电力储能变流器数字控制系统研究

第26卷第6期2009年12月

现　代　电　力

Modern Electric Power Vol 126　No 16

Dec 12009

文章编号:100722322(2009) 0620058204　　　　　　　　文献标识码:A 　　　　　　中图分类号:TM46　

电力储能变流器数字控制系统研究

闫　涛, 惠　东, 王　杨, 贾君川, 许守平

(中国电力科学研究院, 北京　100192)

Digital Control System for Pow er Energy Storage Converter

Yan Tao , Hui Dong , Wang Yang , Jia J unchuan , Xu Shouping

(China Electric Power Research Institute , Beijing 100192, China )

摘　要:储能变流器控制系统是电力储能系统中的核心控制环节, 设计一种储能变流器数字控制系统。议、, 。关键词:电力储能; 数字控制; 变流器; 空间矢量控制; 数字信号处理

Abstract :The converter cont rolling system f or energy stor 2age is t he core pa rt of cont rol in p ower energy storage sys 2tem. In order to have fine perf orma nces in va rious working conditions f or t he p ower energy storage system , a converter digital cont rolling system f or p ower energy storage is de 2signed. The digital signal p rocessor a nd t he p rogra mmable logic device a re employed as t he main body , a ha rdware a nd sof tware platf orm of t he digital cont rolling system is built. The entire cont rol system consists of ha rdware system of dig 2ital signal p rocessor , multi 2layered dist ributed communica 2tion p rotocols a nd cont rol sof twa re. The exp erimental re 2sults show t hat t his converter works stable , has good outp ut cha racteristics a nd resp onse characteristics.

, 、可靠性及响应速度。本文提出一种电力储能系统变流器的数字控制系统方案, 该控制器采用数字信号处理器(Digital Signal Processor , DSP ) 和可编程逻辑器件(Complex Programable Logic Device , CPLD ) 的结构, 将DSP 较强的数据运算能力与CPLD 的高集成性、硬件可重复编程性结合在一起, 使得控制器硬件结构紧凑, 其通用性、可靠性和实时性都有很大的提高。

1　变流器系统基本结构

电力储能变流器基本结构如图1所示, 由AC/DC 变流模块、DC/DC 变流模块、控制系统等几个部分组成。交流侧AC/DC 变流模块采用三相电压源整流器实现双向有源整流功能。要求电力储能系统的电流在其主电路中具有双向流动性, 使AC/DC 变流器能够工作于不同的状态, 是交、直流侧

K ey w ords :p ower energy storage ; digital cont rol system ; converter ; SV PWM ; DSP

可控的四象限运行的变流装置。当整流器从电网吸收能量时, 它就运行在整流状态; 反之, 若整流器向电网传输能量时, 整流器就工作于有源逆状态。

由于整流后的直流母线电压都在600V 左右, 而电池单体电压较低, 经串联后一般在200～600V 之间, 因此需要DC/DC 环节进行电压调整。直流侧采用双向DC/DC 的拓扑结构实现直流降压、升压功能, 由PEBB 模块及其外围器件实现双向的DC/DC 功能, 可通过参数选择Buck 降压或者Boost 升压模式。

AC/DC 变流模块和DC/DC 变流模块均采用

0　引　言

随着大容量电池储能技术的发展, 化学电池电力储能系统成为解决电力供应链(燃料、发电、输电、配电和用电) 现有问题、实现电网可持续发展的全新途径。采用大容量电池电力储能技术, 可以有效缓解用电供需矛盾、提高电网安全和稳定性、改善供电质量, 尤其对风力发电等可再生能源的利用和发展具有积极促进作用[1]。

变流器是储能系统中的一个重要环节, 而变流

相同的多功能变流器模块, 多功能变流器模块主电路为三相全桥结构, 通过软件设置, 多功能模块可构成AC/DC 、DC/DC 变流器。多功能变流模块包

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图1　基于电力电子模块的变流器系统结构图

括IG B T (Insulated G ate Bipolar T ransistor ) 模块、数字控制器两个部分。IG B T 模块是功率变换主要载体, 主要包括IG B T 主电路、驱动电路、保护电路、部分传感器、缓冲电路、电容吸收电路等部件。通用数字控制器是多功能变流模块控制和通讯功能的主要载体, AC/DC 、DC/DC 变流器模块作为结构相同并且相对独立的单元, 由硬件结构完全相同的两个控制器进行管理, 控制器通过不同软件算法实现AC/DC 、DC/DC 变流方式的控制。电力储能变流器

电池通过变流器接入系统开始回网, 对电网负荷实

现填谷的功能。

2　数字控制系统的软硬件设计

211　控制系统硬件设计

硬件控制电路如图2所示, 控制电路采用DSP 数字控制方式, 选用TMS320F2812作为控制核心, 该芯片主频150M Hz , 具有较强实时控制能力[2]。

CPLD (复杂可编程逻辑器件) 具有体积小、速度快、编程灵活、可实现较大规模电路的特点, 同时具有设计开发周期短、可在线修改和检验等一系列优点[3]。本文采用MAX7000S 系列的EPM7128STC100215, 对DSP 的I/O 进行配置,

