專利名稱：儲能系統及該儲能系統的控制方法
技術領域：
本發明涉及一種儲能系統及控制方法，特別是涉及一種電網削峰填谷的儲能系統 及控制方法。
背景技術：
隨著電力電子技術的發展，儲能系統的用途越來越廣，如不間斷電源(UPS)，電動 車以及電網削峰填谷的儲能裝置。儲能裝置在用電低谷時段(充電)，將電能儲存起來，在 用電高峰時段(放電)，釋放電能支撐電網。為了能達到的削峰填谷的效果，儲能裝置與電 網之間的變流器不僅要有雙向變流能力，同時要求變流的快速響應，以及系統的單位功率 因數。國家知識產權局于2009年10月公開的專利“谷電峰用儲能裝置”采用buck型 逆變器作為雙向變流器，儲能裝置直接接逆變器母線，逆變器的輸出通過無源濾波器接電 網，采用SPWM控制。可以做功率因數校正，但buck逆變器要求母線電壓高于交流輸出電 壓，所以這種拓撲不適合低電壓的儲能裝置，如超級電容器。并且電網與儲能裝置之間無 電氣隔離。IEEE Trans, on Power Electronics電力電子期刊于2008年第5期發表了 "Three-Phase Boost-Type Grid-Connected Inverter”三相 boost 型并網逆變器一文， 在直流側加感，構成升壓型逆變器，采用單周控制策略，一定程度上降低了直流側電壓，但 boost型變換器升壓能力有限，對超級電容這種超低壓的儲能裝置仍然不適用，并且采用 boost型逆變器，增加了輸出電流的總諧波含量(THD)。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種儲能系統及該儲能系統的控制方法，能夠 適用于低電壓的儲能裝置，使用廣泛。為了解決上述問題，本發明公開了一種儲能系統，包括用于控制產生空間矢量脈 寬調制信號和脈寬調制信號并得到離散空間矢量脈寬調制信號控制器；主電路，該主電路 包括用于儲存和釋放電能的儲能裝置，推挽變換器，包括高頻變壓器，采用高頻電壓器升壓 對儲能系統的輸入和輸出進行電氣隔離，將高頻交流電壓轉換為工頻交流電的周波變換 器，對并網電流進行濾波的濾波電感；以及用于采集外部電路的電壓及電流的采樣電路。進一步地，該控制器包括數字信號處理芯片，該數字信號處理芯片包括事件管理 器模塊EVA和事件管理器模塊EVB，事件管理器模塊EVA用于產生空間矢量脈寬調制信號， 事件管理器模塊EVB用于產生占空比為50 %的脈寬調制信號。進一步地，該事件管理器模塊EVA具有第一定時器，第一定時器采用先增后減的 計數方式，事件管理器模塊EVB具有第二定時器，第二定時器采用單增的計數方式。進一步地，該控制器還包括復雜可編程邏輯器件，所述空間矢量脈寬調制信號和 脈寬調制信號通過復雜可編程邏輯器件進行同或邏輯得到離散空間矢量脈寬調制信號。進一步地，該推挽變換器還包括第一開關管和第二開關管，所述儲能裝置的正極接高頻變壓器原邊的中間抽頭，負極分別接第一開關管和第二開關管的源極或發射極。高 頻變壓器的副邊與周波變換器的母線連接。進一步地，該第一開關管和第二開關管是絕緣柵型場效應管或絕緣柵雙極型晶體管。進一步地，該周波變換器為三相周波變換器，由六個雙向開關按三相全橋的方式 連接而成。進一步地，該雙向開關由兩個絕緣柵型場效應管或絕緣柵雙極型晶體管，按共源 極或共發射極的方式連接而成。進一步地，該儲能系統充放電時采用電流環解耦控制。本發明還公開一種儲能系統的控制方法，包括推挽變換器中的高頻變壓器將儲 能裝置的電壓升壓為高頻交流脈沖后，作為母線電壓輸入至周波變換器；事件管理器模塊 EVB產生占空比為50%的脈寬調制信號驅動推挽變換器并決定周波變換器的母線電壓極 性；事件管理器模塊EVA產生空間矢量脈寬調制信號來驅動周波變換器并決定周波變換器 的開關模態，周波變換器的母線電壓為正時，驅動信號為空間矢量脈寬調制信號，母線電壓 為負時，驅動信號為空間矢量脈寬調制信號取反；脈寬調制信號和空間矢量脈寬調制信號 同步后在復雜可編程邏輯器件進行同或邏輯得到離散空間矢量脈寬調制信號。與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明的儲能系統采用推挽變換器和周波變換器共同作用，產生離散脈沖式 SVPWM，母線電壓的利用率較高，總諧波含量低。通過推挽變換器中的高頻變壓器升壓，對整 個儲能系統的輸入和輸出進行電氣隔離，避免電路之間互相干擾。此外，因為高頻變壓器的 升壓作用，即使儲能裝置為低電壓，也可以通過高頻變壓器對其進行放大，因此此種儲能系 統也能用于低電壓的儲能裝置，適用范圍較廣。
