一种含有冲击负荷预测终端的变流器系统

技术领域

本发明属于技术领域，涉及一种储能变流器的设计，尤其一种含有冲击负荷预测终端的变流器设计。

背景技术

微电网的概念伴随着新能源应运而生，是指多个分布式电源及其相关负载按照一定的拓扑结构组成的网络。微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。在储能装置这一块，通常是用电池和电容作为储能，但是电池的电压是额定的，在小范围能波动，微电网系统需要与电池电压不同的直流电压来支撑其他设备的工作，储能变流器的出现实现了这种电压跨度。

现有储能变流器的直流侧拓扑结构，包括充电控制单元、直流母线电压检测单元、电池电压检测单元、开关控制单元以及能量存储单元，其中能量存储单元只支持接入一组电池，无法解决多组电池接入电压不均时的并联使用(刘旭,张海东.储能变流器[P].北京市：CN210490732U,2020-05-08)。并且由于电网环境的差别，电网特别是微电网会出现一些电压抖动，冲击性负荷接入以及短时的电网波动需要储能变流器能够顺利穿越，发出无功支撑电网，但是电压突变时经常伴随电流抖动，影响电网质量及设备寿命。

为了满足电网发展需求的不断提高，提升微电网系统设备的利用率，以应对冲击性负荷带来得影响，本发明提出了一种含有冲击负荷预测终端的储能变流器系统。

发明内容：

本发明的目的在于应对冲击负荷接入微电网带来的冲击，设计一种含有冲击负荷预测终端的储能变流器系统。该变流器对交直流微电网储能变流器进行改造，在直流拓扑部分并联了多个储能单元，同时增加了冲击负荷预测终端和动态检测装置；动态检测装置实时感知冲击性电流的变化，控制储能变流器及时补偿冲击负荷的功率。所提含有冲击负荷预测终端的变流器，既能够预测冲击性负荷，使线路免受电压波动的影响，又能够作为交直流微电网柔性接口，避免负荷的功率剧烈变化会对微电网线路造成的冲击。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种含有冲击负荷预测终端的储能变流器系统，该系统包括储能变流器、冲击负荷预测终端和动态检测装置；其中，在储能变流器输出端接入到动态检测装置的电流互感器上，同时冲击负荷预测终端的输出模块接入到动态检测装置中的储能变流器控制模块，由储能变流器控制模块再连接到储能变流器中；

所述的储能变流器为m个储能变流单元并联组成；m＝2～100；

所述的储能变流单元，包括充电控制单元、母线电压检测单元、电池电压检测单元和n个储能单元，优选为2～30；其中：微电网侧和三相隔离开关QS1的左端三相连接，三相隔离开关QS1的右端三相分别和熔断器FU1、FU2、FU3的左端连接，星型连接的三相电容C的三相分别连接到熔断器FU1、FU2、FU3的右端，三个电感L1、电感L2、电感L3的左端分别连接到熔断器FU1、FU2、FU3的右端，电感L1、电感L2、电感L3的右端分别连接至充电控制单元的左端；同时，充电控制单元与母线电压检测单元连接，最后连接到储能单元上，具体连接为：充电控制单元的右端分出正极性和负极性两种极性的线路，上侧为正极性，下侧为负极性，隔离开关QS2分为上侧和下侧两部分，隔离开关QS2的左端上侧连接至充电控制单元的右端正极性，隔离开关QS2的左端下侧和熔断器FU4串联连接到充电控制单元的右端负极性，母线电压检测单元的正极性连接至隔离开关QS2的左端上侧和充电控制单元的右端正极性，母线电压检测单元的负极性连接到熔断器FU4的右端和隔离开关QS2的左端下侧，隔离开关QS2的右端下侧分别和n个储能单元的左端下侧相连；隔离开关QS2的右端下侧分别和n个熔断器的左端相连，n个熔断器中的每个熔断器的右端都串联一个开关和一个储能单元的上侧相连；电池电压检测单元分别连接到每组储能单元的上下两端正负极上。

