一种大功率模块化多电平锂电池储能变流器装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种大功率模块化多电平锂电池储能变流器装置，包括主功率模块和硬件控制系统，主功率模块采用模块化级联结构，高压电网接入该储能变流器装置后，每相主回路按照电压等级分为10-30个子电平模块，每相的多个子电平模块相互级联；每级子电平模块包括H桥储能变流器模块、储能锂电池和底层控制器；各个子电平模块的底层控制器采样各自的电池电压、电流和温度等信息传输至硬件控制系统；硬件控制系统包括相互连接通信的主控制器DSP、辅助控制器FPGA和上位机控制系统。本发明提供的一种大功率模块化多电平锂电池储能变流器装置，把电池储能系统分为多电平模块，可较容易实现MW级或10MW级以上规模锂电池储能。
【专利说明】—种大功率模块化多电平锂电池储能变流器装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及储能【技术领域】，具体涉及一种大功率模块化多电平锂电池储能变流器
装置。
【背景技术】
[0002]大容量储能技术的出现与发展颠覆了传统电力系统中电能不能大量存储的概念，大容量电力储能装置的建立一方面对电网的合理应用起到了“削峰填谷”的作用，可以提高电力系统的供电可靠性和电能质量，另一方面对风能和太阳能等间歇性式可再生能源发电安全可靠的接入电网起到了关键作用。由于大规模储能系统可以贯穿电力系统发、输、配、用的各个环节，不仅对传统电力起到改善和改良作用，而且储能技术的发展和应用也将给智能电网的规划、设计、布局以及运行管理等方面带来革命性的变化。
[0003]储能变流器作为电网和储能电池的连接者，肩负着电池充电及电能回网的重任，是电力储能系统中的关键设备之一，其输出电压电流的质量对化学电池的安全性能、使用寿命以及电网的稳定运行起着至关重要的作用；其运行方式、控制精度以及响应速度直接关系着整个储能系统的性能。随着电池储能大规模系统集成、大规模电池储能电站的迅速发展，电网对储能变流器性能的要求也将上升到一个更高的层次。
【发明内容】
[0004]模块化多电平技术在直流输电工程中已经得到大规模应用，但在电池储能系统中还是崭新的尝试，本发明涉及一种大功率模块化多电平锂电池储能变流器装置，模块化多电平锂电池储能变流器装置的优势主要体现在更高电压、更大功率的场合，而这一优势正是适应电网大规模储能应用的必然要求。储能变流器装置包括主功率模块和硬件控制系统，所述主功率模块采用模块化级联结构，
[0005]每相主回路按照电压等级分为10-30个子电平模块，每相的多个所述子电平模块相互级联；
[0006]每级所述子电平模块包括H桥储能变流器模块、储能锂电池和底层控制器；低压网侧通过所述H桥储能变流器模块与所述储能锂电池相连；
[0007]各个所述底层控制器采样各自的电池电压、电流和温度信息传输至所述硬件控制系统；
[0008]所述硬件控制系统包括相互连接通信的主控制器DSP、辅助控制器FPGA和上位机控制|吴块。
[0009]本发明提供的第一优选实施例中:所述储能变流器装置进行双向储能充放电管理时:
[0010]充电模式下单个所述H桥储能变流器模块将交流电压整流为所述储能锂电池需求的直流电压，放电模式下，所述储能锂电池放电产生的直流电能经所述H桥储能变流器模块逆变为交流电能；每相的多个所述H桥储能变流模块的交流电压通过级联叠加后形成高压正弦波形。
[0011]本发明提供的第二优选实施例中:所述底层控制器包括FPGA及其外围电路，与所述硬件控制系统相互通信。
[0012]本发明提供的第三优选实施例中:所述主控制器DSP接收所述上位机控制模块下发的运行命令，控制所述辅助控制器FPGA内部事件管理器，对所述主功率电路实时运行电压电流值进行采样、计算、处理，，采样信号经处理后形成反馈并与系统给定相比较，反馈和给定值PI运算的结果送至事件管理器，发出占空比可调的PWM驱动波形，对每个所述子电平模块进行驱动。