以数字控制器为核心, 通过CAN (Controller Area Network ) 总线互相通讯, 组成基本的分布式系统。

在电力储能系统工作过程中, 变流器上层监控系统通过检测电网母线上的电流得到目前的负荷, 将其和设定值比较。当检测的负荷小于设定值时, 上层监控系统向变流器控制器发出充电指令, 电网即可通过变流器开始对电池充电, 实现对电网进行削峰的功能; 当检测到负荷大于设定值时, 系统控制器分别向AC/DC 和DC/DC 控制器发出指令,

为了消除外部接口I/O 信号和中断信号的毛刺和抖动导致的误触发, I/O 信号和中断经过CPLD 进行硬件处理后送往DSP 。IG B T 的过流保护信号也通过CPLD 进行滤波和消抖处理, 以保证DSP 对保护信号的及时、准确响应。

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讯的抗干扰性、可靠性要求高, 且传输距离较远,

在此我们选用CAN 总线通信。通过CAN 总线, TMS320F2812可按上位机控制命令实现变流设备的开启和关闭, 也可以响应上位机请求, 将变流过程中的数据上传给上位机。

212　控制系统软件设计

图3为AC/DC 双向变流器软件控制框图, 采

用空间矢量控制算法, A 相电压经过零检测, 通过θ。同时, I a 、

I b , I a 、I b 、U dc ,

图2　通过A/D , DSP 通过软件算法, 产生各开关器件所需要的开关函数, 通过EV 模块产生需要的PWM 波形, 经驱动电路控制功率器件的通断, 控制IG BT 开关管导通、关闭的时间, 以达到控制主电路输出电压、电流的目的, 从而实现系统的功能; 同时保护电路检测系统各部分的电压、电流以及温度是否在正常范围内, 一旦超出正常范围, 则反馈给DSP 故障信号, 以及时封锁驱动信号, 保证电路正常运行。

在工作过程中, 上位机与数字控制系统之间通

a m I b 2m 、I c 2m 和U dc 2m 。I m b I c 2m 经过CLA R K 和PA R K 变换D s 和无功电流反馈值Q s ; 给定电压U dc 2ref 和反馈电压U dc 2m 的差值经过PI 调节后, 得到结果D s 2ref 作为有功电流设定值, 该值与有功电流反馈值D s 2Fdb 进行PI 运算, 并对运算结果D s 2err 、Q s 2err 进行PAR K 反变换, 进而根据空间矢量算法对PAR K 反变换得到的结果T a 、T b 、T c 作处理, 最后通过PWM 转换接口程序得到各相PWM 占空比输出值。该算法以交流电流作为控制内环, 直流电压作为控制外环, 系统可以在较宽直流电压范围内调节电流值。当发生波动时, 通过PI 调节作用来调节输入电流, 同时保证直流侧电压不变, 从而达到AC/DC 双向变流功能

。

图3　AC/DC 变流器控制算法框图

　　DC/DC 双向变流器软件算法控制框图如图4所示, 通过参数选择工作于Buck 降压变换或者

Boo st 升压变换模式。负荷低谷时, 电力储能变流器开始对电池充电, DC/DC 变流模块则工作在Buck 降压变换模式下的恒流限压状态, 同时设置

U Buck _ref 和I _ref 参数, 使变流器工作在设定的电流

电压下。若系统需要调节无功电流时, 只需设置AC/DC 的I d _ref 参数。当要求电池放电时, DC/DC

系统工作在Boost 模式下, 同时设置U Boost _ref 和

I _ref 参数, 使变流器工作在所需要的电流电压下。

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图4　DC/DC 控制框图

3　实验验证

图5为IG B T 模块三个桥臂上管的空间矢量

PWM 驱动信号, PWM 驱动信号载波频率为5k Hz , PWM 波形幅值是15V

。

图6　有源整流实测波形

强的数据运算能力与CPLD 的高集成性、硬件可

重复编程性, 在一种硬件控制平台上较好地实现了电力储能变流器的AC/DC 、DC/DC 多种控制算法。实验结果表明, 控制器具有良好的响应特性, 可以满足电力储能变流器要求。

参

图5　SV PWM 驱动波形

考文献

[1]　张文亮, 丘明, 来小康. 储能技术在电力系统中的

图6为有源整流时的主电路实测电流电压波

形。交流侧电流为10A , 交流电压为380V , 直流侧电压为580V , 直流侧电流为8A , 曲线1是整流过程中未经电容滤波的A 2B 线电压波形, 曲线2是经整流后未经电容滤波的直流输出侧的电流波形, 曲线3是A 相电流波形, 曲线4是A 相电压波形。

应用[J].电网技术, 2008(4) :125.

[2]　苏奎峰, 李强, 耿庆峰, 等. TMS320F2812原理与

开发[M].北京:电子工业出版社, 2005:728.

[3]　李骏, 赵慧杰. 基于DSP 与CPLD 的三电平N PC

逆变器载波调制方法研究[J].电源技术应用,

2006(5) :13216.

收稿日期:2009205222作者简介:闫　涛(1979-) , 男, 工程师, 博士, 研究方向为电能储存及转换技术。

4　结束语

电力储能变流器数字控制系统结合了DSP

较

(责任编辑:杨秋霞)