专利名称：一种双级双向变流器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种双级双向变流器及其控制方法，属于输变电技术领域。
背景技术：
随着一些非线性和时变性电子装置等大规模的应用，使得电网中电流含有大量的谐波和无功分量，导致电流波形严重畸变，给电能的生产和传输带来危害，也影响电子设备的使用。蓄电池在充电初期及后期都存在充电电流过大或过小的问题，如果电流纹波过大则会对某些电流纹波敏感型蓄电池产生危害。当蓄电池放电 时，变流器工作在放电模式，电路中电感的充放电作用必然造成蓄电池输出电流纹波的产生。目前双向变流器存在着系统的灵活性差及可配置性差的缺点，要实现谐波抑制和无功补偿，传统的方法都会专门给系统配置一个谐波抑制和无功补偿装置，这无疑增加了系统成本，可集成度不高。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种无需增加额外的谐波抑制和无功补偿装置装置即可实现滤除谐波、动态补偿系统无功与电压波动、抑制谐振、提高功率因数的双级双向变流器。为解决上述技术问题，本发明一种双级双向变流器包括直流断路器、直流滤波器、DC/DC变换器、DC/AC变换器、交流滤波器、交流接触器I、交流接触器II、隔离变压器、交流断路器、DC/DC PWM驱动电路、DC/AC PWM驱动电路、控制板和人机界面；其中，所述直流滤波器的输入端经由直流断路器与蓄电池组连接；所述DC/DC变换器的低压端与直流滤波器的输出端相连，高压端与DC/AC变换器的低压端相连；所述交流滤波器的输入端与DC/AC变换器的高压端相连，输出端分别与相互并联的交流接触器I和交流接触器II相连；所述隔离变压器的低压端分别与交流接触器I、交流接触器II的输出端相连，高压端与交流断路器相连后，经由交流母线与电网连接；所述控制板包括DC/DC控制板与DC/AC控制板，DC/DC控制板与DC/DC PWM驱动电路相连；DC/AC控制板与DC/AC PWM驱动电路相连；该控制板通过CAN总线与人机界面连接。同时，为实现直流-直流、直流-交流两级变换，较大程度的管理电能的分配，本发明还提供一种双级双向变流器的控制方法，包括以下方法步骤一、启动双级双向变流器，通过人机界面设置基本参数，所述基本参数包括蓄电池的充放电电流最大允许值、充放电电压的上下限、通讯方式及滤波方式；步骤二、选择双向变流器的工作模式，所述工作模式包括蓄电池组充电模式和蓄电池组放电模式；系统采样，进行通道自检，若无故障，则先闭合交流接触器II，再判断电网电压是否连接正常，若连接正常则闭合交流接触器I ;
步骤三、启动DC/AC变换器的PWM脉冲调制程序，实时检测DC/AC变换器的直流母线侧电压，判断DC/AC变换器的直流母线侧电压是否大于等于620V，同时判断蓄电池组端电压是否大于等于25V，若是，则直流断路器闭合，启动DC/DC变换器的PWM脉冲调制程序，实现蓄电池组进行充电或放电；若不是，则直流断路器处于断开状态；步骤四、实时检测蓄电池组的电流和电压，当蓄电池组充满或者放电完毕即达到充放电上下限值，双向变流器结束工作。本发明与现有技术相比具有以下显著的优点1)本发明设有人机界面接口，可以灵活的设定工作模式和工作参数，使充放电过程较好的模拟最佳充放电曲线；同时在人机界面上可以实现对变流器的运行状态进行实时监控，很直观的了解到变流器的运行状态；2)本发明的DC/AC变换器的控制采用谐波检测模块，可以检测出谐波电流和无功电流，具有滤波和功率因数可调的功能；3)本发明实现两级变换即DC/AC变换器与DC/DC变换器的
独立控制，整个装置实现模块化结构，互不干扰，为系统的故障诊断与检查提供了方便。下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的描述；
图I为本发明双级双向变流器的结构框图；图2为本发明中DC/AC变换器的控制框图；图3为本发明中DC/DC变换器的控制框图；图4为本发明双级双向变流器控制方法流程具体实施例方式如图I所示，本发明一种双级双向变流器，包括直流断路器I、直流滤波器2、DC/DC变换器3、DC/AC变换器4、交流滤波器5、交流接触器I 6、交流接触器II 7、隔离变压器8、交流断路器9、DC/DC PWM驱动电路12、DC/AC PWM驱动电路13、控制板10和人机界面11 ；其中，所述直流滤波器的输入端经由直流断路器与蓄电池组连接；所述DC/DC变换器的低压端与直流滤波器的输出端相连，高压端与DC/AC变换器的低压端相连；所述交流滤波器的输入端与DC/AC变换器的高压端相连，输出端分别与相互并联的交流接触器I和交流接触器II相连；所述隔离变压器的低压端分别与交流接触器I、交流接触器II的输出端相连，高压端与交流断路器相连后，经由交流母线与电网连接；所述控制板包括DC/DC控制板与DC/AC控制板，DC/DC控制板与DC/DC PWM驱动电路相连；DC/AC控制板与DC/AC PWM驱动电路相连；该控制板通过CAN总线与人机界面连接。