一种储能变换器电能变换双向DCDC变换器及储能系统

摘要

本发明公开一种储能变换器电能变换双向DCDC变换器及储能系统，双向DCDC变换器包括：380V母线侧、锂电池侧、DSP主控板、IGBT桥臂、母线侧电压采样模块、母线侧电流采样模块、锂电池侧电压采样模块、锂电池侧电路采样模块、数据通信模块、变换器控制模块和储能评估模块；其中DSP主控板分别与母线侧电压采样模块、IGBT桥臂、母线侧电流采样模块、锂电池侧电压采样模块、锂电池侧电路采样模块和数据通信模块连接，并且上述不同的模块设置在380V母线侧和锂电池侧之间。本发明不仅具有电量变换、电气隔离和调节定值的作用，还能够实现变换器能量转换过程中检测数据信息监控，实时诊断变换器能量转换程度，提高了变换器应用效率。

说明书

技术领域

本发明涉及变换器技术领域，且更确切地涉及一种储能变换器电能变换双向DCDC变换器及储能系统。

背景技术

变换器，是将信源发出的信息按一定的目的进行变换。作为一种新型的交—交变频电源，其电路拓扑形式被提出，储能是指通过介质或变换器电能变换把能量存储起来，在需要时再释放出来的过程。一般讲到储能，主要是指电能的储存。其实储能本身不是新兴的技术，但从产业角度来说却是正处在起步、发展阶段。储能技术是未来能源系统具备柔性、包容性和平衡功能的关键节点。

变换器在储能变换器电能变换中由一个载频转换到另一载频变换，在电池储能系统有两个重要的组成部分，第1就是号称 “心脏 ”的电池储能系统中的电池，负责能量的存储和释放；第二个就是号称 “大动脉 ”的电池储能系统中的充放 电变换器，它是电池储能系统能量传递的双向高速通道。二者缺一不可，密不可分。传统的铅酸蓄电池，钠硫电池、钒电池、锂电池和镍氢电池等也纷纷在电池储能系统中使用，因此电池储能系统对充放电变化器的要求也越来越高，他不仅要求充放电变化器具有传统的充放电功能，还需满足电池电压的宽范围运行、快速充放运行、瞬时大功率输出运行、无功补偿运行、孤岛运行及多组电池的充放电运行要求。因此现有技术中的储能元件已经远远不能满足储能系统的需要；

发明内容

针对上述技术的不足，本发明一种储能变换器电能变换双向DCDC变换器及储能系统，能够将储能电池的电压进行变换，应对不断出现的新应用场景。

为了实现上述技术效果，本发明采用以下技术方案：

一种储能变换器电能变换双向DCDC变换器，其中包括：

380V母线侧；为储能变换器电能变换的高压侧；

锂电池侧；为实现能源转换的低压侧；

DSP主控板；用于控制变压器实现不同输出的变压；

IGBT桥臂，包括上桥臂和下桥臂，发射极电压为基准电位驱动；

母线侧电压采样模块；用于采集母线侧电压；

母线侧电流采样模块；用于采集母线侧电流；

锂电池侧电压采样模块；用于采集锂电池侧电压；

锂电池侧电路采样模块；用于采集锂电池侧电流；

数据通信模块；用于实现数据信息通信；

变换器控制模块；用于实现数据信息变换器变换程度的控制；

储能评估模块；用于实现储能状态的评估；

其中DSP主控板分别与母线侧电压采样模块、IGBT桥臂、母线侧电流采样模块、锂电池侧电压采样模块、锂电池侧电路采样模块和数据通信模块连接，所述数据通信模块的输出端与变换器控制模块的输入端连接，所述变换器控制模块的输出端与储能评估模块的输入端连接，并且所述DSP主控板、IGBT桥臂、母线侧电压采样模块、母线侧电流采样模块、锂电池侧电压采样模块、锂电池侧电路采样模块、数据通信模块、变换器控制模块和储能评估模块设置在380V母线侧和锂电池侧之间。

作为本发明进一步的技术方案，所述IGBT桥臂通过光耦合器实现驱动。

作为本发明进一步的技术方案，DSP主控板使用8片TI公司300mhz的tms320c6203芯片，拥有19200mips的处理能力，同时集成了8片32mb的sdram，数据吞吐600mb/s。

