專利名稱：基于系統(tǒng)變流器的移動(dòng)應(yīng)急電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種電力電源技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種基于系統(tǒng)變流器的移 動(dòng)應(yīng)急電源。
背景技術(shù)：
移動(dòng)應(yīng)急電源已廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，如作為現(xiàn)代樓宇的后備電源，搶險(xiǎn)救災(zāi)中 的應(yīng)急供電，以及醫(yī)療、消防、軍事裝備等，需求量不斷增大。近年來，隨著微網(wǎng)概念的提出 以及分布式發(fā)電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，移動(dòng)應(yīng)急電源也可用于小型電網(wǎng)的后備支撐，及作為各 種新能源的并網(wǎng)中介等。所述移動(dòng)應(yīng)急電源基于全控電力電子器件IGBT及PWM變換技術(shù)，與傳統(tǒng)移動(dòng)應(yīng)急 電源系統(tǒng)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)1)除利用傳統(tǒng)的柴油機(jī)組外，將風(fēng)能、太陽能也作為應(yīng)急電 源的主要能量來源，通過變流器輸出高質(zhì)量電能，從而減小污染，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。2) 移動(dòng)應(yīng)急電源核心部分采用一種多功能變流器，將直流升降壓(Boost、Buck)、PWM整流、 PWM逆變功能集于一身，減小了設(shè)備整體體積，提高了效率。3)可提供三相及單相交流輸出 電壓，幅值和頻率可控，能夠適用于各種電壓等級(jí)和頻率的負(fù)載，擴(kuò)大系統(tǒng)應(yīng)用范圍。4)除 具備應(yīng)急發(fā)電功能外，還可作為新能源并網(wǎng)接口，成為分布式發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分。5) 采用PWM變流技術(shù)，開關(guān)頻率高，諧波含量低，輸出波形質(zhì)量高。針對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)應(yīng)急電源大都依賴柴油機(jī)組發(fā)電，存在噪聲大、污染環(huán)境，以及輸出 電能質(zhì)量差等問題，設(shè)計(jì)了 一種移動(dòng)應(yīng)急電源系統(tǒng)，其核心部分是一種多功能變流器，是在 傳統(tǒng)三相橋式變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加電容、電感、接觸器和蓄電池構(gòu)成。將直流升降 壓(B00St、Buck)、PWM整流、PWM逆變功能集于一身，使風(fēng)能，太陽能能夠應(yīng)用于移動(dòng)應(yīng)急電 源系統(tǒng)。整個(gè)移動(dòng)應(yīng)急電源系統(tǒng)可通過上位機(jī)和PLC協(xié)調(diào)控制，發(fā)出指令信號(hào)及監(jiān)控系統(tǒng) 運(yùn)行狀態(tài)，所有操作可通過安裝在控制室內(nèi)的觸摸屏或工控機(jī)來完成。對(duì)于變流器實(shí)現(xiàn)的各種功能所采用的控制方式也各不相同，對(duì)于直流升、降壓變 換，采用PI調(diào)節(jié)器，通過調(diào)節(jié)控制信號(hào)輸出幅值改變PWM占空比，從而維持輸出直流電壓跟 蹤給定，對(duì)系統(tǒng)中蓄電池充電或維持電容電壓恒定。對(duì)于PWM整流方式，采用雙閉環(huán)矢量控 制策略，分為內(nèi)環(huán)和外環(huán)，其中，內(nèi)環(huán)為電流閉環(huán)，采用前饋解耦控制策略，有功電流、無功 電流分別跟蹤外環(huán)給定值；外環(huán)分別為直流電壓和無功功率閉環(huán)，采用PI調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng) 輸出跟蹤給定值。對(duì)于PWM逆變方式，分別控制兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下dq軸電壓跟蹤給定，由 PI調(diào)節(jié)器輸出控制信號(hào)，再經(jīng)坐標(biāo)反變換得到三相靜止坐標(biāo)系下參考信號(hào)，觸發(fā)各IGBT器 件，輸出頻率、幅值可調(diào)的三相交流電。