本發(fā)明涉及能源路由器，具體是一種基于boost-buck電路的多端口直流能源路由器。

背景技術(shù)：

近年來由于能源短缺和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，全球掀起了新一代能源互聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)熱潮。能源結(jié)構(gòu)正從主要依靠化石能源向依靠分布式、多樣性的可再生能源轉(zhuǎn)變。能源互聯(lián)網(wǎng)是能量流和信息流高度融合的新型能源體系，是能源廣泛共享和存儲(chǔ)的多級(jí)分布式能源互聯(lián)系統(tǒng)。

能源路由器是能源互聯(lián)網(wǎng)形成的最基礎(chǔ)部分。能源路由器的作用主要是將該范圍內(nèi)的分布式電源和用戶的負(fù)荷連接起來，來調(diào)控這些元件間的功率流動(dòng)，確保用戶負(fù)荷的正常工作，也使整個(gè)區(qū)域網(wǎng)更加穩(wěn)定高效。能源路由器主要由電力電子變換器單元、通信單元和決策控制單元三部分組成。能源路由器對(duì)局域網(wǎng)間以及局域網(wǎng)內(nèi)部的能量流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和信息收集，并通過信息通道及時(shí)反饋能量流狀態(tài)?？刂茊卧鶕?jù)反饋信息，控制電力電子變換器進(jìn)行相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換或存儲(chǔ)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)能量在局域電網(wǎng)內(nèi)部按照最優(yōu)路徑流動(dòng)，風(fēng)光儲(chǔ)及載荷協(xié)同消納。目前針對(duì)能源路由器的研究還處于起步階段，而且主要集中在其功能定義、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及相關(guān)控制理論研究方面，相關(guān)的硬件實(shí)物裝置更是少之又少?；诖?，本發(fā)明開發(fā)了一套基于boost-buck電路的多端口直流能源路由器，并制作樣機(jī)一臺(tái)，以期在硬件實(shí)物方面為能源路由器的研發(fā)工作做一些嘗試。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是開發(fā)一種基于boost-buck電路的多端口直流能源路由器，在硬件實(shí)物方面對(duì)能源路由器的開發(fā)工作做一些試探性研究，促進(jìn)能源路由器技術(shù)的發(fā)展。

基于上述目的，本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種基于boost-buck電路的多端口直流能源路由器，包括四套dc/dc雙向功率變換器、基于dsp28335的集中控制器、hmi人機(jī)界面、繼電器控制板、電壓采樣板和開關(guān)電源；

所述四套dc/dc雙向功率變換器采用相同的電路結(jié)構(gòu)和元器件參數(shù)，四套dc/dc雙向功率變換器均采用雙向boost-buck電路，每套dc/dc雙向功率變換器輸入端接線端子排引出正極線路經(jīng)斷路器、首端直流繼電器、電流熔斷器、電流霍爾元件接至直流電抗器，從直流電抗器出線接至igbt模塊上管的發(fā)射極以及igbt模塊下管的集電極，從igbt模塊上管的集電極引出正極線路接至出口電容的正極，然后經(jīng)過末端直流繼電器、出口斷路器接至出口端子排正極接線柱；每套dc/dc雙向功率變換器輸入端接線端子排引出負(fù)極線路經(jīng)斷路器連接至igbt模塊下管發(fā)射極，然后接至出口電容的負(fù)極，最后經(jīng)出口斷路器接至出口端子排的負(fù)極；各元件按照上述順序依次連接便構(gòu)成一套dc/dc雙向功率變換器；

每套dc/dc雙向功率變換器的電流霍爾元件均通過信號(hào)線與集中控制器的a/d采樣端口相連接；所述電壓采樣板采集每套dc/dc雙向功率變換器的入口端和出口端的電壓，電壓采樣板的信號(hào)輸出端與集中控制器的a/d采樣端口相連接；集中控制器的繼電器控制信號(hào)輸出端口與繼電器控制板的控制信號(hào)輸入端口相連接，繼電器控制板通過四路信號(hào)線分別與四套dc/dc雙向功率變換器的四組直流繼電器相連接，其中每路信號(hào)線均與所對(duì)應(yīng)的一套dc/dc雙向功率變換器的進(jìn)口直流繼電器和出口直流繼電器的集中控制端子相連接；

