CN103187781A - 具有异质多输入的电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电源系统，该电源系统被适配成在输入处被连接至传递直流或交流输入电压（V₁，…,V_N）的N个不同的电网（R₁，…,R_N）、且被适配成传递直流配电电压（V_母线），N为大于或等于2的整数，该种类型的电源系统包括：在配电电压（V_母线）下工作的配电母线（16）；能够在输入处分别被连接至给定的电网（R₁，…,R_N）的N个单向转换器（C₁，…,C_N）；以及能够控制单向转换器（C₁，…,C_N）的控制装置（20）。电源系统（10）还包括能量存储设备（18），该能量存储设备（18）被连接至配电母线（16）且具有大量能量（E），以及控制装置（20）被适配成同时控制单向转换器（C₁，…,C_N）以根据该大量能量（E）来调节由每个单向转换器（C₁，…,C_N）传递的电功率（P₁，…,P_N）。

Description

具有异质多输入的电源系统

技术领域

本发明涉及具有异质多输入的电源系统，即，在输入处被连接至多个传递直流或交流电流的电网。

更具体地，本发明涉及一种被适配成在输入处被连接至传递直流或交流输入电压的N个不同的电网且被适配成用于传递直流配电电压（directdistribution voltage）的电源系统，其中N为大于或等于2的整数，该电源系统包括：

配电母线（distribution bus），该配电母线在配电电压下工作；

N个单向转换器，该N个单向转换器能够在输入处分别被连接至给定的电网，并且能够传递电功率至所述配电母线；以及

控制装置，该控制装置能够控制所述单向转换器。

这种类型的电源被特别用于航空中，并且被设计为向飞机的机载（onboard）电子电路提供稳定电压（regulated voltage）。

这些电源因此受制于多种特定的限制。

例如，它们必须能够以安全的方式从优先电网切换到备用（redundant）电网（即，同时避免所述电网之间的任何能量交换），具有被很好地控制的过渡阶段，而在增加那些电网的动力（dynamics）和阻抗的环境下没有振荡。来自优先电网之外的电网的功率的撤回也必须被最小化。

此外，它们必须能够将每个备用电网上的常规操作电压撤回到电力辅助电子设备。

这些电源系统还必须能够经受住在所选择的电网上发生的电力线扰动，并且能够允许对来自下游电子设备的涌流（inrush current）进行滤波。

最后，他们必须能够根据传递具有非常不同的格式的电力电源的电网来运行，例如，一些电力电源所提供的电流是直流的，而其它电力电源所提供的电流是交流的，所述电力电源的电压和/或频率不同，并且所述电力电源不被连接至相同的地电势。

背景技术

FR 2815789描述了一种能够从多个电网中选择电网的前述类型的电源系统。电网之间的切换逻辑是严格的，并且由能够根据由每个转换器传递的电压来命令打开或关闭二极管开关的触点（contact）的专用控制部件（member）实施。

US 2005/134239也描述了一种前述类型的电源系统。在该文档中，各种拓扑被考虑，其中，由不同电网传递的直流或交流电压被合并，以对位于电源系统的下游的负载进行供电。

然而，这些解决方案不完全满意。

实际上，在增加电网的动力的当前环境下，在第一篇文档中描述的电源系统的切换逻辑的刚性（rigidity）涉及电网之间频繁和突然的切换，以及单向转换器的低压工作阶段。这些转换器之后被强偏置（bias），以及备用电网被更多次地请求（完全超出了需要）。这特别导致被传递至位于下游的电子设备的配电电压的中断。

在第二个引用的文档中，电源系统不能做出对电网的优先顺序选择。此外，其不能被适配成对来自位于下游的设备的涌流进行滤波。

发明内容

本发明的一个目的是解决这些问题。

为此，本发明涉及一种被适配成在输入处被连接至传递直流或交流输入电压的N个不同的电网且被适配成用于传递直流配电电压的电源系统，其中，N为大于或等于2的整数，该种类型的电源系统包括：

配电母线，该配电母线在配电电压下工作；

N个单向转换器，该N个单向转换器能够在输入处分别被连接至给定的电网，并且能够传递电功率至所述配电母线；

控制装置，该控制装置能够控制所述单向转换器，

其特征在于，所述电源系统还包括能量存储设备，该能量存储设备被连接至所述配电母线并且具有大量能量，以及所述控制装置被适配成同时控制所述单向转换器以根据所述大量能量来调节由每个所述单向转换器传递的电功率。

根据本发明的其他方面，本发明包括下列特征中的一者或多者，这些特征被单独考虑或根据所有可能的技术组合进行考虑，其中：

所述能量存储设备是在表示所述大量能量的存储电压下工作的电容式存储设备，所述控制装置被适配成同时控制所述单向转换器以根据所述存储电压来调节由每个所述单向转换器传递的电功率；

所述能量存储设备是被存储电流穿过的电感式存储设备，所述控制装置能够同时控制所述单向转换器以根据所述存储电流来调节由每个所述单向转换器传递的电功率；

递减的存储电压阈值与电网相关联，并且定义所述电网之间的优先顺序，使得第一电网被给定相对于第二电网而言更高的优先级，其中该第一电网的存储电压阈值高于该第二电网的存储电压阈值；

所述控制装置包括N个存储调节回路，该N个存储调节回路分别与单向转换器相关联，并且能够调节由所述单向转换器传递到所述配电母线的电功率，每个存储调节回路包括超出与对应的电网相关联的电压阈值的逐渐降低控制特性，所述逐渐降低的斜率对应于所述存储调节回路的静态增益；