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，Guiyin Yu在The Ninth International Conference onElectronic Measurement & Instruments 學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表的 A New Type of Three-phaseEmergency Power Supply(EPS)(一種三相應(yīng)急電源(EPS))設(shè)計(jì)了一種基 于IPM模塊和DSPTMS320LF2407A處理器的應(yīng)急電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急電源的基本功能，但存 在以下缺點(diǎn)1)主電路中電能來源單一，只有蓄電池作為唯一儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，經(jīng)直流變換電路及三相橋式逆變電路后輸出，而蓄電池在頻繁充放電情況下使用壽命短、成本高，系統(tǒng)容量 受蓄電池體積和成本影響大。2)對(duì)于風(fēng)能、太陽能等新能源沒有預(yù)留接口，無法利用風(fēng)力發(fā) 電機(jī)和太陽能電池板等輸出電能。3)輸出接口較少，只能輸出一路三相交流電。4)應(yīng)用范 圍較小，文獻(xiàn)中所述應(yīng)急電源系統(tǒng)不可移動(dòng)，對(duì)于電力搶險(xiǎn)、通信維修、突發(fā)事件處理、搶險(xiǎn) 救災(zāi)等場合無法應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于系統(tǒng)變流器的移動(dòng)應(yīng)急電 源，以DSP2812數(shù)字信號(hào)處理器為核心控制器，采用觸摸屏作為系統(tǒng)上位機(jī)，選擇系統(tǒng)運(yùn)行 狀態(tài)，給出系統(tǒng)運(yùn)行指令信號(hào)，操作簡單。電源核心部分為多功能變流器，通過接觸器閉合 不同回路，可使系統(tǒng)工作于直流變換、PWM整流、PWM逆變狀態(tài)之一。電能可來源于風(fēng)能、太 陽能、市電、柴油機(jī)四種輸入，有效提高系統(tǒng)可靠性。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括蓄電池模塊、多功能變流器、直 流電抗器、三個(gè)交流電抗器、兩個(gè)直流穩(wěn)壓電容、八個(gè)接觸器以及主控電路模塊，其中第一 接觸器分別連接直流電抗器和多功能變流器第一橋臂中點(diǎn)，蓄電池模塊經(jīng)第六接觸器與第 一直流穩(wěn)壓電容并聯(lián)后連接于直流電抗器另一端，第二直流電容并聯(lián)于三相全控橋式結(jié)構(gòu) 的直流側(cè)，三個(gè)交流電抗器用于連接第三、第四接觸器及變流器三相橋臂的中點(diǎn)，第二接觸 器連接蓄電池模塊和第二直流電容模塊，第三、四、五、七、八接觸器分別作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)、 柴油機(jī)或市電、太陽能電池板、單相負(fù)載及三相負(fù)載或電網(wǎng)的接口模塊，主控電路模塊的輸 入連接于系統(tǒng)中多功能變流器三相橋臂輸出的交流電壓、電流及兩個(gè)直流電容電壓的檢測 元件，主控電路模塊輸出的觸發(fā)脈沖與變流器中六個(gè)全控開關(guān)器件門極相連。所述的蓄電池模塊由多節(jié)蓄電池依次串聯(lián)組成蓄電池組，單節(jié)蓄電池采用密封免 維護(hù)鉛酸蓄電池。所述的多功能變流器包括功率電路和主控電路，其中功率電路由第三直流電 容、第四直流電容，一個(gè)直流電抗器和六個(gè)帶反并聯(lián)二極管的全控開關(guān)器件組成，主控電路 以DSP2812芯片為核心，通過檢測系統(tǒng)三相電壓、電流及直流電壓信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，生成觸發(fā) 脈沖信號(hào)通過光纖傳遞至功率電路觸發(fā)各全控開關(guān)器件工作，同時(shí)也具備過電流、過電壓 保護(hù)，輸出故障信號(hào)的功能。所述的直流電抗器的電感值按照以下兩種方式中的任意一種進(jìn)行計(jì)算a)對(duì)于降壓變換的電感臨界值La按照式⑴計(jì)算，Ztl(1)；
R0b)對(duì)于升壓變換的電感臨界值Lc2按照式⑵計(jì)算人2 =^Dcmn(I-Dcmn) ;2 (2)；其中R為負(fù)載電阻，Ts SPWM開關(guān)周期，D。為降壓變換占空比，D。min為升壓變換最 小占空比，實(shí)際電感值選取時(shí)應(yīng)比計(jì)算得到的臨界電感值稍大，又由于升降壓電器采用一 個(gè)電感，電感L值取Lei、Le2中較大者。所述的第一直流電容和第二直流電容的容值分別按照直流升降壓變換輸出直流 電壓紋波大小來確定，其中第一直流電容可按照式⑶計(jì)算，C1 = vO) ”⑶；