集中控制器的四個(gè)pwm信號(hào)輸出端口分別通過四路信號(hào)線與四套dc/dc雙向功率變換器中igbt模塊驅(qū)動(dòng)板的信號(hào)輸入端口相連接；

所述hmi人機(jī)界面與集中控制器通訊；

所述開關(guān)電源用于向集中控制器、hmi人機(jī)界面、電流霍爾元件、電壓采集板、直流繼電器以及繼電器控制板供電。

本發(fā)明設(shè)計(jì)hmi人機(jī)界面通過信號(hào)線連接至集中控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源路由器運(yùn)行狀態(tài)的檢測和控制。

將四套dc/dc功率變換器的輸出端子、輸入端子合理連接，空余端口分別與分布式電源、儲(chǔ)能、負(fù)荷等合理連接，這樣便由能源路由器組建了一個(gè)簡單的局域供電網(wǎng)絡(luò)，而所述基于dsp28335的集中控制器便是該供電網(wǎng)絡(luò)的控制、調(diào)配中心。本發(fā)明選用ti公司的tms320f28335型dsp芯片作為該能源路由器的集中控制器，該集中控制器通過電壓采集板和電流霍爾元件分別采集主電路中電壓、電流信號(hào)，然后經(jīng)過運(yùn)算，得出對(duì)主電路中四套變換器開關(guān)器件的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)四套dc/dc變換器的協(xié)調(diào)控制。集中控制器向繼電器控制板發(fā)出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)四套dc/dc變換器首末端直流繼電器有效的控制。

進(jìn)一步的，本發(fā)明為四套dc/dc功率變換器開發(fā)了兩套控制子程序：光伏最大功率跟蹤（mppt）控制程序、儲(chǔ)能下垂控制程序；集中控制器載有這兩套子程序；集中控制器主程序設(shè)置實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是：四套dc/dc雙向功率變換器可以根據(jù)需要運(yùn)行于光伏最大功率跟蹤控制程序、儲(chǔ)能下垂控制程序中的任何一種工作模式，這樣基于boost-buck電路的多端口直流能源路由器應(yīng)用具有很強(qiáng)的靈活性，可以兼容多種控制模式、實(shí)現(xiàn)多種微源組合類型，靈活組建多種直流微電網(wǎng)；集中控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并分別向四套dc/dc雙向功率變換器發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)各功率終端間功率交換尋優(yōu)控制，實(shí)現(xiàn)能源路由器以及整個(gè)局域供電網(wǎng)絡(luò)高效運(yùn)行。

進(jìn)一步的，hmi人機(jī)界面監(jiān)控屏中設(shè)置有：通信狀態(tài)顯示欄、狀態(tài)變量顯示欄、參數(shù)整定欄、主程序控制開關(guān)、各子程序啟動(dòng)開關(guān)、直流繼電器控制開關(guān)；所述參數(shù)整定欄包括采樣參數(shù)校準(zhǔn)、閾值整定、程序參數(shù)整定；各欄功能分別設(shè)置如下：

(1)通信狀態(tài)顯示欄：該欄負(fù)責(zé)顯示hmi人機(jī)界面與dsp28335集中控制器的通信連接狀態(tài)，指示hmi人機(jī)界面是否能夠正常通信、工作；

(2)狀態(tài)變量顯示欄：該欄用來顯示能源路由器四套dc/dc雙向功率變換器的運(yùn)行狀態(tài)，分別包括采用儲(chǔ)能下垂控制程序控制dc/dc雙向功率變換器的高壓側(cè)電壓uh、低壓側(cè)電感電流iboost以及電感電流參考值iref；采用光伏最大功率跟蹤（mppt）控制程序控制dc/dc雙向功率變換器的入口光伏電壓upv和光伏電流ipv；

(3)參數(shù)整定欄：該欄包含3個(gè)子菜單欄，分別是：采樣參數(shù)校準(zhǔn)、閾值整定、程序參數(shù)整定；

①采樣參數(shù)校準(zhǔn)：該欄主要是對(duì)各參量采樣時(shí)所用到的比例系數(shù)gain值、初始偏置offset以及濾波系數(shù)multiplier進(jìn)行設(shè)置的窗口界面；

②閾值整定：該欄主要是對(duì)dc/dc雙向功率變換器運(yùn)行于儲(chǔ)能下垂控制程序控制時(shí)，所需設(shè)定的電壓、電流閾值進(jìn)行設(shè)定，包括：udrooph、udroopl、kdroop、imax；

