一种新型两级式双向储能变流器控制系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力电子功率变换器运用领域，涉及一种储能变流器，尤其涉及一种 应用于维持微型电网稳定运行的两级式双向储能变流器。
【背景技术】
[0002] 由分布式电源（DistributedGenerations，DGS)、储能装置、能量变换装置、相关 负荷和监控设备、保护装置汇集而成的微型电网络系统，并且可以实现自我控制、保护和管 理的自治功能，同时还具有并网运行和孤岛运行的能力。随着分布式发电技术、微电网和智 能电网的快速发展，储能系统的作用越来越重要，其中双向储能变流器实现直流储能电池 与交流电网之间的双向能量传递，是将储能电池接入电力系统的关键设备。双向储能变流 器可将夜间或平日富余的电能转移给储能元件存储起来，并在电网电能不足时回馈给电网 以平衡电网峰谷；同时，双向储能变流器用于风能、太阳能、潮汐等具有间歇性的新能源发 电系统中，可以在很大程度上平滑新能源发电输出，改善微电网供电质量，使大规模可再生 能源系统安全可靠地并入电网，真正体现了 "绿色电能变换"。
[0003] 传统的储能变流器通过晶闸管相控整流来实现对蓄电池的充电，蓄电池放电时， 通过电子开关将蓄电池反接，同时通过移相使晶闸管桥工作在有源逆变的状态。这种储能 变流器操作复杂，自动化程度低，且容易出现故障，可靠性不高，工作时，交流侧电流波形畸 变严重，功率因数低，严重污染电网。单级式储能变流器电池容量配置缺乏灵活性，蓄电池 的工作电压范围较小，电池组的均流特性不好。
[0004] 本发明提出新型两级式双向储能变流器主要由三相PffM电压型逆变整流器与半 桥三电平推挽式双向DC-DC变换器构成，而控制策略是储能变流器最核心的技术。双向 DC-DC变换器可增大输出电压调节范围，实现蓄电池的恒流、恒压二阶式的充电模式，实现 能量的双向流动，起到"一机两用"的功能。三相PWM电压型逆变整流器采用全数字化SVPffM 算法可以实现在整流时网侧电流正弦化，稳定直流母线电压，同样可实现单位功率因数整 流和逆变并网。针对新型双向储能变流器，提出基于储能电池的荷电状态（SOC)检测与上 位机指令信号以及相关的电压电流的检测信号相结合来控制实现储能变流器的多模式工 作切换。
【发明内容】
[0005] 针对上述传统的晶闸管相控式储能变流器与传统单级式储能变流器的缺陷，本发 明提出一种新型两级式双向储能变流器，双向变流器由可四象限运行的三相电压型PWM整 流器和新型半桥三电平推挽式（halfbridgeTLpush-pull)双向直流变换器串联而成，可 实现储能蓄电池与电网的隔离和实现蓄电池的宽范围运行。
[0006] 本发明采用以下技术方案：一种新型两级式双向储能变流器控制系统，包括两级 式双向储能变流器主电路及其控制系统电路；
[0007] 所述两级式双向储能变流器主电路包括依次相串接的隔离变压器、三相交流接触 器、三相缓冲电路、LCL滤波器模块、三相电压型PffM整流器、半桥三电平推挽式双向DC-DC变换器、直流输出低通滤波器、限制电池充电电流的充放电缓冲接口电路；所述三相电压型 PWM整流器用于实现整流和逆变的功能，所述双向DC-DC变换器用于完成蓄电池组的充放 电功能；
[0008] 控制系统电路主要包括主控制器、电压电流传感器模块、驱动电路、保护电路、散 热器、蜂鸣器、SOC检测传感器模块、人机界面、通信接口电路、系统辅助供电电源；所述主 控制器分别和电压、电流传感器模块、驱动电路、保护电路、散热器、蜂鸣器、SOC检测传感器 模块、人机界面、通信接口电路、系统辅助供电电源相连接，用于接收并处理来自各传感器、 保护电路、人机界面、通信借口电路的信号，并且通过对信号处理进行判断后发出相应的驱 动信号和故障报警信号；所述电压电流传感器模块连接并检测三相电网电流电压，所述驱 动电路、保护电路的输出连接储能变流器主电路；所述储能变流器主电路一端连接三相电 网，另一端连接蓄电池组，所述蓄电池组还连接SOC检测传感器模块；所述系统辅助供电电 源用于为控制系统电路供电。
[0009] 进一步，所述半桥三电平推挽式双向DC-DC变换器为高压直流侧接半桥飞跨电容 型三电平电路，与其相连的是二次侧带中间抽头式的高频变压器，一次与二次侧变压比为 NI:N2 :N3 = 3 : 1 : 1，高频变压器与两个相同电压、电流应力的N沟道电力MOSFET 构成推挽电路。