作为本发明进一步的技术方案，所述母线侧电流采样模块、锂电池侧电压采样模块和锂电池侧电路采样模块为基于SX1276芯片的采样模块，设置有A/D转换模块。

作为本发明进一步的技术方案，变换器控制模块包括电流采集模块、电压采集模块、信号调理模块、A/D转换模块、过零比较器、倍频锁相电路、FPGA处理模块、DSP处理模块、控制电流输出端子和控制电压输出端子，其中所述电流采集模块和电压采集模块的输出端与信号调理模块的输入端连接，所述信号调理模块的输出端与A/D转换模块的输入端连接，所述A/D转换模块的输出端与FPGA处理模块的输入端连接，所述FPGA处理模块的输出端与DSP处理模块的输入端连接，所述DSP处理模块的输出端分别与控制电流输出端子和控制电压输出端子的输入端连接。

作为本发明进一步的技术方案，所述储能评估模块为基于卷积神经网络的评估模型。

作为本发明进一步的技术方案，卷积神经网络的评估模型工作方法为：

步骤1、设置变换器变换过程中的数据信息参数，通过以下公式表示：

式(1)中，

对电能变换过程中运行参数分割，分割函数为：

式(2)中，

式（3）中，

构建失稳后能量变换评估函数，函数表示为：

式（4）中，

卷积神经网络算法评估模型输出的稳定暂态数据如公式（5）所示：

式(5)中，

整体变换器转换能量的公式为：

公式（6）中，

在公式（8）中，

作为本发明进一步的技术方案，变换器控制模块中电流采集模块或者电压采集模块为基于SX1276芯片的采集模块。

一种储能变换器电能变换双向DCDC变换器实现能量存储的储能系统，其特征在于：包括：

变换器、LC滤波器、负载、负载通信接口、故障检测模块、诊断输出模块、通信模块和计算机管理系统；其中所述变换器的输出端与LC滤波器的输入端连接，所述LC滤波器的输出端与负载连接，所述负载输出与负载通信接口连接，所述负载通信接口与故障检测模块的输入端连接，所述故障检测模块的输出端与诊断输出模块的输入端连接，所述诊断输出模块的输出端与通信模块的输入端连接，所述通信模块的输出端与计算机管理系统的输入端连接。

本发明有益的积极效果在于：

区别于常规技术，本申请不仅具有电量变换、电气隔离和调节定值的作用，还能够实现变换器能量转换过程中检测数据信息监控，实时诊断变换器能量转换程度，提高了变换器应用效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：

图1为本发明双向DCDC变换器原理架构示意图；

图2为本发明中IGBT模块的原理架构示意图；

图3为本发明中变换器控制模块的原理示意图；

图4为本发明中电能变换过程中数据实时监测原理示意图；

图5为本发明中储能系统架构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一（变换器）

一种储能变换器电能变换双向DCDC变换器，包括：

380V母线侧；为储能变换器电能变换的高压侧；

锂电池侧；为实现能源转换的低压侧；

DSP主控板；用于控制变压器实现不同输出的变压；

IGBT桥臂，包括上桥臂和下桥臂，发射极电压为基准电位驱动；

母线侧电压采样模块；用于采集母线侧电压；

母线侧电流采样模块；用于采集母线侧电流；

锂电池侧电压采样模块；用于采集锂电池侧电压；

锂电池侧电路采样模块；用于采集锂电池侧电流；

数据通信模块；用于实现数据信息通信；

变换器控制模块；用于实现数据信息变换器变换程度的控制；

储能评估模块；用于实现储能状态的评估；

其中DSP主控板分别与母线侧电压采样模块、IGBT桥臂、母线侧电流采样模块、锂电池侧电压采样模块、锂电池侧电路采样模块和数据通信模块连接，所述数据通信模块的输出端与变换器控制模块的输入端连接，所述变换器控制模块的输出端与储能评估模块的输入端连接，并且所述DSP主控板、IGBT桥臂、母线侧电压采样模块、母线侧电流采样模块、锂电池侧电压采样模块、锂电池侧电路采样模块、数据通信模块、变换器控制模块和储能评估模块设置在380V母线侧和锂电池侧之间。

在上述实施例中，所述IGBT桥臂通过光耦合器实现驱动。

在上述实施例中，IGBT以发射极电压为基准电位驱动，开关动作时，上桥臂IGBT的发射极电位VE在0伏和母线电压V+之间变化，在AC200V电路中，要开通上桥臂IGBT时，需要对门极施加300V加15V，合计315V的母线电压。因此，需要不受开关噪声干扰影响的上桥臂驱动电路。

