電動汽車及分布式電源的標準化換流裝置的製作方法

2023-04-27 02:48:26 1

專利名稱：電動汽車及分布式電源的標準化換流裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及供用電領域，具體地說是一種電動汽車及分布式電源的標準化換流裝置。
背景技術：
隨著電網規模的不斷擴大，大規模電力系統的弊端日益凸現出來，其成本高，運行 控制不靈活，難以適應用戶越來越高的可靠性要求，不能靈活跟蹤負荷的變化以及多樣化 的電能質量需求。學者開始研究未來電力系統的發展模式，顯然單純地擴大電網規模不能 夠滿足要求，於是，歐美的電力專家們提出了汙染少、可靠性高、投資省、發電方式靈活、與 環境兼容的分布式發電與大電網聯合運行的方式。如歐盟實施了 「可再生能源和分布式發 電在歐洲電網中的集成應用」項目，美國提出了 「智能電網」和「高級配電自動化」等項目。
隨著我國對可再生能源的大力扶持，分布式發電作為一種新興的發電模式顯現出 來，這種小容量的發電機組在配電網用戶附近提供電力，成為集中式發電的補充。常見的分 布式電源有小內燃機、太陽能光伏、微型風機等。然而在傳統電力系統中引入分布式電源卻 給電網的安全性和穩定性帶來許多問題，主要有
(1)運行控制分布式電源的調度和運行由電源的產權所有者控制，無法有效地 對其進行調控。
(2)輸出功率波動利用風能、太陽能的分布式電源的有功輸入具有天然波動性， 所以分布式電源輸出功率波動很大，不確定性程度高，容易造成電網電壓波動引起閃變。
(3)諧波汙染分布式電源往往採用整流和逆變裝置接入電網，會對電網輸出大 量的多次諧波電流。
(4)無功功率風力發電機大多採用異步電機，當風機轉速降低的時候需要從電 網吸收大量的無功功率。
隨著我國產業升級換代，電能作為一種商品，越來越向著精細化的方向發展，越來 越多的電力用戶對電能質量的要求越來越高，具體體現為
(1)對電能質量敏感的負荷如半導體生產廠、造紙廠等，電壓下降幾十毫秒，就 會導致生產設備不能正常工作和出現大量廢品。
(2)本身是汙染源的負荷隨著我省冶金工業，化學工業及電氣化鐵路的發展，電 力系統中的非線性負荷(矽整流設備，電力機車，電解設備)及衝擊性負荷(電弧爐，軋鋼 機)使電網的諧波汙染、非對稱性(負序)和波動性日趨嚴重。
因此，為了確保電網的安全性和可靠性，對分布式電源的輸出功率進行遠方調度， 進行加強監管是非常迫切和必要的。因此，研究出一種通用型的接入控制技術，保證高端用 戶對電能質量的需求，防止重汙染的電力用戶向電網注入電能，並確保分布式發電系統得 到合理的利用，就變得非常必要。發明內容
本發明提供了一種電動汽車及分布式電源的標準化換流裝置，實現分布式電源與 電網的有效隔離，以保證高端用戶對電能質量的需求，防止重汙染的電力用戶向電網注入 電能，並確保分布式發電系統得到合理的利用。
為此，本發明採用如下的技術方案電動汽車及分布式電源的標準化換流裝置，其 特徵在於它包括連接公共配電網的電網側功率模塊USM、連接用戶的用戶側功率模塊CSM 和用於儲能的電動汽車充放電模塊EVM，用戶側功率模塊CSM與電動汽車充放電模塊EVM並 聯後與電網側功率模塊USM串聯；
所述的電網側功率模塊USM由可控器件組成三相全橋整流電路，通過變壓器或直 接接入公共配電網，能四象限運行，實現與公共配電網的有功、無功的雙向控制；所述的用 戶側功率模塊CSM由可控器件組成三相全橋逆變電路，通過變壓器或直接接入用戶側分布 式電源，能四象限運行，實現中間直流母線與分布式電源之間有功、無功的雙向控制；所述 的電動汽車充放電模塊EVM由可控器件組成的升降壓斬波電路，與電動汽車動力電池接 口，對動力電池進行充電或放電，USM和CSM各由6個可控器件(如IGBT)組成，是結構完 全相同的電壓源型換流器；