[0013]本发明提供的第四优选实施例中:所述主控制器DSP和辅助控制器FPGA通过16位的地址总线和19位的数据总线相连接；所述主控制器DSP所有的IO 口都与所述辅助控制器FPGA相连接，输入输出信号都经所述辅助控制器FPGA去毛刺和削抖处理。
[0014]本发明提供的第五优选实施例中:所述硬件控制系统还包括与所述主控制器DSP和辅助控制器FPGA相连接通信的外围电路；
[0015]所述外围电路包括电压电流采样电路、功率管驱动电路、功率管保护电路、上位机与下位机通信电路；
[0016]所述电压电流采样电路测量各路电压电流信号送至主控制器DSP进行采样处理；所述功率管驱动电路对辅助控制器FPGA输出的功率管PWM驱动信号进行功率放大后送至所述主功率模块；所述功率管保护电路采集所述每级子电平模块输出的过流保护信号和过温保护信号传输至所述辅助控制器FPGA ;所述主控制器DSP通过所述上位机与下位机的通信电路与所述上位机控制模块进行连接通信。
[0017]本发明提供的第六优选实施例中:所述电压电流采样电路包括霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、调理电路和光耦隔离电路，所述霍尔电压传感器和霍尔电流传感器测量各路电压电流信号后，输出电压电流值经所述信号调理电路范围限定以及所述光耦隔离电路I隔离后送至所述DSP进行采样处理；
[0018]所述功率管驱动电路包括功率放大器件和光耦隔离电路2，所述功率管驱动电路对FPGA输出的功率管PWM驱动信号进行功率放大，所述辅助控制器FPGA输出与所述功率放大器件之间加入光耦隔离电路2进行隔离；
[0019]所述功率管保护电路包括光耦隔离电路3，采集所述每级子电平模块输出的过流保护信号和过温保护信号，任何一路所述保护信号的产生都将使所述FPGA向所述DSP发出PWM闭锁信号，禁止功率管动作。
[0020]本发明提供的第七优选实施例中:所述外围电路还包括电源电路、时钟电路、开关控制电路、工作状态判断电路、Flash存储器、SRAM存储器、复位电路、CAN BUS、EEPROM、LED阵列、蜂鸣器、按键、拨码开关；
[0021]所述电源电路为主控制器DSP和辅助控制器FPGA以及所述储能变流器装置中其他控制电路提供电源支撑，包括1.9V、3.3V、5V、±15V，不同电压之间相互隔离；
[0022]所述时钟电路包括所述主控制器DSP的时钟电路和所述辅助控制器FPGA的时钟电路，所述主控制器DSP的时钟电路由30MHz的有源晶振提供，所述辅助控制器FPGA的时钟电路由33MHz的有源晶振提供；
[0023]所述辅助控制器FPGA通过所述开关控制电路控制所述主功率电路的开关的工作，所述开关控制电路用于对变流器散热风扇、指示灯以及所述主功率电路断路器的开关控制；
[0024]所述辅助控制器FPGA通过所述工作状态判断电路检测所述储能变流器装置各开关的实时开合状态，以此判断所述储能变流器装置的运行阶段。
[0025]本发明提供的第八优选实施例中:所述主控制器DSP选用TI公司生产的C2000系列TMS320F2812PGF-176，所述辅助控制器FPGA选用ALTERA公司生产的Cyclone系列EP1C6024017N，所述主控制器DSP内置16个AD转换通道。
[0026]本发明提供的第九优选实施例中:所述上位机控制模块通过TCP/IP Modbus通信协议与远端监控系统通信，实现储能变流器远端控制所述储能变流器装置的开机、关机、暂停的运行状态，实时设定变流器的运行参数，并读取变流器系统的实时运行参数；
[0027]用户通过上位机界面实时控制系统运行模式，写入及读取系统运行参数，实现变流器本地手动控制和远程自动控制两种控制模式；
[0028]所述上位机控制模块通过RS-232实现与所述主控制器DSP的串口通信，向所述主控制器DSP下发控制指令、运行参数的控制信息，并实时接收所述主控制器DSP上传的所述储能变流器装置运行状态及参数信息并通过界面显示；
