CN102097854A - 一种多电源供电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及供电系统相关技术领域，特别是一种多电源供电系统及控制方法。所述系统包括第一电源、输出电压控制单元、单向导电电路、输出电压反馈单元、储能单元、第二电源、有源PFC校正及整流电路。本发明中市电（即第二电源）通过PFC校正及整流后成为直流电，在直流侧与另一种由蓄电池、太阳能电池、风力发电等产生的替代性电源（即第一电源）并联，在替代性直流电源供电充足时，市电侧的整流电路被反向偏置截止、PFC功能关闭，市电不会进入负载侧；但当替代性直流电源供电不足或没有电力时，市电通过PFC电路、整流电路向负载供电。

Description

一种多电源供电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及供电系统相关技术领域，特别是一种多电源供电系统及控制方法。

背景技术

现有的并网技术都是将辅助电源变为与交流市电同频同相的交流电，然后进行并网，交流并网技术相对复杂，同时在并网电源与市电之间的相互影响很大，若并网电源的制造质量较差就会对电网产生严重的影响，轻则电网噪音变重，重则影响电网的运行安全。

同时对于太阳能、风力发电等即时发电装置产生的电力需要即时消费，否则会造成浪费，逆变到电网上会产生逆变的损耗。

发明内容

本发明的第一发明目的在于提供一种多电源供电系统，以解决现有技术辅助电源与交流电源进行并网相互影响较大的技术问题。

为了实现本发明的第一个发明目的，采用的技术方案如下：

一种多电源供电系统,其特征在于，所述系统包括第一电源、输出电压控制单元、单向导电电路、输出电压反馈单元、储能单元、第二电源、有源PFC校正及整流电路，第一电源、输出电压控制单元、单向导电电路和储能单元的输入端依次连接；第二电源、有源PFC校正及整流电路、储能单元的输入端依次连接；储能单元的输出端分别与输出电压反馈单元的输入端及有源PFC校正及整流电路的控制端连接，输出电压反馈单元的输出端与输出电压单元的控制端连接，所述有源PFC校正及整流电路的输出特性为电压源型，输出电压控制单元的输出特性为电流源型，所述有源PFC校正及整流电路对第二电源进行功率因数校正及整流输出。

作为一种优选方案：在有源PFC校正及整流电路与输出电压控制单元之间还接有通讯线进行信息的传递。

作为一种优选方案，所述第一电源为太阳能电池、风力发电电源或化学电池，第二电源为交流电网电源。

本发明的第二个发明目的在于提供一种多电源供电方法，以应用本发明的第一个发明目的所提供的供电系统。

为了实现本发明的第二个发明目的，采用的技术方案如下：

有源PFC校正及整流电路实现第二电源的功率因数校正及整流功能，其输出的直流高压连接到储能单元上；同时检测储能单元上的输出电压值；输出电压控制单元将第一电源的电压转换为直流高压通过单向导电电路也输出到储能单元上，与有源PFC校正及整流电路的输出相并联；同时通过输出电压反馈单元检测储能单元上的输出电压值。

作为一种优选方案，所述控制方法还包括：

预设输出电压控制单元输出的第一电压的目标电压值为第一目标电压值，预设有源PFC校正及整流电路输出的第二电压的目标电压值为第二目标电压值，第一目标电压值大于第二目标电压值且第一目标电压值大于第二电源的峰值电压。

作为进一步的优选方案，多电源供电系统通过储能单元对负载进行供电，输出电压控制单元控制始终以第一目标电压值为控制目标进行第一电源的电压转换输出第一电压，当负载的功率需求小于或等于第一电源所能提供的电力时，第一电压达到第一目标电压值，有源PFC校正及整流电路中的有源PFC处于关闭状态，整流电路也处于反偏状态而截止，第一电源不能流入负载端；