所述N个存储调节回路的所述控制特性的逐渐降低在超过彼此分离的存储电压的值范围中实现；

存储调节回路的控制特性的最大值也是N-1个其他存储调节回路的控制特性的最大值；

N个存储调节回路的各自的静态增益具有递减的值，其单向转换器与第一电网相关联的存储调节回路的静态增益小于其单向转换器与相对于所述第一电网而言具有更高优先级的电网相关联的存储调节回路的静态增益；

其单向转换器与第一电网相关联的存储调节回路的静态增益通过等式G_i=G_i-1*V_STi/V_STi-1来确定，其中G_i是所述存储调节回路的静态增益，V_STi是与所述第一电网相关联的存储电压阈值，V_STi-1是高于所述存储电压阈值V_STi的存储电压阈值中的最小值，以及G_i-1是其单向转换器与存储电压阈值是V_STi-1的电网相关联的存储调节回路的静态增益；

所述控制装置具有N个配电调节回路，该N个配电调节回路分别与给定的单向转换器相关联，并且能够根据所述配电电压来调节由所述单向转换器传递至所述配电母线的电功率，以限制所述配电电压或限制被提供至所述配电母线的配电电流；

与给定的电网相关联的每个单向转换器具有：

中间电网，

单向主转换器（undirectional primary converter），该单向主转换器能够防止该单向转换器与之相关联的电网与其他电网之间的电功率转移，所述单向主转换器在输入处被连接至对应的电网并且能够将根据所述电网的输入电压调节的中间电压传递至所述中间电网；以及

双向绝缘子，该双向绝缘子能够将所述单向转换器与之相关联的电网与其他电网电绝缘，所述双向绝缘子在输入处被连接至所述中间电网以及在其输出处被连接至所述配电母线，并且能够由所述控制装置控制，以调节由所述单向转换器传递至所述配电母线的电功率以及调节来自所述配电母线并由所述双向绝缘子传递至对应的中间母线的电功率；

所述主转换器包括电压整流装置、共模电压和差模电压滤波装置、过压保护装置以及防雷保护装置；

所述控制装置具有N个正电抗（positive reaction）回路，该N个正电抗回路分别与给定的双向绝缘子相关联并且能够根据对应的中间电网的中间电压来一方面调节由所述双向绝缘子传递至所述配电母线并因此由对应的单向转换器传递至所述配电母线的电功率以及另一方面调节由所述双向绝缘子传递至对应的中间母线的电功率；

对于每个单向转换器，相关联的存储调节回路能够通过第一控制变量来根据存储电压调节由所述单向转换器传递的电功率，相关联的配电调节回路能够通过第二控制变量来根据配电电压调节由所述单向转换器传递的电功率，以及相关联的正电抗回路能够通过第三控制变量来调节由所述单向转换器传递的电功率，由所述单向转换器传递至所述配电母线的功率与一方面所述第一控制变量和第二控制变量中的最小值和另一方面第三控制变量之间的差成比例；

所述能量存储设备通过双向载入器（loader）连接至所述配电母线，该双向载入器能够在所述配电母线与所述能量存储设备之间转移电能；以及

所述能量存储设备包括载入器调节回路，该载入器调节回路能够控制所述双向载入器以调节所述双向载入器与所述配电母线之间的能量转移，以使所述配电电压从属（slave）于参考配电电压。

附图说明

在阅读下列具体实施方式时，能够得到对本发明更好的理解，该具体实施方式被作为示例单独提供，并且参考附图来被描述，其中：

图1是根据本发明第一实施方式的电源系统的图解说明；

图2是类似于图1的根据本发明第二实施方式的电源系统的图示；

图3是类似于图1的根据本发明第三实施方式的电源系统的图示；

图4是示出了本发明的存储调节回路的控制特性的图示；以及

图5是在根据第三实施方式的电源系统工作期间电压和功率变化的图解说明。

具体实施方式

参考示出了本发明的第一实施方式的图1，具有异质多输入的电源系统10（在下文中为“电源系统10”或“系统10”）被适配成在输入处被连接至N个电网R_i，以防止电网R_i之间的电能转移并将来自由电网R_i传递的输入电压V₁，…，V_N的直流且调节的配电电压V_母线传递至位于下游的电子设备，其中N为大于或等于2的整数，并且其中i是包括在1至N之间的整数。

为了提供配电电压V_母线，系统10能够根据电网R_i之间的优先顺序来从那些电网中抽取电能。下面更详细地来描述该优先顺序。电能的抽取以安全的方式来进行，而没有电网R_i之间的任何能量交换，并且从而使得来自除了优先电网之外的电网R_i的电能撤回最小化。

此外，系统10被适配成经受当前所选择的电网R_i的输入电压V_i的电力中断或消失，并且被适配成对来自下游电子设备的涌流进行滤波。

为此，系统10具有N个单向转换器C₁，…，C_N、配电母线16、以及能量存储设备18。电源系统10还具有用于控制所述N个单向转换器C_i的控制装置20。

电网R_i以各种形式传递电力。例如，由电网R_i传递的某些电流是直流的并且对应的输入电压V_i是28V或270V，以及来自其他电网R_i的电流是交流的并且输入电压V_i例如是115V或230V，且其频率被包括在46Hz-800Hz范围内。

在图1的示例中，系统10被连接至N个电网R₁，…，R_N，其中一些由交流发电机供电，而另一些由电池供电。输入电压V₁，…，V_N之后具有明显的动力，电网R_i的阻抗也是明显的。这将电压轮廓（profile）施加到转换器C_i的输入，该转换器C_i是非常动力的且不是很好控制的。

