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

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(jìn)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(duì)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(gè)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

0 引言

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(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的諧波，不僅浪費(fèi)能量，同時(shí)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(duì)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(shí)，采用直流母排技術(shù)，可以最大限度消除諧波對(duì)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(gè)顯著地提高。

在蓄電池的充放電過(guò)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(dòng)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(gè)變化的狀態(tài)。因此，必須對(duì)AC/DC轉(zhuǎn)換部分以及DC/DC轉(zhuǎn)換部分的控制方法進(jìn)行改進(jìn)，使其快速適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)的變化，對(duì)母線電壓，對(duì)充電電壓、電流進(jìn)行快速有效地控制。

1 系統(tǒng)能量動(dòng)態(tài)平衡調(diào)度方法研究

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(shí)現(xiàn)AC/DC雙向變換形成公共直流母線；從公共母線擴(kuò)展N回路雙向DC/DC變換器，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dá)到90%以上轉(zhuǎn)換效率，顯著降低了對(duì)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(jì)要求。

實(shí)現(xiàn)一種能量雙向流動(dòng)的電池?cái)?shù)字化智能高效充放電系統(tǒng)。通過(guò)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(shí)現(xiàn)電能在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的有效循環(huán)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時(shí)提取和處理，對(duì)電能的使用實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)整。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的電能流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行建模，對(duì)影響電能流動(dòng)和引起電能損耗的因素進(jìn)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(shí)現(xiàn)能源動(dòng)態(tài)平衡和優(yōu)化調(diào)度，實(shí)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。

2.新型充放電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新型充放電控制系統(tǒng)由多套充放電機(jī)組組成，每套充放電機(jī)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(diǎn)。遠(yuǎn)程終端可通過(guò)本地控制服務(wù)器動(dòng)態(tài)加入多個(gè)充電裝置。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在蓄電池充電時(shí)，通過(guò)三相PFC升壓控制實(shí)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(shí)，通過(guò)三相PFC恒壓逆變控制實(shí)現(xiàn)DC/AC變換，將蓄電池釋放的能量回饋電網(wǎng)。通過(guò)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)直流端電壓U的穩(wěn)定，通過(guò)對(duì)直流端電壓U的恒壓控制，實(shí)現(xiàn)逆變器的功率流向，從而實(shí)現(xiàn)能量的自動(dòng)雙向流動(dòng)。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(guò)程中所要求的電流、電壓和時(shí)間的控制；各系統(tǒng)采用單獨(dú)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(guò)協(xié)同各個(gè)IGBT的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)正弦波調(diào)制功能，保持直流端電壓穩(wěn)定；回路計(jì)量和校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動(dòng)計(jì)量、在線校準(zhǔn)。DSP從基準(zhǔn)源讀取實(shí)際值后和設(shè)定值比較自動(dòng)算出偏差，控制器內(nèi)部自動(dòng)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(bào)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

3 新型充放電控制系統(tǒng)功能

DC/DC電路充電控制上，采用分步式充電法，即充電一段時(shí)間后可暫停，再進(jìn)行下一輪充電或放電。在充電過(guò)程中，各個(gè)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(gè)時(shí)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?cái)?shù)目的不同，調(diào)整電路的電流流量，以實(shí)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(duì)原邊充電時(shí)，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(guò)移相控制來(lái)滿足此要求。

實(shí)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(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電能和蓄電池電能的雙向轉(zhuǎn)換；實(shí)現(xiàn)分段充電功能，能根據(jù)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的電路工作模式控制和電流控制；對(duì)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。

[1]李文升．220kV GIS用電子式電流電壓互感器在午山數(shù)字化變電站中的應(yīng)用[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,5．

[2]吳小華,徐剛．飛機(jī)供電系統(tǒng)的Saber仿真[J]．計(jì)算機(jī)仿真,2008,25(2)：71—73．

[3]馬場(chǎng)清太郎．何希才,譯．運(yùn)算放大器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)[M]．北京：科學(xué)出版社,2007：135—136．

秦理（1984-），碩士，就職于廣東省輸變電工程公司，主要研究方向?yàn)樽冸娬菊{(diào)試、智能電網(wǎng)。