第二直流電容按照式⑷計(jì)算，C2 = ^lj⑷；其中R為負(fù)載電阻，Ts SPWM開關(guān)周期，vd。、Δ Vd。分別為輸出直流電壓及紋波電 壓，Dc為降壓變換占空比，Dcmax為升壓變換最大占空比，L為直流電感值。所述的主控電路模塊以DSP2812開發(fā)板為核心，該主控電路模塊包括電壓電流 檢測模塊、坐標(biāo)變換模塊、PWM模塊、電流內(nèi)環(huán)模塊和鎖相環(huán)模塊，其中電壓電流檢測模塊 與坐標(biāo)變換模塊相連接并傳輸交流電壓電流瞬時(shí)值，鎖相環(huán)模塊與坐標(biāo)變換模塊及電流內(nèi) 環(huán)模塊相連接并傳輸電壓相位角信號(hào)，電流內(nèi)環(huán)模塊與PWM模塊相連接并傳輸三相電壓指 令信號(hào)，PWM模塊與主電路全控開關(guān)器件相連接并傳輸觸發(fā)脈沖信號(hào)。所述的PWM模塊包括坐標(biāo)反變換模塊、限幅模塊和觸發(fā)脈沖生成模塊，坐標(biāo)反變 換模塊接收dq軸電壓指令信號(hào)經(jīng)計(jì)算后得到三相靜止坐標(biāo)系下指令信號(hào)，作為三相參考 信號(hào)送至觸發(fā)脈沖生成模塊輸出觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)相應(yīng)全控開關(guān)器件動(dòng)作。所述的多功能變流器的工作過程如下1、直流電壓的變換功能由第一直流電容、第二直流電容，直流電抗器和第一橋臂 的兩只全控開關(guān)器件完成，通過控制第一橋臂下部開關(guān)器件高頻開關(guān)，可將第一直流電容 兩端電壓升壓后對(duì)第二直流電容充電，即直流升壓變換(Boost)，或者通過控制第一橋臂 上部開關(guān)器件高頻開關(guān)，將第二直流電容兩端電壓降壓后對(duì)第一直流電容或蓄電池模塊充 電，即直流降壓變換(Buck)。各功率器件的觸發(fā)脈沖由主控電路生成，直流變換采用PI調(diào) 節(jié)器生成參考信號(hào)，與高頻三角波比較輸出觸發(fā)脈沖(即SPWM方法)。2、PWM整流和PWM逆變功能由主電路中六個(gè)全控開關(guān)器件和第二直流電容完成， 工作于整流狀態(tài)時(shí)通過第三、第四接觸器的切換可利用風(fēng)能、市電及柴油機(jī)其中一種能源 對(duì)第二直流電容充電，使輸出直流電壓跟蹤給定；工作于逆變狀態(tài)時(shí)，閉合第二、第六接觸 器將蓄電池組中的電能逆變?yōu)閱蜗?通過第二、第三橋臂開關(guān)器件高頻開關(guān))或三相(通 過全部六只開關(guān)器件高頻開關(guān))PWM交流電壓輸出供給負(fù)載或并網(wǎng)。各功率器件的觸發(fā)脈 沖同樣由主控電路生成，對(duì)于PWM逆變功能，基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，分別控制dq軸電壓跟蹤 給定，從而分別控制輸出電壓的頻率和幅值；對(duì)于PWM整流采用雙閉環(huán)矢量控制方式，外環(huán) 為直流電壓環(huán)和無功功率環(huán)，基于兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq系)，內(nèi)環(huán)為有功電流和無功電 流閉環(huán)，采用前饋解耦控制方法，跟蹤外環(huán)調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)，使系統(tǒng)直流電壓和無功功率分 別獨(dú)立控制。當(dāng)工作于直流升降壓變換狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將檢測到的第一直流電容或第二直流電容 電壓Vdc與直流電壓給定值《比較，得到誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后輸出指令信號(hào)傳輸至PWM生成模 塊，輸出觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)相應(yīng)全控開關(guān)器件工作。當(dāng)工作于PWM整流狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)檢測交流電壓、電流，并傳送至坐標(biāo)變換模塊，得 到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓值Vd、V(1，電流值id、、，送至無功功率計(jì)算模塊得到無功功率實(shí)際 值Q與無功給定值Q*比較，誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后送至電流內(nèi)環(huán)，作為內(nèi)環(huán)q軸電流給定值ζ。 檢測第二直流電容電壓vd。與直流電壓給定值^比較，誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后送至電流內(nèi)環(huán)，作 為內(nèi)環(huán)d軸電流給定值G。電流內(nèi)環(huán)模塊將dq軸電流給定值/〗、<與坐標(biāo)變換模塊得到的電流實(shí)際值比較后