单向转换器C_i被适配成防止电网R_i之间的电能的任何转移，并且分别将根据输入电压V₁，…，V_N的调节后电功率P₁，…，P_N传递至配电母线16。

为此，每个单向转换器C_i被适配成在输入处被连接至给定的电网R_i，并且在其输出处被连接至配电母线16。

每个单向转换器还被适配成由控制装置20来控制，以调节该单向转换器传递至配电母线16的电功率P₁，…，P_N，如将在下文中看到的。

此外，被连接至提供交流电流的电网R_i的每个单向转换器C_i能够对该电流进行整流，以传递直流电流至配电母线16。

可替换地，每个单向转换器C_i还能够使其所连接的电网R_i与其他电网R₁，…，R_N电绝缘。

以公知的方式，这种转换器14例如由本领域技术人员已知的“回扫（Flyback）”型转换器制成。

配电母线16被适配成确保电网R_i与位于电源系统的下游的电子设备之间的能量转移。

为此，如之前所指示的，单向转换器C_i的输出全部被连接至配电母线16，该配电母线16在配电电压V_母线下工作。下游电子设备则被直接连接至配电母线16，或者通过安全开关（未示出）和/或一个或多个功率转换器连接至配电母线16。

配电电压V_母线被适配成从属于参考配电电压V^* _母线，并且被适配成通过单向转换器的控制而被保持在最大值V_{母线_最大}之下，如在下文中所看到的。

在图1的示例中，参考配电电压V^* _母线例如等于12V。

能量存储设备18能够存储来自配电母线16的电能，并且将所存储的电能返回至配电母线16，并允许电源系统10经受输入电压V₁，…，V_N的电力中断或消失。

此外，其被适配成对由下游电子设备进行的电功率涌入造成的负载脉动进行滤波。实际上，比起能量存储设备18的充放电循环的频率，负载脉动的频率通常具有更高的量级，该能量存储设备18是用于控制单向转换器C_i的决定性能量存储设备。负载脉动之后被减弱以用于电网R_i，如在下文中所看到的。

能量存储设备18被连接至配电母线16，并且在存储电压V_ST下工作。

在图1的实施方式中，能量存储设备18是电容式设备，存储电压V_ST表示其包含的电能E的数量。存储电压V_ST被调节到约定的存储电压V^* _ST。例如，所述约定的存储电压V^* _ST的值等于90V。

控制装置20被适配成同时控制单向转换器C_i以根据电能E的数量来调节由那些转换器传递至配电母线16的电功率P₁，…，P_N。

在图1的示例中，控制装置20能够控制单向转换器C_i以根据存储电压V_ST来调节由那些转换器传递至配电母线16的电功率P₁，…，P_N。

由控制装置20对这些单向转换器C_i的控制实施根据存储电压V_ST的对传递的电功率P₁，…，P_N的调节算法，如将在下文中看到的。

控制装置20包括N个存储调节回路X₁，…，X_N。每个存储调节回路X_i分别与给定的单向转换器C_i相关联。

每个存储调节回路X_i被适配成根据存储电压V_ST的测量来命令对应的单向转换器C_i。

N个存储电压阈值V_ST1，…，V_STN分别与N个电网R₁，…，R_N相关联。

这些存储电压阈值V_ST1，…，V_STN是递减的并且定义电网R_i之间的优先顺序，使得参考存储电压阈值为V_STi的电网R_i具有相对于其参考存储电压为V_STi+k的电网R_STi+k的优先级而言更小的优先级，其中k是包括在1与N-i之间的整数。

控制装置20之后被适配成根据存储电压V_ST来命令对应的单向转换器C_i，使得由电网R_i，…，R_N转移至配电母线16的电功率来自电网R_i，其中在该电网R_i，…，R_N之中，所述电网R_i具有更好的优先级，如在之后所看到的。

单向转换器C_i的控制由每个存储调节回路X_i通过第一控制变量

来完成，该第一控制变量是存储电压V_ST的函数。

参考示出了存储调节回路X_i的控制特性23的图4，其中在此情况下，N等于3，控制特性23即根据存储电压V_ST确定对应的调节回路X₁，…，X_N的第一控制变量

的函数各自具有所转移的功率的逐渐降低24，各种控制特性23的逐渐降低24在彼此分离的存储电压V_ST值的范围上进行。

逐渐降低24的斜率分别与对应的存储调节回路X_i的静态增益G_i相对应。

给定的存储调节回路X_i的控制特性23具有等于与对应的电网X_i相关联的存储电压阈值V_STi的存储截止电压。

控制特性23具有公共最大值

该公共最大值

对应于被考虑的电网R_i与配电母线16之间的最大电功率转移P_i的命令。

应当注意的是，当第一控制变量

等于

时，单向转换器C_i被命令用于电功率P_i的最大转移，但被转移至配电母线的电功率可以是零。这例如是当对应的输入电压V_i是零的情况。

每个电网R_i具有由下列定义的电网R_i的相关联的参考存储电压V^* _STi：

其中G_i是存储调节回路X_i的静态增益，

是配电调节回路X_i的控制特性23的最大值，以及V_STi是电网R_i的存储电压阈值。

电网R_i的参考存储电压V^* _STi则是存储电压V_ST在该存储电压V_ST超出配电调节回路X_i的控制特性23的逐渐降低24的值范围时被约定至的存储电压值。

参考存储电压V^* _STi对应于存储电压V_ST的最小值，其中在该最小值处，第一控制变量

等于0，即，在该最小值处，单向转换器C_i由控制装置20命令以将零电功率P_i转移至配电母线16。

因此，存储电压V_ST到值V^* _STi的闭环控制使得能够使对应的电网R_i上的电能撤回最小化。

因此，在其上完成调节回路X_i的控制特性23的逐渐降低24的值范围是[V_STi;V^* _STi]，其中V^* _ST1等于V^* _ST。该值范围因此定义与参考电网R_i相关联的系统10的工作区域。

