CN104901362B - 一种移动式大功率高压电源的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种移动式大功率高压电源的控制方法，其特征在于，所述的控制方法将超级电容器组级联电源的输出能量过程分为N个周期，在充电时以能量包的形式分N次向高压电容器充电，N为大于等于1的正整数；在每个周期内，超级电容器组级联电源的输出电压与负载电压差不变，确保每个周期内能量包的能量相同，高压电容器电压以台阶方式上升；为了保证每级超级电容器组输出能量相近，级联超级电容器组的级数设置为2N‑1，控制系统分别进行正向和反向时序控制。

Description

一种移动式大功率高压电源的控制方法

技术领域

本发明涉及一种移动式大功率高压电源的控制方法(目标充电电压在1KV及以上)，特别适用于电火花震源车的充电应用。

背景技术

电火花震源是通过高压电容器放电对地质情况进行勘探的装置，其中高压电容器电压涉及的电压范围为1KV及以上，需要高压电源对其进行充电。最初采用的方法是将220V或380V电网电压经工频变压器升压、整流后形成高压电源给高压电容器充电，后来发展为采用高频开关变换技术，目的是减小工频变压器的体积。充电电源的初级能源一般是电网电能、柴油发电机，但在山区，以上两种初级能源均受到限制。随着超级电容器技术的发展，由超级电容器提供初始能源的方式成为可能，而且超级电容器可以分为小体积和重量的模块，通过人力背到车辆难以到达的地区，使电火花震源在山区的应用成为可能。

超级电容器组作为初始能源的充电系统有两种方式，一是超级电容器组与高频充电电源组成充电系统，超级电容器组提供低压大电流，经高频充电电源变换成高压小电流后给电容器充电；一种是由超级电容器组采用级联拓扑串联起来，直接输出高压给电容器充电。在超级电容器组采用级联拓扑串联的充电系统中，当高压电容器容量较大时，则需要加入很大电感量的限流电感才能将充电电流限制在高压电容器允许的充电电流之内。较大的限流电感不仅引起损耗增加，且在工程实现上难度较大，体积也很大。为了避免这种情况，简单的方法是将大容量高压电容器分成多组，分别进行充电，但这一方法须在每组高压电容器输出端串联高压大电流开关，同样使得系统体积、成本增加，故障率增高。

中国专利201010185126.2公开了一种级联型逆变器的控制系统，重点是主控系统的实现方式,未涉及级联电路控制时序的控制方法。中国专利201210259287.0公开了一种线性放大器高压级联装置及方法，重点是级联电路拓扑，未涉及具体的控制控制方法。

发明内容

本发明的目的是在基于超级电容器组的高压直流电源中，通过特定的控制方法，使充电电源中的限流电感值减小，同时避免对高压电容器进行分组，以进一步缩小充电系统体积和成本，提高充电电压精度，实现移动式应用。本发明可使使超级电容器级联高压电源适合大容量高压电容器充电。

本发明所基于的超级电容器级联高压充电电源包括5个组成部分：超级电容器组级联系统、控制系统、限流电感和高压电容器；超级电容器组级联系统的高压输出端与限流电感串联，限流电感的另一端连接高压电容器的高压极，高压电容器的低压极连接超级电容器级联系统低压输出端。控制系统主要完成3个功能，一是输出超级电容器组级联系统的控制信号，其输出的控制信号的数量与超级电容器级联系统的级数相同，控制系统输出的控制信号端分别与超级电容器级联系统中的控制开关驱动端连接；二是通过高压分压器实时监测高压电容器两端电压，高压分压器接在高压电容器的两端；三是通过电流互感器实时监测充电电源输出的充电电流，电流互感器套在充电回路中。