經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出并取反，與系統(tǒng)電壓Vd、Vq及內(nèi)環(huán)前饋解耦量ω Li,、- ω Lid求和作為指令
6信號(hào)送至PWM模塊，輸出觸發(fā)脈沖。當(dāng)系統(tǒng)工作于PWM逆變狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將dq軸電壓給定值與坐標(biāo)變換模塊計(jì)算得到 的dq軸實(shí)際電流值比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到指令信號(hào)送至PWM模塊，輸出觸發(fā)脈沖，其中d 軸電壓指令值根據(jù)實(shí)際情況可以是負(fù)載額定電壓矢量幅值或電網(wǎng)電壓矢量的幅值。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括1.將多種變換功能結(jié)合在一起，僅用六個(gè)全控電力電子器件及簡單的接觸器相互 切換即可實(shí)現(xiàn)直流升-降壓變換、PWM整流、PWM逆變功能，與上述文獻(xiàn)相比可節(jié)省一組全控 開關(guān)器件橋(文獻(xiàn)中共四組橋)，降低設(shè)備成本，減小設(shè)備體積。2.將新能源應(yīng)用于移動(dòng)應(yīng)急電源，可利用風(fēng)能、太陽能對(duì)蓄電池充電，達(dá)到節(jié)能、 環(huán)保的目的。避免了以柴油機(jī)作為電能唯一來源的傳統(tǒng)應(yīng)急電源存在的環(huán)境污染、輸出電 能質(zhì)量差及可靠性不高等缺點(diǎn)。3.系統(tǒng)采用PWM變流技術(shù)，開關(guān)頻率高，輸出波形質(zhì)量好，諧波含量低，可明顯減 小輸出無源濾波器的體積，甚至可不配置濾波器，使設(shè)備整體體積減小，具有較好的機(jī)動(dòng) 性。4.采用矢量控制技術(shù)，系統(tǒng)輸出交、直流電壓均可控，且跟蹤精度較高，不僅可對(duì) 負(fù)載應(yīng)急供電，也可作為新能源并網(wǎng)變流器使用，作為太陽能、風(fēng)能并網(wǎng)發(fā)電的接口單元， 成為分布式發(fā)電系統(tǒng)的組成部分。5.采用DSP2812作為主控系統(tǒng)處理芯片，集成CAN總線通訊功能，可利用通訊網(wǎng)絡(luò) 使多個(gè)系統(tǒng)集成管理，便于形成統(tǒng)一管理及操作平臺(tái)，擴(kuò)大系統(tǒng)規(guī)模。本發(fā)明采用多功能變流器，將直流升降壓變換、PWM整流、PWM逆變功能用三組全 控橋?qū)崿F(xiàn)，通過接觸器相互切換實(shí)現(xiàn)各種變換功能。同時(shí)將太陽能、風(fēng)能應(yīng)用于移動(dòng)應(yīng)急電 源系統(tǒng)，使其電能來源多樣化，可提高系統(tǒng)可靠性。采用PWM及矢量控制技術(shù)使系統(tǒng)輸出電 壓質(zhì)量較高，幅值、相位均可控，既可對(duì)負(fù)載應(yīng)急供電，也可作為新能源并網(wǎng)變流器使用，擴(kuò) 大了移動(dòng)應(yīng)急電源系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。多功能變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要特征是在傳統(tǒng)三相橋式全控結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加電 容、電感及接觸器使其不僅具備PWM整流、逆變功能，同時(shí)具備直流升_降壓變換功能。將 直流變換電路與交流三相PWM變流器功能結(jié)合在一起。通過控制第一組橋臂兩只全控開關(guān) 器件的高頻通斷可實(shí)現(xiàn)雙相直流升壓或降壓變換，直流電抗器為直流升、降壓共用電感。降 壓變換時(shí)輸出電壓對(duì)第一直流電容和蓄電池充電，升壓變換時(shí)輸出直流電壓對(duì)第二直流電 容充電。且輸出電壓可調(diào)，均具有較高跟蹤精度。