当负载的功率需求大于第一电源所能提供的电力时，第一电压将低于第一目标电压值，输出电压控制单元工作于最大功率输出状态：

若第二目标电压值＞第二电源的峰值电压，则：

有源PFC进入开通状态，维持储能单元上的输出电压稳定在第二目标电压值，负载越重，PFC开通的占空比越大，负载越轻，PFC开通的占空比越小；若负载变轻或第二电源的输出电力加强，则有源PFC的占空比减少，直到储能单元上的输出电压大于第二目标电压值，则关闭有源PFC；

若第二目标电压值≤第二电源的峰值电压，则：

当第二电源的峰值电压＞第二目标电压值，则整流电路率先导通，而有源PFC仍处于关闭状态；当负载进一步加重，储能单元上的输出电压进一步下降，小于第二目标电压值，此时有源PFC开通，并使储能单元上的输出电压稳定在第二目标电压值；负载越重，则有源PFC的开通占空比越大，若负载变轻或第二电源的输出电力加强，则有源PFC的占空比会减少，若负载进一步变轻或第二电源的输出电力进一步加强，储能单元上的输出电压超过第二目标电压值，则有源PFC关闭，若负载再进一步变轻或第二电源的输出电力再进一步加强，直到储能单元上的输出电压大于第二电源的峰值电压，则整流电路进入反偏状态。

作为更进一步的优选方案：所述多电源供电系统在有源PFC校正及整流电路与输出电压控制单元之间还接有通讯线进行信息的传递；

有源PFC校正及整流电路将检测到的第二电源的峰值电压及第二目标电压值通过通讯线传送到输出电压控制单元，输出电压控制单元根据第二电源的峰值电压及第二目标电压值设定第一目标电压值，使得第一目标电压值大于第二目标电压值且第一目标电压值大于第二电源的峰值电压。

本发明的技术方案，市电（即第二电源）通过PFC校正及整流后成为直流电，在直流侧与另一种由蓄电池、太阳能电池、风力发电等产生的替代性直流电源（即第一电源）并联，在替代性直流电源供电充足时，市电侧的整流电路被反向偏置截止、PFC功能关闭，市电不会进入负载侧；但当替代性直流电源供电不足或没有电力时，市电通过PFC电路、整流电路向负载供电。

附图说明：

图1:本发明的原理框图；

图2: 典型的第一种电流源型输出电路及工作原理示意图；

图3: 典型的第二种电流源型输出电路及工作原理示意图；

图4: 典型的第三种电流源型输出电路及工作原理示意图；

图5：应用电路简图1；

图6： 应用电路简图2。

具体实施方式

    下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

本发明的重点内容就是利用直流准并网装置，实现了直流电在经过有源PFC校正及整流后的直流侧的准并网。之所以称为“准并网”，是因为该并网技术实现的不是传统意义上的交流并网，而是将市电整流后的直流侧进行并联，直流电不能反馈到市电电网侧。

本发明中，第一电源是指太阳能电池、风力发电电源或化学电池等替代性电源，其余替代性电源也属于本发明第一电源的范围；第二电源是指交流电网电源，即本领域内所说的“市电”。

该技术的重点之一是输出电压控制单元5的输出特性为电流源型的，通过单向导电电路6输出到高压电解电容3（即储能单元）上，电流源型的电路工作原理如附图2～图4所示，由图2可知，无论电容E1上的电压Vo是多少伏，电流源通过D1都能将电力输送到E1上，图3是电流源型的输出电路的典型结构：Boost电路，在开关管Q1导通后电感L1中流入电流，当开关管Q1关闭后，电感L1就相当于一个电流源，通过D1向E1送电，图4是另一种的电路结构：当开关管Q1导通时向变压器L2的初级向变压器充电，当开关管Q1闭合时，变压器L2的次级通过二极管D3向E2送电；还有其它类型的电流源型的电路结构，但其工作原理都符合附图2的基本原理。

该装置针对的替代性电源包括太阳能电池、风力发电装置、化学电池、燃料电池或其他独立于市电电网之外的小型电源。该类电源始终存在一个最大输出功率的限制，后级负载的功率需求不能超过该限制，但可以低于该限制。

工作原理如附图1所示：一种直流准并网装置,包括替代性电源4、输出电压控制单元5、单向导电电路6、输出电压反馈单元7、高压电解电容3及市电接口1、PFC校正及整流电路2。