本发明所述控制方法将超级电容器组级联电源的输出能量过程t分为N个周期，即在充电时以能量包的形式分N次向高压电容器充电，N为大于等于1的整数。在每个周期内，超级电容器组级联电源的输出电压与负载电压差保持不变，确保每个周期内能量包的能量相同，高压电容器的电压以台阶方式上升。为了保证每级超级电容器组输出能量相近，超级电容器组的级数设置为2N-1，控制系统对充电过程可分别进行正向和反向时序控制。超级电容器组级联电源的输出能量的N个周期、N次向高压电容器充电和超级电容器组的级数设置2N-1中N的取值均相同。

本发明的原理如下：首先定义充电电压电源将高压电容器电压提升至目标电压称为完成一次充电任务。将超级电容器组级联电源的输出能量过程t，即高压电容器充满至额定电压所规定的时间平均分为N个周期，根据t/N这一时间和高压电容器电容量，按照即t/N等于半个串联谐振周期计算限流电感数值，其中，L为限流电感值，C为高压电容气的电容量；根据计算出的限流电感和电容器容量即可确定回路特征阻抗Z＝(L/C)^0.5；若电容器负载最高电压为U，则每级超级电容器组电压为用V表示，超级电容器组输出电流峰值能力不小于超级电容器组级联系统分为2N-1级，编号分别为1、2、3……2N-1。按照编号顺序采取正向时序控制，分N次投入超级电容器组，每次投入时，确保超级电容器组输出电压与高压电容器电压差为V。按照这一原理，假如第一个时序投入超级电容器1组超级电容器，其输出电压为V，则根据串联谐振原理，在t/N时刻，高压电容器上电压为2V，此时，第二次投入的超级电容器端电压需为2V，才能保证超级电容器组输出电压与高压电容器电压差为V，即在t/N的第二个时序时刻，超级电容器组需再投入第2、3组超级电容器组，此时，超级电容器组输出总的端电压为3V，与高压电容器的电压差仍为V。依此类推，直至高压电容器电压达到目标电压，则完成本次充电任务。但是，由于超级电容器组依次投入使用，先投入的超级电容器组工作时间长，所需容量大，后投入的超级电容器组工作时间短，所需容量小，造成了超级电容器容量的不均衡，因此在给高压电容器进行第二次充电任务时，可采用反向时序控制，即第一时序投入第2N-1个超级电容器组输出电压，第二时序投入第2N-2和第2N-3个超级电容器组，依此类推，直到高压电容器电压达到目标电压，则完成本次充电任务。通过上述两次的充电任务，超级电容器组的输出容量相近。无论正向时序还是反向时序，超级电容器组投入的间隔时间均为t/N。

本发明控制方法如下：将超级电容器组级联系统的超级电容器分级，且每级超级电容器电压相等；确定超级电容器分级后，控制系统控制第一级超级电容器输出电压，即相当于由第一级超级电容器组形成的电压源在谐振状态对高压电容器充电，充电电流经过半个谐振周期后变为0，此时高压电容器上电压为为单级超级电容器组电压的2倍；控制系统控制第二级和第三级超级电容器组同时输出电压，此时超级电容器组级联系统输出总电压为3倍的单级超级电容器组电压，与高压电容器电压之差仍为单级超级电容器组电压；在相同的电压差下，充电电流峰值不变，重复上一次的充电过程。经过半个谐振周期后，高压电容器上电压为为4倍单级超级电容器组电压，此时投入第四级和第五级超级电容器组，超级电容器组级联系统输出总电压为5倍单级超级电容器组电压，与高压电容器电压差仍然为单级超级电容器组电压，依此顺序重复，最终高压电容器达到目标充电电压，停止充电，完成一次充电任务。在高压电容器放电完毕后的第二次对高压电容器的充电任务中，控制系统控制最后一级超级电容器组输出电压，经过半个谐振周期后，高压电容器上电压为2倍单级超级电容器组电压，此时控制倒数第二级和倒数第三级超级电容器组输出电压，依此类推。

