一种应用于直流微电网的直流双向变换装置的制作方法

本实用新型涉及一种应用于直流微电网的直流双向变换装置，属于电力自动化技术领域。

背景技术：

在直流微电网中，一般包括直流源、直流母线、直流负载、直流变换器以及蓄电池组等，其中蓄电池组是直流微电网的重要组成部分，是直流微电网的事故保障电源；但是在现有的系统中对蓄电池的充放电管理是粗放的，蓄电池组基本处于在浮充电状态，电池组放电是直接放电，无法精确控制其放电功率，造成对蓄电池的维护不周，影响电池组的使用寿命以及直流微电网的安全稳定运行。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种应用于直流微电网的直流双向变换装置，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：

一种应用于直流微电网的直流双向变换装置，包括推挽移相全桥双向DC/DC变换器，所述推挽移相全桥双向DC/DC变换器的高压侧连接直流母线，低压侧连接蓄电池组；所述推挽移相全桥双向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。

其中，所述推挽移相全桥双向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，变压器低压侧两端分别串联有MOS管Q1和MOS管Q2；变压器低压侧中间引线串联有电感L1，变压器低压侧还并联有滤波电容CL；变压器高压侧设有两两串联后再并联的四个MOS管Q3、Q4、Q5、Q6，变压器高压侧两端分别连接串联MOS管的中间位置；变压器高压侧还并联有滤波电容CH；变压器高压侧一端还串联有谐振电感Lr和隔直电容Cr。

其中，所述控制单元包含ARM处理器，所述ARM处理器PWM信号输出端口分别连接MOS管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6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信号输出端连接；PWM信号输出端串联有驱动电阻R1，PWM信号输出端还并联有稳压管。

其中，所述控制单元还分别连接有串行通信接口以及人机交互设备，所述人机交互设备还与外部监控系统通过网络连接。

其中，所述MOS管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的型号为SPW17N80C3，所述滤波电容CL的型号为CD135450V/3000uF，隔直电容Cr的型号为TC86-305K。

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推挽移相全桥双向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。

附图说明

图1为本实用新型应用于直流微电网的直流双向变换装置的结构示意图；

图2为本实用新型应用于直流微电网的直流双向变换装置在系统中的工作示意图；

图3为本实用新型应用于直流微电网的直流双向变换装置的推挽移相全桥双向DC/DC变换器电路图；

图4为本实用新型应用于直流微电网的直流双向变换装置的控制单元电路图；

图5为本实用新型应用于直流微电网的直流双向变换装置驱动电路的电路图；

图6为本实用新型应用于直流微电网的直流双向变换装置驱动电路的工作流程图。

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。

如图1～6所示，本实用新型应用于直流微电网的直流双向变换装置，包括推挽移相全桥双向DC/DC变换器，推挽移相全桥双向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DC400V，其来自三相交流整流和光伏电池的输出。蓄电池组由18节12V 125Ah的铅酸蓄电池串联组成，其浮充电电压为DC243V。

推挽移相全桥双向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。

推挽移相全桥双向DC/DC变换器包含高频隔离变压器T1，变压器T1两端分别连接高压侧和低压侧，低压侧两端分别串联有MOS管Q1和MOS管Q2；变压器低压侧中间引线串联有电感L1，低压侧还并联有滤波电容CL；高压侧设有两两串联后再并联的四个MOS管Q3、Q4、Q5、Q6，变压器高压侧两端分别连接串联MOS管的中间位置。高压侧还并联有滤波电容CH：变压器高压侧一端还串联有谐振电感Lr和隔直电容Cr。

如图3所示，其中UL为低压侧电压，CL为低压侧滤波电容，L1为低压侧电感，功率管Q1、Q2选用MOS管，D1、D2为MOS管寄生的二极管，C1、C2为MOS管的寄生电容；UH为高压侧电压，T1为高频隔离变压器，CH为滤波高压侧滤波电容，功率管Q3、Q4、Q5和Q6选用MOS管，D3、D4、D5、D6为MOS管寄生的二极管，C3、C4、C5和C6为MOS管的寄生电容，Lr为谐振电感、Cr为隔直电容。

推挽移相全桥双向DC/DC变换器的MOS管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的型号为SPW17N80C3，滤波电容CL的型号为CD135450V/3000uF，隔直电容Cr的型号为TC86-305K。

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。

其中，控制单元包含ARM处理器。ARM处理器的型号为STM32F101RC，晶振频率为16M。ARM处理器PWM信号输出端口分别连接MOS管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的控制端，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、直流母线电压采样点。其中，电流传感器的型号为LT108-S7。

如图4所示，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和PWM6信号通过图4的驱动电路来控制推挽移相全桥双向DC/DC变换器的六个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端口即为RS-485通讯接口，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)与人机交互设备实现数据通讯，方便就地数据显示、故障查询与参数设置。

其中，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5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6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。