控制特性23的逐渐降低24通过透明（transparency）范围25而彼此分离。该透明范围25分别与给定的电网R_i相关联，并且对应于能量存储设备18能够提供至配电母线16、以在对应的电网R_i的输入电压V_i消失时对下游电子设备进行供电的能量的数量，如在下文中所看到的。

存储调节回路X_i的静态增益G_i由下列等式确定：G_i=G_i-1*V_STi/V_STi-1，其中G_i是存储调节回路X_i的静态增益，V_STi是与电网R_i相关联的存储电压阈值，V_STi-1是在存储电压阈值V_STi之上的存储电压阈值的最小值，以及G_i-1是存储调节回路的增益，该存储调节回路的单向转换器与存储电压阈值为V_STi-1的电网相关联。

N个存储调节回路X_i的静态增益G_i具有递减的值，其单向转换器C_i与第一电网R_i相关联的存储调节回路X_i的静态增益G_i比其单向转换器C_k与具有相对于所述第一电网R_i而言更高的优先级的电网R_k相关联的存储调节回路X_i的静态增益G_k小。

静态增益G_i越高，存储电压V_ST越接近于电网R_i的参考存储电压V^* _STi。

然而，静态增益G_i越高，能量存储设备18对负载脉动滤波的越少。实际上，高的静态增益G_i转换成通过由其单向转换器C_i传递的电功率P_i的修改对存储电压V_ST的最轻微变化的补偿。换句话说，静态增益G_i越高，对于对应的电网R_i而言，越能看到更多的负载脉动。

此外，当存储电压V_ST下降时，包含在存储装置18中的可用于负载脉动的滤波的电力下降。

这转换成穿过能量存储设备18的电流的增加和存储电压V_ST的显著变化。

对于正弦负载脉动I_负载而言，该电压变化可以用下列形式表示：

其中，Y_Cst是能量存储设备的存储容量。

对负载脉动的更好滤波则通过增加最大存储容量Y_Cst、或通过放宽（relax）对存储电压V_ST到电网R_i的参考存储电压V′_STi的闭环控制（即，通过降低对应的调节回路X_i的静态增益G_i）来获得。

根据本发明的电源系统10的操作现在将参考图4来描述。

图4示出了用于根据存储电压V_ST来调节电功率P_i，…，P_N 20的算法，该算法由控制装置20实施。存储电压V_ST的值被划分成区域（1至7）。

区域1是由调节回路的响应时间引起的瞬时条件，如在下文中所看到的。

在该区域1中，能量存储设备18则可以转移其电能至配电母线16，以对下游电子设备进行供电，单向转换器C_i由存储调节回路X_i驱动，以便不转移电功率P_i至配电母线16。

能量E的数量之后降低，并且存储电压V_ST下降，直到区域2，该区域2是与优先电网R₁相关联的电源系统10的工作区域。

在由存储电压值V_ST1和V^* _ST界定的区域2中，存储调节回路X₁命令单向转换器C₁，使得存储电压V_ST保持接近于参考存储电压V^* _ST。如果存储电压V_ST下降到低于参考存储电压V^* _ST，存储调节回路X₁命令增加电功率P₁，以使存储电压V_ST增加。

相反地，如果存储电压V_ST超过V^* _ST并且穿透区域1，则存储调节回路X₁命令单向转换器，以使所传递的电功率P₁为零。

在稳态中，由单向转换器C₁，…，C_N传递至配电母线16的电功率P₁，…，P_N对应于在输出处通过配电电压V_母线传递到电子设备的电负载功率P_负载。所述配电电压之后被保持在参考配电电压V^* _母线的值处。

当输入电压V₁下降，例如在在电网R₁上发生故障期间，由单向转换器C₁传递至配电母线16的电功率下降，这趋向于引发存储电压V_ST下降。调节回路X₁命令单向转换器C₁增加电网R₁与配电母线16之间的电功率转移P₁，可能直到存储调节回路X₁的饱和。

存储调节回路X_i的饱和对应于由所述回路对电网R_i与配电母线16之间的最大电功率P_i转移的相应的单向转换器C_i的命令（实际所转移的电功率P_i可能为零）。

如果输入电压V₁消失，由单向转换器C₁传递至配电母线的电功率P₁不足以加载能量存储设备18，以及在对电子设备进行供电的同时该能量存储设备18放电。存储电压V_ST之后降低，直到区域3。

该区域3对应于电网R₁的透明范围25，其中存储调节回路X₁饱和，并且其他存储调节回路X₂，…，X_N命令其各自的单向转换器C_i在对应的电网R_i与配电母线16之间转移零功率P₂，…，P_N。

只要优先电网R₁的输入电压V₁保持不足，能量存储设备18就放电，并且存储电压V_ST降低直到其移至区域4。

在由存储电压值V_ST2和V^* _ST2界定的、并且对应于与电网R₂相关联的工作区域的区域4中，在优先电网R₁之后的优先电网R₂的存储调节回路X₂命令对应的单向转换器C₂执行电功率P₂向配电母线16的转移，以使存储电压V_ST保持接近于值V^* _ST2，即，为了平衡在电网R₂上消耗的功率和被提供至母线16的功率。

优先电网R₁的存储调节回路X₁则保持饱和。

存储调节回路X₂的静态增益G₂之后根据等式G₂=G₁*V_ST2/V_ST1通过静态增益G₁来定义。

如上所述，如果存储电压V_ST降低，例如由于输入电压V₂消失，存储调节回路X₂命令单向转换器C₂增加电网R₂与配电母线16之间的功率转移P₂，以提供剩余的电能，从而重新加载能量存储设备18。

