500kW储能装置硬件保护设计

Science &Technology Vision 科技视界
0引言
电源结构和用电特征的变化,使电力系统对储能技术的需求加大。

风电、太阳能发电等间歇性电源大规模接入电网,使电力输入由平稳变波动[2];用电峰谷差的不断增大,用电需求的多样化特征以及未来电动汽车大规模应用等,则进一步增加了电力系统运行的难度。

储能装置作为解决上述问题的有效措施之一,被大量应用于新能源电站、电动汽车充换电站、城市储能电站及微网储能等不同的领域中。

现在的储能装置越来越智能化,控制策略也变得复杂化,这样储能装置的不可靠性也提高了,所以储能装置的安全性设计也变得尤为重要。

传统的储能装置采用DSP、FPGA 等数字芯片来控制装置的运行和保护,当装置出现故障的时候,由于数字芯片本身的响应和计算时间有一定的延时,加上数字芯片存在程序跑飞的几率[3-4],为了确保安全,装置的硬件保护设计必不可少。

较数字保护而言,硬件保护更直接、快速。

1储能装置介绍
本次设计的是交流输入0.4kV,直流输出530~800V 的500kW 储能装置的硬件保护电路。

该储能装置主要由功率回路、控制回路、保护回路和显示单元组成,图1为储能装置的整体硬件结构图。

图1储能装置整体硬件结构图
Fig.1The overall hardware structure chart of PCS
该储能装置主电路通过隔离变压器接入0.4kV 电网,双向变流器控制功率流动方向,实现对储能电池的充放电。

控制电路以DSP+FPGA 为核心,对储能装置进行数字控制。

控制回路将采集到的实时电压、电流数据进行处理,生成不同的PWM 波使储能装置按照用户需求来进行充放电。

与此同时,控制回路实时判断电压、电流数据,当电压、电流数据超过保护阈值,控制回路进行相应的软件保护。

保护回路是一个纯硬件的保护电路,当装置工作电压、电流异常时,能够快速输出两路信号,一路信号送给动作单元,动作单元接到信号后快速断开功率回路的各个接触器;另外一路信号送给控制回路,控制回路通过此信号进行软件保护,同时生成故障报文显示到人机界面。

当控制回路出现故障时,硬件保护也能够起到保护装置的目的。

显示单元主要器件是工控机,主要用于信息处理和人机交互。

2储能装置的硬件保护电路设计
安全性、可靠性是衡量储能装置质量最重要的原则,储能装置和其他并网型装置一样,都有发生故障的时候,保护电路的设计就是为了保证装置故障时的人员、电池和电网安全。

当装置故障时,保护电路应能快速进入保护状态,或者迫使装置停机。

本装置设计了数字保护,当采集到的数字量超过保护阈值时,控制芯片通过闭锁PWM 脉冲的方式实现保护。

硬件保护电路的设计,是为了弥补数字芯片反应延时的不足。

本装置设计的硬件保护有:交流过压保护、交流过流保护、直流母线过压保护、电池过压保护和电池过流保护[5]。

以下介绍这几种保护电路的设计。

2.1交流过压保护电路
图2交流过压保护电路
Fig.2AC overvoltage protection circuit
图2是储能装置交流过压保护电路:图中U 为经采样回路后的交流电压;OV 为保护输出信号1,高电平有效,该信号送至控制电路,触发相应软件保护,同时作为故障信号显示到人机界面上;FAULT 为保护输出信号2,低电平有效,该信号送至动作单元,动作单元接到此信号后,断开功率回路各个接触器。

正常情况下OV、FAULT 为悬空状态,无有效输出。

该储能装置通过1:1隔离变压器接入0.4kV 交流电网,交流电压经过电压采样回路后,变为3.2V。

因为是交流信号,硬件电路不能对其进行有效值保护,只能采取峰值保护。

图2上半部分是交流电压负半周保护电路,当交流电压负半周峰值超过保护阈值时,比较器U5A 输出高电平,OV 信号为高电平,FAULT 信号为低电平;当交流电压正半周峰值超过保护阈值时,比较器U5B 输出高电平,OV 信号为高电平,FAULT 信号为低电平。