输出电压控制单元5与替代性电源4、输出电压反馈单元7的输出连接，其输出与单向导电电路6的输入连接；单向导电电路6、有源PFC校正及整流电路2的输出，输出电压反馈单元7、有源PFC校正及整流电路2的输入与高压电解电容3连接。

有源PFC校正及整流电路2实现输入电源的功率因数校正及整流功能，其输出的直流高压连接到高压电解电容3上；同时检测高压电解电容3上的直流高压电压值Vo；输出电压控制单元5将替代性电源4的电压转换为直流高压通过单向导电电路6也输出到高压电解电容3上，与有源PFC校正及整流电路2的输出相并联；同时通过输出电压反馈单元7检测高压电解电容3上的输出电压Vo值。

输出电压控制单元5的目标电压为V1，有源PFC校正及整流电路2的输出目标电压为V2，市电的最高峰值电压为Vpmax，其中V2、Vpmax均小于V1，V2与Vpmax之间的关系有两种：V2＞Vpmax，或V2≤Vpmax；同时输出电压控制单元5的输出电路为电流源型的：

输出电压控制单元5的控制始终以V1为控制目标进行替代性电源4的电压转换，当负载8的功率需求小于或等于替代性电源4能提供的电力时，输出电压控制单元5通过单向导电电路6输出到高压电解电容3，高压电解电容3的输出值Vo可以达到V1值，此时，由于Vo大于V2及Vpmax值，有源PFC处于关闭状态，整流电流也处于反偏状态而截止，市电不能流入负载端。

当负载8的功率需求大于替代性电源4能提供的电力时，高压电解电容3的输出电压Vo值将低于V1值：由于输出电压控制单元5的输出特性为电流源型的，输出电压控制单元5的输出电压会被重负载拉低；此时，若V2＞Vpmax，则有：

有源PFC进入开通状态，维持输出电压Vo稳定在V2电压值，负载越重，PFC开通的占空比越大，负载越轻，PFC开通的占空比越小；此时，输出电压控制单元5工作于最大功率输出状态，将替代性电源4的全部电力都输送到高压电解电容3上提供给负载8。若负载变轻或替代性电源4的输出电力加强，则有源PFC的占空比会越来越小，若负载进一步变轻或替代性电源4的输出电力进一步加强，有源PFC最终会关闭，实现了在有有源PFC的状态下的替代性电源4的优先使用与市电补充功能；

此时，若V2≤Vpmax，则有：

当Vo＞V2值，若市电实时峰值电压低于V2值，则Vo会一直下降直到达到V2值，有源PFC开通，工作过程同上；

若实时市电电压峰值较高而整流电路率先导通时，有源PFC功能仍处于关闭状态，市电通过有源PFC校正及整流电路2输出到高压电解电容3上，补充替代性电源4的电力的不足；当负载进一步加重，输出电压Vo会进一步下降，达到V2值，此时有源PFC开通，市电通过有源PFC校正及整流电路2输出到高压电解电容3上，补充替代性电源4的电力的不足，负载越重则有源PFC的开通占空比越大。此时，输出电压控制单元5工作于最大功率输出状态，将替代性电源4的全部电力都输送到高压电解电容3上提供给负载8。若负载变轻或替代性电源4的输出电力加强，则有源PFC的占空比会越来越小，若负载进一步变轻或替代性电源4的输出电力进一步加强，有源PFC最终会关闭，若负载再进一步变轻或替代性电源4的输出电力再进一步加强，使得市电整流的导通相角进一步减小，最终会彻底截止；实现了在有有源PFC的状态下的替代性电源4的优先使用与市电补充功能；

在有源PFC校正及整流电路2与输出电压控制单元5之间还可以有通讯线9进行信息的传递。可以传递输入市电的电压值V2的信息及其他诸如告警信息、替代性电源4的电压、电流信息及输出电压控制单元5的相关状态信息。