其中，DC/DC变换器由三个降压式变换电路(buck)并联而成，DC/AC变换器采取并联型APF拓扑结构进行连接，是一个三相全桥电路，进行逆变或整流工作。DC/DC控制板101与DC/AC控制板102的主控制器分别采用TI公司的32位定点TMS320F2812DSP与32位浮点高速数字处理器TMS320F28335，进行独立控制，互不干扰，其最高工作频率为150MHZ，处理速度快。所述人机界面设有液晶显示、控制按键、指示灯和运行监控显示；所述控制按键包括复位、取消、菜单和设置按键，所述指示灯包括电源灯、运行显示灯、发送、接收状态灯和故障显示灯；通过运行监控显示对蓄电池组的输出电压电流以及直流母线电压电流进行监控显示。本变流器设有人工手动保护电路，强制性切断主电路，使变流器处于关机状态。本变流器设有故障检测与报警显示，对IGBT散热片的温度、PWM驱动板的状态、交直流断路器以及交流接触器的闭合状态以及变流器工作状态时的电压电流信号进行检测，若有故障，则蜂鸣器报警显示，并且在人机界面上进行故障数据记录。如图4所示，一种双级双向变流器的控制方法，包括以下步骤步骤一、启动双级双向变流器，通过人机界面设置基本参数，所述基本参数包括蓄电池的充放电电流最大允许值、充放电电压的上下限、通讯方式及滤波方式；步骤二、选择双向变流器的工作模式，所述工作模式包括蓄电池组充电模式和蓄 电池组放电模式；系统采样，进行通道自检，若无故障，则先闭合交流接触器II，再判断电网电压是否连接正常，若连接正常则闭合交流接触器I ;步骤三、启动DC/AC变换器的PWM脉冲调制程序，实时检测DC/AC变换器的直流母线侧电压，判断DC/AC变换器的直流母线侧电压是否大于等于620V，同时判断蓄电池组端电压是否大于等于25V，若是，则直流断路器闭合，启动DC/DC变换器的PWM脉冲调制程序，实现蓄电池组进行充电或放电；若不是，则直流断路器处于断开状态；其中，DC/AC变换器与DC/DC变换器独立控制，如图2所示，DC/AC变换器的PWM脉冲调制过程具体如下步骤A:对DC/AC变换器的直流侧电压进行采样，得到反馈信号Ucd ；步骤B:将电压给定信号tC与直流侧电压反馈信号Ucd的差值送入PI调节器14进行PI调节以及限幅15，作为谐波检测模块16的输入，以保证直流侧电压的稳定；步骤C:外部电流传感器CT采集DC/AC变换器的交流侧三相电流信号ia，ib, ic送至谐波检测模块，该模块将利用ip-iq法提取出谐波电流(Ιλ 乍为滞环调节器的给定与DC/AC变换器需要给出的谐波补偿电流iM，icb, i。。进行比较，得到的差值分别通过滞环调节器117、滞环调节器2 18、滞环调节器3 19，输出作为SPWM产生电路20的调制信号，进而控制DC/AC变换器的脉冲输出。如图3所示，所述DC/DC变换器的PWM脉冲调制过程具体如下步骤a、对DC/DC变换器的直流低压侧电压、电流进行采样，得到反馈电压、电流信号 Ud, id ；步骤b、将电压给定信号f/与直流侧电压反馈信号Ud进行相减后的差值作为PID调节器I的输入；将电流给定信号与直流侧电电流反馈信号id进行相减后的差值作为PID调节器2的输入，分别对PID调节器I和PID调节器2的输出进行限幅，限幅后的值再通过EPWM产生电路产生PWM信号作为DC/DC PWM驱动电路的输入，经过DC//DC PWM驱动电路的电平转换进而控制DC/DC变换器的脉冲输出；步骤四、实时检测蓄电池组的电流和电压，当蓄电池组充满或者放电完毕即达到充放电上下限值，双向变流器结束工作。在整个控制过程中，实时进行系统各项保护检测，若有故障，则进行故障事件记录，同时蜂鸣器报警故障指示灯显示，随即产生保护关机信号，封锁PWM脉冲输出，关机保护；或者可以人为地手 动切断主电路，关机进行保护。
权利要求
1.一种双级双向变流器，其特征在于包括直流断路器、直流滤波器、DC/DC变换器、DC/AC变换器、交流滤波器、交流接触器I、交流接触器II、隔离变压器、交流断路器、DC/DCPWM驱动电路、DC/AC PWM驱动电路、控制板和人机界面； 其中，所述直流滤波器的输入端经由直流断路器与蓄电池组连接；所述DC/DC变换器的低压端与直流滤波器的输出端相连，高压端与DC/AC变换器的低压端相连；所述交流滤波器的输入端与DC/AC变换器的高压端相连，输出端分别与相互并联的交流接触器I和交流接触器II相连； 所述隔离变压器的低压端分别与交流接触器I、交流接触器II的输出端相连，高压端与交流断路器相连后，经由交流母线与电网连接； 所述控制板包括DC/DC控制板与DC/AC控制板，DC/DC控制板与DC/DCPWM驱动电路相连；DC/AC控制板与DC/AC PWM驱动电路相连；该控制板通过CAN总线与人机界面连接。
