CN107086564A - 一种基于Boost‑Buck电路的多端口直流能源路由器 - Google Patents

一种基于Boost‑Buck电路的多端口直流能源路由器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Boost‑Buck电路的多端口直流能源路由器，所述装置由四套DC/DC双向功率变换器、基于DSP28335的集中控制器、HMI人机界面、系统应急开关以及相应的通信、电压电流采样电路等构成。将四套DC/DC变换器的输出端子合理连接，输入端口分别与分布式电源、直流负荷合理连接，这样便可以由能源路由器组建一个简单的局域供电网络，而所述基于DSP28335的集中控制器便是该供电网络的控制、调配中心。本发明研制出能源路由器样机一台，结构简单、控制方法简便，在硬件实物方面为能源路由器的开发做出一些尝试。本发明装置具有一定的理论意义和实用价值，并对能源路由器开发工作起到一定的示范作用。

Description

一种基于Boost-Buck电路的多端口直流能源路由器
技术领域
本发明涉及能源路由器，具体是一种基于Boost-Buck电路的多端口直流能源路由器。
背景技术
近年来由于能源短缺和环境污染问题日益严重，全球掀起了新一代能源互联网的研发热潮。能源结构正从主要依靠化石能源向依靠分布式、多样性的可再生能源转变。能源互联网是能量流和信息流高度融合的新型能源体系，是能源广泛共享和存储的多级分布式能源互联系统。
能源路由器是能源互联网形成的最基础部分。能源路由器的作用主要是将该范围内的分布式电源和用户的负荷连接起来，来调控这些元件间的功率流动，确保用户负荷的正常工作，也使整个区域网更加稳定高效。能源路由器主要由电力电子变换器单元、通信单元和决策控制单元三部分组成。能源路由器对局域网间以及局域网内部的能量流进行实时监控和信息收集，并通过信息通道及时反馈能量流状态。控制单元根据反馈信息，控制电力电子变换器进行相应的能量转换或存储动作，实现能量在局域电网内部按照最优路径流动，风光储及载荷协同消纳。目前针对能源路由器的研究还处于起步阶段，而且主要集中在其功能定义、结构设计以及相关控制理论研究方面，相关的硬件实物装置更是少之又少。基于此，本发明开发了一套基于Boost-Buck电路的多端口直流能源路由器，并制作样机一台，以期在硬件实物方面为能源路由器的研发工作做一些尝试。
发明内容
本发明的目的是开发一种基于Boost-Buck电路的多端口直流能源路由器，在硬件实物方面对能源路由器的开发工作做一些试探性研究，促进能源路由器技术的发展。
基于上述目的，本发明是采用如下技术方案实现的：一种基于Boost-Buck电路的多端口直流能源路由器，包括四套DC/DC双向功率变换器、基于DSP28335的集中控制器、HMI人机界面、继电器控制板、电压采样板和开关电源；
所述四套DC/DC双向功率变换器采用相同的电路结构和元器件参数，四套DC/DC双向功率变换器均采用双向Boost-Buck电路，每套DC/DC双向功率变换器输入端接线端子排引出正极线路经断路器、首端直流继电器、电流熔断器、电流霍尔元件接至直流电抗器，从直流电抗器出线接至IGBT模块上管的发射极以及IGBT模块下管的集电极，从IGBT模块上管的集电极引出正极线路接至出口电容的正极，然后经过末端直流继电器、出口断路器接至出口端子排正极接线柱；每套DC/DC双向功率变换器输入端接线端子排引出负极线路经断路器连接至IGBT模块下管发射极，然后接至出口电容的负极，最后经出口断路器接至出口端子排的负极；各元件按照上述顺序依次连接便构成一套DC/DC双向功率变换器；
每套DC/DC双向功率变换器的电流霍尔元件均通过信号线与集中控制器的A/D采样端口相连接；所述电压采样板采集每套DC/DC双向功率变换器的入口端和出口端的电压，电压采样板的信号输出端与集中控制器的A/D采样端口相连接；集中控制器的继电器控制信号输出端口与继电器控制板的控制信号输入端口相连接，继电器控制板通过四路信号线分别与四套DC/DC双向功率变换器的四组直流继电器相连接，其中每路信号线均与所对应的一套DC/DC双向功率变换器的进口直流继电器和出口直流继电器的集中控制端子相连接；