主控系統(tǒng)的主要特征是采用DSP2812作為主控芯片，根據(jù)系統(tǒng)各種運(yùn)行狀態(tài)(直 流升-降壓、PWM整流、逆變)輸出控制觸發(fā)脈沖，控制系統(tǒng)中六個(gè)全控電力電子器件動(dòng)作， 主控系統(tǒng)與主電路之間PWM觸發(fā)信號(hào)以光纖連接，避免傳輸過程中的干擾影響系統(tǒng)性能。 系統(tǒng)工作狀態(tài)，即電壓、電流信息，以霍爾元件檢測，經(jīng)信號(hào)調(diào)理、濾波后送入DSP芯片。工作時(shí)，若風(fēng)能處于可用狀態(tài)(風(fēng)速在風(fēng)機(jī)正常工作范圍內(nèi))，系統(tǒng)將風(fēng)機(jī)輸出通 過交流電抗器送至變流器交流側(cè)，通過控制六只全控開關(guān)器件，使其工作于PWM整流狀態(tài)， 可將風(fēng)機(jī)輸出三相交流電變換為直流，儲(chǔ)存于第二直流電容中，通過閉合第二和第六接觸 器可向蓄電池充電，通過控制第二、第三橋臂開關(guān)管動(dòng)作可將電容電壓逆變?yōu)閱蜗嘟涣麟姡?通過控制第一、第二、第三橋臂全控開關(guān)器件動(dòng)作可將電容電壓逆變?yōu)槿嘟涣麟?，即將風(fēng)能作為移動(dòng)應(yīng)急電源系統(tǒng)的能量來源。若太陽能處于可用狀態(tài)，可利用太陽能對(duì)蓄電池充 電，或與第一、第二直流電容并聯(lián)，再通過第一、第二、第三橋臂全控開關(guān)器件逆變輸出單相 或三相交流電，即將太陽能作為移動(dòng)應(yīng)急電源系統(tǒng)能量來源。若風(fēng)能、太陽能均處于不可用 狀態(tài)，則可利用柴油發(fā)電機(jī)或市電對(duì)蓄電池充電或直接輸出。本發(fā)明既可作為電力搶險(xiǎn)、通信維修、突發(fā)事件處理、搶險(xiǎn)救災(zāi)、軍事作戰(zhàn)演習(xí)等 方面的應(yīng)急供電使用，也可以作為新能源并網(wǎng)變流器或作為分布式電源使用，應(yīng)用范圍較 廣，且電能來源多樣化，可以為風(fēng)能、太陽能、市電或柴油機(jī)，上述均可對(duì)蓄電池充電，保證 蓄電池在任何狀態(tài)均可用，使系統(tǒng)具有較高的可靠性，且節(jié)能環(huán)保，對(duì)環(huán)境污染小。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2是移動(dòng)應(yīng)急電源主控系統(tǒng)與主電路信號(hào)傳輸圖。
圖3是直流升_降壓變換控制示意圖。圖4是PWM整流控制示意圖。圖5是PWM逆變控制示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。如圖1所示，本實(shí)施例包括一個(gè)蓄電池模塊，一個(gè)多功能變流器，一個(gè)直流電抗 器，三個(gè)交流電抗器，兩個(gè)直流穩(wěn)壓電容、八個(gè)接觸器以及主控電路模塊。其中第一接觸器 KMl連接直流電抗器L和多功能變流器模塊第一橋臂Bl中點(diǎn)，蓄電池模塊SC經(jīng)第六接觸器 KM6與第一直流穩(wěn)壓電容Cl并聯(lián)后連接于直流電抗器L另一端，第二直流電容C2并聯(lián)于 三相全控橋式結(jié)構(gòu)的直流側(cè)，三個(gè)交流電抗器Ll L3用于連接第三、第四接觸器KM3、KM4 及變流器三相橋臂Bl B3的中點(diǎn)，第二接觸器KM2連接蓄電池模塊SC和第二直流電容模 塊C2，第三、四、五、七、八接觸器KM3、KM4、KM5、KM7、KM8分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)WF、柴油機(jī)或市 電AC、太陽能電池板SP、單相負(fù)載SPL及三相負(fù)載或電網(wǎng)TPL的接口模塊。主控電路模塊 MC的輸入連接于系統(tǒng)中多功能變流器三相橋臂輸出的交流電壓Ua，Ub, U。、電流Ia，Ib, Ic及 兩個(gè)直流電容電壓Vdl，Vd2的檢測元件，主控電路模塊輸出的觸發(fā)脈沖與變流器中六個(gè)全 控開關(guān)器件Tl T6門極相連。所述的蓄電池模塊由多節(jié)蓄電池依次串聯(lián)組成蓄電池組，單節(jié)蓄電池采用密封免 維護(hù)鉛酸蓄電池，單節(jié)輸出電壓12V，每組9節(jié)串聯(lián)，共三組并聯(lián)。所述的多功能變流器包括功率電路和主控電路，其中功率電路由第三直流電 容、第四直流電容C1、C2，一個(gè)直流電抗器L和六個(gè)帶反并聯(lián)二極管的全控開關(guān)器件(Tl T6)組成。主控電路以DSP2812芯片為核心，通過檢測系統(tǒng)三相電壓、電流及直流電壓信號(hào) 進(jìn)行運(yùn)算，生成觸發(fā)脈沖信號(hào)通過光纖傳遞至功率電路觸發(fā)各全控開關(guān)器件(Tl T6)工 作，同時(shí)也具備過電流、過電壓保護(hù)功能，輸出故障信號(hào)。