[0029]所述系统运行参数包括输出电压电流设定值、实时电压电流采样值、PID参数；所述储能变流器装置运行状态及参数信息包括电池电压、充放电电流、温度、SOC。
[0030]本发明提供的一种大功率模块化多电平锂电池储能变流器装置的有益效果包括:
[0031]1、本发明提供的一种大功率模块化多电平锂电池储能变流器装置，将模块化多电平结构应用于锂电池储能变流器，把电池储能系统分为多电平模块，将高压电网的高等级电压与电压较低的锂电池储能系统，通过全新的H桥级联方式连接，将电压叠加后，完成电池储能的充放电过程，形成独特的锂电池储能变流系统不需变压器即可高压直挂电网系统的结构，大大增加了储能变流设备的功率，可较容易实现MW级或IOMW级以上规模锂电池储能。大功率模块化多电平锂电池储能变流器装置采用高压直挂方案，可不经变压器直挂IOkV以上电网，并且省去变压器等隔离设备后，减小了损耗，效率有所提高。
[0032]2、控制系统结构采用双控制器，分级控制整体储能变流器装置和单个变流模块。应用独特的脉冲移相控制策略实现精准的多模块协调控制，使各模块网侧输出电压波形叠加后形成完整的正弦波，满足电网需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]如图1所示为本发明提供的一种大功率模块化多电平锂电池储能变流器装置的结构示意图；
[0034]如图2所示为本发明提供的一种大功率模块化多电平锂电池储能变流器装置中的子电平模块的结构示意图；
[0035]如图3所示为本发明提供的一种大功率模块化多电平锂电池储能变流器装置中硬件控制系统与主功率模块控制连接的结构示意图；
[0036]如图4所示为本发明提供的一种大功率模块化多电平锂电池储能变流器装置的硬件控制系统的实施例的结构示意图；[0037]如图5所示为本发明提供的一种大功率模块化多电平锂电池储能变流器装置的硬件控制系统控制主功率电路的整体控制框图。
【具体实施方式】
[0038]下面根据附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细说明。
[0039]本发明提供一种大功率模块化多电平锂电池储能变流器装置，其结构示意图如图1所示，由图1可知，该储能变流器装置包括主功率模块和硬件控制系统，主功率模块采用模块化级联结构，每相主回路按照电压等级分为10-30个子电平模块，每相的多个子电平模块相互级联；
[0040]每级子电平模块包括H桥储能变流器模块、储能锂电池和底层控制器；低压网侧通过H桥储能变流器模块与储能锂电池相连。
[0041]各个子电平模块的底层控制器采样各自的电池电压、电流和温度等信息传输至硬件控制系统；
[0042]硬件控制系统包括相互连接通信的主控制器DSP、辅助控制器FPGA和上位机控制模块。
[0043]具体的，进行双向储能充放电管理，充电模式下单个H桥储能变流器模块将交流电压整流为储能锂电池需求的直流电压，放电模式下，储能锂电池放电产生的直流电能经H桥储能变流器模块逆变为交流电能。每相的多个H桥储能变流模块的交流电压通过级联叠加后形成高压正弦波形。
[0044]如图2所示为本发明提供的一种大功率模块化多电平锂电池储能变流器装置中的子电平模块的结构示意图，每个子电平模块的底层控制器由FPGA及其外围电路组成，采样各个子电平模块的电池电压、电流和温度等信息，与硬件控制系统相互通信。
[0045]进一步的，如图3所示为本发明提供的一种大功率模块化多电平锂电池储能变流器装置中硬件控制系统与主功率模块控制连接的结构示意图，由图3可知，硬件控制系统包括主控制器DSP、辅助控制器FPGA、与主控制器DSP和辅助控制器FPGA相连接通信的外围电路以及上位机控制模块。主控制器DSP和辅助控制器FPGA两个控制器通过16位的地址总线和19位的数据总线相连接，实现高速数据传输，增强两者的控制实时性，另外，主控制器DSP所有的IO 口都与辅助控制器FPGA相连接，输入输出信号都经辅助控制器FPGA去毛刺和削抖处理，增强了控制的准确性。
