应用于微电网的双模式储能逆变器的研制
应用于微电网的双模式储能逆变器的研制
张文波, 邵宜祥, 田
炜, 胡青青
211106)
( 国电南瑞科技股份有限公司, 江苏南京
摘要: 随着新能源及微电网技术的快速发展, 传统储能逆变器已无法满足技术的要求。 针对储能逆变器适应微电网双模式运行的要求, 提出并采用一种新型的拓扑结构, 研制了一套应用于微电网的基于AC/DC单级变换储能逆变器主电路拓扑结构及控制策略的50kW 储能逆变器样机, 其具有并/离网双模式切换功能, 并以最新芯片TMS320C28346作为控制核心。 结果表明, 该储能变流器动态响应快、 充放电电流谐波小、 并/离网双模式转换时间短, 具有较好推广价值。 关键词: 逆变器; 并/离网; 双模式中图分类号: TM464
文献标识码: A
文章编号: 1000-100X ( 2017) 01-0056-03
Development of Dual ⁃ mode Inverter Used in Micro ⁃ energy Storage Grid
ZHANG Wen ⁃ bo , SHAO Yi ⁃ xiang , TIAN Wei , HU Qing ⁃ qing
( NARI Technology Development Co. , Ltd. , Nanjing 211106, Chian )
Abstract : With the rapid development of new energy and micro ⁃ grid technology , energy storage traditional inverter
cannot meet the technical requirements.A new topology is proposed and adopted , which can meet the requirements for TMS320C28346as the control and based on AC/DCsingle ⁃ stage transformation accumulator inverter main circuit
the energy storage inverter of micro ⁃ grid dual ⁃ mode operation.A set 50kW inverter energy storage prototype is devel ⁃ oped , which is used in micro ⁃ grid connected/off⁃ grid dual ⁃ mode switching function by using the latest chip charge current harmonics , with short connected/off⁃ grid mode conversion time , and good in popularization value. Keywords : inverter ; connected/off⁃ grid ; dual ⁃ mode
topology and control strategy.The results show that the storage inverter has fast dynamic response , small charge ⁃ dis ⁃
1引言
[1-4]
新能源发电与微电网技术的逐步发展
储能逆变器功能及性能方面的要求更加严格, 不仅要满足P/Q运行模式及V/F运行模式[5], 而且要满足双模式间的快速无缝切换。 传统储能逆变器主要研究并网时的充放电和P/Q运行模式, 但在此研究一种应用于基于AC/DC单级变换储能逆变器主电路拓扑结构及控制策略的储能逆变器, 具有并/离网双模式切换功能, 并研制了一套50kW 储能逆变器系统, 成功应用于微电网系统。 无法满足新能源发电及微电网技术发展需求[6-7]。
, 对
匹配与交流滤波器作用[8]。 设计变压器时, 可设计一定漏感, 采用LCL 滤波方式, 减小电感, 提高电能质量, 使系统具有较小总谐波畸变率( THD )。 电网侧输入开关包括断路器Q 01和接触器KM 1, 然后经过交流电磁兼容( EMC ) 滤波器、 隔离变压器和LC 滤波器, 进入三相PWM 整流逆变模块, 直流输出接直流EMC 滤波器和直流断路器Q 02。
可工作于不同状态。 隔离变压器T 01起隔离、 电压
2主电路拓扑
图1储能逆变器主电路拓扑
储能逆变器主电路拓扑见图1。 采用单级三相脉宽调制( PWM ) 整流逆变拓扑, 主要由绝缘栅双极型晶体管( IGBT ) 三相全桥搭建的功率模块组成。 该拓扑支持四象限运行, 且能量流动具有双向性,
定稿日期: 2016-05-19
作者简介: 张文波( 1984-), 男, 山东济宁人, 工程师, 硕士研究生, 研究方向为电动汽车充电及储能技术。
Fig. 1The topology of main circuit of energy storage
inverter
3
3.1
控制策略的研究
并网控制策略
并网模式下, 根据电网的调度要求可以进行
恒功率、 恒流、 恒压控制, 三者都具有无功调节的能力, 图2示出并网模式下的控制框图。
56
图2并网模式下的控制框图
Fig. 2Control diagram of on ⁃ grid
mode
恒功率充放电控制的功能是通过控制交流功率的大小, 以达到控制变流器输出功率恒定的目的。 采用增量式比例积分( PI ) 闭环控制, 功率给定值为监控下发的功率指令, 实际值通过交流电压电流的采样值计算得到。 有功、 无功给定值P 分别与实际值P , Q 比较, 差值经PI 调节, 并ref 经过, Q ref
