[发明专利]一种双向充放电一体应急电源装置及其控制方法

权利要求书

1.一种双向充放电一体应急电源装置，其特征在于：包括直流输入电路、功率变流单元、升压隔离单元、交流输出滤波单元、控制单元、信号采集单元；

所述直流输入电路包括直流电池组、直流侧开关Qc、直流熔断器FU1及FU2、直流接触器Kc2、直流预充电电路和直流母线储能电容C，直流预充电电路由直流接触器Kc1、电阻R组成；

所述功率变流单元包括三相全桥型变流器S；

所述升压隔离单元包括滤波电抗器T；

所述交流输出滤波单元包括电容C1、应急电源输出切换接触器Km1、旁路电源输出切换接触器Km2和输出交流开关Q1；

所述信号采集单元分别与直流输入电路、功率变流单元、交流输出滤波单元和控制单元连接；

所述直流电池组阳极通过直流侧开关Qc与直流熔断器FU1一端连接，直流熔断器FU1另一端通过直流接触器Kc2与三相全桥型变流器S连接，直流接触器Kc1与电阻R串联后与直流接触器Kc2并联，直流电池组阴极通过直流熔断器FU2与三相全桥型变流器S连接，滤波电抗器T一端与三相全桥型变流器S连接，另一端分别与电容C1和应急电源输出切换接触器Km1一端连接，应急电源输出切换接触器Km1另一端分别与旁路电源输出切换接触器Km2和输出交流开关Q1连接，旁路电源输出切换接触器Km2与旁路电源连接；

所述信号采集单元分别与直流熔断器FU1与直流接触器Kc2交点、直流接触器Kc2与三相全桥型变流器S交点、滤波电抗器T与应急电源输出切换接触器Km1交点以及旁路电源与旁路电源输出切换接触器Km2交点连接，所述信号采集单元分别用于采集直流电池电压、直流母线电压、直流母线电流、应急电源三相输出电压、应急电源三相输出电流和旁路电压，信号采集单元将采集的直流电池电压、直流母线电压、直流母线电流、应急电源三相输出电压、应急电源三相输出电流和旁路电压发送至控制单元，控制单元进行处理和控制后，输出PWM信号至功率变流单元，以对功率变流单元进行控制；

所述信号采集单元采集旁路电压U_a、U_b、U_c，直流电池电压信号U_dc，将旁路电压U_a、U_b、U_c进行CLARK得到alpha-beta坐标系下的值U_α、U_β，再经PARK变换，得到dq坐标系下的值U_d、U_q，求取U_{rms_dq}为旁路相电压峰值，通过U_{rms_dq}判断旁路电压是否正常，若旁路电压正常，并同时判断直流电池电压Udc是否低于设定的电池最高电压，若旁路电压正常且直流电池电压Udc低于设定的电池最高电压，则应急电源工作在并网充电模式下，此时应急电源装置不需配置另外充电设备，而是采用逆变变流器作为硬件平台，同步并入旁路电网，以电流源特性工作，把旁路电网电能存入直流电池，以对直流电池充电，若直流电池电压Udc达到预设的电池最高电压，则停止并网充电模式，应急电源处于待机状态；

所述双向充放电一体应急电源装置的控制方法，包括以下步骤：

S1、假设旁路电压初始角频率为ω₀＝100π，对应频率为50Hz，实时角频率为ω，旁路A相电压相位为θ，采样周期为Δt，则实时相位为θ＝θ+ωΔt，对旁路三相电压U_a、U_b、U_c分别进行CLARK及PARK变换得到：

alpha-beta坐标系中值

dq坐标系中值

S2、判断旁路电压是否正常：根据锁相得到的旁路电压A相相位θ，经PARK变换得到的dq坐标系下值根据公式计算出旁路相电压峰值U_{rms_dq}，根据U_{rms_dq}的值瞬时判断旁路电压是否异常，若连续判断5次U_{rms_dq}均在预设的旁路电压正常范围内，则最终结果为旁路电压正常，否则为旁路电压异常；

S3、对应急电源三相输出电流采样得到旁路三相电流I_a、I_b、I_c，对采样得到的旁路三相电流进行CLARK及PARK变换：

alpha-beta坐标系中值

dq坐标系中值

S4、根据S2步骤判断旁路是否正常，若旁路正常，同时，判断直流电池电压Vdc是否低于电池上限电压，若低于电池上限电压，则应急电源装置工作在并网充电模式下，在dq坐标系中进行双闭环控制，直流电池电压U_dc与目标电压的差经PI控制得到dq坐标系下有功分量目标值采用电压外环控制，无功分量目标值将与应急电源输出电流进行电流内环PI控制,同时对旁路电压dq分量进行前馈控制，得到桥臂目标电压对dq坐标下桥臂目标电压进行逆PARK变换得到再进行SVPWM控制完成整个并网充电模式控制；

S5、在并网充电模式下，若直流电池电压与电池目标电压值之差大于给定阈值，则采用恒流充电模式，将直流电流控制作为外环控制，I_dc为实测直流电流，为目标直流电流，I_dc与差经PI控制得到dq坐标系下有功分量目标值采用电流外环控制，无功分量目标值将与应急电源输出电流进行电流内环PI控制,同时对旁路电压dq分量进行前馈控制，得到桥臂目标电压对dq坐标下桥臂目标电压进行逆PARK变换得到再进行SVPWM控制完成整个并网充电模式控制；

S6、在并网充电模式下，若直流电池电压达到目标电压值，则应急电源装置工作浮充状态下，此时应急电源连接在电池上，目标直流电流将与应急电源输出电流进行电流内环PI控制,同时对旁路电压dq分量进行前馈控制，得到桥臂目标电压对dq坐标下桥臂目标电压进行逆PARK变换得到再进行SVPWM控制完成整个并网充电模式控制；

S7、根据U_{rms_dq}判断旁路是否正常，若旁路异常，或旁路电压正常但应急电源装置收到手动信号、强制信号启动信号，则应急电源装置工作在离网放电模式，参考电压d轴分量为目标输出电压的相电压峰值，q轴分量应急电源装置输出电压经CLARK、PARK变换得到U_d、U_q，U_d、U_q分别进行PI控制得到dq坐标下桥臂目标电压将桥臂目标电压进行逆PARK变换得到再进行SVPWM控制完成整个离网放电模式控制。