如果尽管存储调节回路X₂饱和但存储电压V_ST继续下降，则存储电压V_ST向着对应于电网R₂的透明度的透明范围25降低。

如果输入电压V₁或V₂没有再次出现，则存储电压V_ST降低，直到由存储电压值V_ST3和V^* _ST3界定的区域6。在该区域6中，存储调节回路X₃命令单向转换器C₃执行电功率P₃的转移，以使存储电压V_ST被保持接近于值V^* _ST3，即，为了平衡电网R₃上消耗的功率和被提供至配电母线16的功率。

存储调节回路X₁和X₂仍旧饱和。

然而，在区域4中，如果优先电网（即，电网R₁）再次出现，则由单向转换器C₁转移至配电母线16的电功率P₁从0逐步增加。

该电网的存储调节回路X₁饱和，由两个单向转换器C₁和C₂同时转移至配电母线16的电功率对应于相对于电源系统10传递至电子设备的电能而言剩余的电能，其导致对能量存储设备18进行重新充电并增加存储电压V_ST。

存储电压V_ST之后增加，直到其爬出区域4，即，通过存储调节回路X₂命令单向转换器C₂将零电功率P₂从电网R₂转移到配电母线16。

优先电网R₁与配电母线16之间的电功率P₁的转移是最大的，存储电压V_ST继续增加，直到其进入区域2，该区域2对应于电源系统10的常规操作。

实际上，电源系统10最初处于区域7中，存储电压V_ST是零，以及所有存储调节回路X_i饱和。当少于一个电网可用时，这些回路的饱和导致所述存储电压V_ST的增加，直到其进入与优先电网R_i相关联的工作区域，如上面所描述的。

控制装置20的控制逻辑因此根据能量存储设备18的能量E的数量来实现，并且同时调节由每个单向转换器C_i传递至配电母线16的电功率P_i。

该控制逻辑不依赖于电网R_i的可用性评估以及任何切换，其中，在给定时刻，该切换将能够提供电力至配电母线16的电网R_i的数量限制到一。

实际上，当存储电压V_ST低于一些存储电压阈值V_STi时，与具有高于存储电压V_ST的存储电压阈值V_STi的电网R_i相关联的存储调节回路X_i饱和。这些电网R_i因此准备好转移其电功率P_i至配电母线16，而没有延迟或切换。

这尤其使得能够在其中一个电网出现的情况下，最小化暂态阶段的幅度。

此外，由电网R_i提供至配电母线16的电功率P_i逐步且连续地增加和降低，其使得电网R_i的中断最小化。

图2示出了本发明的第二实施方式。

在第二实施方式中，电源系统10包括和上述一样的元件。因此，对这些元件将不再进行描述。

此外，电源系统10包括双向载入器26。

控制装置20包括N个配电调节回路（表示为Y₁，…，Y_N）以及能够驱动载入器26以将配电电压V_母线抑制到参考配电电压V^* _母线的载入器调节回路BE。

此外，控制装置20包括N个控制块L₁，…，L_N，这N个控制块在输入处被分别连接至存储调节回路X_i和配电调节回路Y_i，以及在输出处被连接至对应的单向转换器C_i。

载入器26一方面被连接至配电母线16，且另一方面被连接至能量存储设备18。该载入器26能够撤回配电母线16上的电功率，并将其传递至能量存储设备18，反之亦然。

载入器26例如由被同步控制的降压转换器或公共电感电压降压/升压转换器构成。

N个配电调节回路Y_i被适配成根据配电电压V_母线来控制由单向转换器C_i传递至配电母线16的电功率P_i。该控制由每个配电调节回路Y_i通过第二控制变量来完成。

更特别地，配电调节回路Y_i被适配成控制单向转换器C_i来限制配电电压V_母线。

为此，每个配电调节回路Y_i与局部配电电压V^* _母线i相关联，以便如果配电电压V_母线超出该局部配电电压V^* _母线i，则对应的配电调节回路Y_i命令由对应的转换器提供的电功率P_i的限制，其反过来趋向于限制配电电压V_母线。

局部配电电压V^* _母线i，…，V^* _母线N严格递减，并大于载入器调节回路BE的参考配电电压V^* _母线。

当配电电压V_母线大于V^* _母线时（其特别是在一些单向转换器C_i转移非零电功率至配电母线16时发生），来自在这些电网之中的优先电网R_i的电功率P_i因此被优先转移至配电母线16。

每个控制块L_i被适配成通过存储调节回路X_i的第一控制变量与配电调节回路Y_i的第二控制变量

之间的最小值的选择来限制由对应的单向转换器C_i传递的电功率P_i。

可替换地，配电调节回路Y_i能够控制单向转换器C_i以限制它们向配电母线16提供的配电电流I_母线。

根据第二实施方式的电源系统10的操作由根据本发明第一实施方式的操作得出，并且将仍旧参考图4来描述。

在该实施方式中，除之前描述的电源系统10的操作方面，当配电电压V_母线超出参考配电电压V^* _母线时，载入器26撤回配电母线16上的电功率，并将该电功率转移至能量存储设备18，即，其加载能量存储设备18。

相反地，当配电电压V_母线下降到低于其参考值V^* _母线时，载入器26通过对能量存储设备18放电来进行补偿，以将剩余的电能引入到配电母线16，这趋向于增加配电电压V_母线。

参考图4，在与电网R_i相关联的区域中，当优先电网R_j再次出现时（j是小于i的整数），存储调节回路X_j的饱和转换成配电电压V_母线的快速增加。为了防止配电母线16上的配电电压V_母线的这些偏移，其中这些偏移可能对下游电子设备造成损害，单向转换器C_i的控制块L_j限制其通过进行如上所述来传递的电功率P_i。