其中電感La參數(shù)選取時(shí)，最小占 空比為0. 25，PWM開關(guān)頻率1050Hz，等效負(fù)載電阻20 Ω可按照上述式(1)計(jì)算得到Lci =7. ImH,實(shí)際電感可取為計(jì)算值的1. 2倍，即8. 52mH。電感Lc2參數(shù)選取時(shí)，取最小占空比Dcmin 為0. 5，其余參數(shù)同上，按照上述式(2)計(jì)算得到Lc2 = 1. 2mH，最終電抗器L的電感值取二 者中較大的一個(gè)，即L = 8. 52mH。電容Cl參數(shù)選取時(shí)，設(shè)置紋波系數(shù)為0. 2%，S卩Δ V(k為 輸出電壓的0.2%。根據(jù)式(3)計(jì)算得到Cl = 5mF。電容C2參數(shù)選取時(shí)，D0nax設(shè)置為5/6， 其余參數(shù)同上，按照式(4)計(jì)算得到C2 = 4. 95mF。所述的三個(gè)交流電抗器是完成PWM整流功能時(shí)的必需元件，其值按照系統(tǒng)基準(zhǔn)阻 抗選取，值的大小決定了直流電壓輸出范圍及系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)的跟蹤性能。當(dāng)工作于PWM整 流狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)基準(zhǔn)阻抗為直流輸出電壓除以直流電流值。系統(tǒng)工作于PWM整流狀態(tài)時(shí)， 設(shè)置直流電壓額定值為800V，KM3，KM4處接口輸出額定功率300KW，可計(jì)算得到基準(zhǔn)阻抗 2. 13 Ω，交流電抗器阻抗為ω L，可得到三個(gè)交流電抗器值為6. 78mH。所述的主控電路模塊以DSP2812開發(fā)板為核心，包括電壓、電流檢測模塊，坐標(biāo)變 換模塊、PWM模塊，電流內(nèi)環(huán)模塊和鎖相環(huán)模塊。下面結(jié)合圖2-5說明多功能變流器在各種 工作模式下，主控電路工作方式。如圖2和圖3所示，當(dāng)工作于直流升降壓變換狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將檢測到的第一直流電 容Cl或第二直流電容C2的電壓Vdca或vd。2與直流電壓給定值《比較，得到誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié) 后輸出指令信號(hào)傳輸至PWM生成模塊，輸出觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)相應(yīng)開關(guān)器件工作。如圖4所示，當(dāng)工作于PWM整流狀態(tài)時(shí)，如圖4(a)所示，系統(tǒng)檢測交流電壓、電流， 并傳送至坐標(biāo)變換模塊，得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓值vd、vq,電流值id、iq，送至無功功率 計(jì)算模塊得到無功功率實(shí)際值Q與無功給定值Q*比較，誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后送至電流內(nèi)環(huán)， 作為內(nèi)環(huán)q軸電流給定值ζ。檢測第二直流電容電壓vdc與直流電壓給定值《比較，誤差經(jīng) PI調(diào)節(jié)器后送至電流內(nèi)環(huán)，作為內(nèi)環(huán)d軸電流給定值G。如圖4(b)所示，電流內(nèi)環(huán)模塊將dq軸電流給定值/〗、< 與坐標(biāo)變換模塊得 到的電流實(shí)際值比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出并取反，與系統(tǒng)電壓Vd、、及內(nèi)環(huán)前饋解耦量 ω Liq, - ω Lid求和作為指令信號(hào)送至PWM模塊，輸出觸發(fā)脈沖。如圖5所示，當(dāng)系統(tǒng)工作于PWM逆變狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將dq軸電壓給定值與坐標(biāo)變換 模塊計(jì)算得到的dq軸實(shí)際電流值比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到指令信號(hào)，送至PWM模塊，輸出觸 發(fā)脈沖，其中d軸電壓指令值根據(jù)實(shí)際情況可以是負(fù)載額定電壓矢量幅值或電網(wǎng)電壓矢量 的幅值。上述PWM模塊又包括坐標(biāo)反變換模塊、限幅模塊和觸發(fā)脈沖生成模塊，坐標(biāo)反變 換模塊接收dq軸電壓指令信號(hào)經(jīng)計(jì)算后得到三相靜止坐標(biāo)系下指令信號(hào)，作為三相參考 信號(hào)送至觸發(fā)脈沖生成模塊，輸出觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)相應(yīng)全控開關(guān)器件動(dòng)作。