所述动态检测装置包括电流互感器、电压放大模块、触发模块和储能变流器控制模块；其中：电流互感器的输入端连接储能变流器的输出端，电流互感器的输出端连接电压放大模块的输入端，电压放大模块的输出端连接触发模块的输入端，触发模块的输出端连接到储能变流器控制模块的输入端；

所述的充电控制单元为双向ACDC变换器；

所述的母线电压检测单元为电能表；

所述的储能单元均为锂离子电池；

所述的冲击负荷预测终端包括处理器、存储器；存储器与处理器连接；

所述电流互感器为霍尔电流传感器；

所述电压放大模块为运算放大器；

所述触发模块为比较器和与所述比较器输出端相连的三极管，所述比较器输出端与三级管基极连接，发射极接地，集电极与控制模块输入端连接；

所述储能变流器控制模块具体是储能变流器控制器。

本发明的实质性特点为：

当前的类似装置中，储能变流器的直流拓扑结构一般只能连接一个储能单元，在交直流微电网储能变流器进行改造，进一步设计了直流拓扑结构，增加了冲击负荷预测终端和动态监测装置，构成一种新型的储能变流器。其中，冲击负荷预测终端的加入可以预测负荷的变化趋势，达到日前预测负荷的作用，以应对即将到来的电流变化，减少冲击性负荷对电网的冲击，增加设备的使用寿命。其中，动态监测装置的加入，可以实时感知冲击性电流的变化，控制储能变流器及时补偿冲击负荷的功率。

本发明的有益效果：

1、本发明所述的一种含有冲击负荷预测终端的储能变流器系统。通过设计直流拓扑结构，增加了冲击负荷预测终端和动态检测装置两部分，保证微电网线路免受冲击负荷出现导致的电压波动的影响；

2、本发明即使在现有储能变流器的基础上，通过设计直流侧拓扑结构，使得多个储能单元共用一套变流器装置，从而节省设备使用的成本；

3、本发明是为了解决冲击性负荷带来的微电网功率波动的问题，以及用电负荷不稳定的问题，使得微电网可稳定可靠的供电；

4、本发明加入的冲击负荷预测终端，可以对接入的负荷数据进行分类，并建立负荷预测模型，对负荷进行日前预测，当有冲击负荷接入时，需要增大储能变流器输出电流来调整，减少冲击性负荷对电网的冲击，增加设备的使用寿命；

5、本发明增加动态检测单元，实时检测线路电流，与冲击负荷预测终端协同运行，实时监测到电流变化反馈给以储能变流器，保证储能变流器有更好的动态响应能力。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明的直流拓扑结构图；

图3为本发明的冲击负荷预测终端系统图；

图4为本发明的动态检测模块流程图；

图5为本发明的冲击负荷预测终端中计算机程序流程图；

图6为本发明的冲击负荷预测终端中预测模块具体流程图；

图7为本发明的冲击负荷预测终端系统预测效果图；

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语、“相连”、“连接”、“三相连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明实施方式作进一步详述。

为了更为具体地描述本发明,下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

在本实施例中，一种含有冲击负荷预测终端的储能变流器系统的结构如图1所示，本发明包括储能变流器、冲击负荷预测终端和动态检测装置三大模块；其中在储能变流器输出端接入到动态检测装置的电流互感器上，同时冲击负荷预测终端的输出模块接入到动态检测装置中的储能变流器控制模块，由储能变流器控制模块再连接到储能变流器中。