因此，控制块L_i保证配电电压V_母线保持在最大配电电压V_{母线_最大}之下。

应当注意的是，配电调节回路Y_i的速度高于对应的存储调节回路X_i的速度。

因此，该实施方式有利地用于限制配电电压V_母线。

图3示出了本发明的第三实施方式，其中电源系统10具有与第二实施方式中相同的部件，因此，对这些部件将不再进行描述。

在该第三实施方式中，与给定的电网相关联的每个单向转换器C₁，…，C_N具有：

●中间电网T₁，…，T_N；

●单向主转换器F₁，…，F_N；以及

●双向绝缘子I₁，…，I_N。

此外，控制装置20具有N个正电抗回路Z₁，…，Z_N。每个正电抗回路Z_i分别与给定的双向绝缘子I_i相关联。

主单向转换器F_i（在下文中为主转换器F_i）能够防止该主单向转换器F_i分别与之相关联的电网R_i与其他电网之间的电能转移。

每个主转换器F_i在输入处被连接至对应的电网R_i，并且能够将被从所述电网的输入电压V_i调节到约定的中间电压V^* _Pi的中间电压V_Pi传递至对应的中间电网T_i。为此，每个主转换器F_i则由主调节回路FEC_i来驱动。

主转换器F_i具有电流整流装置、用于对共模和差模输入电压V_i进行滤波的装置、以及过压保护装置和防雷保护装置。

在由对应的电网提供的电流是直流的且输入电压V_i等于28V或270V时，主转换器F_i例如是公共电感电压升压/降压型的，以及在所提供的电流是交流的且输入电压V_i等于115V或230V时，主转换器F_i例如是增压PFC型的。

双向绝缘子I_i（下文中为绝缘子I_i）能够允许相关联的中间电网T_i与配电母线16之间的电能的双向转移。此外，绝缘子I_i能够将该绝缘子I_i所属的单向转换器C_i与其相关联的电网R_i与其他电网R_i电绝缘，并且对主辅助设备（未示出）进行供电。

每个绝缘子I_i在输入处被连接至中间电网T_i，以及在其输出处被连接至配电母线16。通过输出28，中间电网T_i使得对辅助设备（未示出）和辅助电路（未示出）供电成为可能，其中该中间电网T_i传递用于所述辅助设备和辅助电路的操作的极化电流至该辅助设备和辅助电路。

每个正电抗回路Z_i与给定的绝缘子I_i相关联，并且能够控制所述绝缘子I_i调节该绝缘子根据中间电压V_Pi所传递的电功率P_i。该命令通过第三控制变量

来完成。

此外，每个正电抗回路Z_i能够控制所述绝缘子I_i调节由该绝缘子I_i从配电母线16转移至相关联的中间母线T_i的电功率P’_i。

电功率P’_i用于通过其到中间母线T_i的连接来对电子设备进行供电，该中间母线T_i的绝缘子I_i当前被命令不转移电功率P_i至配电母线16。

因此，例如在图3的示例中，其使得从单向转换器C₂的中间母线T₂对电子设备进行供电成为可能，其也由存储调节回路X₂来控制，以在电源系统10的正常工作期间传递零电功率P₂至该配电母线16。

绝缘子I_i例如由双有源桥型转换器制成，或者由负载谐振转换器（LRC）制成。它们例如可以被提供至有源辅助整流器设备。

如图3所示，由每个单向转换器C_i传递至配电母线16的电功率P_i的调节通过对绝缘子I₁，…，I_N的控制来完成。对每个绝缘子I_i的控制通过以下来完成：

●根据存储电压V_ST通过相关联的存储调节回路X_i；

●根据配电电压V_母线通过相关联的配电调节回路Y_i；以及

●根据对应的中间母线T_i的中间电压V_Pi通过相关联的正电抗回路Z_i。

在该第三实施方式中，控制块L_i和与给定的单向转换器C_i相关联的正电抗回路Z_i则在其输出处被连接至能够根据三个控制变量

和

来控制用于电功率P_i的转移的绝缘子I_i的减法器C_Pi。

由每个单向转换器C_i传递至配电母线16的电功率P_i与一方面第一控制变量

和第二控制变量

中的最小值与另一方面第三控制变量之间的差成比例，即：

应当注意的是，每个单向转换器C_i的存储调节回路X_i是能够控制由所述绝缘子I_i向上传递的电功率P_i的唯一调节回路，配电调节回路Y_i和正电抗回路Z_i被适配成限制电功率P_i。

根据本发明第三实施方式的电源系统10的操作由根据第二实施方式的操作得出，并且将参考图3、4和5来描述。

除之前描述的根据第二实施方式的系统10的操作方面，在电源系统10在与给定的电网R_i相关联的区域中的工作期间，会发生由对应的电网R_i传递的输入电压V_i暂时下降。这种现象被称作掉电。

该电压下降转换成对应的中间电压V_Pi的降低。

在没有关于该输入电压下降V_i的信息的情况下，存储调节回路X_i和配电调节回路Y_i控制对应的绝缘子I_i将相同的电功率P_i从中间电网T_i转移至配电母线16，其能够导致中间电压V_Pi消失。

被考虑的电网R_i的正电抗回路Z_i之后通过增加第三控制变量

来控制绝缘子I_i，以使被提供至配电母线16的电功率P_i降低。

电子设备之后通过其操作被恶化的电网R_i以及能量存储设备18来供电，只要存储电压保持在电压范围[V_STi；V^* _STi]中。

当存储电压处于对应于电网R_i的值范围[V_STi；V^* _STi]中时，由于绝缘子I_k的双向性质，由每个与具有比电网R_i低的优先级的电网R_k相关联的主转换器F_k所看到的中间电压V_Pk高于约定的中间电压V^* _Pk，其中k是大于i的整数。

实际上，配电电压V_母线由主转换器F_k所看到，该主转换器F_k遭受对应的正电抗回路Z_k的转换系数和动作，以使中间电压V_Pk被保持在约定的中间电压V^* _Pk之上。