控制器產生的觸發脈衝信號通過光纖分別傳輸給電網側功率模塊USM、用戶側功 率模塊CSM和電動汽車充放電模塊EVM，控制器分別與一液晶顯示單元和一電動汽車動力 電池的管理系統BMS通訊，控制器採集公共配電網和分布式電源的電網數據，控制器通過 乙太網與一後臺伺服器通訊，後臺伺服器內裝有後臺監控軟體模塊。
如果用戶沒有安裝分布式電源或用戶側分布式電源的裝機容量小於負荷時，公共 配電網側的交流電經過USM的整流後變換為直流電，部分通過EVM給電動汽車動力電池充 電，部分通過CSM逆變為交流電供給負荷。如果用戶側分布式電源裝機容量大於負荷時，多 餘部分電則通過CSM整流為直流電，部分通過EVM給電動汽車動力電池充電，部分通過USM 逆變為交流電出售給公共配電網。如果公共配電網發生故障而斷電時，電動汽車動力電池 內的電通過EVM和CSM供給用戶，能保持一段時間內的不間斷供電。如果用戶側分布式電 源的裝機容量小於負荷或用戶側分布式電源由於自然條件限制暫時無法發電，但又希望用 戶側分布式電源輸出功率保持一段時間的恆定，則動力電池內的電通過EVM和USM供給公 共配電網，保持輸出功率恆定。如果用戶交流系統正在向公共配電網輸出電能，而希望減小 用戶輸出的電能，則通過後臺監控軟體模塊直接遠程控制USM的輸出功率。
上述電動汽車及分布式電源的標準化換流裝置的控制策略如下
電網側模塊USM採用穩定直流電壓的控制策略，當電池充電或從公共配電網為用 戶負荷供電時，USM工作在整流狀態以維持直流側電壓的穩定；當電池或用戶交流系統向 公共配電網注入有功功率時，USM工作在逆變狀態以維持直流側電壓的穩定；USM輸出無功 功率時也通過對有功分量的閉環控制來穩定直流母線電壓。
用戶側模塊CSM採用定頻率定交流電壓幅值的控制策略，維持用戶側電壓幅值和 頻率在要求範圍內，用戶側分布式電源與CSM的電壓相位和頻率保持同步。
電動汽車充放電模塊EVM用定直流電流控制策略維持蓄電池側直流輸出電流恆 定，實現對蓄電池的恆電流充電或恆電流放電並具備恆流限壓功能，即當電池充電電壓高 於上限或放電電壓低於下限時自動轉入穩壓運行。
本發明能夠實現分布式電源與電網的有效隔離，還可以兼顧動態無功補償、故障 電流限制、電能質量控制等功能；通過分布式電源與電動汽車動力電池的電能交換，以及動 力電池對負荷的供電，解決了分布式能源功率自然波動的問題，實現了功率在公共配電網 和用戶側的雙向可控流動；用戶交流系統可以在調度的控制下軟併網、軟解列，甚至可以在 與公共配電網不同步的情況下併網；用戶可以根據峰谷電價調整，利用分布式電源或者電 網電能給電動汽車動力電池充電，也可以把動力電池的電能賣給電網，獲得一定經濟利益; 對電網而言，也可以起到削峰填谷、提高負荷率、減少系統總裝機的作用。
下面結合說明書附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。


圖1為本發明標準化換流裝置的結構圖。
圖2為本發明標準化換流裝置的電路原理圖。
圖3為本發明USM主電路原理圖。
圖4為本發明USM閉環控制原理圖。
圖5為本發明CSM主電路原理圖。
圖6為本發明EVM主電路原理圖。
圖7為本發明的控制原理圖。
具體實施方式