限幅处理, 输出结果作为内环电流给定的幅值。
恒流充电控制外环采用直流电流PI 控制, 维持充放电电流恒定。 电流给定值I 为储能电池允许的充放电电流, 电流实际值I ref 接测得的直流母线电流。 直流电dc 为由测量元件直流外环调节经过限幅后, 输出量作为电流内环有功电流的给定值。
恒压充电控制外环采用直流电压PI 调节, 维持直流电容与电池电压恒定。 电压给定值U 储能电池允许的电压值, 电压实际值U ref 为
量元件直接测得的直流母线电压。 直流电dc 为由测压外环调节经过限幅后, 输出量作为电流内环有功电流的给定值。 3.2
离网控制策略
在离网模式下, 储能系统独立给负荷供电或在微电网中作主电源运行时, 要为负荷提供电压与频率支撑, 维持供电点电压与频率的稳定, 采取定电压与定频率控制策略( V/F控制)。 外环采用三相独立的相电压控制, 经PI 调节器, 产生三相交流电压, 再与三相交流电压的瞬时值比较, 产生三相调制波。 图3为离网V/F控制框图。
图3离网V/F控制框图
Fig. 3Control block diagram of off ⁃ grid
V/F
4系统软件架构
系统软件架构如图4所示, 微电网储能逆变
器软件系统主要包括以下几大功能模块: 系统初始化模块、 状态判断模块、 AD 采样处理模块、 保护模块、 孤岛检测模块、 P/Q矢量控制模块、 V/F控制模块、 脉冲生成模块、 通讯模块。
图4
系统软件架构
Fig. 4System software
architecture
5控制电路设计
微电网储能逆变器控制系统主要包括: 数字
信号处理器( DSP )、 开入/开出信号控制、 PWM 及故障信号和通信接口电路。 该系统采用双DSP 设计, 使系统具有实时控制性和接受调度响应的快速性, 其中DSP 选用最新先进的TMS320C28346作为控制核心, 主频为300MHz , 具有较强实时控制能力与PWM 事件管理能力。 其中DSP l 负责通讯数据的处理, DSP 入开出处理、 控制算2负责逻辑控制、 保护功能、 开法处理及PWM 脉冲的生成。 BMS 并网点保护采用CAN 装置通采用讯, RS485人机界通面采用讯, 上位RS232机采用通讯以, 太网通讯, DSP 数据交互, 保证数l 与DSP 据传输2采用双口RAM 进行实时
的快速性。 图5为储能逆变器控制系统框图, 连接DSP 2与AD 采样部分的为AD 控制线与并行数据线。
图5
储能逆变器控制系统框图
Fig. 5Control system diagram of energy storage
inverter
6实验结果
基于以上研究, 研制了一台50kW 、 具备并/离
网切换功能的双模式储能逆变器, 接入电池为铁锂电池。 该储能逆变器的主要技术参数如下: 网侧
57
电压波动范围为( 380± 10%) V , 额定功率为50kW , 频率波动范围为( 50± 1%) Hz , 直流电压范围为450~ 离网切换时间800V , 开关频率小为于3.2120kHz ms , 。
采样频率为20kHz , 并/
对铁锂电池进行充放电实验, 并在微电网系统下进行并/离网切换实验与V/F模式下负载投切实验。 并网充放电波形如图6所示。 在并网模式运行下, 功率调节系统( PCS ) 实现充电、 放电及充电至放电之间的切换实验。 在充电50A 给定时, 突然转换为放电50A 给定, 充电电流在40ms 内达到稳定。
图6并网50A 充放电及切换波形
Fig. 6Charge ⁃ discharge and switching waveform of 50A on ⁃
grid
微电网中PCS 并/离网切换波形如图7所示。
图7
并/离网切换波形
Fig. 7Switching waveform of connected/off⁃
grid
图7a , d 为并网转离网空载波形, 在微电网并网模式运行下, 模拟大电网失电, 切换至离网模式运行, 转换过程在120ms 内完成, PCS 空载运行; 在并网切离网模式下, 突加13kW 阻性负载, 负载电流在10ms 内达到稳定, 满足微电网调度快速
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响应的需求, 如图7b 所示。 图7c 为离网转并网切换波形, PCS 在离网模式运行下, 模拟大电网恢复, 在接收到并网指令后给并网点保护, 与PCS 发同期调节指令, 并网点闭合后给PCS 发模式切换指令, 使其由V/F运行模式切换为P/Q运行模式, 约80ms 后完成无缝同期并网, 且电流达到稳定, 实现在120ms 内完成并/离网双模式之间的切换, 可保证部分用电设备的不间断可靠供电。
7结论
研究了一种应用于微电网的具有并/离网双模式切换功能的、 基于AC/DC单级变换储能逆变器、 主电路拓扑结构及控制策略的储能逆变器, 研制了一套50kW 储能逆变器系统。 该PCS 系统功能强大, 能实现在并网条件下的恒功率、 恒流、 恒压充放电, 具有离网运行、 报警、 保护、 通信、 触摸屏等多种功能。 实验结果表明, 所研究的并网控制策略可有效保证微电网的并网运行, 减少并网过程对大电网造成的扰动, 切换过程中微电网电压没有大幅度波动, 实现平滑无缝切换。 故该PCS 储能逆变器运行方式灵活, 满足在并/离网双模式条件下运行, 动态响应快, 充放电电流谐波电流小, 具有很好的应用价值。
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