本實(shí)施例的工作過程如圖1所示1、直流電壓的變換功能由第一直流電容Cl、第二直流電容C2、直流電抗器L和第 一橋臂的兩只全控器件(T1、T2)完成，通過控制Τ2高頻開關(guān)，可將直流電容Cl兩端電壓升 壓后對(duì)電容C2充電，即直流升壓變換(Boost)，或者通過控制Tl高頻開關(guān)，將C2兩端電壓 降壓后對(duì)直流電容Cl或蓄電池模塊充電，即直流降壓變換(Buck)。各功率器件的觸發(fā)脈沖 由主控電路生成，直流變換采用PI調(diào)節(jié)器生成參考信號(hào)，與高頻三角波比較輸出觸發(fā)脈沖 (即SPWM方法)。2、PWM整流和PWM逆變功能由主電路中六個(gè)IGBT和第二直流電容C2完成，工作
9于整流狀態(tài)時(shí)通過第三(KM3)、第四(KM4)接觸器的切換可利用風(fēng)能、市電及柴油機(jī)中任一 種能源經(jīng)開關(guān)管T1 T6對(duì)直流電容C2充電，使輸出直流電壓跟蹤給定；工作于逆變狀態(tài) 時(shí)，閉合第二、第六接觸器將蓄電池組中的電能逆變?yōu)閱蜗?通過T3 T6高頻開關(guān))或三 相(通過T1 T6高頻開關(guān))PWM交流電壓輸出共給負(fù)載或并網(wǎng)。各功率器件的觸發(fā)脈沖 同樣由主控電路生成，對(duì)于PWM逆變，基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，分別控制dq軸電壓跟蹤給定， 從而分別控制輸出電壓的頻率和幅值；對(duì)于PWM整流采用雙閉環(huán)矢量控制方式，外環(huán)為直 流電壓環(huán)和無功功率環(huán)，基于兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq系)，內(nèi)環(huán)為有功電流和無功電流閉 環(huán)，采用前饋解耦控制方法，跟蹤外環(huán)調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)，使系統(tǒng)直流電壓和無功功率分別獨(dú) 立控制。 本實(shí)施例的具體優(yōu)點(diǎn)通過所設(shè)計(jì)的多功能變流器，將風(fēng)能、太陽能應(yīng)用于移動(dòng)應(yīng) 急電源。在傳統(tǒng)三相橋式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加電容、電感及接觸器，將直流升_降壓變換、PWM整 流、PWM逆變功能集成在一起，功能多、體積小，成本低。改變傳統(tǒng)移動(dòng)應(yīng)急電源以柴油機(jī)作 為唯一電能來源的缺點(diǎn)，提高了系統(tǒng)可靠性。由于采用了 PWM變流技術(shù)及矢量控制技術(shù)，可 使輸出波形質(zhì)量更好，諧波更小，系統(tǒng)響應(yīng)快，跟蹤精度高。
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權(quán)利要求
一種基于系統(tǒng)變流器的移動(dòng)應(yīng)急電源，其特征在于，包括蓄電池模塊、多功能變流器、直流電抗器、三個(gè)交流電抗器、兩個(gè)直流穩(wěn)壓電容、八個(gè)接觸器以及主控電路模塊，其中第一接觸器分別連接直流電抗器和多功能變流器第一橋臂中點(diǎn)，蓄電池模塊經(jīng)第六接觸器與第一直流穩(wěn)壓電容并聯(lián)后連接于直流電抗器另一端，第二直流電容并聯(lián)于三相全控橋式結(jié)構(gòu)的直流側(cè)，三個(gè)交流電抗器用于連接第三、第四接觸器及變流器三相橋臂的中點(diǎn)，第二接觸器連接蓄電池模塊和第二直流電容模塊，第三、四、五、七、八接觸器分別作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)、柴油機(jī)或市電、太陽能電池板、單相負(fù)載及三相負(fù)載或電網(wǎng)的接口模塊，主控電路模塊的輸入連接于系統(tǒng)中多功能變流器三相橋臂輸出的交流電壓、電流及兩個(gè)直流電容電壓的檢測元件，主控電路模塊輸出的觸發(fā)脈沖與變流器中六個(gè)全控開關(guān)器件門極相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于系統(tǒng)變流器的移動(dòng)應(yīng)急電源，其特征是，所述的蓄電池 模塊由多節(jié)蓄電池依次串聯(lián)組成蓄電池組，單節(jié)蓄電池采用密封免維護(hù)鉛酸蓄電池。