如圖1-2所示的電動汽車及分布式電源的標準化換流裝置，其由連接公共配電網的 電網側功率模塊USM、連接用戶的用戶側功率模塊CSM和用於儲能的電動汽車充放電模塊EVM 組成，用戶側功率模塊CSM與電動汽車充放電模塊EVM並聯後與電網側功率模塊USM串聯。
所述的電網側功率模塊USM由可控器件組成三相全橋整流電路，通過變壓器或直 接接入公共配電網，能四象限運行，實現與公共配電網的有功、無功的雙向控制；所述的用 戶側功率模塊CSM由可控器件組成三相全橋逆變電路，通過變壓器或直接接入用戶側分布 式電源，能四象限運行，實現中間直流母線與分布式電源之間有功、無功的雙向控制；所述 的電動汽車充放電模塊EVM由可控器件組成的升降壓斬波電路，與電動汽車動力電池接 口，對動力電池進行充電或放電。
USM和CSM的電路結構基本相同，均由IGBT三相全橋電路、LC濾波單元和開關設 備等組成。EVM由DC/DC升降壓斬波電路、LC濾波電路和開關設備等構成，下面作詳細說 明。1、電網側功率模塊(USM)
USM主電路原理圖如圖3所示。裝置啟動前，先手動閉合交流側進線開關K1，然後 閉合軟啟動接觸器K3，交流電源通過電阻給直流側電容充電，當直流側電壓達到設定值後 閉合主接觸器K2，主電路完成上電。隨後可開啟觸發脈衝，裝置進入閉環併網運行。
USM可四象限運行，採取有功/無功分量解耦控制技術，既可以輸出感性無功，也 可輸出容性無功，可根據電網要求輸出連續可調的無功功率，參與電網的電壓/無功控制； 既可以輸出有功功率，也可以吸收有功功率，為後級CSM、EVM提供與電網之間有功功率雙 向交換的通道。同時USM採用了有源功率因數校正技術，網側的功率因數可達0.99以上， 電流諧波畸變率小於5 %，不會對電網產生諧波和無功汙染。
三相併網變流器的控制方案有多種，本發明採用了基於旋轉坐標系的矢量控制技 術，閉環控制框圖如圖4所示。由於在旋轉d、q坐標系下系統的d軸和q軸之間存在耦合， 這種由旋轉3/2變換所引起的耦合會極大的影響系統的動態性能，本發明採用了基於旋轉 d、q坐標系的狀態反饋解耦控制方案，它是在兩相轉轉坐標系下通過引入d軸和q軸的電 流狀態，通過狀態反饋矩陣實時地實現了 d、q軸之間的解耦過程。
在旋轉坐標系下，輸出電流在d軸上的分量代表了有功電流分量，在q軸上的分量 代表了無功電流分量，通過d、q軸之間的解耦控制，實現了對其輸出有功電流和無功電流 的獨立控制。其中無功電流的給定可根據調度或系統的需要進行調節，而有功電流的給定 需要由直流側電壓的閉環調節器產生。USM通過對直流母線電壓的穩定控制實現交流側與 直流側功率交換的平衡。
2、用戶側功率模塊(CSM)
CSM在本發明中作為基波正弦電壓源運行，因此CSM的控制是一種電壓控制，通過 控制其三相輸出電壓為對稱的正弦電壓，從而實現CSM系統對於在非理想負載條件下負載 端電壓的要求，也即輸出電壓始終保持對稱的額定正弦電壓。對於三相四線的電壓源變流 器，其電壓控制技術的關鍵是如何克服負載的不平衡及非線性對變流器輸出電壓的影響， 維持變流器的輸出電壓為期望的對稱正弦電壓。
實際應用中，用戶側電源系統一般為三相四線制，且三相負荷可能存在較嚴重的 不平衡。三相三線制逆變器由於無法提供中線，不平衡運行時會對其輸出電壓波形質量產 生較嚴重的影響。三相四線制的逆變電源系統方案較多，常用的方案有採用加入一個橋臂 來構成中點，將三相輸出的公共點(即中性點)接在該橋臂上從而構成四橋臂結構。三相 四橋臂逆變器中增加的橋臂可直接控制中性點電壓，並且產生中性點電流流入負載，這增 加的一個自由度，使得三相四橋臂逆變電源具有三個獨立的可控電壓，三相輸出電壓完全 解耦，從而有能力在不平衡負載下維持三相電壓的對稱輸出。