交流电压采样后的电压是3.2V,峰值为3.2*1.414=4.52V 考虑到交流电压15%的波动,通过电位器将保护阈值设定为4.52*1.15=5.08V,相当于电网电压有效值超过253V 时交流过压保护动作。

2.2交流过流保护电路
在设计储能装置交流过流保护的时候,最先考虑的是IGBT 的保护,本装置选用的是最大电流为1200A 的IGBT,交流过流保护实现的目标是当交流电流超过保护阈值时,能使装置快速进入保护状态。

本装置额定功率为500kW,正常工作电流最大为758A,交流电流经电流采样回路后,变为3V 的电压信号。

与交流过压保护相同,交流过流保护也采取峰值保护,保护电路原理与图2相同,需要重新调整参数。

交流过流保护电路同样输出两路保护信号,OC 为保护输出信号1,FAULT 为保护输出信号2,两路保护信号作用同交流过压保护。

500kW 储能装置硬件保护设计
马瑞陈常曦胡丽明孔德源(许继电源有限公司,河南许昌461000)
【摘要】储能装置(Power control system ,PCS )是与储能电池组配套,连接于电池组与电网之间,把电网电能存入电池组或将电池组能量回馈到电网的产品。

现在的储能装置一般都用DSP 、FPGA 等数字芯片来控制储能装置的运行,同时还控制整个装置和电池组的安全。

由于数字芯片本身的反应和计算延时,当用数字芯片来保护装置和电池组安全的时候,没有硬件保护直接和快速[1]。

本文主要介绍500kW 储能装置的硬件保护设计。

【关键词】储能装置;电池组;硬件保护
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科技视界交流电流采样后得到的是3V 的电压信号,峰值为3*1.414=4.24V,考虑到装置1.2倍过载能力,通过电位器将保护阈值设定为4.24*1.25=5.3V,相当于交流电流有效值超过947A 时交流过流保护动作。

2.3直流母线过压保护
本装置稳定运行时直流母线电压范围为530V~800V,保护电路如图3所示:该电路同样输出两路保护信号,OV 为保护输出信号1,FAULT 为保护输出信号2,两路保护信号作用同交流过压保护。

直流母线最大电压为800V,该电压经采样回路后,变为4V,通过电位器将保护阈值设定为4V,相当于直流母线超过800V 时直流母线过压保护动作。

图3直流母线过压保护电路
Fig.3The DC bus voltage protection circuit
2.4电池过压保护
电池过压保护原理与直流母线过压保护原理相同,保护电路原理同图3,需要重新调整参数。

电池过压保护电路同样输出两路保护信号,OV 为保护输出信号1,FAULT 为保护输出信号2,两路保护信号作用同交流过压保护。

电池过压保护阈值根据电池而定,对于不同的电池仅需通过调整电位器就可实现保护阈值的设定。

2.5电池过流保护
图4动作单元硬件电路
Fig.4The hardware circuit of the action unit
电池电流经过采样回路变为电压信号,由于电池电流有正负之分,所以电池过流保护原理与交流过压保护原理相同,保护电路原理同图2,需要重新调整参数。

电池过流保护电路同样输出两路保护信号,OC 为保护输出信号1,FAULT 为保护输出信号2,两路保护信号作用同交流过压保护。

电池过流保护阈值根据电池而定,对于不同的电池仅需通过调整电位器就可实现保护阈值的设定。

2.6动作单元硬件电路
如图4,以上6种保护电路输出信号2均接入FAULT 位置,当FAULT 信号变为低电平时,储能装置操作回路失电,功率回路各接触器断开。

3保护电路性能测试
图5保护电路动作时间
Fig.5The response time of the protective circuit
如图5所示:示波器通道1对应的是图3中U3B 的1脚波形,通道4对应的是图4中LOCK1-波形,当保护电路输入信号超过保护阈值时,比较器输出电平从-2V 变为2V,此时FAULT 信号变为低电平送至动作单元,动作单元控制电源从24V 变为0V,从图4中可以看出该保护电路响应时间为0.732ms。

4结论
本文设计的硬件保护电路,是对500kW 储能装置保护功能的完善。

故障情况下硬件保护电路的响应时间小于1ms,这充分体现了硬件保护快速的优点。

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[1]胡燕.大学生信息素质教育培养目标及评价体系构建[J].边疆经济与文化,2008(9).
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