎn)生較大的諧波,不僅浪費能量,同時產(chǎn)生較大的諧波污染。變電站充放電設(shè)備的改造可以從造成設(shè)備功率因素低以及諧波較大的原因出發(fā),采用功率因素更高的功率器件(如IGBT),提高功率的開關(guān)頻率和轉(zhuǎn)換效率,減小對變壓器、電抗器的大小,減少電能在這些元器件上的損耗;同時,采用直流母排技術(shù),可以最大限度消除諧波對充放電設(shè)備的污染和干擾,使得設(shè)備整體的能量利用、轉(zhuǎn)換效率得到一個顯著地提高。
在蓄電池的充放電過程中,充電電壓、電流的準(zhǔn)確、穩(wěn)定是蓄電池快速有效地充放電的關(guān)鍵。在直流母線供電的情況下,由于負(fù)載本身的波動以及數(shù)字化智能高效充放電系統(tǒng)的能量回饋的原因,直流母線的電壓常處于一個變化的狀態(tài)。因此,必須對AC/DC轉(zhuǎn)換部分以及DC/DC轉(zhuǎn)換部分的控制方法進行改進,使其快速適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)的變化,對母線電壓,對充電電壓、電流進行快速有效地控制。
將高頻整流逆變技術(shù)應(yīng)用于大功率站用直流電源領(lǐng)域,需要研發(fā)基于三相高頻SPWM脈寬調(diào)制整流逆變蓄電池充放電裝置。交流側(cè)采用IGBT作為功率變換器件,實現(xiàn)AC/DC雙向變換形成公共直流母線;從公共母線擴展N回路雙向DC/DC變換器,實現(xiàn)對蓄電池的充放電處理。高頻AC/DC變換系統(tǒng)可獲接近于1的功率因數(shù),雙向DC/DC變換器可達到90%以上轉(zhuǎn)換效率,顯著降低了對電網(wǎng)的諧波污染,提高電能轉(zhuǎn)換效率;并且電池放出電能回饋到直流母線可以被重新利用,滿足綠色環(huán)保和節(jié)能的設(shè)計要求。
實現(xiàn)一種能量雙向流動的電池數(shù)字化智能高效充放電系統(tǒng)。通過能量的雙向循環(huán),可以使正在放電的系統(tǒng)為正在充電的系統(tǒng)提供一部分的電能,實現(xiàn)電能在整個系統(tǒng)內(nèi)部的有效循環(huán)。通過對系統(tǒng)參數(shù)的實時提取和處理,對電能的使用實施動態(tài)調(diào)整。對整個系統(tǒng)的電能流動狀態(tài)進行建模,對影響電能流動和引起電能損耗的因素進行構(gòu)序分析,以充放電系統(tǒng)為基礎(chǔ),將電能調(diào)度問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)規(guī)劃形式,利用多目標(biāo)線性數(shù)學(xué)規(guī)劃方法,實現(xiàn)能源動態(tài)平衡和優(yōu)化調(diào)度,實現(xiàn)電池放電能量回收,把回收的電能用于照明、供電、再充電等二次利用。
新型充放電控制系統(tǒng)由多套充放電機組組成,每套充放電機組主要包括:AC/DC整流電路、DC/AC逆變電路及其控制電路、雙向DC/DC變換電路及其控制電路、數(shù)據(jù)采集電路和接入點。遠(yuǎn)程終端可通過本地控制服務(wù)器動態(tài)加入多個充電裝置??刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
在蓄電池充電時,通過三相PFC升壓控制實現(xiàn)AC/DC變換。將交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成充電所需的直流電壓;在蓄電池放電時,通過三相PFC恒壓逆變控制實現(xiàn)DC/AC變換,將蓄電池釋放的能量回饋電網(wǎng)。通過閉環(huán)控制實現(xiàn)直流端電壓U的穩(wěn)定,通過對直流端電壓U的恒壓控制,實現(xiàn)逆變器的功率流向,從而實現(xiàn)能量的自動雙向流動。雙向DC/DC變換電路完成逆變直流電能與蓄電池電能的轉(zhuǎn)換,以保證蓄電池充放電過程中所要求的電流、電壓和時間的控制;各系統(tǒng)采用單獨的CPU管理,控制電流的大小和流向,從而控制功率的大小和方向。
圖1 充放電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
1)AC/DC整流電路
整流電路原理圖如圖2所示。
圖2 三相全橋電壓型整流電路
2)DC/AC逆變電路
DC/AC主逆變電路如圖3所示。
圖3 三相全橋逆變電路
3)DC/AC模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
圖4 AC/DC控制回路模塊結(jié)構(gòu)圖
工作原理:在DC到AC階段,通過協(xié)同各個IGBT的開關(guān),實現(xiàn)正弦波調(diào)制功能,保持直流端電壓穩(wěn)定;回路計量和校準(zhǔn)實現(xiàn)微機自動計量、在線校準(zhǔn)。DSP從基準(zhǔn)源讀取實際值后和設(shè)定值比較自動算出偏差,控制器內(nèi)部自動矯正偏差,并將偏差系數(shù)記錄保存調(diào)用;根據(jù)監(jiān)控芯片提供的報警信息,迅速做出相應(yīng)的處理;
4)DC/DC逆變電路
基于SPWM的IGBT整流電路原理圖如圖5所示。
圖5 DC/DC雙向變換主電路原理圖
5)DC/DC模塊結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。
圖6 DC/DC控制電路模塊
DC/DC電路充電控制上,采用分步式充電法,即充電一段時間后可暫停,再進行下一輪充電或放電。在充電過程中,各個電池的充電回路開關(guān)只能關(guān)斷,不能打開。若加入新的電池,只能在下一個時間段才開始充電。另外,控制芯片將根據(jù)電池的屬性以及當(dāng)前充電電池數(shù)目的不同,調(diào)整電路的電流流量,以實現(xiàn)功率控制。采用全橋隔離型雙向DC/DC 變換器作為充放電系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu),由于該種變換器提高了工作頻率,故變壓器和輸出濾波器的體積均可減小。副邊對原邊充電時,同樣存在滿調(diào)制和移相控制兩種情況。但是,通常情況下充電要求恒流充電,因此,也可以通過移相控制來滿足此要求。
實現(xiàn)功能:
根據(jù)充放電工藝不同調(diào)整DC/DC電路工作模式,完成整流和逆變,實現(xiàn)電網(wǎng)電能和蓄電池電能的雙向轉(zhuǎn)換;實現(xiàn)分段充電功能,能根據(jù)接收的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的電路工作模式控制和電流控制;對整組電池的電流、電壓以及溫度的采集供AC/DC的觸摸屏顯示。
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秦理(1984-),碩士,就職于廣東省輸變電工程公司,主要研究方向為變電站調(diào)試、智能電網(wǎng)。