有源PFC校正及整流电路2将检测到的交流电压实时峰值Vp及有源PFC的目标电压V2通过通讯线9传送到输出电压控制单元5，电压控制单元5根据Vp及V2值设定其目标电压值V1， V1值可以根据需要进行自动调整，使得V1＞Vp及V1＞V2；其中V2与Vp之间的关系有两种：V2＞Vp，或V2≤Vp；同时输出电压控制单元5的输出电路为电流源型的：

有源PFC校正及整流电路2实现输入电源的功率因数校正及整流功能，其输出的直流高压连接到高压电解电容3上；同时检测高压电解电容3上的直流高压电压值Vo；输出电压控制单元5将替代性电源4的电压转换为直流高压通过单向导电电路6也输出到高压电解电容3上，与有源PFC校正及整流电路2的输出相并联；同时通过输出电压反馈单元7检测高压电解电容3上的输出电压Vo值。

输出电压控制单元5的控制始终以V1为控制目标进行替代性电源4的电压转换，当负载8的功率需求小于或等于替代性电源4能提供的电力时，输出电压控制单元5的输出值Vo可以达到V1值，此时，由于Vo大于V2及Vp值，有源PFC处于关闭状态，整流电流也处于反偏状态而截止，市电不能流入负载端。

当负载8的功率需求大于替代性电源4能提供的电力时，输出电压控制单元5的输出电压Vo值将低于V1值：由于其输出特性为电流源型的，输出电压Vo会被重负载拉低；此时，若V2＞Vp，则有：

有源PFC进入开通状态，维持输出电压Vo稳定在V2电压值，负载越重，PFC开通的占空比越大，负载越轻，PFC开通的占空比越小；此时，输出电压控制单元5工作于最大功率输出状态，将替代性电源4的全部电力都输送到高压电解电容3上提供给负载8。若负载变轻或替代性电源4的输出电力加强，则有源PFC的占空比会越来越小，若负载进一步变轻或替代性电源4的输出电力进一步加强，有源PFC最终会关闭，实现了在有有源PFC的状态下的替代性电源4的优先使用与市电补充功能；

此时，若V2≤Vp，则有：

当Vo＞V2值，且市电电压峰值较高而整流电路导通时，有源PFC功能仍处于关闭状态，市电通过有源PFC校正及整流电路2输出到高压电解电容3上，补充替代性电源4的电力的不足；当负载进一步加重，输出电压Vo会进一步下降，达到V2值，此时有源PFC开通，市电通过有源PFC校正及整流电路2输出到高压电解电容3上，补充替代性电源4的电力的不足，负载越重则有源PFC的开通占空比越大。此时，输出电压控制单元5工作于最大功率输出状态，将替代性电源4的全部电力都输送到高压电解电容3上提供给负载8。若负载变轻或替代性电源4的输出电力加强，则有源PFC的占空比会越来越小，若负载进一步变轻或替代性电源4的输出电力进一步加强，有源PFC最终会关闭，若负载再进一步变轻或替代性电源4的输出电力再进一步加强，使得市电整流的导通相角进一步减小，最终会彻底截止；实现了在有有源PFC的状态下的替代性电源4的优先使用与市电补充功能； 

第一种具体的实施例原理框图见附图5所示，市电电网通过市电接口1连接到有源PFC及整流电路2的输入端，在有源PFC及整流电路2的单元电路中，前级是电阻分压电压检测21电路，检测结果输送到MCU主控单元22，检测交流电压的电压峰值，其后顺序连接了由二极管D21～D24组成的整流电路，整流电路后面顺序连接了由电感L21、开关管S21、二极管D25组成的有源PFC电路，电流检测24电路串接在PFC电路与整流电路之间，检测PFC电路的瞬态电流值，并将结果输送到MCU主控单元22，MCU主控单元22输出PFC控制信号通过驱动23电路控制开关管S21的导通与关闭，通过输出PFC控制信号的占空比的变化进而达到稳定控制输出电压及校正功率因数的目的。