圖1是本發明實施例的儲能系統的結構示意圖。圖2是本發明實施例的主電路的結構示意圖。圖3是本發明實施例的儲能系統中產生的離散脈沖式SVPWM的電壓矢量空間圖。圖4是圖3所示電壓矢量空間圖的第一扇區的離散脈沖式SVPWM的驅動信號圖。圖5是基于d_q坐標變換的電流內環控制圖。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實 施方式對本發明作進一步詳細的說明。請參照圖1，示出一種儲能系統，包括控制器10、主電路30和采樣電路50。控制器10包括數字信號處理芯片11、復雜可編程邏輯器件13、通用輸入輸出電路 15和開關驅動電路。數字信號處理芯片11內包括事件管理器模塊EVA和事件管理器模塊 EVB0 EVA包括第一定時器111和第一比較單元112，EVB包括第二定時器115和第二比較單 元116。第一定時器111和第一比較單元112用于產生SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空間矢量脈寬調制)，第一定時器111采用先增后減的計數方式。第二定時器115和第二比較單元116用于產生推挽變換器的PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度 調制)，第二定時器115采用單增的計數方式。請同時參照圖2，主電路30包括儲能裝置31、推挽變換器33、周波變換器35和濾 波電感37。本實施例中，儲能裝置31為超級電容。推挽變換器33包括第一開關管331、第 二開關管333和隔離式高頻變壓器335。第一開關管331和第二開關管333為三極管，可以 是絕緣柵雙極型晶體管，也可以是絕緣柵型場效應管。高頻變壓器335的原邊繞組被中間 抽頭等分為Npi，Np2，副邊繞組為Ns，Npi Np2 Ns = 1 1 N。濾波電感37用于對并網 電流進行濾波，以減小并網電流的諧波含量。儲能裝置31的正極接高頻變壓器335原邊的中間抽頭，負極分別接第一開關管 331和第二開關管333的發射極。高頻變壓器335的副邊與周波變換器35的母線連接。周 波變換器35為三相周波變換器，由六個雙向開關SW1-SW6按三相全橋的方式連接而成。雙 向開關由兩個N溝道的絕緣柵雙極型晶體管或者絕緣柵型場效應管按供發射極的方式串 聯而成。濾波電感37 —端與周波變換器35連接，另一端與電網連接。請再參照圖1，采樣電路50包括電壓傳感器51、電流傳感器52、調理電路53和模 數轉換芯片55。本實施例中，電壓電流傳感器51為霍爾傳感器。電壓傳感器51電網電壓， 電流傳感器52用于檢測并網電流，并通過電壓傳感器51檢測的電網電壓及電流傳感器52 檢測的并網電流均通過調理電路53進行調理后傳送給模數轉換芯片55，模數轉換芯片55 再將信號傳送給控制器10中的數字信號處理芯片11。請參閱圖2至圖4，本發明實施例的儲能系統中的離散脈沖式SVPWM信號產生的控 制方法為包括以下步驟S101，推挽變換器33中的高頻變壓器335將儲能裝置31的電壓升壓為高頻交流 脈沖后，作為母線電壓輸入至周波變換器35。S102，事件管理器模塊EVB產生占空比為50%的脈寬調制信號驅動推挽變換器并 決定周波變換器的母線電壓極性。S103，事件管理器模塊EVA產生空間矢量脈寬調制信號來驅動周波變換器并決定 周波變換器的開關模態，周波變換器的母線電壓為正時，驅動信號為空間矢量脈寬調制信 號，母線電壓為負時，驅動信號為空間矢量脈寬調制信號取反。S104，脈寬調制信號和空間矢量脈寬調制信號同步后在復雜可編程邏輯器件進行 同或邏輯得到離散空間矢量脈寬調制信號。