本发明的积极效果是：

1.该控制方法所需系统元器件少，故障率低。

2.该控制方式下超级电容器组级联系统开关工作在零电流断开状态，即在充电电流变为0后，超级电容器组级联系统开关才断开，有效降低开关两端电压尖峰和电磁干扰。

3.在该控制方式下，限流电感的设计与超级电容器组输出电流能力、高压电容器的容量、谐振周期有关，其中谐振周期可由设计者确定，使电感量的大小有了调整空间。

4.该控制方式采用超级电容器组级联系统依次顺序投入的方式降低了超级电容器组级联高压电源与高压电容器间的电压差，降低了充电电流，减小了超级电容器组输出电流的压力，使参数设计更加符合目前超级电容器组技术发展水平。

5.该控制方式下，大容量高压电容器不用分组进行充电，节省电容器分组中隔离控制开关的体积和费用，使得充电系统性价比更高。

6.该方法采用超级电容器组级联的构成直流源，实现了超大容量、超长使用寿命、超快直流源蓄能、适合低温条件的特点。

本发明可用于大功率高压电容器的快速充电，尤其是负载电压相对比较确定的场合。

附图说明

图1为本发明所基于的超级电容器级联高压充电电源的示意图，图中：1超级电容器组级联系统，2控制系统，3限流电感，4高压电容器，5测量装置。

图2为本发明具体实施中充电系统拓扑、参数和超级电容器组分级参数示意图。

图3为正序控制时控制系统输出至超级电容器组级联系统的19路控制信号时序。

图4为反序控制时控制系统输出至超级电容器组级联系统的19路控制信号时序。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明所述控制方法所基于的电源拓扑结构如图1所示。超级电容器级联系统1中，每级由一个超级电容器组串联一个控制开关后再并联一个二极管组成，多级串联形成超级电容器级联高压电源。高压电源输出的正极端串联限流电感3后接入高压电容器4的高压端，超级电容器级联高压电源输出的负极端直接接至高压电容器4的低压端。控制系统2输出的时序控制信号端分别与超级电容器组中控制开关的驱动端连接，通过检测装置5实时检测高压电容器4的电压和充电电流，用于监视平台。

以下以10kV、1mF、充电时间80ms的高压电容器充电需求为例进一步说明本发明。在该控制方式下充电系统电路如图2所示：80ms充电过程分为10段，超级电容器组级联系统采用19级串联，每级超级电容器组电压500V，超级电容器组最大输出电流均为200A，超级电容器级联系统中控制开关采用1200V、400A的IGBT开关，二极管选用1200V、400A的普通二极管；限流电感选用6.5mH、200A、匝间耐压14kV硅钢片铁心电感；控制系统选用可输出19路的延时触发系统，用于超级电容器级联系统中的控制开关IGBT K1～K19的开通与闭合控制。在上述参数下，充电系统谐振周期为16ms，则每级超级电容器组投入后的充电时间为8ms，最大充电电流设计值为196.1A。各级超级电容器组中的控制开关IGBTK1～K19输出的控制信号如图3所示，0电平代表开关断开，高电平代表开关导通。充电时，首先采用正序控制，控制图2所示的第一级控制开关IGBTK1闭合，超级电容器组1输出电压，超级电容器组级联电源输出总电压为500V，在限流电感和高压电容器确定的谐振参数下，充电电流为正弦半波，半周期为8ms，充电电流峰值为196.1A。在充电电流过零时刻，即8ms时，负载高压电容器上电压达到1kV，此时控制系统控制第二级控制开关IGBTK2和第三级控制开关IGBTk3闭合，超级电容器组级联电源输出总电压为1.5kV，与负载电压差仍为500V，因此充电电流重复第一个周期的过程，即充电电流是峰值为196.1A、半周期为8ms的正弦半波。在16ms时刻，即充电电流为0时，负载电压达到2kV，此时控制系统控制第四级控制开IGBT关K4和第五级控制开关IGBT k5闭合，超级电容器组级联电源输出总电压为2.5kV，与负载电压差仍为500V，依次类推。在80ms时刻，负载高压电容器上电压达到10kV，此时断开控制开关IGBT K1～K19，停止充电。在第二次充电任务中，控制系统按照图4所示的顺序依次输出各级超级电容器组控制信号，完成第二次充电任务后，各超级电容器组输出能量相对均衡。在充电过程中，若控制系统测量到的充电电流和高压电容器电压超过预计值，则控制系统输出的19路控制信号全部变为0电平，各级超级电容器组的控制开关断开，充电系统则停止充电。