相关联的主转换器F_i由其主调节回路FEC_k命令来将零电功率从电网R_k转移至对应的中间电网T_k。

图5是在根据本发明第三实施方式的电源系统10被启动时，在其在输入处被连接至电网R₁、R₂（N=2）的情况下，存储电压V_ST、配电电压V_母线、以及电功率P₁和P₂根据时间变化的图示。在图5的示例中，电网R_i的出现是同步的。

直到时刻①，存储调节回路X_i饱和。单向转换器C₁提供其最大功率，而转换器C₂提供受配电调节回路Y₂限制的功率。配电电压V_母线因此被调节至局部配电电压V_母线2 ^*。

直到时刻②，由两个转换器C₁和C₂转移至配电母线16的功率受到用于吸收电力的载入器26的容量的限制。由转换器C₂提供的功率用于更快地加载存储设备18，并且明显小于单向转换器C₂的额定功率。

在时刻②之后，存储调节回路X₂开始去饱和。由转换器C₂提供的功率逐渐降低。配电电压V_母线向由回路BE定义的参考V_母线 ^*快速收敛。

在时刻③，转换器C₂被命令用于零转移功率P₂。转换器C₁继续提供其最大功率，以向下游负载供电并增加存储电压V_ST。

在时刻④，存储电压V_ST等于V_ST1，以及存储调节回路X₁开始去饱和。由转换器C₁提供的电功率P₁向着由所述负载消耗的负载功率P_负载收敛。

在时刻⑤，系统被平衡，并且转换器C₁提供等于由所述载消耗的负载功率P_负载的电功率P₁。

可替换地，能量存储设备18是被表示其包含的电能E的数量的存储电流I_ST穿过的电感式存储设备。

在该替换中，控制装置20能够同时控制单向转换器C_i根据存储电流I_ST调节由每个所述单向转换器14传递的电功率P_i。

Claims (16)

1.一种电源系统，该电源系统被适配成在输入处被连接至传递直流或交流输入电压（V₁，…,V_N）的N个不同的电网（R₁，…,R_N）、且被适配成传递直流配电电压（V_母线），N为大于或等于2的整数，该种类型的电源系统包括：

配电母线（16），该配电母线在所述配电电压（V_母线）下工作；

N个单向转换器（C₁，…,C_N），该N个单向转换器（C₁，…,C_N）被适配成在输入处分别被连接至给定的电网（R₁，…,R_N），并且被适配成传递电功率（P₁，…,P_N）至所述配电母线（16）；以及

控制装置（20），该控制装置（20）被适配成控制所述单向转换器（C₁，…,C_N），

其特征在于，所述电源系统（10）还包括能量存储设备（18），该能量存储设备（18）被连接至所述配电母线（16）并且具有大量能量（E），以及所述控制装置（20）被适配成同时控制所述单向转换器（C₁，…,C_N）以根据所述大量能量（E）来调节由每个所述单向转换器（C₁，…,C_N）传递的所述电功率（P₁，…,P_N）。

2.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述能量存储设备（18）是在表示所述大量能量（E）的存储电压（V_ST）下工作的电容式存储设备，所述控制装置（20）被适配成同时控制所述单向转换器（C₁，…,C_N）以根据所述存储电压（V_ST）来调节由每个所述单向转换器（C₁,…,C_N）传递的所述电功率（P₁，…,P_N）。

3.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述能量存储设备（18）是被存储电流（I_ST）穿过的电感式存储设备，所述控制装置（20）被适配成同时控制所述单向转换器（C₁，…,C_N）以根据所述存储电流（I_ST）来调节由每个所述单向转换器（C₁，…,C_N）传递的所述电功率（P₁，…,P_N）。

4.根据权利要求2所述的电源系统，其特征在于，递减的存储电压阈值（V_ST1，…,V_STN）与所述电网（R₁，…，R_N）相关联并且定义所述电网（R₁，…，R_N）之间的优先顺序，使得第一电网（R₁，…，R_N）被给定相对于第二电网（R₁，…，R_N）而言更高的优先级，其中该第一电网（R₁，…，R_N）的存储电压阈值（V_ST1,…,V_STN）高于该第二电网（R₁,…,R_N）的存储电压阈值（V_ST1，…,V_STN）。

5.根据权利要求4所述的电源系统，其特征在于，所述控制装置（20）包括N个存储调节回路（X₁，…，X_N），该N个存储调节回路（X₁，…，X_N）分别与单向转换器（C₁,…,C_N）相关联，并且能够调节由所述单向转换器（C₁，…，C_N）传递到所述配电母线（16）的所述电功率（P₁，…，P_N），每个存储调节回路（X₁，…，X_N）包括超出与对应的电网（R₁，…，R_N）相关联的电压阈值（V_ST1，…,V_STN）的逐渐降低（24）控制特性（23），所述逐渐降低（24）的斜率对应于所述存储调节回路（X₁，…，X_N）的静态增益（G_i）。

6.根据权利要求5所述的电源系统，其特征在于，所述N个存储调节回路（X₁，…，X_N）的所述控制特性（23）的逐渐降低（24）在超过彼此分离的所述存储电压（V_ST）的值范围中来实现。

7.根据权利要求5或6所述的电源系统，其特征在于，存储调节回路（X₁，…，X_N）的所述控制特性（23）的最大值

也是N-1个其他存储调节回路（X₁，…，X_N）的所述控制特性（23）的最大值。

8.根据权利要求5至7中任意一项权利要求所述的电源系统，其特征在于，所述N个存储调节回路（X₁，…，X_N）的各自的静态增益（G_i）具有递减的值，其单向转换器（C₁，…，C_N）与第一电网（R₁，…，R_N）相关联的存储调节回路（X₁，…，X_N）的所述静态增益（G₁…,G_N）小于其单向转换器（R₁，…，R_N）与相对于所述第一电网（R₁，…，R_N）而言具有更高优先级的电网（R₁，…，R_N）相关联的存储调节回路（X₁，…，X_N）的所述静态增益（G₁…,G_N）。