下面對上述步驟進行詳細說明，周波變換器35的上下橋臂開關狀態互補，共有八 種開關模式(000)、(001)、(010)、(011)、(100)、(101)、(110)及(111)。其中，(000)和 (111)對應零電壓矢量，其余六種開關模式對應非零電壓矢量。六個非零電壓矢量將電壓矢 量空間分成六個扇區，當參考電壓位于某個扇區時，依據SVPWM的原理，可通過該扇區邊界 上相鄰的兩個電壓矢量和兩個零電壓矢量的交替作用合成參考電壓矢量。周波變換器35 的母線電壓為高頻交流脈沖波，同一種開關模式下，當母線電壓分別為正負時，對應的電壓 矢量剛好相反。因此，當母線電壓為正時，周波變換器35的驅動信號為傳統的SVPWM信號， 當母線電壓為負時，周波變換器35的驅動信號為傳統的SVPWM取反。此種離散脈沖式SVPWM 雖然也是通過兩個非零電壓矢量對參考電壓矢量進行合成，實際卻因為母線電壓的正負不 同而涉及了四種開關模式。其中，周波變換器35的母線電壓極性由推挽變換器33的驅動信號決定，通過周波變換器35和推挽變換器33驅動信號的同步來實現離散脈沖式SVPWM。在控制器10的數字信號處理芯片11中，第一定時器111和第二定時器115同時啟 動，第一開關管331和第二開關管333的PWM占空比為50%。因此第一定時器111的增計 數曲線內，兩個開關管331，333的驅動信號為(01)，即第二開關管333導通，此時，周波變換 器35的母線電壓為正。第一定時器111的減計數區間內，兩個開關管331，333的驅動信號 為(10)，即第一開關管331導通，此時，周波變換器35的母線電壓為負。PWM信號和SVPWM 信號在復雜可編程邏輯器件13中作同或邏輯，最終得到離散脈沖式SVPWM (DPSVPWM)(如圖 3所示)。請再參照圖1，圖2，圖4和圖5，此種儲能系統在放電時，雙向變流器工作于逆變模 式，以輸出濾波電感37上的電流為給定，控制輸入電網的電流。首先，通過采樣電路50中 的電壓傳感器51檢測三相電網電壓，通過鎖相算法算出電網的相位角Θ。通過電流傳感 器52檢測輸出三相并網電流ia，ib，i。，然后通過Clark變換將其轉換為兩相靜止坐標系下 的ia，ie，再利用電網相位角θ通過Park變換將其轉換為兩相旋轉坐標系下的h，、。在 d-q坐標系下，對并網電流做比例-積分控制(PI控制)，三相對稱的交流量轉換到同步旋 轉的d-q坐標系下為常量，所以可以用比例_積分控制器消除靜態誤差，使并網電流對給定 理想交流量無靜差跟蹤。另外id代表有功電流，代表無功電流。通過控制id，、可使輸 出功率因數為0 1的任意值。以流入電網為電流正方向，逆變時，id應大于0。因為最終 是通過控制并網電感上的電壓降來控制并網電流，所以d軸控制器的輸出為U,，q軸控制器 的輸出為_ud。ud, uq經反Park變換轉換為Ua，U0，二者和周波變換器35的母線電壓一同 作為離散脈沖式SVPWM的輸入。因為周波變換器35的母線電壓是高頻交流脈沖波，再加上 高頻變壓器335漏感造成的電壓尖峰，使其幅值很難被正確的檢測到，實際操作中，通過電 壓傳感器檢測直流側儲能裝置31的電壓，然后乘以高頻變壓器335的匝比得到周波變換器 35母線電壓幅值。逆變放電過程中，儲能裝置31的電壓會不斷降低，當儲能裝置31的電壓 低于一定值時，停止逆變。充電時，雙向變流器工作于整流模式。仍然通過控制電網側電流來控制充電功率， 此時給定為負，給定為0。當儲能裝置31的電壓高于最高充電電壓時，給定為0，停 止充電。本發明實施例的儲能系統采用推挽變換器33和周波變換器35共同作用，產生離 散脈沖式SVPWM，母線電壓的利用率較高，總諧波含量低。通過推挽變換器33中的高頻變壓 器335升壓，對整個儲能系統的輸入和輸出進行電氣隔離，避免電路之間互相干擾。此外， 因為高頻變壓器335的升壓作用，可使儲能裝置31的電壓被放大，即使儲能裝置31為低電 壓，也可以通過高頻變壓器335對其進行放大，因此此種儲能系統也能用于低電壓的儲能 裝置31，適用范圍較廣。通過高頻變壓器335升壓的并網電流的頻率較高，通過濾波電感 37對并網電流進行濾波可以減小并網電流的諧波含量。以上對本發明所提供的一種儲能系統，進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例 對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方 法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式