上述具体实施例中，移动式大功率高压充电电源的控制方法实现了大容量高压电容器快速充电，解决了超级电容器组输出电流的限制问题，减小了限流电感值，从而降低了限流电感体积和损耗，同时避免了因负载电容容量过大引起的负载分组问题，在大容量高压电容器充电场合具有可实施性和实用性。

本发明主要用于大容量高压电源的快速充放电领域，基于目前超级电容器组、IGBT、二极管器件的性能，完全能够满足上述需求。本发明控制方法能有效解决大容量高功率高压电容器快速充电时的诸多问题。

Claims (5)

1.一种移动式大功率高压电源的控制方法，其特征在于，所述的控制方法将超级电容器组级联电源的输出能量过程分为N个周期，在充电时以能量包的形式分N次向高压电容器充电；在每个周期内，超级电容器组级联电源的输出电压与高压电容器的电压之差不变，确保每个周期内能量包的能量相同，高压电容器的电压以台阶方式上升；为了保证每级超级电容器组输出能量相近，级联超级电容器组的级数设置为2N-1；N的取值相等，均为大于等于1的正整数；控制系统分别进行正向和反向时序控制；

将所述的超级电容器组级联电源的超级电容器组分级，且每级超级电容器组电压相等；确定超级电容器组分级后，控制系统控制第一级超级电容器组输出电压，即相当于由第一级超级电容器组形成的电压源在谐振状态对高压电容器充电，充电电流经过半个谐振周期后变为0，此时高压电容器上电压为单级超级电容器组电压的2倍；控制系统控制第二级超级电容器组和第三级超级电容器组同时输出电压，此时超级电容器组级联电源输出总电压为3倍的单级超级电容器组电压，与高压电容器电压之差仍为单级超级电容器组电压；在相同的电压差下，充电电流峰值不变，重复上一次的充电过程；经过半个谐振周期后，高压电容器上电压为4倍单级超级电容器组电压，此时投入第四级超级电容器组和第五级超级电容器组，超级电容器组级联电源输出总电压为5倍单级超级电容器组电压，与高压电容器电压差仍然为单级超级电容器组电压，依此顺序重复，最终高压电容器达到目标充电电压停止充电，完成充电任务；在高压电容器放电完毕后的第二次对高压电容器的充电任务中，控制系统控制最后一级超级电容器组输出电压，经过半个谐振周期后，高压电容器上电压为2倍单级超级电容器组电压，此时控制倒数第二级和倒数第三级超级电容器组输出电压，依此类推。

2.按照权利要求1所述的一种移动式大功率高压电源的控制方法，其特征在于，所述的高压电容器充满至额定电压所规定的时间t分为N段，则需满足其中，L为限流电感值，C为高压电容器的电容量；若高压电容器的最高电压为U，则每级超级电容器组电压为超级电容器组输出电流峰值能力不小于

3.按照权利要求1所述的一种移动式大功率高压电源的控制方法，其特征在于，所述的超级电容器组级联电源各级超级电容器组采用分时投入的方式，在第一个时序，投入一组超级电容器组，以后每个时序均投入2组超级电容器组，每个时序间隔时间均为

4.按照权利要求1所述的一种移动式大功率高压电源的控制方法，其特征在于，所述的超级电容器组级联电源为N个超级电容器组。

5.按照权利要求1所述的一种移动式大功率高压电源的控制方法，其特征在于，所述的超级电容器组级联电源开关工作在零电流断开状态，即在充电电流变为0后，超级电容器组级联电源开关才断开。