[0046]外围电路包括电压电流采样电路、功率管驱动电路、功率管保护电路、上位机与下位机通信电路。电压电流采样电路测量各路电压电流信号送至主控制器DSP进行采样处理；功率管驱动电路对辅助控制器FPGA输出的功率管PWM驱动信号进行功率放大后送至主功率模块；功率管保护电路采集每级子电平模块输出的过流保护信号和过温保护信号传输至辅助控制器FPGA ;主控制器DSP通过上位机与下位机的通信电路与上位机控制模块进行连接通信。
[0047]电压电流采样电路包括霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、调理电路和光耦隔离电路，霍尔电压传感器和霍尔电流传感器测量各路电压电流信号后，输出电压电流值经信号调理电路范围限定以及光耦隔离电路I隔离后送至主控制器DSP进行采样处理。
[0048]功率管驱动电路包括功率放大器件和光耦隔离电路2，功率管驱动电路主要用来对辅助控制器FPGA输出的功率管PWM驱动信号进行功率放大，提升系统的驱动能力，其中辅助控制器FPGA输出与功率放大器件之间加入光耦隔离电路2，防止硬件控制系统受到主功率电路影响，增加控制电路的抗干扰能力。
[0049]功率管保护电路包括光耦隔离电路3，主要用来采集每级子电平模块输出的过流保护信号和过温保护信号，所有的保护信号经光耦隔离电3送入辅助控制器FPGA做或运算处理，任何一路保护信号的产生都将使辅助控制器FPGA向主控制器DSP发出PWM闭锁信号，禁止功率管动作，保证变流器系统的安全。 [0050]主控制器DSP通过上位机与下位机的通信电路与上位机控制模块进行连接通信，上位机与下位机的通信电路基于RS232通信协议建立，并加入滤波电路，防止干扰信号传入。
[0051]外围电路还包括电源电路、时钟电路、开关控制电路、工作状态判断电路、Flash存储器、SRAM存储器、复位电路、CAN BUS (Controller Area Network Bus，控制器局域网络总线)、EEPROM、LED阵列、蜂鸣器、按键、拨码开关等功能模块。
[0052]电源电路主要为主控制器DSP和辅助控制器FPGA以及储能变流器装置中其他控制电路提供电源支撑，包括1.9V、3.3V、5V、± 15V等，不同电压之间相互隔离，以提高整个系统的安全性和抗干扰性。
[0053]时钟电路包括主控制器DSP的时钟电路和辅助控制器FPGA的时钟电路，主控制器DSP的时钟电路由30MHz的有源晶振提供，辅助控制器FPGA的时钟电路由33MHz的有源晶振提供。
[0054]辅助控制器FPGA通过开关控制电路控制主功率电路的开关的工作，该开关控制电路主要用于对变流器散热风扇、指示灯以及主功率电路断路器的开关控制。
[0055]辅助控制器FPGA通过工作状态判断电路检测变流器系统各开关的实时开合状态，以此判断变流器的运行阶段，最终实现整个系统的自动化与智能化运行。
[0056]如图4所示为本发明提供的一种大功率模块化多电平锂电池储能变流器装置的硬件控制系统的实施例的结构示意图，由图4可知，主控制器DSP选用TI公司生产的C2000系列TMS320F2812PGF-176，辅助控制器FPGA选用ALTERA公司生产的Cyclone系列EP1C6024017N,主控制器DSP内置16个AD转换通道。
[0057]如图5所示为本发明提供的一种大功率模块化多电平锂电池储能变流器装置的硬件控制系统控制主功率电路的整体控制框图，由图5可知，主控制器DSP主控制器模块主要实现对主功率电路实时运行电压电流值进行采样、计算、处理，接收上位机下发的运行命令。主控制器DSP通过RS232与上位机控制模块建立双向通信，可以实时通过上位机设置系统的工作状态，工作参数以及接收系统回馈信息。主控制器DSP内置16个AD转换通道，对主功率电路的电压电流信号进行采样，采样信号经处理后形成反馈并与系统给定相比较，反馈和给定值PI运算的结果送至事件管理器，发出占空比可调的PWM驱动波形。