本發明採取在三相三線制逆變器輸出增加Dynll工頻隔離變壓器的方案，通過變 壓器提供中線，電路原理圖如圖5所示。CSM與用戶側分布式電源系統接口，可四象限運行， 既可以輸出感性無功，也可輸出容性無功，可根據用戶側電網要求輸出連續可調的無功功 率。CSM工作在逆變狀態，既可以輸出有功功率，也可以吸收有功功率。當用戶側有功不足 的時候可以將直流母線電能逆變後提供給用戶側負荷，當用戶側電能過剩的時候也可以將 電能回饋到直流側母線。CSM採用SPWM技術和電壓波形控制技術，可以為用戶電網提供穩 定、優質的電能。
3、電動汽車充放電模塊(EVW)
EVM與電動汽車動力電池接口，可對電池進行充電或放電控制，既可以將電網電能 或用戶側過剩電能儲存到電池中，也可將電池能量釋放提供給電網或用戶側電網中，其主 電路如圖6所示。
裝置啟動前，首先閉合繼電器Kl，電池側電容通過軟啟動電阻充電，當電壓建立後 閉合接觸器K2。主電路完成上電，可進入充電/放電/待機運行。
EVM工作在充電狀態時，閉鎖S2，此時S2相當於二極體，圖6主迴路等效為降壓斬 波電路，通過調節Sl的PWM脈衝的佔空比即可調節降壓斬波電路的輸出電壓，從而維持充 電電流的恆定，當充電結束後轉入恆壓運行模式。
當EVM工作在放電狀態時，閉鎖Si，此時Sl相當於二極體，圖6主迴路等效為升壓 斬波電路，通過調節S2的PWM脈衝的佔空比即可調節升壓斬波電路的輸出電壓，從而維持 放電電流的恆定，當放電結束後即轉入待機模式。
EVM的閉環控制採用經典的PID調節器，在恆流段以電池充/放電電流為控制量， 在恆壓段以輸出電壓為控制量，PID調節器的輸出與三角載波比較產生觸發脈衝信號。
如圖7所示，控制器採集公共配電網和分布式電源的電網數據，控制器產生的觸 發脈衝信號通過光纖分別傳輸給電網側功率模塊USM、用戶側功率模塊CSM和電動汽車充 放電模塊EVM。控制器採用RS232液晶顯示單元通訊，實現人機接口交互功能；採用CAN接 口與電動汽車動力電池的管理系統BMS通訊，進行電池數據交換；通過乙太網與後臺服務 器通訊，後臺伺服器內裝有後臺監控軟體模塊，通過後臺監控軟體模塊實現遠程調度的控 制功能。
權利要求
1.電動汽車及分布式電源的標準化換流裝置，其特徵在於它包括連接公共配電網的電 網側功率模塊USM、連接用戶的用戶側功率模塊CSM、用於儲能的電動汽車充放電模塊EVM、 控制器以及後臺監控軟體模塊，用戶側功率模塊CSM與電動汽車充放電模塊EVM並聯後與 電網側功率模塊USM串聯；所述的電網側功率模塊USM由可控器件組成三相全橋整流電路，通過變壓器或直接接 入公共配電網，能四象限運行，實現與公共配電網的有功、無功的雙向控制；所述的用戶側 功率模塊CSM由可控器件組成三相全橋逆變電路，通過變壓器或直接接入用戶側分布式電 源，能四象限運行，實現中間直流母線與分布式電源之間有功、無功的雙向控制；所述的電 動汽車充放電模塊EVM由可控器件組成的升降壓斬波電路，與電動汽車動力電池接口，對 動力電池進行充電或放電；控制器產生的觸發脈衝信號通過光纖分別傳輸給電網側功率模塊USM、用戶側功率模 塊CSM和電動汽車充放電模塊EVM，控制器分別與一液晶顯示單元和一電動汽車動力電池 的管理系統BMS通訊，控制器採集公共配電網和分布式電源的電網數據，控制器通過以太 網與一後臺伺服器通訊，後臺伺服器內裝有後臺監控軟體模塊。