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于系統(tǒng)變流器的移動(dòng)應(yīng)急電源，其特征是，所述的多功能 變流器包括功率電路和主控電路，其中功率電路由第三直流電容、第四直流電容，一個(gè) 直流電抗器和六個(gè)帶反并聯(lián)二極管的全控開關(guān)器件組成，主控電路以DSP2812芯片為核 心，通過檢測系統(tǒng)三相電壓、電流及直流電壓信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，生成觸發(fā)脈沖信號(hào)通過光纖傳 遞至功率電路觸發(fā)各全控開關(guān)器件工作，同時(shí)也具備過電流、過電壓保護(hù)，輸出故障信號(hào)的 功能。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于系統(tǒng)變流器的移動(dòng)應(yīng)急電源，其特征是，所述的直流電 抗器的電感值按照以下兩種方式中的任意一種進(jìn)行計(jì)算a)對(duì)于降壓變換的電感臨界值La按照式⑴計(jì)算，Lcl=(1)；R b)對(duì)于升壓變換的電感臨界值Lc2按照式⑵計(jì)算人2=yZ)Cmin(I-Z)cmJrs2(2)；其中R為負(fù)載電阻，Ts SPWM開關(guān)周期，D。為降壓變換占空比，Daiin為升壓變換最小占 空比，實(shí)際電感值選取時(shí)應(yīng)比計(jì)算得到的臨界電感值稍大，又由于升降壓電器采用一個(gè)電 感，電感L值取Lci, Lc2中較大者。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于系統(tǒng)變流器的移動(dòng)應(yīng)急電源，其特征是，所述的第一直 流電容和第二直流電容的容值分別按照直流升降壓變換輸出直流電壓紋波大小來確定，其 中第一直流電容可按照式⑶im,Cx = Vdf~Dc)T^ C3)； 第二直流電容按照式⑷計(jì)算，〔2 =力』(4)；其中R為負(fù)載電阻，Ts為PWM開關(guān)周期，vdc, Δ Vdc分別為輸出直流電壓及紋波電壓，Dc 為降壓變換占空比，Dcmax為升壓變換最大占空比，L為直流電感值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于系統(tǒng)變流器的移動(dòng)應(yīng)急電源，其特征是，所述的主控電 路模塊以DSP2812開發(fā)板為核心，該主控電路模塊包括電壓電流檢測模塊、坐標(biāo)變換模 塊、PWM模塊、電流內(nèi)環(huán)模塊和鎖相環(huán)模塊，其中電壓電流檢測模塊與坐標(biāo)變換模塊相連 接并傳輸交流電壓電流瞬時(shí)值，鎖相環(huán)模塊與坐標(biāo)變換模塊及電流內(nèi)環(huán)模塊相連接并傳輸電壓相位角信號(hào)，電流內(nèi)環(huán)模塊與PWM模塊相連接并傳輸三相電壓指令信號(hào)，PWM模塊與主 電路全控開關(guān)器件相連接并傳輸觸發(fā)脈沖信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于系統(tǒng)變流器的移動(dòng)應(yīng)急電源，其特征是，所述的PWM模塊 包括坐標(biāo)反變換模塊、限幅模塊和觸發(fā)脈沖生成模塊，坐標(biāo)反變換模塊接收dq軸電壓指 令信號(hào)經(jīng)計(jì)算后得到三相靜止坐標(biāo)系下指令信號(hào)，作為三相參考信號(hào)送至觸發(fā)脈沖生成模 塊輸出觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)相應(yīng)全控開關(guān)器件動(dòng)作。
全文摘要
一種電力電源技術(shù)領(lǐng)域的基于系統(tǒng)變流器的移動(dòng)應(yīng)急電源，包括蓄電池模塊、多功能變流器、直流電抗器、三個(gè)交流電抗器、兩個(gè)直流穩(wěn)壓電容、八個(gè)接觸器以及主控電路模塊。本發(fā)明以DSP2812數(shù)字信號(hào)處理器為核心控制器，采用觸摸屏作為系統(tǒng)上位機(jī)，選擇系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，給出系統(tǒng)運(yùn)行指令信號(hào)，操作簡單。電源核心部分為多功能變流器，通過接觸器閉合不同回路，可使系統(tǒng)工作于直流變換、PWM整流、PWM逆變狀態(tài)之一。電能可來源于風(fēng)能、太陽能、市電、柴油機(jī)四種輸入，有效提高系統(tǒng)可靠性。
文檔編號(hào)H02M7/537GK101976879SQ201010520529
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者吳杰, 王志新 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)