2.根据权利要求I所述的一种双级双向变流器，其特征在于，所述DC/DC变换器由三个降压式变换电路并联而成。
3.根据权利要求I所述的一种双级双向变流器，其特征在于，所述人机界面设有液晶显示、控制按键和指示灯；所述控制按键包括复位、取消、菜单和设置按键，所述指示灯包括电源灯、运行显示灯、发送、接收状态灯和故障显示灯。
4.根据权利要求I或3所述的一种双级双向变流器，其特征在于，所述人机界面还设有故障检测与报警显示模块。
5.根据权利要求4所述的一种双级双向变流器，其特征在于，所述人机界面设有运行监控显示，对蓄电池组的输出电压电流以及直流母线电压电流进行监控显示。
6.一种权利要求I所述双级双向变流器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤一、启动双级双向变流器，通过人机界面设置基本参数，所述基本参数包括蓄电池的充放电电流最大允许值、充放电电压的上下限、通讯方式及滤波方式； 步骤二、选择双向变流器的工作模式，所述工作模式包括蓄电池组充电模式和蓄电池组放电模式；系统采样，进行通道自检，若无故障，则先闭合交流接触器II，再判断电网电压是否连接正常，若连接正常则闭合交流接触器I ; 步骤三、启动DC/AC变换器的PWM脉冲调制程序，实时检测DC/AC变换器的直流母线侧电压，判断DC/AC变换器的直流母线侧电压是否大于等于620V，同时判断蓄电池组端电压是否大于等于25V，若是，则直流断路器闭合，启动DC/DC变换器的PWM脉冲调制程序，实现蓄电池组进行充电或放电；若不是，则直流断路器处于断开状态； 步骤四、实时检测蓄电池组的电流和电压，当蓄电池组充满或者放电完毕即达到充放电上下限值，双向变流器结束工作。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于所述步骤三中，DC/AC变换器与DC/DC变换器独立控制，其中，DC/AC变换器的PWM脉冲调制过程具体如下 步骤A:对DC/AC变换器的直流侧电压进行采样，得到反馈信号Ucd ； 步骤B:将电压给定信号^/^与直流侧电压反馈信号Ucd的差值进行PI调节以及限幅，作为谐波检测模块的输入，以保证直流侧电压的稳定； 步骤C:外部电流传感器CT采集DC/AC变换器的交流侧三相电流信号ia，ib, i。送至谐波检测模块，该模块将利用ip-iq法提取出谐波电流作为滞环调节器的给定与DC/AC变换器需要给出的谐波补偿电流iM，icb, i。。进行比较，得到的差值分别通过滞环调节器I、滞环调节器2、滞环调节器3，输出作为SPWM产生电路的驱动信号，进而控制DC/AC变换器的脉冲输出；所述DC/DC变换器的PWM脉冲调制过程具体如下 步骤a、对DC/DC变换器的直流低压侧电压、电流进行采样，得到反馈电压、电流信号Ud, id ; 步骤b、将电压给定信号f/与直流侧电压反馈信号Ud进行相减后的差值作为PID调节器I的输入；将电流给定信号 与直流侧电电流反馈信号id进行相减后的差值作为PID调节器2的输入，分别对PID调节器I和PID调节器2的输出进行限幅，限幅后的值再通过EPWM产生电路产生PWM信号作为DC/DC PWM驱动电路的输入，经过DC//DC PWM驱动电路的电平转换进而控制DC/DC变换器的脉冲输出。
全文摘要
本发明公开了一种双级双向变流器及其控制方法，该双级双向变流器包括直流断路器、直流滤波器、DC/DC变换器、DC/AC变换器、交流滤波器、交流接触器Ⅰ、交流接触器Ⅱ、隔离变压器、交流断路器、DC/DC PWM驱动电路、DC/AC PWM驱动电路、控制板和人机界面，该结构简单，成本低；同时该控制方法通过对DC/AC变换器与DC/DC变换器的独立控制，使得整个装置实现模块化结构，互不干扰，较大程度的管理电能的分配，同时为系统的故障诊断与检查提供了方便。
文档编号H02J3/01GK102843060SQ20121033434
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月11日 优先权日2012年9月11日
发明者徐进, 孙善勤, 刘婉丽, 刘伟 申请人:中船重工鹏力(南京)新能源科技有限公司