在上述实施例中，DSP主控板使用8片TI公司300mhz的tms320c6203芯片，拥有19200mips的处理能力，同时集成了8片32mb的sdram，数据吞吐600mb/s。

在上述实施例中，所述母线侧电流采样模块、锂电池侧电压采样模块和锂电池侧电路采样模块为基于SX1276芯片的采样模块，设置有A/D转换模块。

在上述实施例中，变换器控制模块包括电流采集模块、电压采集模块、信号调理模块、A/D转换模块、过零比较器、倍频锁相电路、FPGA处理模块、DSP处理模块、控制电流输出端子和控制电压输出端子，其中所述电流采集模块和电压采集模块的输出端与信号调理模块的输入端连接，所述信号调理模块的输出端与A/D转换模块的输入端连接，所述A/D转换模块的输出端与FPGA处理模块的输入端连接，所述FPGA处理模块的输出端与DSP处理模块的输入端连接，所述DSP处理模块的输出端分别与控制电流输出端子和控制电压输出端子的输入端连接。

区别于常规技术，变换器控制模块的主要作用是通过电流采集模块、电压采集模块提取变换过程中任意点的数据信息特征，通过信号调理模块后能够实现信息特征传输过程中的调理，以实现较高质量的数据输出，在具体实施例中，A/D转换模块具有8通道16位同步AD转换器，能够实现8路单端16位高速同步模拟信号的数据采集，通过将数据采集板与DSP28335的XINTF数据总线相连接，并进行DSP程序的编写，进而实现微电网电力信号的连续同步采集、I/O控制以及计算机USB的高速通信等功能。信号调理模块包括电流传感器、电压传感器、采样调理电路和直流电压偏置电路四个部分，为了提高采样的可靠性，采用抗混叠滤波。通过电流传感器和电压传感器将300V高压转化为3V低压，方便控制芯片的电信号采集，由于混杂在采样信号中的高频信号会产生频率混叠的干扰，因此，采用抗混叠滤波进行对采样信号的抗混叠处理，实现对微电网电力信号的调节。数据采集与处理模块利用AD7606型号的模数转换芯片，通过FPGA处理模块能够将变换器中输出电压设置在某值，比如通过FPGA处理模块设置50V，如果在实际应用中，FPGA处理模块输出为50V时，则可以停止转换，即通过FPGA处理模块设置阈值，实际转换与所设置的阈值相同时，则可以控制停止转换，当与所设置的阈值不等时，则可以根据用户的需求进行转换。输出的最终数据信息通过控制电流输出端子和控制电压输出端子实现数据输出。

该数据监测采集装置由该芯片和数据采集卡部分组成，在芯片部分，SX1276处理芯片在运行时为收发器形式，通过转变运行中的变化规律实现信号的传递。整个芯片设有8个引脚，分别完成不同功能，同时相互联系，其中COMP引脚作为补偿电容，可以外接补偿元件，减少芯片内部输出信号误差；VFB引脚与三级管发射极连接，与补偿引脚完成循环，与输入端二极管形成T1结构，完成闭环控制；IN引脚作为输入接口，与外接电源连接，同时连接充电电容，完成芯片的持续供电；RT/CT为转换引脚，主要作为芯片的收发器功能，信号的转化通过连接放大器完成；Vref连接C3和安全电路，保持芯片电压的恒定；VCC引脚连接电源，控制芯片的总电压，利用按钮控制芯片的启动；PWM引脚负责整理信号形态，对转化电流进行脉冲控制，便于识别在电力系统中的暂态数据。

除了芯片部分，该监测采集硬件装置中的数据采集卡部分包括两个模拟量输入端口AD0和AD1，还具有FIFO缓存器，其优点是对可以连续的数据进行缓存，防止在进机和存储操作时丢失数据，保证了整体数据的安全，同时还可以提高数据的传输速度，该部分是对数据整体进行操作，提高了处理效率。其中的FPGA提高了该监控系统的兼容性，其可编程的性质使得装置适应性很强，最后还具有USB接口进行外接设备的接入。

