一种基于ARM和FPGA控制的双向变流器装置的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及一种基于ARM和FPGA控制的双向变流器装置。

背景技术：

随着新型能源的利用，储能蓄电池也得到了更为广泛的应用。在光伏、风电等新型能源领域，多数采用储能蓄电池将不稳定的电能转换成稳定的、高效的能源。由于风电、光伏等能源会因为自身风量的变化、光照强度的变化，以及其它负荷变化等因素影响到电能的输出质量，因此在风电、光伏等新型能源应用领域，储能蓄电池有很广泛的应用。

电池储能系统包括电池储能模块和双向变流器模块，电池储能模块主要实现能量的存储和释放，双向变流器模块一般用于对电池储能的管理和维护，用以确保电池充放电的安全和效率。

传统的双向变流器装置体积大，对储能蓄电池的能效管理低，不能给用户提供良好的数据交互接口。随着科技的发展，电池储能系统已被应用于电动汽车等高科技领域，因此对于传统的双向变流器的应用提出了更高的要求，对能量的存储、能量的释放、以及快速功率交换、电压宽范围调整、瞬时大功率输出等提出了更高的要求，同时伴随着当今快速发展的网络平台以及数据管理平台，对设备的交互式接口和良好的用户体验也提出了更高的要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能有 效管理蓄电池、且给用户提供良好的数据交互接口的基于ARM和FPGA控制的双向变流器装置。

为实现以上目的，本实用新型采用如下技术方案：一种基于ARM和FPGA控制的双向变流器装置，包括开关模块、滤波采样模块和控制模块；

所述开关模块输入端连接三相交流电网，所述开关模块的输入端与所述滤波采样模块的输入端相连接，所述滤波采样模块的输出端与所述控制模块电连接；所述控制模块中设置有双向变流器控制模块，所述滤波采样模块的输出端与所述双向变流器控制模块的输入端相连接，所述双向变流器控制模块输出端连接有蓄电池组；所述控制模块中还设有FPGA控制板和ARM控制板，通过基于ARM和FPGA的控制系统来实现对蓄电池组的管理和维护。

进一步的，所述开关模块包括开关1QF1、接触器开关1KM1、接触器开关1KM2，以及充电电阻1R1、1R2和1R3；所述开关1QF1、所述接触器开关1KM2以及充电电阻1R1、1R2和1R3依次串连连接在三相交流电网上，所述接触器开关1KM1中的常闭触点分别并联在所述充电电阻1R1、1R2和1R3的两端。通过充电电阻和充电开关1KM1先给双向变流器模块充电，在满足并网条件后，通过短接主开关1KM2的方式实现并网。

进一步的，所述开关模块还包括电压互感器1TVa、1TVb和1TVc，所述电压互感器1TVa、1TVb和1TVc一端分别接在主开关1QF1与接触器开关1KM1之间的三相交流电网上，所述电压互感器1TVa、1TVb和1TVc另一端均接地。

进一步的，所述滤波采样模块包括三相交流电抗器L1，以及设置在所述三相交流电抗器L1前端的滤波电容1C1，1C2和1C3，所述三相交流电抗器L1串接在三相交流电网中，所述滤波电容1C1的一端与1C2的一端电连接，所述1C2的一端与1C3的一端电连接，所述滤波电容1C1的另一端，1C2的另一端和1C3的另一端分别电连接至三相交流电网中。通过三相交流电抗器和滤波电容来实现抑制回路中电流变化和滤除系统中高次谐波的目的。

进一步的，所述滤波采样模块还包括电流互感器，所述电流互感器设置在所述三相交流电抗器L1与所述双向变流器控制模块之间。

进一步的，所述控制模块中还包括AC/DC电路，所述AC/DC电路与所述FPGA控制板电连接。通过基于ARM和FPGA的控制系统来实现对储能蓄电池的充放电管理以及良好的人机交互接口。双向变流器的能量转换主要是由控制模块来实现。

进一步的，所述ARM控制板上连接有WIFI/GPRS通讯单元。

本实用新型采用以上技术方案，通过ARM芯片来实现良好的人机交互接口，同时通过ARM丰富的外围应用接口来实现WIFE、GPRS等新的网络应用的扩展以及装置的数据实时监控和管理功能。通过FPGA芯片来实现对储能蓄电池的管理和维护。

附图说明

图1是本实用新型双向变流器装置系统图；

图2是本实用新型双向变流器控制模块原理图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

如图1和图2所示，本实用新型提供一种基于ARM和FPGA控制的双向变流器装置，包括开关模块、滤波采样模块和控制模块；所述开关模块输入端连接三相交流电网，所述开关模块的输入端与所述滤波采样模块的输入端相连接，所述滤波采样模块的输出端与所述控制模块电连接；所述控制模块中设置有双向变流器控制模块，所述滤波采样模块的输出端与所述双向变流器控制模块的输入端相连接，所述双向变流器控制模块输出端连接有蓄电池组；所述控制模块中还设有FPGA控制板和ARM控制板，通过基于ARM和FPGA的控制系统来实现对蓄电池组的管理和维护。