③程序參數(shù)整定：該欄主要是對(duì)各dc/dc雙向功率變換器控制子程序中所用到的pi系數(shù)kp、ki進(jìn)行整定；

(4)主程序控制開關(guān)：

該欄是能源路由器運(yùn)行時(shí)程序控制的總開關(guān)，負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)主程序的啟動(dòng)與關(guān)斷；

(5)各子程序啟動(dòng)開關(guān)：該欄是能源路由器中四套dc/dc雙向功率變換器各子程序啟動(dòng)控制開關(guān)，分別控制每套dc/dc雙向功率變換器的運(yùn)行與停止；

(6)直流繼電器控制開關(guān)：該欄中k1、k2、k3、k4分別為四套dc/dc雙向功率變換器首末端直流繼電器的控制開關(guān)。

此外，本發(fā)明設(shè)置有多個(gè)不同電壓等級(jí)的開關(guān)電源，實(shí)現(xiàn)對(duì)各耗電器件的可靠供電。

進(jìn)一步的，還包括系統(tǒng)應(yīng)急控制開關(guān)；所述系統(tǒng)應(yīng)急開關(guān)與繼電器控制板的控制信號(hào)輸入端口相連接。

本發(fā)明在能源路由器柜體前門設(shè)置了的系統(tǒng)應(yīng)急開關(guān)，系統(tǒng)應(yīng)急開關(guān)也是通過繼電器控制板實(shí)現(xiàn)對(duì)dc/dc變換器首末端直流繼電器的控制。當(dāng)能源路由器四套dc/dc變換器中一套或幾套出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，可以迅速啟動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)急開關(guān)，這樣四套dc/dc變換器的出入口直流繼電器均會(huì)立即切斷，系統(tǒng)電源、儲(chǔ)能、負(fù)荷立即切除，避免了危險(xiǎn)的發(fā)生。

本發(fā)明所提供的一種基于boost-buck電路的多端口直流能源路由器，所具有的優(yōu)點(diǎn)與積極效果在于：目前針對(duì)能源路由器的研究還主要集中于理論研究階段，相關(guān)的硬件實(shí)踐開發(fā)十分匱乏，技術(shù)積累也比較少。本發(fā)明基于能源路由器所應(yīng)具備的基本功能，開發(fā)出一套基于boost-buck電路的多端口直流能源路由器，并制作樣機(jī)一臺(tái)，在硬件實(shí)物方面對(duì)能源路由器的開發(fā)工作做出一些嘗試。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單、控制方法簡便，具有一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值，并對(duì)能源路由器開發(fā)工作起到一定的示范作用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中一種基于boost-buck電路的多端口直流能源路由器主電路結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明中dc/dc雙向功率變換器采用mppt控制時(shí)的控制框圖。

圖3是本發(fā)明中dc/dc雙向功率變換器采用下垂控制時(shí)所對(duì)應(yīng)的下垂特性。

圖4是本發(fā)明中一種基于boost-buck電路的多端口直流能源路由器的硬件連接示意圖。

圖5是本發(fā)明中一種基于boost-buck電路的多端口直流能源路由器的hmi人機(jī)界面。

圖1中繪制了該能源路由器的主電路結(jié)構(gòu)圖，未涉及具體的采樣、通信、控制部分。圖2中，當(dāng)dc/dc變換器用于光伏最大功率跟蹤，采用mppt控制時(shí)，光伏電池upv、ipv輸入到mppt模塊，經(jīng)程序運(yùn)算得到占空比指令，再經(jīng)過pwm調(diào)制得到dc/dc變換器中開關(guān)器件的控制信號(hào)，通過控制開關(guān)器件的通斷實(shí)現(xiàn)光伏最大功率跟蹤。圖3中，當(dāng)dc/dc變換器用于穩(wěn)定母線電壓uh，采用基于uh的下垂控制時(shí)，采用如圖所示的下垂特性曲線，相關(guān)參數(shù)已在圖中標(biāo)示。圖4中所示為基于該能源路由器所構(gòu)建的一個(gè)局域供電網(wǎng)絡(luò)的連接示意圖，圖中標(biāo)示了電壓電流采樣信號(hào)、dsp控制信號(hào)的傳遞路徑以及各組成部分的連接關(guān)系。圖5中標(biāo)示了hmi人機(jī)界面中各欄所對(duì)應(yīng)的意義。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明一種基于boost-buck電路的多端口直流能源路由器具體是是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于boost-buck電路的多端口直流能源路由器，包括四套dc/dc雙向功率變換器、基于dsp28335的集中控制器、hmi人機(jī)界面、系統(tǒng)應(yīng)急開關(guān)以及相應(yīng)的通信、電壓電流采樣電路。具體如下：