所述的储能变流器为m个储能变流单元并联组成；为了便于控制，选择m＝2～100；

所述的储能变流单元如图2所示，包括充电控制单元、母线电压检测单元、电池电压检测单元和储能单元；其连接关系为：首先，微电网，即母线与充电控制单元连接，其中具体连接为：微电网侧和三相隔离开关QS1的左端三相连接，三相隔离开关QS1的右端三相分别和熔断器FU1、FU2、FU3的左端连接，星型连接的三相电容C的三相分别连接到熔断器FU1、FU2、FU3的右端，三个电感L1、电感L2、电感L3的左端分别连接到熔断器FU1、FU2、FU3的右端，电感L1、电感L2、电感L3的右端分别连接至充电控制单元的左端；同时，充电控制单元与母线电压检测单元连接，最后连接到储能单元上，具体连接为：充电控制单元的右端分出正极性和负极性两种极性的线路，上侧为正极性，下侧为负极性，隔离开关QS2分为上侧和下侧两部分，隔离开关QS2的左端上侧连接至充电控制单元的右端正极性，隔离开关QS2的左端下侧和熔断器FU4串联连接到充电控制单元的右端负极性，母线电压检测单元的正极性连接至隔离开关QS2的左端上侧和充电控制单元的右端正极性，母线电压检测单元的负极性连接到熔断器FU4的右端和隔离开关QS2的左端下侧，隔离开关QS2的右端下侧分别和n个储能单元的左端下侧相连；隔离开关QS2的右端下侧分别和n个熔断器的左端相连，n个熔断器中的每个熔断器的右端都串联一个开关和一个储能单元的上侧相连(即隔离开关QS2的右端下侧连接至储能单元1的左端下侧，隔离开关QS2的右端上侧连接至熔断器FU5的左端，熔断器FU5右端串联至开关K1左端，K1右端与储能单元1的左端上侧相连接；储能单元1、储能单元2、储能单元3等多个储能单元的下侧左端相并联连接至隔离开关QS2下侧右端，其他储能单元2、3等多个储能单元和储能单元1的连接方式一致，分别通过开关K2、K3、…、Kn通过串联熔断器FU6、FU7、…、FU(n+4)，然后并联，将并联后的左端连接至隔离开关QS2的右端上侧)；最后，将电池电压检测单元分别连接到每组储能单元的正负极上。

所述的充电控制单元为双向ACDC变换器，将交流电变为直流电的设备，其功率流向可以是双向的。

所述的母线电压检测单元为电能表，用于检测直流母线电压；

所述的n个储能单元均为锂离子电池；储能单元的数量n的取值范围由最大电流限定，优选为2～30。

所述的冲击负荷预测终端可以是计算机、笔记本及云端服务器等计算设备，包括但不仅限于处理器、存储器，如图3所示。其连接关系为存储器与处理器连接；

所述的存储器可以是存储器可以是计算机设备的内部存储单元，例如计算机设备的硬盘或内存。存储器也可以是计算机设备的外部存储设备，例如计算机设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡等。进一步地，存储器还可以既包括计算机设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器用于存储计算机程序以及计算机设备所需的其他程序和数据。存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。

所述动态检测装置如图4所示，包括电流互感器、电压放大模块、触发模块和储能变流器控制模块。

其连接关系为：电流互感器的输入端连接到微电网即母线侧与储能变流器单元的三相隔离开关QS1之间，电流互感器的输出端连接电压放大模块的输入端，电压放大模块的输出端连接触发模块的输入端，触发模块的输出端连接到储能变流器集群控制模块的输入端，储能变流器集群控制模块的输出端发送控制信号至储能变流单元控制端；

所述电流互感器为霍尔电流传感器，用于监测储能变流器输出端线路的电流，输出第一检测电流；

所述电压放大模块为运算放大器，所述运算放大器正相输入端经输入电阻与电流互感器输出端连接，运算放大器反相输入端经过负反馈电阻连接运算放大器输出端并与平衡电阻并联后接地，再将输出端连接到触发模块输入端；所述电压放大模块，具体用于利用所述运算放大器，对所述运算放大器正向输入端的第一检测电压进行放大，输出第一比较电压。

所述触发模块为比较器和与所述比较器输出端相连的三极管，所述比较器输出端与三级管基极连接，发射极接地，集电极与控制模块输入端连接；所述触发模块具体用于利用所述比较器对所述第一比较电压与预置参考电压进行比较，若所述第一电压大于预置参考电压，则控制比较器输出端电平翻转，控制所述三极管导通，并输出触发保护信号，以使得停止输出功率。