2.根據權利要求1所述的電動汽車及分布式電源的標準化換流裝置，其特徵在於如果 用戶沒有安裝分布式電源或分布式電源的裝機容量小於負荷時，公共配電網側的交流電經 過USM的整流後變換為直流電，部分通過EVM給電動汽車動力電池充電，部分通過CSM逆變 為交流電供給負荷。
3.根據權利要求1所述的電動汽車及分布式電源的標準化換流裝置，其特徵在於如果 用戶側分布式電源裝機容量大於負荷時，多餘部分電則通過CSM整流為直流電，部分通過 EVM給電動汽車動力電池充電，部分通過USM逆變為交流電出售給公共配電網。
4.根據權利要求1所述的電動汽車及分布式電源的標準化換流裝置，其特徵在於如果 公共配電網發生故障而斷電時，電動汽車動力電池內的電通過EVM和CSM供給用戶，能保持 一段時間內的不間斷供電。
5.根據權利要求1所述的電動汽車及分布式電源的標準化換流裝置，其特徵在於如果 用戶側分布式電源的裝機容量小於負荷或用戶側分布式電源由於自然條件限制暫時無法 發電，但又希望用戶側分布式電源輸出功率保持一段時間的恆定，則動力電池內的電通過 EVM和USM供給公共配電網，保持輸出功率恆定。
6.根據權利要求1所述的電動汽車及分布式電源的標準化換流裝置，其特徵在於如果 用戶交流系統正在向公共配電網輸出電能，而希望減小用戶輸出的電能，則通過後臺監控 軟體模塊直接遠程控制USM的輸出功率。
7.根據權利要求1所述的電動汽車及分布式電源的標準化換流裝置，其特徵在於所述 的電網側模塊USM採用穩定直流電壓的控制策略，當電池充電或從公共配電網為用戶負荷 供電時，USM工作在整流狀態以維持直流側電壓的穩定；當電池或用戶交流系統向公共配 電網注入有功功率時，USM工作在逆變狀態以維持直流側電壓的穩定；USM輸出無功功率時 也通過對有功分量的閉環控制來穩定直流母線電壓。
8.根據權利要求1所述的電動汽車及分布式電源的標準化換流裝置，其特徵在於所述 的用戶側模塊CSM採用定頻率定交流電壓幅值的控制策略，維持用戶側電壓幅值和頻率在 要求範圍內，用戶側分布式電源與CSM的電壓相位和頻率保持同步。
9.根據權利要求1所述的電動汽車及分布式電源的標準化換流裝置，其特徵在於所述 的電動汽車充放電模塊EVM用定直流電流控制策略維持動力電池側直流輸出電流恆定，實 現對蓄電池的恆電流充電或恆電流放電並具備恆流限壓功能，即當電池充電電壓高於上限 或放電電壓低於下限時自動轉入穩壓運行。
全文摘要
本發明公開了一種適用於電動汽車及分布式電源接入公共配電網的標準化換流裝置。目前的分布式電源不能與電網有效隔離，無法保證高端用戶對電能質量的需求，也無法防止重汙染的電力用戶向電網注入電能。本發明由電網側模塊、用戶側模塊、電動汽車充放電模塊以及控制器組成，用戶側功率模塊與電動汽車充放電模塊並聯後與電網側功率模塊串聯，控制器產生的觸發脈衝信號通過光纖分別傳輸給電網側功率模塊、用戶側功率模塊和電動汽車充放電模塊，控制器通過乙太網與一後臺伺服器通訊，後臺伺服器內裝有後臺監控軟體模塊。本發明能夠實現分布式電源與電網的有效隔離，還可以兼顧動態無功補償、故障電流限制、電能質量控制等功能。
文檔編號H02J7/00GK102029926SQ201010577618
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月8日 優先權日2010年12月8日
發明者陸翌 申請人:浙江省電力試驗研究院, 浙江省電力試驗研究院技術服務中心