1.四套dc/dc雙向功率變換器

本發(fā)明設(shè)計(jì)四套dc/dc雙向功率變換器采用相同的電路結(jié)構(gòu)和元器件參數(shù)，四套dc/dc變換器均采用雙向boost-buck電路，以其中一套為例進(jìn)行介紹。如附圖1中所示，第一套dc/dc變換器輸入端正極接線端子d1引出正極線路經(jīng)斷路器qf1、首端直流繼電器kr1、電流熔斷器fu1、電流霍爾元件ct1接至直流電抗器l1，從直流電抗器l1出線接至igbt模塊上管的發(fā)射極（也即igbt模塊下管的集電極），從igbt上管的集電極引出正極線路接至出口電容c1的正極，然后經(jīng)過末端直流繼電器kr2、出口斷路器qf2接至出口端子排正極接線柱d3。輸入端負(fù)極接線端子d2引出負(fù)極線路經(jīng)斷路器qf1連接至igbt模塊下管發(fā)射極，然后接至出口電容c1的負(fù)極，最后經(jīng)出口斷路器qf2接至出口端子排的負(fù)極接線柱d4。各元件按照上述順序依次連接便構(gòu)成第一套dc/dc雙向功率變換器。

2.基于dsp28335的集中控制器

本發(fā)明選用ti公司的tms320f28335型dsp芯片作為該能源路由器的集中控制器，該集中控制器通過電壓采集板和電流霍爾元件分別采集主電路中電壓、電流信號(hào)，然后經(jīng)過運(yùn)算，得出對(duì)主電路中四套變換器開關(guān)器件的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)四套dc/dc雙向功率變換器的協(xié)調(diào)控制。將四套dc/dc雙向功率變換器的輸出端子、輸入端子合理連接，空余端口分別與分布式電源、儲(chǔ)能、負(fù)荷等合理連接，這樣便由能源路由器組建了一個(gè)簡單的局域供電網(wǎng)絡(luò)，而所述基于dsp28335的集中控制器便是該供電網(wǎng)絡(luò)的控制、調(diào)配中心。本發(fā)明為四套dc/dc雙向功率變換器開發(fā)了兩套控制子程序：光伏最大功率跟蹤（mppt）控制程序、儲(chǔ)能下垂控制程序，分別如圖2、圖3中所示。集中控制器主程序設(shè)置實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是：四套dc/dc雙向功率變換器可以根據(jù)需要運(yùn)行于mppt控制、下垂控制中的任何一種工作模式。這樣本發(fā)明基于boost-buck電路的多端口直流能源路由器應(yīng)用具有很強(qiáng)的靈活性，可以兼容多種控制模式、實(shí)現(xiàn)多種微源組合類型，靈活組建多種直流微電網(wǎng)。集中控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并分別向四套dc/dc雙向功率功率變換器發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)各功率終端間功率流尋優(yōu)控制，實(shí)現(xiàn)能源路由器以及整個(gè)局域供電網(wǎng)絡(luò)高效運(yùn)行。

3.hmi人機(jī)界面

本發(fā)明選用昆侖通態(tài)mcgs產(chǎn)品設(shè)計(jì)了該能源路由器的hmi人機(jī)界面，該人機(jī)界面通過信號(hào)線與dsp28335集中控制器連接。實(shí)驗(yàn)人員通過hmi人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)能源路由器運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測和實(shí)時(shí)控制。如附圖5中所示，hmi人機(jī)界面監(jiān)控屏中設(shè)置有：通信狀態(tài)顯示欄、狀態(tài)變量顯示欄、參數(shù)整定欄（采樣參數(shù)校準(zhǔn)、閾值整定、程序參數(shù)整定）、主程序控制開關(guān)、各子程序啟動(dòng)開關(guān)、直流繼電器控制開關(guān)。各欄功能分別設(shè)置如下：

