CN108122459A - 一种透明开放两级双向多功能变流器展示平台 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种透明开放两级双向多功能变流器展示平台，该展示平台包括：上位监控层和设备层；所述上位监控层包括监控单元和测量仪表；所述设备层包括斩波变流器单元和交直流变流器单元。本发明提供的技术方案对初期接触电力电子技术的人员提供了可以快速了解电力电子变流器设备构成和工作原理；对从事相关技术开发人员，也可以在本发明提供的展示平台基础上，进行二次开发和研究，提高工作效率。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体讲涉及一种透明开放两级双向多功能变流器展示平台。
背景技术
电力电子功率变流器是交直流混合配电网、微电网、新能源发电等电力系统的基础，对不具备电力电子技术背景的从业人员快速掌握相关的基本技术和工作原理有重要意义。能够实现此种需求的实验设备，可分为三类。一种是目前各高校电力电子实验室配置的台架式模拟实验装置，将主要和关键的电子电气元器件包装在台架后面，使用者看到和操作的都是插线孔、操作按钮、旋钮、仪表指示灯等，这让研究者以及使用者不能深入了解其中的结构与内部变量的控制，仅适合验证性的本科实验；一种是单一的小容量实验装置，以台湾固纬公司推出的PTS-1000电力电子培训系统为代表，此类系统容量小，功能单一；另一种是许多科研院所配置的微电网和新能源发电实验系统，此类系统是不同厂家产品的集成，软硬件不开放，启动运行和过程调节非常复杂，不利于学习和掌握。
为满足现有技术的不足，需要提供一种设计开放性、综合性更强的电力电子实验平台以满足研究和使用的需要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种透明开放两级双向多功能变流器展示平台。
一种透明开放两级双向多功能变流器展示平台，所述变流器包括，整流器、逆变器、交流变流器和直流变流器，其特征在于，所述展示平台包括：上位监控层和设备层；所述上位监控层包括监控单元和测量仪表；所述设备层包括斩波变流器单元和交直流变流器单元。
进一步的，所述监控单元包括嵌入式系统监视器或通用计算机；所述测量仪表包括数字式测量仪或模拟电压电流功率表，便于显示设备层的内部变量参数。
进一步的，所述上位监控层通过通信网与所述设备层通信并交换数据，所述通信网包括以太网、串口通信和CAN总线。
进一步的，所述设备层通过切换开关单元与电源和负载连接，所述切换开关单元通过监控单元控制的测控模块进行切换，实现变流器与变流器以及变流器与电源和负载之间的不同拓扑方式的变换，完成更多功能的工作模式。
进一步的，所述斩波变流器的高压侧与直流母线连接，低压侧分别与光伏电源、储能电源和负载连接；或低压侧与直流母线连接，高压侧分别与光伏电源、储能电源和负载连接。
进一步的，所述斩波变流器单元的工作模式包括功率双向流动控制、定直母电压控制、定电压充电控制、定功率充放电控制、超级电容充电控制或二段式、三段式充电控制。
进一步的，所述交直流变流器单元的直流侧与直流母线或斩波变流器的输出侧连接；交流侧与负载连接进入离网工作模式，或与交流电网连接进入并网工作模式。
进一步的，所述交直流变流器单元的工作模式为功率双向流动控制、定直母电压控制、定交流侧电压离网控制和并网控制。
进一步的，所述展示平台设有有机玻璃保护罩。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
1、本发明提供的技术方案对初期接触电力电子技术的人员来说，可以快速了解电力电子变流器设备构成和工作原理。
2、本发明提供的技术方案对从事相关技术开发人员来说，可以在设计的展示平台基础上，进行二次开发和研究，提高工作效率。
3、本发明的展示平台的关键元器件都被有机玻璃保护，研究者与使用者可以更加直观的了解内部结构以及内部器件的运行状态，从而实现平台的内部结构透明化特点，也可以起到电气隔离的作用。
附图说明
图1为本发明构成示意图；
图2为一种展示平台实现方式示意图；
图3为斩波变流器(DCDC单元)拓扑结构；
图4为交直流变流器(DCAC单元)拓扑结构；
图5为滤波组拓扑结构；
图6为交直流变流器并机模式；
图7为交直流变流器并机模式；
图8为控制板的DSP控制示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
上位监控层通过通信网与设备层通信并且交换数据，通信网的实现方式有以太网、串口通信、CAN总线等，本装置使用CAN总线，CAN是控制器局域网络(ControllerAreaNetwork,CAN)的简称，是ISO国际标准化的串行通信协议。本装置通过CAN总线实现内部多机通信，获取全部遥测、遥信、遥调和遥控等变量，设备层的每个变流器单元的控制板上都有一个CAN接口，每个单元通过串口向各台CAN节点装置下发模式开机指令，各CAN节点都会收到串口数据帧，底层调节帧解帧部分根据CAN数据表判断本单元是否与串口下发的目标地址属同一CAN总线，然后控制部分处理CAN总线并机工作并根据本CAN单元是主机还是从机，在设备层实施相应的控制。