进一步地，所述触发模块还用于所述第一比较电压不大于预置参考电压，则控制比较器输出端电平保持。

所述储能变流器控制模块具体是储能变流器控制器，用于对所述控制信号值进行处理并输出，实现储能变流器协调控制。

所述的冲击负荷预测终端的储能变流器系统的控制方法，如图5所示，包括输入单元、负荷预测单元、输出单元和数据中心；

所述输入单元主要接收当前实时负荷数据信息，并将负荷数据传输给负荷预测单元；

所述负荷预测单元主要为LSTM神经网络预测算法，为公知算法，具体流程如图6所示，负荷预测单元接收输入单元传输的当前负荷数据及数据中心的历史负荷数据，对接入的负荷数据进行分类，并建立负荷预测模型，对负荷进行日前预测，并将预测结果传输给输出单元；

所述输出单元主要是接收负荷预测单元输出的预测值，并将结果传输给储能变流器控制模块。当有冲击负荷接入时，以应对即将到来的电流变化，减少冲击性负荷对电网的冲击，增加设备的使用寿命；

所述数据中心主要是存储历史数据，将历史数据发送给负荷预测单元，预测单元根据接收到的当前负荷数据信息与数据中心提供的历史数据信息进行匹配；

所述的含有冲击负荷预测终端的储能变流器系统整体三部分是联动的，首先储能变流器可控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电，冲击负荷预测终端包括输入模块、预测模块、输出模块和数据中心，预测负荷的变化趋势，以应对即将到来的电流变化，动态监测装置实时监测储能变流器输出端线路的电流，动态检测装置实时感知冲击性电流的变化，控制储能变流器及时补偿冲击负荷的功率。

第一部分，双向储能变流器部分，包括以下工作步骤：

S11，微电网，即母线为储能变流器交流输入侧，交流信号经过三相隔离开关QS1和熔断器FU1～3的保护，经过三相电容C和电感L1～3，抑制并网电流中的高频谐波，到达充电控制单元；

S12，三相交流电网电压到达充电控制单元处，经充电控制单元，使得三相交流电网电压逆变为直流母线电压；

S13，直流母线负极通过熔断器FU4接入直流隔离开关QS，QS2输出分成多个支路，各支路正极使用熔断器FU5～FU(n+4)做短路保护，采用K1～Kn做各支路闭合充放电开关，控制对储能电池充放电；

S14，比较母线电压检测单元和电池电压检测单元检测到的电压，通过开关K1～Kn的开闭，使母线电压与电池电压保持一致；

第二部分，冲击负荷预测终端工作方面，包括以下工作步骤及预测方法：

S21，存储器存储负荷预测计算机程序，从数据中心收集微电网运行过程中的历史数据，将负荷数据信息传输至处理器，处理器进行计算机程序计算；

S22，处理器运行冲击负荷预测程序，首先通过输入单元输入当前的负荷数据信息，输入单元将接收到的负荷数据信息传输至预测单元；

S23，预测单元根据接收到的当前负荷数据信息与数据中心提供的历史数据信息进行匹配，并根据匹配的某一时段负荷实用系数计算出当前负荷在该时段的实用负荷预测值；

S24，预测单元将计算出的当前负荷在该时段的负荷预测值传输给输出单元进行输出结果，当有冲击负荷接入时，需要增大储能变流器输出电流来调整，减少冲击性负荷对电网的冲击，增加设备的使用寿命。