集中控制器的四个PWM信号输出端口分别通过四路信号线与四套DC/DC双向功率变换器中IGBT模块驱动板的信号输入端口相连接；
所述HMI人机界面与集中控制器通讯；
所述开关电源用于向集中控制器、HMI人机界面、电流霍尔元件、电压采集板、直流继电器以及继电器控制板供电。
本发明设计HMI人机界面通过信号线连接至集中控制器，实现对能源路由器运行状态的检测和控制。
将四套DC/DC功率变换器的输出端子、输入端子合理连接，空余端口分别与分布式电源、储能、负荷等合理连接，这样便由能源路由器组建了一个简单的局域供电网络，而所述基于DSP28335的集中控制器便是该供电网络的控制、调配中心。本发明选用TI公司的TMS320F28335型DSP芯片作为该能源路由器的集中控制器，该集中控制器通过电压采集板和电流霍尔元件分别采集主电路中电压、电流信号，然后经过运算，得出对主电路中四套变换器开关器件的控制信号，实现对四套DC/DC变换器的协调控制。集中控制器向继电器控制板发出控制信号，实现对四套DC/DC变换器首末端直流继电器有效的控制。
进一步的，本发明为四套DC/DC功率变换器开发了两套控制子程序：光伏最大功率跟踪（MPPT）控制程序、储能下垂控制程序；集中控制器载有这两套子程序；集中控制器主程序设置实现的目标是：四套DC/DC双向功率变换器可以根据需要运行于光伏最大功率跟踪控制程序、储能下垂控制程序中的任何一种工作模式，这样基于Boost-Buck电路的多端口直流能源路由器应用具有很强的灵活性，可以兼容多种控制模式、实现多种微源组合类型，灵活组建多种直流微电网；集中控制器实时监测系统运行状态，并分别向四套DC/DC双向功率变换器发送控制指令，实现各功率终端间功率交换寻优控制，实现能源路由器以及整个局域供电网络高效运行。
进一步的，HMI人机界面监控屏中设置有：通信状态显示栏、状态变量显示栏、参数整定栏、主程序控制开关、各子程序启动开关、直流继电器控制开关；所述参数整定栏包括采样参数校准、阈值整定、程序参数整定；各栏功能分别设置如下：
(1)通信状态显示栏：该栏负责显示HMI人机界面与DSP28335集中控制器的通信连接状态，指示HMI人机界面是否能够正常通信、工作；
(2)状态变量显示栏：该栏用来显示能源路由器四套DC/DC双向功率变换器的运行状态，分别包括采用储能下垂控制程序控制DC/DC双向功率变换器的高压侧电压UH、低压侧电感电流Iboost以及电感电流参考值Iref；采用光伏最大功率跟踪（MPPT）控制程序控制DC/DC双向功率变换器的入口光伏电压Upv和光伏电流Ipv；
(3)参数整定栏：该栏包含3个子菜单栏，分别是：采样参数校准、阈值整定、程序参数整定；
①采样参数校准：该栏主要是对各参量采样时所用到的比例系数gain值、初始偏置offset以及滤波系数multiplier进行设置的窗口界面；
②阈值整定：该栏主要是对DC/DC双向功率变换器运行于储能下垂控制程序控制时，所需设定的电压、电流阈值进行设定，包括：UdroopH、UdroopL、Kdroop、Imax；
③程序参数整定：该栏主要是对各DC/DC双向功率变换器控制子程序中所用到的PI系数KP、KI进行整定；
(4)主程序控制开关：
该栏是能源路由器运行时程序控制的总开关，负责控制系统主程序的启动与关断；
(5)各子程序启动开关：该栏是能源路由器中四套DC/DC双向功率变换器各子程序启动控制开关，分别控制每套DC/DC双向功率变换器的运行与停止；
(6)直流继电器控制开关：该栏中K1、K2、K3、K4分别为四套DC/DC双向功率变换器首末端直流继电器的控制开关。
此外，本发明设置有多个不同电压等级的开关电源，实现对各耗电器件的可靠供电。
进一步的，还包括系统应急控制开关；所述系统应急开关与继电器控制板的控制信号输入端口相连接。
本发明在能源路由器柜体前门设置了的系统应急开关，系统应急开关也是通过继电器控制板实现对DC/DC变换器首末端直流继电器的控制。当能源路由器四套DC/DC变换器中一套或几套出现紧急状况时，可以迅速启动系统应急开关，这样四套DC/DC变换器的出入口直流继电器均会立即切断，系统电源、储能、负荷立即切除，避免了危险的发生。