及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
權利要求
一種儲能系統，其特征在于，包括控制器，控制產生空間矢量脈寬調制信號和脈寬調制信號并得到離散空間矢量脈寬調制信號；主電路，包括儲能裝置，儲存和釋放電能；推挽變換器，包括高頻變壓器，采用高頻電壓器升壓對儲能系統的輸入和輸出進行電氣隔離；周波變換器，將高頻交流電壓轉換為工頻交流電；濾波電感，對并網電流進行濾波；采樣電路，采集外部電路的電壓及電流。
2.如權利要求1所述的儲能系統，其特征在于，所述控制器包括數字信號處理芯片，該 數字信號處理芯片包括事件管理器模塊EVA和事件管理器模塊EVB，事件管理器模塊EVA用 于產生空間矢量脈寬調制信號，事件管理器模塊EVB用于產生占空比為50%的脈寬調制信 號。
3.如權利要求2所述的儲能系統，其特征在于，所述事件管理器模塊EVA具有第一定時 器，第一定時器采用先增后減的計數方式，事件管理器模塊EVB具有第二定時器，第二定時 器采用單增的計數方式。
4.如權利要求3所述的儲能系統，其特征在于，所述控制器還包括復雜可編程邏輯器 件，所述空間矢量脈寬調制信號和脈寬調制信號通過復雜可編程邏輯器件進行同或邏輯得 到離散空間矢量脈寬調制信號。
5.如權利要求1所述的儲能系統，其特征在于，所述推挽變換器還包括第一開關管和 第二開關管，所述儲能裝置的正極接高頻變壓器原邊的中間抽頭，負極分別接第一開關管 和第二開關管的源極或發射極。高頻變壓器的副邊與周波變換器的母線連接。
6.如權利要求5所述的儲能系統，其特征在于，所述第一開關管和第二開關管是絕緣 柵型場效應管或絕緣柵雙極型晶體管。
7.如權利要求5所述的儲能系統，其特征在于，所述周波變換器為三相周波變換器，由 六個雙向開關按三相全橋的方式連接而成。
8.如權利要求7所述的儲能系統，其特征在于，所述雙向開關由兩個絕緣柵型場效應 管或絕緣柵雙極型晶體管，按共源極或共發射極的方式連接而成。
9.如權利要求5所述的儲能系統，其特征在于，所述儲能系統充放電時采用電流環解 耦控制。
10.一種儲能系統的控制方法，其特征在于，包括推挽變換器中的高頻變壓器將儲能裝置的電壓升壓為高頻交流脈沖后，作為母線電壓 輸入至周波變換器；事件管理器模塊EVB產生占空比為50%的脈寬調制信號驅動推挽變換器并決定周波 變換器的母線電壓極性；事件管理器模塊EVA產生空間矢量脈寬調制信號來驅動周波變換器并決定周波變換 器的開關模態，周波變換器的母線電壓為正時，驅動信號為空間矢量脈寬調制信號，母線電 壓為負時，驅動信號為空間矢量脈寬調制信號取反；脈寬調制信號和空間矢量脈寬調制信號同步后在復雜可編程邏輯器件進行同或邏輯 得到離散空間矢量脈寬調制信號。
全文摘要
本發明提供了一種儲能系統，包括用于控制產生空間矢量脈寬調制信號和脈寬調制信號并得到離散空間矢量脈寬調制信號控制器；主電路，該主電路包括用于儲存和釋放電能的儲能裝置，推挽變換器，包括高頻變壓器，采用高頻電壓器升壓對儲能系統的輸入和輸出進行電氣隔離，將高頻交流電壓轉換為工頻交流電的周波變換器，對并網電流進行濾波的濾波電感；以及用于采集外部電路的電壓及電流的采樣電路。此種儲能系統能產生離散脈沖式SVPWM，母線電壓的利用率較高，總諧波含量低，適用范圍較廣。本發明還提供一種儲能系統的控制方法。
文檔編號H02J3/28GK101944745SQ20101027371
公開日2011年1月12日 申請日期2010年9月6日 優先權日2010年9月6日
發明者廖曉鐘, 沙德尚, 秦子安 申請人:北京理工大學