太阳能电池阵列4将阳光转换为电能，输送到储能电容E55上，同时太阳能电池电压检测51电路检测太阳能电池的输出电压，并将电压检测值传送到MCU主控单元53；太阳能电池电流检测52电路串接在太阳能电池的负极性输出线上（也可以串接其它主电流流过的合适位置），检测太阳能电池的输出电流值，并将电流检测值传送到MCU主控单元53；变压器T57、IGBT管S56、二极管D6构成了典型的回扫式开关电源电路，IGBT管S56的控制极通过驱动64电路受MCU主控单元53控制；输出二极管D6的阴极与电解电容E3连接，即：其输出与有源PFC及整流电路2的输出相并联。

输出电压隔离取样7电路检测输出的直流高压电压值，并将检测结果传送到MCU主控单元53，完成输出电压的反馈功能。

MCU主控单元53随时监控太阳能电池阵列的输出电压值及负载侧的滤波电容E2上的输出直流高压电压值：

当太阳能电池的输出功率满足负载的需求时，输出电压会达到预定的设定电压V1，该预定的设定电压V1高于市电的实时交流峰值电压Vp，及PFC电路的输出目标电压值V2，其中：V1＞V2且V1＞Vp，使得PFC电路处于关闭状态，市电整流电路也处于反向偏置状态，市电不向负载供电；一般设V1＝Vp+A，A为大于零的正常数；Vp值由MCU主控单元53通过通讯线9由MCU主控单元22提供。

当太阳能变弱时，其输出功率不能满足负载的需求，输出电压就会低于预定的设定电压V1，若V2＞Vp时：当输出电压达到V2的时候，有源PFC功能开通，市电补充进来；此时由于本应用使用的电流源型输出的特点，太阳能电力会全部输向负载，且工作在最大功率点处；当太阳能的光强进一步变弱时，由于有源PFC电路具有输出稳压功能，输出电压被稳定在V2电压值上；

此时而当太阳能再次变强时，太阳能电池向负载提供的电力会加强，使得负载端在E3上的直流高压会抬升，使得有源PFC电路的控制输出占空比相对变小，从而使得输出的电功率变小，太阳能电池工作在最大功率点处；当太阳能足够强后输出的直流高压达到大于V2电压值，有源PFC电路因输出电压大于其控制目标电压而关闭，市电停止向负载供电。

若V2≤Vp，则有：输出电压会下降到Vp值，使得整流电路开始导通，市电补充进来，随着负载的进一步加重，负载端的直流电压会下降得更多，从而使得市电的导通角度变得更大，市电会有更多的能量补充进来，此时太阳能电池同样工作在最大功率点处；当输出电压进一步下降达到V2后，有源PFC开通，使得输出电压稳定在V2值上，太阳能电池同样工作在最大功率点处；

此时而当太阳能再次变强时，向负载提供的电力会加强，使得负载端在E2上的直流高压会抬升，使得有源PFC电路的控制占空比相对变小，从而使得输出的电功率变小，太阳能电池工作在最大功率点处；当太阳能足够强后输出的直流高压大于V2电压值，此时有源PFC电路关闭，同时由于市电通过整流电路仍处于少量供电状态，当随着太阳能光照的进一步增强，使得其输出电压达到市电的峰值以上，此时，市电整流电路会发生反偏而截止。

由上面的描述可以知道，本装置及其控制方法实现了辅助电源——太阳能电池的输出直流电在经过变换后与市电的整流后的直流电直接并联，即实现了直流准并网方式，在市电及太阳能电池电力都向负载供电的情况下，在带有PFC校正功能的电路时，实现了太阳能电力的优先使用，同时，在太阳能不足时由市电进行补充的全新功能。市电在进入及退出过程中实现的是无缝切换，对负载没有任何的冲击。

第二种具体的实施例原理框图见附图6所示，二极管D21～D24构成了PFC开关管S21的电流导向电路，电感L21、开关管S21及二极管D25～28构成了有源PFC电路，同时二极管D25～28还构成了在PFC关闭的情况下的整流电路，由于具体的工作原理同上述的一样，这里就不在敷述。

Claims (7)