作为一种优选的实施方式，所述开关模块包括开关1QF1、接触器开关1KM1、接触器开关1KM2，以及充电电阻1R1、1R2和1R3；所述开关1QF1、所述接触器开关1KM2以及充电电阻1R1、1R2和1R3依次串连连接在三相交流电网上，所述接触器开关1KM1中的常闭触点分别并联在所述充电电阻1R1、1R2和1R3的两端。

作为一种优选的实施方式，所述开关模块还包括电压互感器1TVa、1TVb和1TVc，所述电压互感器1TVa、1TVb和1TVc一端分别接在主开关1QF1与接触器开关1KM1之间的三相交流电网上，所述电压互感器1TVa、1TVb和1TVc另一端均接地。

作为一种优选的实施方式，所述滤波采样模块包括三相交流电抗器L1，以及设置在所述三相交流电抗器L1前端的滤波电容1C1，1C2和1C3，所述三相交流电抗器L1串接在三相交流电网中，所述滤波电容1C1的一端与1C2的一端电连接，所述1C2的一端与1C3的一端电连接，所述滤波电容1C1的另一端，1C2的另一端和1C3的另一端分别电连接至三相交流电网中。

作为一种优选的实施方式，所述滤波采样模块还包括电流互感器1Ta和1Tc，所述电流互感器设置在所述三相交流电抗器L1与所述双向变流器控制模块之间。

为进一步详述本实用新型，现在如下拓展说明:

本实用新型中FPGA选用了EP2C50F484C8K芯片，通过FPGA控制板来实现对交流侧IGBT和直流侧IGBT的实时控制，实现AC/DC能量转换以及DC/DC直压控制。为了给用户提供良好的交互接口，设计中选用了STM32F103RB芯片作为ARM控制器的芯片，通过ARM芯片强大的外围通用接口来实现WIFE、GPRS等当今主流数据通讯功能。通过ARM控制板实时对蓄电池的电压、电流、温度、压力和液位进行检测和报警，一旦出现异常及时报警并切断相关的电路，避免电池被损坏。同时外接WIFE、GPRS等通讯模块，实现设备的无人值守以及远程数据检测和控制。

参见图1，双向变流器的系统主要是由开关模块、滤波采样模块、控制模块来构成。首先装置检测电网是否投入，如果外部条件允许，则装置合主开关1QF1、接触器开关1KM1、断开短接开关1KM2，此时通过电网给控制模块的电容进行充电。控制模块上电后自动对IGBT器件状态和各个开关进行自检，判断器件是否正常，系统保护是否动作，自检通过后，装置闭合1KM1接触器开关，通过对电网电压检测，FPGA输出同等相位、幅值的电压，并入电网。并网成功后，装置即可以将直流母线电压逆变成三相交流电网电压实现AC/DC的能量转换。

滤波采样模块主要包括电抗和滤波电容，主要起抑制电流冲击和优化电能质量的目的。

参加图2，控制模块包括AC/DC电路、FPGA控制板、ARM控制板，双向变流器的功能主要是由控制模块来实现，所述的AC/DC电路包括交流侧逆变开关IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、滤波电容C1、C2、均压电阻R1、R2、直流侧开关IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10，网侧的交流逆变和储能蓄电池的直流侧能量管理都是通过ARM和FPGA控制IGBT的通断来实现的。

交流侧的AC/DC控制，采用三相全桥电路来实现，通过检测直流侧母线电压来实现电压外环PI控制，通过交流侧有功和无功的调节来实现电流内环PI的调节，双闭环PI控制方式可以实现网侧能量的双向传递。所述AC/DC能量转换，主要利用交流侧IGBT来实现装置的并网功能和与电网能量的双向转换功能。在并网瞬间，FPGA控制板通过网侧电压互感器1TVa、1TVb、1TVc检测网侧的电压幅值、相位，装置按照相同电压的幅值、相位进行并网，否则将出现大的冲击电流，引起装置系统保护跳机或者器件的损坏。在电网供电时，装置通过整流后对电容进行充电。在电网电压低于设定值时，将直流侧的能量反送到电网侧，主要是将直流侧的电压逆变成和电网同频、同相、同幅值的交流电，将能量反送到电网。

直流侧的DC/DC电路主要采用BOOST方式来实现对储能蓄电池电压的控制，通过实时检测直流侧的电压和功率计算来控制IGBT的通断，主要是通过双向变流器装置的直流侧IGBT调整其占空比，控制储能蓄电池两端的电压。把电容上的直流电压转换成一定的直流电压值，实现对电池的充放电管理。

本设计对储能蓄电池的充放电采用了恒流转恒压的方式，即先以适当电流密度的恒定电流充电，同时不断检测电池端电压，在此过程中，充电电流恒定不变，电池电压逐渐上升，当电池电压上升到设定电压值时，恒流充电状态终止，充电器应立即转入恒压充电，随着恒压充电的进行，充电电流逐渐减小，当电池充足电时，终止恒压充电。

本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。