变电站嵌入式智能充放电控制系统

广东省输变电工程公司 秦 理

变电站嵌入式智能充放电控制系统

广东省输变电工程公司 秦 理

研究开发基于嵌入式智能变电站高效充放电控制系统，应用先进的DSP控制芯片和IGBT整流器件，采用SPWM脉宽调制和PFC功率因数矫正技术，替代传统高耗能可控硅移相整流电源；采用能量回收循环利用直流母线模式，消除谐波对充放电设备的污染和干扰，使得设备整体的能量利用、转换效率得到一个显著地提高。

IGBT功率器件；高频SPWM脉宽调制；PFC恒压逆变控制；恒压逆变

0 引言

变电站直流电源采用工频交流电源整流得到，通常采用可控硅作为整流功率器件。传统的直流系统采用交流输入，输出的功率因数较低，同时会产生较大的谐波，不仅浪费能量，同时产生较大的谐波污染。变电站充放电设备的改造可以从造成设备功率因素低以及谐波较大的原因出发，采用功率因素更高的功率器件（如IGBT），提高功率的开关频率和转换效率，减小对变压器、电抗器的大小，减少电能在这些元器件上的损耗；同时，采用直流母排技术，可以最大限度消除谐波对充放电设备的污染和干扰，使得设备整体的能量利用、转换效率得到一个显著地提高。

在蓄电池的充放电过程中，充电电压、电流的准确、稳定是蓄电池快速有效地充放电的关键。在直流母线供电的情况下，由于负载本身的波动以及数字化智能高效充放电系统的能量回馈的原因，直流母线的电压常处于一个变化的状态。因此，必须对AC/DC转换部分以及DC/DC转换部分的控制方法进行改进，使其快速适应系统参数的变化，对母线电压，对充电电压、电流进行快速有效地控制。

1 系统能量动态平衡调度方法研究

将高频整流逆变技术应用于大功率站用直流电源领域，需要研发基于三相高频SPWM脉宽调制整流逆变蓄电池充放电装置。交流侧采用IGBT作为功率变换器件，实现AC/DC双向变换形成公共直流母线；从公共母线扩展N回路双向DC/DC变换器，实现对蓄电池的充放电处理。高频AC/DC变换系统可获接近于1的功率因数，双向DC/DC变换器可达到90%以上转换效率，显著降低了对电网的谐波污染，提高电能转换效率；并且电池放出电能回馈到直流母线可以被重新利用，满足绿色环保和节能的设计要求。

实现一种能量双向流动的电池数字化智能高效充放电系统。通过能量的双向循环，可以使正在放电的系统为正在充电的系统提供一部分的电能，实现电能在整个系统内部的有效循环。通过对系统参数的实时提取和处理，对电能的使用实施动态调整。对整个系统的电能流动状态进行建模，对影响电能流动和引起电能损耗的因素进行构序分析，以充放电系统为基础，将电能调度问题转化为数学规划形式，利用多目标线性数学规划方法，实现能源动态平衡和优化调度，实现电池放电能量回收，把回收的电能用于照明、供电、再充电等二次利用。

2.新型充放电控制系统设计

新型充放电控制系统由多套充放电机组组成，每套充放电机组主要包括：AC/DC整流电路、DC/AC逆变电路及其控制电路、双向DC/DC变换电路及其控制电路、数据采集电路和接入点。远程终端可通过本地控制服务器动态加入多个充电装置。控制系统结构如图1所示。

在蓄电池充电时，通过三相PFC升压控制实现AC/DC变换。将交流电网电压转换成充电所需的直流电压；在蓄电池放电时，通过三相PFC恒压逆变控制实现DC/AC变换，将蓄电池释放的能量回馈电网。通过闭环控制实现直流端电压U的稳定，通过对直流端电压U的恒压控制，实现逆变器的功率流向，从而实现能量的自动双向流动。双向DC/DC变换电路完成逆变直流电能与蓄电池电能的转换，以保证蓄电池充放电过程中所要求的电流、电压和时间的控制；各系统采用单独的CPU管理，控制电流的大小和流向，从而控制功率的大小和方向。

图1 充放电控制系统结构图

1）AC/DC整流电路

整流电路原理图如图2所示。

图2 三相全桥电压型整流电路

2）DC/AC逆变电路

DC/AC主逆变电路如图3所示。

图3 三相全桥逆变电路

3）DC/AC模块结构图如图4所示。

图4 AC/DC控制回路模块结构图

工作原理：在DC到AC阶段，通过协同各个IGBT的开关，实现正弦波调制功能，保持直流端电压稳定；回路计量和校准实现微机自动计量、在线校准。DSP从基准源读取实际值后和设定值比较自动算出偏差，控制器内部自动矫正偏差，并将偏差系数记录保存调用；根据监控芯片提供的报警信息，迅速做出相应的处理；

4）DC/DC逆变电路

基于SPWM的IGBT整流电路原理图如图5所示。

图5 DC/DC双向变换主电路原理图

5）DC/DC模块结构图如图6所示。

图6 DC/DC控制电路模块

3 新型充放电控制系统功能

DC/DC电路充电控制上，采用分步式充电法，即充电一段时间后可暂停，再进行下一轮充电或放电。在充电过程中，各个电池的充电回路开关只能关断，不能打开。若加入新的电池，只能在下一个时间段才开始充电。另外，控制芯片将根据电池的属性以及当前充电电池数目的不同，调整电路的电流流量，以实现功率控制。采用全桥隔离型双向DC/DC 变换器作为充放电系统的主电路结构，由于该种变换器提高了工作频率，故变压器和输出滤波器的体积均可减小。副边对原边充电时，同样存在满调制和移相控制两种情况。但是，通常情况下充电要求恒流充电，因此，也可以通过移相控制来满足此要求。

实现功能：

根据充放电工艺不同调整DC/DC电路工作模式，完成整流和逆变，实现电网电能和蓄电池电能的双向转换；实现分段充电功能，能根据接收的数据进行相应的电路工作模式控制和电流控制；对整组电池的电流、电压以及温度的采集供AC/DC的触摸屏显示。

[1]李文升．220kV GIS用电子式电流电压互感器在午山数字化变电站中的应用[J]．电力系统保护与控制,2010,5．

[2]吴小华,徐刚．飞机供电系统的Saber仿真[J]．计算机仿真,2008,25(2)：71—73．

[3]马场清太郎．何希才,译．运算放大器应用电路设计[M]．北京：科学出版社,2007：135—136．

秦理（1984-），硕士，就职于广东省输变电工程公司，主要研究方向为变电站调试、智能电网。