在上述实施例中，储能评估模块为基于卷积神经网络的评估模型。

在上述实施例中，储能评估模块能够实现电能变换过程中稳态评估，所分析之后的数据一部分进入电能变换过程中评价指标环节进行架构的失稳情况评价，另一部分则进行暂态情况失稳情况的选择。在架构的过程中还有三个部分，第一个是指标的设置、第二个是特征量的采集、第三部分就是收集电能变换过程中的各方面信息、在完成上述三个部分之后通过分析考察而得出变换器是否失稳。

在上述实施例中，卷积神经网络的评估模型工作方法为：

步骤1、设置变换器变换过程中的数据信息参数，通过以下公式表示：

式(1)中，

对电能变换过程中运行参数分割，分割函数为：

式(2)中，

式（3）中，

构建失稳后能量变换评估函数，函数表示为：

式（4）中，

根据多角度扫描结构和分级梯度值建立评估模型，通过建立数据集的方式使模型计算方式更为简洁，建立数据集如公式（5）所示：

式（5）中，

卷积神经网络算法评估模型输出的稳定暂态数据如公式（6）所示：

式(6)中，

整体变换器转换能量的公式为：

公式（7）中，

在公式（9）中，

区别于常规技术，本发明能够在变换器转换过程中，实时测量变换器在能量转换过程中的不同位置点或者信息点的能力值，以即时评估变换器转换过程中的稳态分析，大大提高变换器能量转换过程中电压或者电流转换过程中的实时把控，当转换的电流或者电压不能满足阈值设置，可以继续进行转换，当转换的电流或者电压能够满足阈值设置时，则可以停止数据信息转换。从而通过预测变换器的转换能力进而实现转换紧急控制，提高了变换器在工作过程中的整体评估效率。

在上述实施例中，变换器控制模块中电流采集模块或者电压采集模块为基于SX1276芯片的采集模块。

在芯片部分，SX1276处理芯片在运行时为收发器形式，通过转变运行中的变化规律实现信号的传递。整个芯片设有8个引脚，分别完成不同功能，同时相互联系，其中COMP引脚作为补偿电容，可以外接补偿元件，减少芯片内部输出信号误差；VFB引脚与三级管发射极连接，与补偿引脚完成循环，与输入端二极管形成T1结构，完成闭环控制；IN引脚作为输入接口，与外接电源连接，同时连接充电电容，完成芯片的持续供电；RT/CT为转换引脚，主要作为芯片的收发器功能，信号的转化通过连接放大器完成；Vref连接C3和安全电路，保持芯片电压的恒定；VCC引脚连接电源，控制芯片的总电压，利用按钮控制芯片的启动；PWM引脚负责整理信号形态，对转化电流进行脉冲控制，便于识别在电力系统中的暂态数据。

除了芯片部分，该监测采集硬件装置中的数据采集卡部分包括两个模拟量输入端口AD0和AD1，还具有FIFO缓存器，其优点是对可以连续的数据进行缓存，防止在进机和存储操作时丢失数据，保证了整体数据的安全，同时还可以提高数据的传输速度，该部分是对数据整体进行操作，提高了处理效率。其中的FPGA提高了该监控系统的兼容性，其可编程的性质使得装置适应性很强，最后还具有USB接口进行外接设备的接入。

一种应用上述变换器实现的储能系统，如图5所示，包括：

变换器、LC滤波器、负载、负载通信接口、故障检测模块、诊断输出模块、通信模块和计算机管理系统；其中所述变换器的输出端与LC滤波器的输入端连接，所述LC滤波器的输出端与负载连接，所述负载输出与负载通信接口连接，所述负载通信接口与故障检测模块的输入端连接，所述故障检测模块的输出端与诊断输出模块的输入端连接，所述诊断输出模块的输出端与通信模块的输入端连接，所述通信模块的输出端与计算机管理系统的输入端连接。

在具体实施例中，本发明的储能系统能够实现储能过程中的主动保护，在直流系统中，DC/DC变换器主要连接在供电侧的与负载侧之间，通过高频变压器实现负载侧与供电侧之间的电气隔离，对故障支路进行有效的隔离。而变换器开关驱动信号的关断则可以断开供电侧对故障支路的功率输出，通过LC滤波器能够实现双向DCDC变换器信息的过滤与输出，故障检测模块能够检测出储能过程中是否有异常，诊断输出模块能够通过通信模块实现数据信息的输出，输出的数据信息被传递到计算机管理系统。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。