1.一种多电源供电系统,其特征在于，所述系统包括第一电源、输出电压控制单元、单向导电电路、输出电压反馈单元、储能单元、第二电源、有源PFC校正及整流电路，第一电源、输出电压控制单元、单向导电电路和储能单元的输入端依次连接；第二电源、有源PFC校正及整流电路、储能单元的输入端依次连接；储能单元的输出端分别与输出电压反馈单元的输入端及有源PFC校正及整流电路的控制端连接，输出电压反馈单元的输出端与输出电压单元的控制端连接，所述有源PFC校正及整流电路的输出特性为电压源型，输出电压控制单元的输出特性为电流源型，所述有源PFC校正及整流电路对第二电源进行功率因数校正及整流输出。

2.根据权利要求1所述的多电源供电系统，其特征在于：在有源PFC校正及整流电路与输出电压控制单元之间还接有通讯线进行信息的传递。

3.根据权利要求1所述的多电源供电系统，其特征在于，所述第一电源为太阳能电池、风力发电电源或化学电池，第二电源为交流电网电源。

4.一种多电源供电系统的控制方法，采用权利要求1或2或3任一项所述的多电源供电系统，其特征在于：

有源PFC校正及整流电路实现第二电源的功率因数校正及整流功能，其输出的直流高压连接到储能单元上；同时检测储能单元上的输出电压值；输出电压控制单元将第一电源的电压转换为直流高压通过单向导电电路也输出到储能单元上，与有源PFC校正及整流电路的输出相并联；同时通过输出电压反馈单元检测储能单元上的输出电压值。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

预设输出电压控制单元输出的第一电压的目标电压值为第一目标电压值，预设有源PFC校正及整流电路输出的第二电压的目标电压值为第二目标电压值，第一目标电压值大于第二目标电压值且第一目标电压值大于第二电源的峰值电压。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，多电源供电系统通过储能单元对负载进行供电，输出电压控制单元控制始终以第一目标电压值为控制目标进行第一电源的电压转换输出第一电压，当负载的功率需求小于或等于第一电源所能提供的电力时，第一电压达到第一目标电压值，有源PFC校正及整流电路中的有源PFC处于关闭状态，整流电路也处于反偏状态而截止，第一电源不能流入负载端；

当负载的功率需求大于第一电源所能提供的电力时，第一电压将低于第一目标电压值，输出电压控制单元工作于最大功率输出状态：

若第二目标电压值＞第二电源的峰值电压，则：

有源PFC进入开通状态，维持储能单元上的输出电压稳定在第二目标电压值，负载越重，PFC开通的占空比越大，负载越轻，PFC开通的占空比越小；若负载变轻或第二电源的输出电力加强，则有源PFC的占空比减少，直到储能单元上的输出电压大于第二目标电压值，则关闭有源PFC；

若第二目标电压值≤第二电源的峰值电压，则：

当第二电源的峰值电压＞第二目标电压值，则整流电路率先导通，而有源PFC仍处于关闭状态；当负载进一步加重，储能单元上的输出电压进一步下降，小于第二目标电压值，此时有源PFC开通，并使储能单元上的输出电压稳定在第二目标电压值；负载越重，则有源PFC的开通占空比越大，若负载变轻或第二电源的输出电力加强，则有源PFC的占空比会减少，若负载进一步变轻或第二电源的输出电力进一步加强，储能单元上的输出电压超过第二目标电压值，则有源PFC关闭，若负载再进一步变轻或第二电源的输出电力再进一步加强，直到储能单元上的输出电压大于第二电源的峰值电压，则整流电路进入反偏状态。

7.根据权利要求4～6任一项所述的控制方法，其特征在于：所述多电源供电系统在有源PFC校正及整流电路与输出电压控制单元之间还接有通讯线进行信息的传递；

有源PFC校正及整流电路将检测到的第二电源的峰值电压及第二目标电压值通过通讯线传送到输出电压控制单元，输出电压控制单元根据第二电源的峰值电压及第二目标电压值设定第一目标电压值，使得第一目标电压值大于第二目标电压值且第一目标电压值大于第二电源的峰值电压。

Images