[0058]辅助控制器FPGA协助主控制器DSP完成对整个变流器的自动化控制。主控制器DSP输出的PWM驱动信号首先经过辅助控制器FPGA进行削抖处理，再进行移相处理，控制每个子电平模块的驱动。辅助控制器FPGA还实时采集系统工作状态信号，并控制主电路开关动作；当子电平模块产生过流或过温保护信号时，保护信号首先送至辅助控制器FPGAJ^辅助控制器FPGA处理后，产生一个低电平触发信号送至主控制器DSP，PDP中断被触发，主控制器DSP闭锁PWM输出，起到器件保护作用。
[0059]上位机控制模块通过RS-232实现与主控制器DSP的串口通信，主要用于向主控制器DSP下发控制指令、运行参数等控制信息，并实时接收主控制器DSP上传的变流器运行状态及参数信息并通过界面显示，增强系统的人机交互能力。具体的，上位机控制模块通过RS-485实现与储能电池BMS系统的串口通信，实时读取电池电压、充放电电流、温度、SOC等信息并通过界面显示；通过TCP/IP Modbus通信协议与远端监控系统通信，实现储能变流器远端控制，可以远程控制变流器的开机、关机、暂停等运行状态，实时设定变流器的运行参数，并读取变流器系统的实时运行参数。用户可以通过上位机界面实时控制系统运行模式，写入及读取系统运行参数，如输出电压电流设定值、实时电压电流采样值、PID参数等，通过上位机控制模块可以实现变流器本地手动控制和远程自动控制两种控制模式。下位机定时向上位机发送系统运行电气参数实时采样值，通过上位机界面显示即可以观察系统的工作状态。
[0060]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种大功率模块化多电平锂电池储能变流器装置，其特征在于，所述储能变流器装置包括主功率模块和硬件控制系统； 所述主功率模块采用模块化级联结构，每相主回路按照电压等级分为10-30个子电平模块，每相的多个所述子电平模块相互级联； 每级所述子电平模块包括H桥储能变流器模块、储能锂电池和底层控制器；低压网侧通过所述H桥储能变流器模块与所述储能锂电池相连； 各个所述底层控制器采样各自的电池电压、电流和温度信息传输至所述硬件控制系统； 所述硬件控制系统包括相互连接通信的主控制器DSP、辅助控制器FPGA和上位机控制模块。
2.如权利要求1所述的储能变流器装置，其特征在于，所述储能变流器装置进行双向储能充放电管理时: 充电模式下单个所述H桥储能变流器模块将交流电压整流为所述储能锂电池需求的直流电压，放电模式下，所述储能锂电池放电产生的直流电能经所述H桥储能变流器模块逆变为交流电能；每相的多 个所述H桥储能变流模块的交流电压通过级联叠加后形成高压正弦波形。
3.如权利要求1所述的储能变流器装置，其特征在于，所述底层控制器包括FPGA及其外围电路，与所述硬件控制系统相互通信。
4.如权利要求1所述的储能变流器装置，其特征在于，所述主控制器DSP接收所述上位机控制模块下发的运行命令，控制所述辅助控制器FPGA内部事件管理器，对所述主功率电路实时运行电压电流值进行采样、计算、处理，，采样信号经处理后形成反馈并与系统给定相比较，反馈和给定值PI运算的结果送至事件管理器，发出占空比可调的PWM驱动波形，对每个所述子电平模块进行驱动。
5.如权利要求3所述的储能变流器装置，其特征在于，所述主控制器DSP和辅助控制器FPGA通过16位的地址总线和19位的数据总线相连接；所述主控制器DSP所有的IO 口都与所述辅助控制器FPGA相连接，输入输出信号都经所述辅助控制器FPGA去毛刺和削抖处理。