本发明所提供的一种基于Boost-Buck电路的多端口直流能源路由器，所具有的优点与积极效果在于：目前针对能源路由器的研究还主要集中于理论研究阶段，相关的硬件实践开发十分匮乏，技术积累也比较少。本发明基于能源路由器所应具备的基本功能，开发出一套基于Boost-Buck电路的多端口直流能源路由器，并制作样机一台，在硬件实物方面对能源路由器的开发工作做出一些尝试。本发明装置结构简单、控制方法简便，具有一定的理论意义和实用价值，并对能源路由器开发工作起到一定的示范作用。
附图说明
图1是本发明中一种基于Boost-Buck电路的多端口直流能源路由器主电路结构图。
图2是本发明中DC/DC双向功率变换器采用MPPT控制时的控制框图。
图3是本发明中DC/DC双向功率变换器采用下垂控制时所对应的下垂特性。
图4是本发明中一种基于Boost-Buck电路的多端口直流能源路由器的硬件连接示意图。
图5是本发明中一种基于Boost-Buck电路的多端口直流能源路由器的HMI人机界面。
图1中绘制了该能源路由器的主电路结构图，未涉及具体的采样、通信、控制部分。图2中，当DC/DC变换器用于光伏最大功率跟踪，采用MPPT控制时，光伏电池U pv、I pv输入到MPPT模块，经程序运算得到占空比指令，再经过PWM调制得到DC/DC变换器中开关器件的控制信号，通过控制开关器件的通断实现光伏最大功率跟踪。图3中，当DC/DC变换器用于稳定母线电压UH，采用基于UH的下垂控制时，采用如图所示的下垂特性曲线，相关参数已在图中标示。图4中所示为基于该能源路由器所构建的一个局域供电网络的连接示意图，图中标示了电压电流采样信号、DSP控制信号的传递路径以及各组成部分的连接关系。图5中标示了HMI人机界面中各栏所对应的意义。
具体实施方式
本发明一种基于Boost-Buck电路的多端口直流能源路由器具体是是采用如下技术方案实现的：
一种基于Boost-Buck电路的多端口直流能源路由器，包括四套DC/DC双向功率变换器、基于DSP28335的集中控制器、HMI人机界面、系统应急开关以及相应的通信、电压电流采样电路。具体如下：
1.四套DC/DC双向功率变换器
本发明设计四套DC/DC双向功率变换器采用相同的电路结构和元器件参数，四套DC/DC变换器均采用双向Boost-Buck电路，以其中一套为例进行介绍。如附图1中所示，第一套DC/DC变换器输入端正极接线端子D1引出正极线路经断路器QF1、首端直流继电器KR1、电流熔断器FU1、电流霍尔元件CT1接至直流电抗器L1，从直流电抗器L1出线接至IGBT模块上管的发射极（也即IGBT模块下管的集电极），从IGBT上管的集电极引出正极线路接至出口电容C1的正极，然后经过末端直流继电器KR2、出口断路器QF2接至出口端子排正极接线柱D3。输入端负极接线端子D2引出负极线路经断路器QF1连接至IGBT模块下管发射极，然后接至出口电容C1的负极，最后经出口断路器QF2接至出口端子排的负极接线柱D4。各元件按照上述顺序依次连接便构成第一套DC/DC双向功率变换器。
2.基于DSP28335的集中控制器
本发明选用TI公司的TMS320F28335型DSP芯片作为该能源路由器的集中控制器，该集中控制器通过电压采集板和电流霍尔元件分别采集主电路中电压、电流信号，然后经过运算，得出对主电路中四套变换器开关器件的控制信号，实现对四套DC/DC双向功率变换器的协调控制。将四套DC/DC双向功率变换器的输出端子、输入端子合理连接，空余端口分别与分布式电源、储能、负荷等合理连接，这样便由能源路由器组建了一个简单的局域供电网络，而所述基于DSP28335的集中控制器便是该供电网络的控制、调配中心。本发明为四套DC/DC双向功率变换器开发了两套控制子程序：光伏最大功率跟踪（MPPT）控制程序、储能下垂控制程序，分别如图2、图3中所示。集中控制器主程序设置实现的目标是：四套DC/DC双向功率变换器可以根据需要运行于MPPT控制、下垂控制中的任何一种工作模式。这样本发明基于Boost-Buck电路的多端口直流能源路由器应用具有很强的灵活性，可以兼容多种控制模式、实现多种微源组合类型，灵活组建多种直流微电网。集中控制器实时监测系统运行状态，并分别向四套DC/DC双向功率功率变换器发送控制指令，实现各功率终端间功率流寻优控制，实现能源路由器以及整个局域供电网络高效运行。