(1)通信狀態(tài)顯示欄：該欄負(fù)責(zé)顯示hmi人機(jī)界面與dsp28335集中控制器的通信連接狀態(tài)，指示hmi人機(jī)界面是否能夠正常通信、工作。

(2)狀態(tài)變量顯示欄：該欄主要用來顯示能源路由器四套dc/dc雙向功率變換器的運(yùn)行狀態(tài)。分別包括采用下垂控制dc/dc雙向功率變換器的高壓側(cè)電壓uh、低壓側(cè)電感電流iboost以及電感電流參考值iref；采用mppt控制dc/dc變換器的入口光伏電壓upv和光伏電流ipv。

(3)參數(shù)整定欄：該欄包含3個(gè)子菜單欄，分別是：采樣參數(shù)校準(zhǔn)、閾值整定、程序參數(shù)整定。

①采樣參數(shù)校準(zhǔn)：該欄主要是對(duì)各參量采樣時(shí)所用到的比例系數(shù)gain值、初始偏置offset以及濾波系數(shù)multiplier進(jìn)行設(shè)置的窗口界面。

②閾值整定：該欄主要是對(duì)變換器運(yùn)行于下垂控制時(shí)，所需設(shè)定的電壓、電流閾值進(jìn)行設(shè)定。包括：udrooph、udroopl、kdroop、imax。

③程序參數(shù)整定：該欄主要是對(duì)各變換器控制子程序中所用到的pi系數(shù)kp、ki進(jìn)行整定。

(4)主程序控制開關(guān)：

該欄是能源路由器運(yùn)行時(shí)程序控制的總開關(guān)，負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)主程序的啟動(dòng)與關(guān)斷。

(5)各子程序啟動(dòng)開關(guān)：該欄是能源路由器中四套dc/dc雙向功率變換器各子程序啟動(dòng)控制開關(guān)，分別控制每套dc/dc雙向功率變換器的運(yùn)行與停止。

(6)直流繼電器控制開關(guān)：該欄中k1、k2、k3、k4分別為四套dc/dc雙向功率變換器首末端直流繼電器的控制開關(guān)。

4.系統(tǒng)應(yīng)急開關(guān)

本發(fā)明在能源路由器柜體前門設(shè)置了的系統(tǒng)應(yīng)急開關(guān)。當(dāng)能源路由器四套dc/dc變換器中一套或幾套出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，可以迅速啟動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)急開關(guān)，這樣四套dc/dc變換器的出入口直流繼電器均會(huì)立即切斷，系統(tǒng)電源、儲(chǔ)能、負(fù)荷立即切除，避免了危險(xiǎn)的發(fā)生。

除了以上部件，本發(fā)明一種基于boost-buck電路的多端口直流能源路由器中還設(shè)置有大量的通信、采樣電路，這其中包括了電流霍爾元件、電壓霍爾元件、直流繼電器控制板、pwm信號(hào)線等，另外還配置有各種電壓等級(jí)的開關(guān)電源和供電線。

本發(fā)明各組成部分的連接關(guān)系為如圖4所示：四套dc/dc雙向功率變換器端口可以與外界的直流配電柜、鋰電池柜、直流負(fù)荷、光伏電池、超級(jí)電容器等連接組建局域供電網(wǎng)絡(luò)。集中控制器通過電流霍爾元件、電壓采集板采集主電路四套dc/dc雙向功率變換器中電壓、電流信號(hào)，然后集中控制器通過信號(hào)處理，得出對(duì)dc/dc雙向功率變換器中開關(guān)器件的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)四套dc/dc雙向功率變化器的工作控制。集中控制器向繼電器控制板發(fā)出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)四套dc/dc雙向功率變換器首末端直流繼電器有效的控制。另外，本發(fā)明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)急開關(guān)也是通過繼電器控制板實(shí)現(xiàn)對(duì)dc/dc雙向功率變換器首末端直流繼電器的控制，從而快速切除系統(tǒng)故障。本發(fā)明設(shè)計(jì)hmi人機(jī)界面通過信號(hào)線連接至集中控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源路由器運(yùn)行狀態(tài)的檢測和控制。此外，本發(fā)明設(shè)置有多個(gè)不同電壓等級(jí)的開關(guān)電源，實(shí)現(xiàn)對(duì)各耗電器件的可靠供電。