9.根据权利要求8所述的电源系统，其特征在于，其单向转换器（C₁，…，C_N）与第一电网（R₁,…,R_N）相关联的存储调节回路（X₁,…,X_N）的所述静态增益（G₁…,G_N）通过等式G_i=G_i-1*V_STi/V_STi-1来确定，其中G_i是所述存储调节回路（X₁，…，X_N）的静态增益（G₁…,G_N），V_STi是与所述第一电网（R₁，…，R_N）相关联的所述存储电压阈值，V_STi-1是高于所述存储电压阈值V_STi的所述存储电压阈值中的最小值，以及G_i-1是其单向转换器（C₁，…，C_N）与所述存储电压阈值是V_STi-1的电网（R₁,…,R_N）相关联的所述存储调节回路（X₁，…，X_N）的静态增益（G₁…,G_N）。

10.根据前述权利要求中任意一项权利要求所述的电源系统，其特征在于，所述控制装置（20）具有N个配电调节回路（Y₁,…,Y_N），该N个配电调节回路（Y₁，…，Y_N）分别与给定的单向转换器（C₁，…，C_N）相关联，并且能够根据所述配电电压（V_母线）来调节由所述单向转换器（C₁，…，C_N）传递至所述配电母线（16）的所述电功率（P₁，…，P_N），以限制所述配电电压（V_母线）或限制被提供至所述配电母线（16）的配电电流（I_母线）。

11.根据前述权利要求中任意一项权利要求所述的电源系统，其特征在于，与给定的电网（R₁，…，R_N）相关联的每个单向转换器（C₁，…，C_N）具有：

中间电网（T₁,…,T_N）；

单向主转换器（F₁，…，F_N），该单向主转换器（F₁，…，F_N）能够防止所述单向转换器（C₁,…,C_N）与之相关联的电网（R₁,…,R_N）与其他电网（R₁，…，R_N）之间的电功率转移，所述单向主转换器（C₁，…，C_N）在输入处被连接至对应的电网（R₁,…,R_N）并且能够将根据所述电网的输入电压（V₁，…，V_N）调节的中间电压（V_P1，…,V_PN）传递至所述中间电网（T₁，…，T_N）；以及

双向绝缘子（I₁，…，I_N），该双向绝缘子（I₁，…，I_N）能够将所述单向转换器（C₁，…，C_N）与之相关联的电网（R₁，…，R_N）与其他电网（R₁，…，R_N）电绝缘，所述双向绝缘子（I₁，…，I_N）在输入处被连接至所述中间电网（T₁，…，T_N）以及在其输出处被连接至所述配电母线（16），并且能够由所述控制装置（20）控制，以调节由所述单向转换器（C₁,…,C_N）传递至所述配电母线（16）的所述电功率（P₁，…，P_N），以及调节来自所述配电母线（16）并由所述双向绝缘子（I₁，…，I_N）传递至对应的中间母线（T₁，…，T_N）的电功率（P’₁，…，P’_N）。

12.根据权利要求11所述的电源系统，其特征在于，所述主转换器（F₁，…，F_N）包括电压整流装置、共模电压和差模电压滤波装置、过压保护装置以及防雷保护装置。

13.根据权利要求11或12所述的电源系统，其特征在于，所述控制装置（20）具有N个正电抗回路（Z₁，…，Z_N），该N个正电抗回路（Z₁，…，Z_N）分别与给定的双向绝缘子（I₁，…，I_N）相关联，并且能够根据所述对应的中间电网（T₁，…，T_N）的中间电压（V_P1，…,V_PN）一方面调节由所述双向绝缘子传递至所述配电母线（16）并因此由所述对应的单向转换器（C₁，…，C_N）传递至所述配电母线（16）的所述电功率（P₁，…，P_N），以及另一方面调节由所述双向绝缘子（I₁，…，I_N）传递至所述对应的中间母线（N₁，…，N_N）的电功率（P’₁，…，P’_N）。

14.根据权利要求5、10或13所述的电源系统，其特征在于，对于每个单向转换器（C₁，…，C_N），相关联的存储调节回路（X₁，…，X_N）能够通过第一控制变量

来根据所述存储电压（VST）调节由所述单向转换器（C₁，…，C_N）传递的所述电功率（P₁，…，P_N），相关联的配电调节回路（Y₁,…,Y_N）能够通过第二控制变量

来根据所述配电电压（V_母线）调节由所述单向转换器（C₁，…，C_N）传递的所述电功率（P₁，…，P_N），以及相关联的正电抗回路（Z₁,…,Z_N）能够通过第三控制变量

来调节由所述单向转换器传递的功率，由所述单向转换器传递至所述配电母线（16）的功率（P₁,…,P_N）相对于所述第一控制变量

和第二控制变量

中的最小值与所述第三控制变量

之间的差成比例。

15.根据前述权利要求中任意一项权利要求所述的电源系统，其特征在于，所述能量存储设备（18）通过双向载入器（26）连接至所述配电母线（16），该双向载入器（26）能够在所述配电母线（16）与所述能量存储设备（18）之间转移电能。

16.根据权利要求15所述的电源系统，其特征在于，所述能量存储设备包括载入器调节回路（BE），该载入器调节回路（BE）能够控制所述双向载入器（26）调节所述双向载入器（26）与所述配电母线（16）之间的电能转移，以使所述配电电压（V_母线）从属于参考配电电压（V^* _母线）。

Images