上位监控层通过CAN总线监控与管理测控模块，监控模块控制切换开关组单元改变开关的状态，图2给出了变流器单元与电源以及负载之间的开关连接关系，改变开关K1～K4开关断与合，就可以改变变流器的工作模式。举例说明：开关K1、K2开关闭合，则斩波变流器单元一侧可连接光伏阵列或模拟光伏也可接入储能电池等新能源直流设备，两套斩波变流器单元另一侧可以分别经开关K3、K4接至高压直流母线，高压直流母线设计为单母线分段结构，也可通过开关K5的合断实现并联或独立运行模式。两个交直流变流器单元经过开关K6、K7接到直流母线侧，另一侧可以分别经过开关K8、K9与K13、K14接到交流母线，交流母线也设计为单母线分段结构，也可通过开关K10可实现并联或独立并网运行；两段交流母线可断开K13、K14，并且合上开关K11、K12实现并网转为离网运行的工作模式。本平台由CAN总线控制的并机模式可分为单侧并机和双侧并机，对交直变流器可参考图6，分别有单侧并机，可以是直流侧并机，也可以交流侧并机；还有双侧并机，两边都分别并联。对斩波变流器可参考图7，分别有单侧并机，一般是直流母线并机，另一侧不并机；还有双侧并机，斩波器两边都并联，这些功能都可以通过选择切换开关单元的开关状态实现，无需进行复杂与繁琐的接线工序。图5中还给出了交直流变流器单元的滤波组拓扑结构，可以经过开关K的断与合轻松的根据实际情况选择滤波方式为LC滤波还是LCL滤波。总之这个展示研究平台设计了丰富的运行模式和控制策略，可充分展示电力电子变流器灵活的应用方式。
设备层的变流器单元的控制核心为DSP芯片(数字信号处理)，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。图8给出了变流器控制板由DSP控制的外围模块，所以变流器运行中的DSP处理的内部数字量成为研究者更为想关注的东西，本平台把DSP处理的内部数字量经过数模转换芯片转换为模拟量，在经由测量仪表单元经研究者与使用者直观浏览变量，解决了以往设备内部运行的不可观测性，为研究者与使用者二次开发提供一个新思路。表1为交直流变流器单元可提供显示的内部变量，表2为斩波变流器单元可提供显示的内部变量。这种功能仍然是使用者与研究者通过上位监控层的上位机操作界面勾选所需观看的变量，每个变流器单元的控制板上的数模转换芯片一次只能显示四路输出，所以研究者与使用者通过上位监控层一次只能选取四路所需变量，多选无效。
表1交直流变流器单元内部变量列表
表2斩波器变流器单元内部变量列表
| NO. | 变量名称 | DSP变量定义 |
| 1 | 变流器输出电压(V)(平均值)低压 | VDC_ConverterOut |
| 2 | 变流器输出电流(A)(平均值)低压 | IDC_ConverterOut |
| 3 | 变流器输出功率(W)低压 | PDC_ConverterOut |
| 4 | 变流器输入电压(V)(平均值)高压 | VDC_ConverterIn |
| 5 | 变流器输入电流(A)(平均值)高压 | IDC_ConverterIn |
| 6 | 变流器输入功率(W)高压 | PDC_ConverterIn |
| 7 | 变流器电感电流(A)(平均值) | IL_Converter |
| 8 | IGBT最高温度(℃)(平均值) | Temp_IGBT1_ThreePhase |
| 9 | 变流器输入电压(V)(瞬时值)高压 | ADC_instant[0] |
| 10 | 变流器输出电压(V)(瞬时值)低压 | ADC_instant[1] |
| 11 | 变流器低压电池电压(V)(瞬时值) | ADC_instant[2] |
| 12 | 变流器输入电流(A)(瞬时值)高压 | ADC_instant[8] |
| 13 | 变流器输出电流(A)(瞬时值)低压 | ADC_instant[9] |
| 14 | IGBT温度(℃)(瞬时值) | ADC_instant[15] |
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种透明开放两级双向多功能变流器展示平台，所述变流器包括，整流器、逆变器、交流变流器和直流变流器，其特征在于，所述展示平台包括：上位监控层和设备层；所述上位监控层包括监控单元和测量仪表；所述设备层包括斩波变流器单元和交直流变流器单元。
2.如权利要求1所述的一种透明开放两级双向多功能变流器展示平台，其特征在于，所述监控单元包括嵌入式系统监视器或通用计算机；所述测量仪表包括数字式测量仪或模拟电压电流功率表，便于显示设备层的内部变量参数。
3.如权利要求1所述的一种透明开放两级双向多功能变流器展示平台，其特征在于，所述上位监控层通过通信网与所述设备层通信并交换数据，所述通信网包括以太网、串口通信和CAN总线。
4.如权利要求1所述的一种透明开放两级双向多功能变流器展示平台，其特征在于，所述设备层通过切换开关单元与电源和负载连接，所述切换开关单元通过监控单元控制的测控模块进行切换，实现变流器与变流器以及变流器与电源和负载之间的不同拓扑方式的变换，完成更多功能的工作模式。
5.如权利要求1所述的一种透明开放两级双向多功能变流器展示平台，其特征在于，所述斩波变流器的高压侧与直流母线连接，低压侧分别与光伏电源、储能电源和负载连接；或低压侧与直流母线连接，高压侧分别与光伏电源、储能电源和负载连接。
6.如权利要求5所述的一种透明开放两级双向多功能变流器展示平台，其特征在于，所述斩波变流器单元的工作模式包括功率双向流动控制、定直母电压控制、定电压充电控制、定功率充放电控制、超级电容充电控制或二段式、三段式充电控制。
7.如权利要求1所述的一种透明开放两级双向多功能变流器展示平台，其特征在于，所述交直流变流器单元的直流侧与直流母线或斩波变流器的输出侧连接；交流侧与负载连接进入离网工作模式，或与交流电网连接进入并网工作模式。
8.如权利要求7所述的一种透明开放两级双向多功能变流器展示平台，其特征在于，所述交直流变流器单元的工作模式为功率双向流动控制、定直母电压控制、定交流侧电压离网控制和并网控制。
9.如权利要求1所述的一种透明开放两级双向多功能变流器展示平台，其特征在于，所述展示平台设有有机玻璃保护罩。
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