3.HMI人机界面
本发明选用昆仑通态MCGS产品设计了该能源路由器的HMI人机界面，该人机界面通过信号线与DSP28335集中控制器连接。实验人员通过HMI人机界面实现对整个能源路由器运行状态的监测和实时控制。如附图5中所示，HMI人机界面监控屏中设置有：通信状态显示栏、状态变量显示栏、参数整定栏（采样参数校准、阈值整定、程序参数整定）、主程序控制开关、各子程序启动开关、直流继电器控制开关。各栏功能分别设置如下：
(1)通信状态显示栏：该栏负责显示HMI人机界面与DSP28335集中控制器的通信连接状态，指示HMI人机界面是否能够正常通信、工作。
(2)状态变量显示栏：该栏主要用来显示能源路由器四套DC/DC双向功率变换器的运行状态。分别包括采用下垂控制DC/DC双向功率变换器的高压侧电压UH、低压侧电感电流Iboost以及电感电流参考值Iref；采用MPPT控制DC/DC变换器的入口光伏电压Upv和光伏电流Ipv。
(3)参数整定栏：该栏包含3个子菜单栏，分别是：采样参数校准、阈值整定、程序参数整定。
①采样参数校准：该栏主要是对各参量采样时所用到的比例系数gain值、初始偏置offset以及滤波系数multiplier进行设置的窗口界面。
②阈值整定：该栏主要是对变换器运行于下垂控制时，所需设定的电压、电流阈值进行设定。包括：UdroopH、UdroopL、Kdroop、Imax。
③程序参数整定：该栏主要是对各变换器控制子程序中所用到的PI系数KP、KI进行整定。
(4)主程序控制开关：
该栏是能源路由器运行时程序控制的总开关，负责控制系统主程序的启动与关断。
(5)各子程序启动开关：该栏是能源路由器中四套DC/DC双向功率变换器各子程序启动控制开关，分别控制每套DC/DC双向功率变换器的运行与停止。
(6)直流继电器控制开关：该栏中K1、K2、K3、K4分别为四套DC/DC双向功率变换器首末端直流继电器的控制开关。
4.系统应急开关
本发明在能源路由器柜体前门设置了的系统应急开关。当能源路由器四套DC/DC变换器中一套或几套出现紧急状况时，可以迅速启动系统应急开关，这样四套DC/DC变换器的出入口直流继电器均会立即切断，系统电源、储能、负荷立即切除，避免了危险的发生。
除了以上部件，本发明一种基于Boost-Buck电路的多端口直流能源路由器中还设置有大量的通信、采样电路，这其中包括了电流霍尔元件、电压霍尔元件、直流继电器控制板、PWM信号线等，另外还配置有各种电压等级的开关电源和供电线。
本发明各组成部分的连接关系为如图4所示：四套DC/DC双向功率变换器端口可以与外界的直流配电柜、锂电池柜、直流负荷、光伏电池、超级电容器等连接组建局域供电网络。集中控制器通过电流霍尔元件、电压采集板采集主电路四套DC/DC双向功率变换器中电压、电流信号，然后集中控制器通过信号处理，得出对DC/DC双向功率变换器中开关器件的控制信号，实现对四套DC/DC双向功率变化器的工作控制。集中控制器向继电器控制板发出控制信号，实现对四套DC/DC双向功率变换器首末端直流继电器有效的控制。另外，本发明设计的系统应急开关也是通过继电器控制板实现对DC/DC双向功率变换器首末端直流继电器的控制，从而快速切除系统故障。本发明设计HMI人机界面通过信号线连接至集中控制器，实现对能源路由器运行状态的检测和控制。此外，本发明设置有多个不同电压等级的开关电源，实现对各耗电器件的可靠供电。

Claims (4)

1.一种基于Boost-Buck电路的多端口直流能源路由器，其特征在于：包括四套DC/DC双向功率变换器、基于DSP28335的集中控制器、HMI人机界面、继电器控制板、电压采样板和开关电源；
所述四套DC/DC双向功率变换器采用相同的电路结构和元器件参数，四套DC/DC双向功率变换器均采用双向Boost-Buck电路，每套DC/DC双向功率变换器输入端接线端子排引出正极线路经断路器、首端直流继电器、电流熔断器、电流霍尔元件接至直流电抗器，从直流电抗器出线接至IGBT模块上管的发射极以及IGBT模块下管的集电极，从IGBT模块上管的集电极引出正极线路接至出口电容的正极，然后经过末端直流继电器、出口断路器接至出口端子排正极接线柱；每套DC/DC双向功率变换器输入端接线端子排引出负极线路经断路器连接至IGBT模块下管发射极，然后接至出口电容的负极，最后经出口断路器接至出口端子排的负极；各元件按照上述顺序依次连接便构成一套DC/DC双向功率变换器；
