CN209250280U - 一种用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置，包括移相全桥双向DC/DC变换器，所述移相全桥双向DC/DC变换器的高压侧连接直流母线，低压侧连接蓄电池组；所述移相全桥双向DC/DC变换器的控制端与驱动放大电路的输出端连接，所述驱动放大电路的输入端连接控制单元的控制信号输出端；所述控制单元的模拟信号采样端分别与蓄电池组电流传感器、蓄电池组电压采样点、直流母线电流传感器和直流母线电压采样点连接；所述控制单元还分别连接有用于控制装置环境温度的温控单元以及用于报警的报警单元；所述控制单元还连接有用于网络通信的网络通信模块；还包括触摸屏，所述触摸屏与控制单元连接。

Description

一种用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置，属于电力自动化技术领域。

背景技术

电力电子变换技术中直流双向变换是其中的一个重要组成部分，最近几年获得了长足的发展，直流双向变换技术中按输入端输出端是否存在隔离设备来分类可分为两类：非隔离型和隔离型。非隔离的直流变换器中间没有电气隔离，它把输入的直流电，经过高频斩波后，通过滤波电路滤波后得到一定指标的直流电；隔离型直流变换器中间通过高频变压器进行电气隔离，它把输入的直流电，通过高频逆变后再经过隔离变压器变压最后通过整流滤波装置进行变换后输出满足一定要求的直流电。现有的直流双向变换器多采用非隔离型和低输出电压，且低压侧只连接与普通的铅酸电池，不能直接应用于功率级的液流电池系统中。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置，装置中的直流双向变换器接于蓄电池组和直流母线之间，可进行双向工作模式的切换，即可进行对蓄电池组充电或放电的切换。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案为：

一种用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置，包括移相全桥双向DC/DC变换器，所述移相全桥双向DC/DC变换器的高压侧连接直流母线，低压侧连接蓄电池组；所述移相全桥双向DC/DC变换器的控制端与驱动放大电路的输出端连接，所述驱动放大电路的输入端连接控制单元的控制信号输出端；所述控制单元的模拟信号采样端分别与蓄电池组电流传感器、蓄电池组电压采样点、直流母线电流传感器和直流母线电压采样点连接；所述控制单元还分别连接有用于控制装置环境温度的温控单元以及用于报警的报警单元；所述控制单元还连接有用于网络通信的网络通信模块；还包括触摸屏，所述触摸屏与控制单元连接。

其中，移相全桥双向DC/DC变换器包含高频隔离变压器，高频隔离变压器两端分别连接高压侧和低压侧，变压器高压侧设有两两串联后再并联的四个MOS管Q5、Q6、Q7、Q8，变压器高压侧两端分别连接高压侧串联MOS管的中间位置；变压器高压侧还并联有滤波电容C_H；变压器低压侧同样设有两两串联后再并联的四个MOS管Q1、Q2、Q3、Q4，变压器低压侧两端分别连接低压侧串联MOS管的中间位置；变压器低压侧还并联有滤波电容C_L同时串联有L1；所有MOS管均并联有二极管和电容。

其中，所述控制单元包含ARM处理器，所述ARM处理器PWM信号输出端分别连接MOS管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7和Q8的控制端，所述ARM处理器的模拟信号采样端分别通过电阻分压的形式连接蓄电池组电流传感器、蓄电池组电压采样点、直流母线电流传感器和直流母线电压采样点。

其中，所述驱动电路包括光电耦合器，所述光电耦合器输入端连接ARM处理器的PWM信号输出端；PWM信号输出端串联有驱动电阻，PWM信号输出端还并联有稳压管。

其中，所述控制单元还连接有用于与外部监控设备通信的485通信接口。

其中，所述MOS管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为绝缘栅双极型晶体管。

其中，所述温控单元包括温度传感器和风扇驱动单元，温度传感器的输出端与控制单元的模拟信号采样端连接，风扇驱动单元的驱动输入端与控制单元的信号输出端连接，驱动输出端连接有风扇。

其中，所述报警单元包括报警指示灯以及报警扬声器。

其中，所述网络通信模块包括通信芯片和通信天线，所述控制单元通过通信芯片和通信天线与外部服务器实现无线通信。

其中，所述ARM处理器采用STM32F101RC单片机；

其中，所述光电耦合器的型号为HCPL3180，所述稳压管的型号为1N4747。

相比于现有技术，本实用新型技术方案具有的有益效果为：

本实用新型通过控制移相全桥双向DC/DC变换器的MOS管工作，实现双向工作模式的切换，即实现对蓄电池组充电或放电的切换，且模式切换时间短；通过对蓄电池组充放电的精准切换，保证了直流母线电压不会出现较大的电压波动，同时也提高了蓄电池组的使用寿命，保证了直流微电网系统的安全稳定运行；另外，相对于非隔离的直流双向变换器，该装置的高频变压器实现了原副边的电气隔离，同时实现了直流母线和蓄电池组的电气隔离，即直流母线的接地故障不能传递到蓄电池一侧，蓄电池组一侧的接地故障也不能传递到直流母线一侧，提高了系统安全性。装置同时包括温控单元和报警单元，提高了装置的稳定性以及故障处理效率。装置包括多种通信接口，提高了装置可扩展性以及远程通信能力。