6.如权利要求1所述的储能变流器装置，其特征在于，所述硬件控制系统还包括与所述主控制器DSP和辅助控制器FPGA相连接通信的外围电路； 所述外围电路包括电压电流采样电路、功率管驱动电路、功率管保护电路、上位机与下位机通信电路； 所述电压电流采样电路测量各路电压电流信号送至主控制器DSP进行采样处理；所述功率管驱动电路对辅助控制器FPGA输出的功率管PWM驱动信号进行功率放大后送至所述主功率模块；所述功率管保护电路采集所述每级子电平模块输出的过流保护信号和过温保护信号传输至所述辅助控制器FPGA ;所述主控制器DSP通过所述上位机与下位机的通信电路与所述上位机控制模块进行连接通信。
7.如权利要求6所述的储能变流器装置，其特征在于， 所述电压电流采样电路包括霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、调理电路和光耦隔离电路，所述霍尔电压传感器和霍尔电流传感器测量各路电压电流信号后，输出电压电流值经所述信号调理电路范围限定以及所述光耦隔离电路I隔离后送至所述DSP进行采样处理； 所述功率管驱动电路包括功率放大器件和光耦隔离电路2，所述功率管驱动电路对FPGA输出的功率管PWM驱动信号进行功率放大，所述辅助控制器FPGA输出与所述功率放大器件之间加入光耦隔离电路2进行隔离； 所述功率管保护电路包括光耦隔离电路3，采集所述每级子电平模块输出的过流保护信号和过温保护信号，任何一路所述保护信号的产生都将使所述FPGA向所述DSP发出PWM闭锁信号，禁止功率管动作。
8.如权利要求7所述的储能变流器装置，其特征在于，所述外围电路还包括电源电路、时钟电路、开关控制电路、工作状态判断电路、Flash存储器、SRAM存储器、复位电路、CANBUS、EEPROM、LED阵列、蜂鸣器、按键、拨码开关； 所述电源电路为主控制器DSP和辅助控制器FPGA以及所述储能变流器装置中其他控制电路提供电源支撑，包括1.9V、3.3V、5V、±15V，不同电压之间相互隔离； 所述时钟电路包括所述主控制器DSP的时钟电路和所述辅助控制器FPGA的时钟电路，所述主控制器DSP的时钟电路由30MHz的有源晶振提供，所述辅助控制器FPGA的时钟电路由33MHz的有源晶振提供； 所述辅助控制器FPGA通过所述开关控制电路控制所述主功率电路的开关的工作，所述开关控制电路用于对变流器散热风扇、指示灯以及所述主功率电路断路器的开关控制；所述辅助控制器FPGA通过所述工作状态判断电路检测所述储能变流器装置各开关的实时开合状态，以此判断所述储能变流器装置的运行阶段。
9.如权利要求1所述的储能变流器装置，其特征在于，所述主控制器DSP选用TI公司生产的C2000系列TMS320F2812PGF-176，所述辅助控制器FPGA选用ALTERA公司生产的Cyclone系列EP1C6024017N，所述主控制器DSP内置16个AD转换通道。
10.如权利要求1所述的储能变流器装置，其特征在于， 所述上位机控制模块通过TCP/IP Modbus通信协议与远端监控系统通信，实现储能变流器远端控制所述储能变流器装置的开机、关机、暂停的运行状态，实时设定变流器的运行参数，并读取变流器系统的实时运行参数； 用户通过上位机界面实时控制系统运行模式，写入及读取系统运行参数，实现变流器本地手动控制和远程自动控制两种控制模式； 所述上位机控制模块通过RS-232实现与所述主控制器DSP的串口通信，向所述主控制器DSP下发控制指令、运行参数的控制信息，并实时接收所述主控制器DSP上传的所述储能变流器装置运行状态及参数信息并通过界面显示； 所述系统运行参数包括输出电压电流设定值、实时电压电流采样值、PID参数；所述储能变流器装置运行状态及参数信息包括电池电压、充放电电流、温度、SOC。
【文档编号】H02J3/32GK103580050SQ201310556664
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月11日 优先权日:2013年11月11日
【发明者】惠东, 闫涛, 刘赟甲, 渠展展 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院, 国网福建省电力有限公司电力科学研究院