每套DC/DC双向功率变换器的电流霍尔元件均通过信号线与集中控制器的A/D采样端口相连接；所述电压采样板采集每套DC/DC双向功率变换器的入口端和出口端的电压，电压采样板的信号输出端与集中控制器的A/D采样端口相连接；集中控制器的继电器控制信号输出端口与继电器控制板的控制信号输入端口相连接，继电器控制板通过四路信号线分别与四套DC/DC双向功率变换器的四组直流继电器相连接，其中每路信号线路均与所对应的一套DC/DC双向功率变换器的进口直流继电器和出口直流继电器的集中控制端子相连接；
集中控制器的四个PWM信号输出端口分别通过四路信号线与四套DC/DC双向功率变换器中IGBT模块驱动板的信号输入端口相连接；
所述HMI人机界面与集中控制器通讯；
所述开关电源用于向集中控制器、HMI人机界面、电流霍尔元件、电压采集板、直流继电器以及继电器控制板供电。
2.如权利要求1所述的一种基于Boost-Buck电路的多端口直流能源路由器，其特征在于，集中控制器载有为四套DC/DC功率变换器开发的两套控制子程序：光伏最大功率跟踪控制程序和储能下垂控制程序；集中控制器主程序设置实现的目标是：四套DC/DC双向功率变换器可以根据需要运行于光伏最大功率跟踪控制程序、储能下垂控制程序中的任何一种工作模式，这样基于Boost-Buck电路的多端口直流能源路由器应用具有很强的灵活性，可以兼容多种控制模式、实现多种微源组合类型，灵活组建多种直流微电网；集中控制器实时监测系统运行状态，并分别向四套DC/DC双向功率变换器发送控制指令，实现各功率终端间功率交换寻优控制，实现能源路由器以及整个局域供电网络高效运行。
3.如权利要求1或2所述的一种基于Boost-Buck电路的多端口直流能源路由器，其特征在于，HMI人机界面监控屏中设置有：通信状态显示栏、状态变量显示栏、参数整定栏、主程序控制开关、各子程序启动开关、直流继电器控制开关；所述参数整定栏包括采样参数校准、阈值整定、程序参数整定；各栏功能分别设置如下：
(1)通信状态显示栏：该栏负责显示HMI人机界面与DSP28335集中控制器的通信连接状态，指示HMI人机界面是否能够正常通信、工作；
(2)状态变量显示栏：该栏用来显示能源路由器四套DC/DC双向功率变换器的运行状态，分别包括采用储能下垂控制程序控制DC/DC双向功率变换器的高压侧电压UH、低压侧电感电流Iboost以及电感电流参考值Iref；采用光伏最大功率跟踪控制程序控制DC/DC双向功率变换器的入口光伏电压Upv和光伏电流Ipv；
(3)参数整定栏：该栏包含3个子菜单栏，分别是：采样参数校准、阈值整定、程序参数整定；
①采样参数校准：该栏主要是对各参量采样时所用到的比例系数gain值、初始偏置offset以及滤波系数multiplier进行设置的窗口界面；
②阈值整定：该栏主要是对DC/DC双向功率变换器运行于储能下垂控制程序控制时，所需设定的电压、电流阈值进行设定，包括：UdroopH、UdroopL、Kdroop、Imax；
③程序参数整定：该栏主要是对各DC/DC双向功率变换器控制子程序中所用到的PI系数KP、KI进行整定；
(4)主程序控制开关：
该栏是能源路由器运行时程序控制的总开关，负责控制系统主程序的启动与关断；
(5)各子程序启动开关：该栏是能源路由器中四套DC/DC双向功率变换器各子程序启动控制开关，分别控制每套DC/DC双向功率变换器的运行与停止；
(6)直流继电器控制开关：该栏中K1、K2、K3、K4分别为四套DC/DC双向功率变换器首末端直流继电器的控制开关。
4.如权利要求1或2所述的一种基于Boost-Buck电路的多端口直流能源路由器，其特征在于，还包括系统应急控制开关；所述系统应急开关与继电器控制板的控制信号输入端口相连接。
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