附图说明

图1为本实用新型用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置的结构示意图；

图2为本实用新型用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置在系统中的工作示意图；

图3为本实用新型用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置在系统中两个同时工作的结构示意图；

图4为本实用新型用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置的移相全桥双向DC/DC变换器电路图；

图5为本实用新型用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置的控制单元电路图；

图6为本实用新型用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置驱动电路的电路图；

图7为本实用新型用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置的工作流程图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本实用新型。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本实用新型，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本实用新型。

本实用新型用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置是一个基于先进的移向全桥拓扑，通过微处理器实现能量从低压侧到直流母线升压功能和直流母线到低压侧的降压功能，能量双向流动，高低压侧双向隔离。高压侧正常运行电压是750VDC，低压侧接电池组，以DC400V为主。当使用两台中压柔性直流双向变换装置，低压侧并联，高压侧串联时，可以实现DC1500V输出或者双极性输出±750V。

如图1～7所示，本实用新型用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置，包括移相全桥双向DC/DC变换器，移相全桥双向DC/DC变换器的高压侧连接直流微电网中的直流母线，低压侧连接蓄电池组。

其中直流微电网中的直流母线电压为DC750V，其来自三相交流整流和光伏电池的输出。储能电池由一套50kWh的液流电池构成，其浮充电电压为DC450V。

移相全桥双向DC/DC变换器的控制端与驱动放大电路的输出端连接，驱动放大电路的输入端连接有控制单元。控制单元的模拟信号采样端还分别与蓄电池组电流传感器、蓄电池组电压采样点、直流母线电流传感器和直流母线电压采样点连接。

控制单元还分别连接有用于控制装置环境温度的温控单元以及用于报警的报警单元。温控单元包括温度传感器和风扇驱动单元，温度传感器的输出端与控制单元的模拟信号采样端连接，风扇驱动单元的驱动输入端与控制单元的信号输出端连接，驱动输出端连接有风扇。控制单元实时采集设置于装置内部的温度传感器的数据判定当前装置环境温度，当温度大于设定阈值时通过风扇驱动电路驱动风扇工作，为装置散热，放置装置温度过高。

报警单元包括报警指示灯以及报警扬声器。控制单元在判断到当前采集的相关数据异常时通过报警指示灯和报警扬声器发出不同的声光报警信号。

控制单元还连接有通信模块，通信模块采用无线通信的形式，控制单元通过通信模块中的通信芯片和通信天线实现无线通信，可满足装置与外部网络进行数据交互。

控制单元通过SPI接口连接有触摸屏。用户通过触摸屏与装置交互，进行参数设置。

移相全桥双向DC/DC变换器包含高频隔离变压器，高频隔离变压器两端分别连接高压侧和低压侧，变压器高压侧设有两两串联后再并联的四个MOS管Q5、Q6、Q7、Q8，变压器高压侧两端分别连接高压侧串联MOS管的中间位置。变压器高压侧还并联有滤波电容C_H；变压器低压侧同样设有两两串联后再并联的四个MOS管Q1、Q2、Q3、Q4，变压器低压侧两端分别连接低压侧串联MOS管的中间位置。变压器低压侧还并联有滤波电容C_L同时串联有L1。所有MOS管均并联有二极管和电容。

如图4所示，U_L为低压侧电压，C_L为低压侧滤波电容，L1为低压侧电感，MOS管Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7和Q8选用IGBT，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8为IGBT的寄生的二极管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7和C8为MOS管的寄生电容；U_H为高压侧电压，T1为高频隔离变压器，C_H为滤波高压侧滤波电容。

移相全桥双向DC/DC变换器的MOS管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8的型号为FF300R12KT4，滤波电容CL的型号为CD135450V/3300uF。

高频隔离变压器T1实现了原副边的电气隔离(变压器的输出电压就叫副边电压，变压器的输入方(接电源方)叫原边电压)，同时实现了直流母线和蓄电池组的电气隔离，即直流母线的接地故障不能传递到蓄电池一侧，蓄电池组一侧的接地故障也不能传递到直流母线一侧。

根据蓄电池组的容量大小情况，直流双向变换装置可为单个或多个单元并联工作，实现对蓄电池组的充电控制和放电控制。

如图5所示，ARM处理器型号STM32F101RC，UL为低压侧电压采样，IL为低压侧电流，LEM1、LEM2为电流传感器，Y表示晶振，C1、C2为晶振电容，R1、R2、R3、R4、R5、R6为采样电阻，ARM处理器的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6、PWM7和PWM8信号通过驱动电路来控制移相全桥双向DC/DC变换器的八个MOS管。ARM处理器的AD采样端口AN0、AN1、AN2、AN3分别采集直流双向变换器的低压侧电压、高压侧电压、高压侧电流和低压侧电流。ARM处理器的485TX和485RX端口连接485通信接口，通过485通信接口实现与外部监控系统的通讯。ARM处理器通过其SPI通讯接口(SDI、SCK、SDO)与触摸屏实现数据通讯，方便就地数据显示、故障查询与参数设置。