[0010] 进一步，所述隔离变压器为A/Y隔离变压器，变压器一次侧为三角形连接，接 380V三相电网，变压器二次侧为星型连接，与三相交流接触器相连，原副边变比N1 :N2 = 1 : 1，额定容量150KVA。
[0011] 进一步，所述驱动电路用来将由主控芯片发出的信号进行功率放大来驱动功率开 关管，驱动电路主要由高速光耦隔离与驱动芯片构成。
[0012] 进一步，所述人机界面与通信接口电路是用来设定有关电压电流等参数，以及与 微电网中其他设备的通信。
[0013] 本发明的方法的技术方案为：
[0014] -种新型两级式双向储能变流器控制系统控制方法，包括步骤：
[0015] 步骤1，根据事先预估的直流输出低通滤波器所通过的电压、电流值，通过人机界 面或通信接口电路设定相关的阈值；
[0016] 步骤2,通过电压、电流传感器模块实时检测三相电压Vh，通过SOC检测传感器模 块检测蓄电池组的SOC并将其检测结果送入主控制器芯片进行计算判断处理；
[0017] 步骤3,通过检测蓄电池端的充放电电流并送入主控制芯片与设定的阈值进行比 较，如果电流超过设定的值就启动保护电路，通过保护电路动作切断储能变流器与三相电 网的连接，并由蜂鸣器发出警告信息，起到对蓄电池组及储能变流器的保护；
[0018] 步骤4,由电压、电流传感器模块检测的电压、电流模拟信号，经过DSP芯片中的ADC模块将模拟信号转换成数字信号；
[0019] 步骤5,当％低于交流母线所要求的最低电压乂 _'时，说明负载所需的 能量不能由交流母线完全提供，此时负载所需的剩余能量需要由蓄电池来补充；当v_' V_' (V_'为交流母线所要求的最高电压），说明交流母线提供的能量可以 满足负载所需，多余的能量给蓄电池充电；
[0020] 步骤6,当满足S0C_<SOCt<SOCniax (S0C_为蓄电池组荷电状态的最小值，SOCniax 为蓄电池组荷电状态的最大值）时，蓄电池处于正常状态，此时既可以对其充电也可以使 其放电，当蓄电池30(；慢慢降低至SOCt<SOC_时，蓄电池处于过放电状态，应立即停止放 电，同样当S0Ct>SOCniax，应立即停止充电，以免过充电；
[0021] 步骤7,控制系统电路根据电网和蓄电池的状态，判断处于哪种工作模式，向两级 式双向储能变流器发出相应的选通和关断信号，以确保双向变流器在合适的模式下切换， 从而实现系统的能量管理。
[0022] 进一步，所述步骤7的具体过程为：
[0023] 当VH<VJ且S0Ct<S0C_(蓄电池处于过放电状态）时，中间信号VjPVsd输 出高电平，此时电路立即进入关断模式，由柴油机给负载供电，多余的能量给蓄电池充电；
[0024] 当乂_'彡VH<Vniax'且S0Ct<SOC議时，中间信号VJPVsd输出低电平，此时电 路选通降压充电模式，交流电网迅速给蓄电池充电；
[0025] iVH<V_'且S0Ct>S0C_时，Ve输出高电平，Vsd输出低电平，此时电路选通升 压放电模式，蓄电池处于放电状态来给负载供电；
[0026] 当Vniin'彡VH<Vniax'且S0Ct>SOCJ寸，VjPVsd输出低电平，此时电路选通降 压充电工作模式，交流电网多余的能量给蓄电池充电，直至SOCt=soc_。
[0027] 进一步，所述蓄电池荷电状态SOC采用改进的安时计量法主要在原安时计量法中
[0028] 式中表示：t时刻蓄电池的荷电状态；S0C。表示蓄电池初始的荷电状态；CN表示蓄 电池的额定容量；X表示影响蓄电池容量的因素；n表示蓄电池的充电效率。
[0029] 本发明具有以下技术效果：
[0030] 1)所述隔离变压器用于隔离三相电网与储能变流器，所述双向DC-DC变换器中高 频变压器用于隔离变流器与蓄电池组，且缓冲电路可以用于限制蓄电池组的充放电电流。 [0031 ] 2)所述三相交流接触器安装于主电路与隔离变压器之间，通过上位机或控制器发 出相应的启动信号使交流接触器动作。所述三相预充电缓冲电路以及与蓄电池组相连接的 缓冲电路中的接触器由时间继电器控制，通过设定时间来控制接触器的动作。
[0032] 3)三相电压型PffM整流器通过SVPffM控制可实现单位公因数± 1的整流和逆变。
[0033] 4)所述DSP控制器的型号为TMS320F2812。所述的DSP控制器与主电路之间还设 有驱动电路以及保护电路，所述DSP控制器与三