进一步的，所述步骤S21中，所述现有负荷数据包括负荷名称、负荷用电性质、负荷投切状态、负荷功率、用电时间。

进一步的，所述步骤S21中，数据中心对现有负荷进行分类的具体步骤如下：

S211，数据中心以每个负荷数据为基本数据，构成集合{负荷名称N，负荷用电性质C，负荷投切状态St，负荷功率S，用电时间T}；

S212，根据现有负荷用电性质，将其细分为M类，每个负荷表示为Y(m)，m＝1,2,3.....,M。

本发明中，当有新的负荷投入后，同步自动更新数据中心数据；

进一步的，所述步骤S22中，所述输入单元周期性将数据中心提供的负荷数据输入到预测单元中。

进一步的，所述步骤S23具体包括如下步骤：

S231，预测单元根据输入的当前负荷的用电性质，自动与数据中心现有负荷的分类进行匹配，匹配成功则执行步骤S232和S233，匹配不成功则执行步骤S234；

S232，假设当前负荷数据成功匹配为第k类负荷，对于第k类负荷，预测模块根据数据中心中记录的对应数据计算出第k类负荷实用系数d(k)；

S233，令输入的当前负荷的负荷功率为S，则该当前负荷的实用负荷预测值q(t)为：

q(t)＝S·d(k,t)；

S234，若当前的负荷用电性质匹配不成功，按数据中心中最接近的类别对该当前负荷用电性质进行修改，修改完成后再次输入，并按步骤S232和S233进行预测计算。

进一步的，所述步骤S232中，第k类用电用户第t年的负荷实用系数d(k,t)的具体计算工程如下：

令Y(k)表示第k类负荷总量，且Y(k)个负荷的总量为Q(k)，第k类负荷的最大用电总负荷为P(k)，则第k类负荷实用系数d(k)定义为：

d(k)＝P(k)/Q(k)。

进一步的，所述输出模块上设有用于输出当前负荷预测值q(t)的输出显示界面。

第三部分，动态检测装置部分，包括以下工作步骤：

S31，电流传感器检测直流母线电源的电流，输出第一检测电流；

S32，第一检测电流经过电压放大模块，即运算放大器，对所述运算放大器正向输入端的第一检测电压进行放大，输出第一比较电压；

S33，得到第一比较电压后，到达触发模块，利用比较器对第一比较电压与预置参考电压进行比较，若第一电压大于预置参考电压，则控制比较器输出端电平翻转，控制所述三极管导通，并输出触发保护信号，以使得停止输出功率；

S34，将输出信号传递给储能变流器控制模块，对所述控制信号值进行处理并输出，实现储能变流器协调控制。

本发明设计的软件或协议均为公知技术。

通过以上方法，本发明的数据中心收集的所有负荷的用电数据，并把这些数据存储并进行详细分类，对当前负荷进行性质匹配，基于大数据分析求出负荷实用系数，进而计算出当前负荷的实用负荷值，可为储能变流器的工作提供日程安排设置。

实施例1

实施例中，选取数据为某市所有38个电动公交车充电站12月份数据，包括充电开始时间、充电结束时间、交易电量、对应充电桩号和所在充电站等，经过对数据筛选，选择152个充电桩(m＝38.n＝4)对应数据进行测试。日负荷数据为每15min采样，共96点。通过本发明的冲击负荷预测方法，进行日前负荷预测。电动公交车的行驶路线和每天班次基本固定，每日总负荷量在稳定范围内，然而由于公交车充电负荷不仅受天气、温度、日类型影响，还与客流量、路况、历史负荷和用户充电习惯等因素有关，这些不确定性因素共同造成电动公交车充电负荷的间歇性、随机性和波动性。本实施例中主要考虑时间、温度、日类型和历史负荷(包括负荷名称N，负荷用电性质C，负荷投切状态St，负荷功率S，用电时间T等参数)对充电负荷的影响，将这些因素作为LSTM神经网络的输入数据，共同训练预测模型参数，从而对预测日负荷进行精准预测。

图7为本发明的冲击负荷预测终端系统预测效果图，充电桩负荷具有较大波动性，其用电量的峰谷差很大，尤其在76-80时间段内的负荷较大，产生的负荷电流对母线冲击较大，需要增大储能变流器输出电流来调整。由此可见，本发明采用含有冲击负荷预测终端的变流器系统来平抑冲击负荷电流，可以预测负荷的变化趋势，从而以应对即将到来的电流变化。

本发明未尽事宜为公知技术。