驱动电路包括光电耦合器(光耦)，光电耦合器输入端连接ARM处理器的PWM信号输出端连接；PWM信号输出端串联有驱动电阻，PWM信号输出端还并联有稳压管。隔离放大光耦的型号为HCPL3180，稳压管的型号为1N4747。

如图6所示，控制单元产生的PWM信号是小信号，经过光耦放大后，得到一个大信号，用来驱动MOS管的开通和关断。R1是限流电阻，与光耦的二极管端相连，光耦的副边外加一个电源VCC，提供一个高电压，电容C1为滤波电容，电阻R2为MOS管的驱动电阻，稳压管VD1用来限制MOS管的栅源极电压，防止MOS管高电压击穿。

本装置的工作原理以及对蓄电池组的充放电管理控制是这样实现的：

直流双向变换器分别接于蓄电池组和直流母线之间，可以实现对蓄电池组的充放电管理控制，根据图7的流程图可知，各模块与参数初始化后，ARM处理器控制电路通过自身的AD单元采集DC/DC变换器高压侧和低压侧的电压，进行数据处理和数据运算，通过判断高压侧的电压是否达到设定的电压值来开启充电工作模式，在进入充电模式后，继续判断高压侧电压是否小于设定值来开启放电工作模式，即通过对高压侧电压的采样判断来确定直流双向变换装置的工作模式，实现对直流微电网中蓄电池组的充放电管理控制，提高了蓄电池组的活性和利用率。

由于双向DC/DC变换器内部存在高频隔离变压器，可以实现直流母线侧与蓄电池组侧的电气隔离，保证了任何一侧出现接地故障时不会影响到另一侧。另外，在直流微电网中，直流母线能量不足时，为保证直流负载的供电连续性，蓄电池组通过直流双向变换器向直流母线放电，提高了直流系统的供电可靠性。

Claims (10)

1.一种用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置，其特征在于：包括移相全桥双向DC/DC变换器，所述移相全桥双向DC/DC变换器的高压侧连接直流母线，低压侧连接蓄电池组；所述移相全桥双向DC/DC变换器的控制端与驱动放大电路的输出端连接，所述驱动放大电路的输入端连接控制单元的控制信号输出端；所述控制单元的模拟信号采样端分别与蓄电池组电流传感器、蓄电池组电压采样点、直流母线电流传感器和直流母线电压采样点连接；所述控制单元还分别连接有用于控制装置环境温度的温控单元以及用于报警的报警单元；所述控制单元还连接有用于网络通信的网络通信模块；还包括触摸屏，所述触摸屏与控制单元连接；

其中，所述移相全桥双向DC/DC变换器包含高频隔离变压器，高频隔离变压器两端分别连接高压侧和低压侧，变压器高压侧设有两两串联后再并联的四个MOS管Q5、Q6、Q7、Q8，变压器高压侧两端分别连接高压侧串联MOS管的中间位置；变压器高压侧还并联有滤波电容C_H；变压器低压侧同样设有两两串联后再并联的四个MOS管Q1、Q2、Q3、Q4，变压器低压侧两端分别连接低压侧串联MOS管的中间位置；变压器低压侧还并联有滤波电容C_L同时串联有L1；所有MOS管均并联有二极管和电容。

2.根据权利要求1所述的用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置，其特征在于：所述控制单元包含ARM处理器，所述ARM处理器PWM信号输出端分别连接MOS管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7和Q8的控制端，所述ARM处理器的模拟信号采样端分别通过电阻分压的形式连接蓄电池组电流传感器、蓄电池组电压采样点、直流母线电流传感器和直流母线电压采样点。

3.根据权利要求1所述的用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置，其特征在于：所述驱动放大电路包括光电耦合器，所述光电耦合器输入端连接ARM处理器的PWM信号输出端；PWM信号输出端串联有驱动电阻，PWM信号输出端还并联有稳压管。

4.根据权利要求1所述的用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置，其特征在于：所述控制单元还连接有用于与外部监控设备通信的485通信接口。

5.根据权利要求2所述的用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置，其特征在于：所述MOS管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为绝缘栅双极型晶体管。

6.根据权利要求1所述的用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置，其特征在于：所述温控单元包括温度传感器和风扇驱动单元，温度传感器的输出端与控制单元的模拟信号采样端连接，风扇驱动单元的驱动输入端与控制单元的信号输出端连接，驱动输出端连接有风扇。

7.根据权利要求1所述的用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置，其特征在于：所述报警单元包括报警指示灯以及报警扬声器。

8.根据权利要求1所述的用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置，其特征在于：所述网络通信模块包括通信芯片和通信天线，所述控制单元通过通信芯片和通信天线与外部服务器实现无线通信。

9.根据权利要求2所述的用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置，其特征在于：所述ARM处理器采用STM32F101RC单片机。

10.根据权利要求3所述的用于直流微电网的中压柔性直流双向变换装置，其特征在于：所述光电耦合器的型号为HCPL3180，所述稳压管的型号为1N4747。