CN105811547B - 一种大功率高压直流充电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种大功率高压直流充电装置，包含三相电输入模块、三相滤波模块、三相PWM整流模块、BUCK电路模块、直流滤波模块、控制模块及采样模块；所述采样模块的输入分别与直流滤波模块、BUCK电路模块和三相滤波模块相连，采样模块的直流反馈值的输出及交流反馈值的输出分别与控制模块的输入相连；所述的控制模块采取了直流电流前馈、电压环PI控制、电流环PI控制与滞环控制相结合的控制方法实现直流充电控制；所述的控制模块还包含逆变控制方法。本发明的有益效果在于：大功率高压直流输出，且具有控制速度快，输出电压电流调节平滑，输出谐波小的优点，还可以实现逆变功能。
Description
技术领域
本发明涉及充电装置领域，具体涉及一种大功率高压直流充电装置。
背景技术
目前，高压直流电源或高压直流充电装置在科学研究、工业领域和数据机房都有着广泛的用途。随着科技的发展，对高压直流电源或高压直流充电装置输出的电压及功率的要求越来越高。传统的高压直流电源输入PF值低，效率低，动态效应差，电压范围调节小，功率普遍比较低的缺点，不能满足设备轻量化及节能等要求；另一方面，传统的直流充电装置不具备逆变功能，或者是需要复杂的硬件设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种大功率、高效率、双变换、经济实用的高压直流充电装置。
本发明提出了一种大功率高压直流充电装置，包含三相电输入模块、三相滤波模块、三相PWM整流模块、BUCK电路模块、直流滤波模块、控制模块及采样模块；所述的三相PWM整流模块与BUCK电路模块均包含功率电子开关，功率电子开关的控制端与控制模块的输出相连；所述的三相电输入模块、三相滤波模块、三相PWM整流模块、BUCK电路模块与直流滤波模块依次相连；所述采样模块的输入分别与直流滤波模块、BUCK电路模块和三相滤波模块相连，采样模块的直流反馈值的输出及交流反馈值的输出分别与控制模块的输入相连；所述的控制模块采取了直流电流前馈、电压环PI控制、电流环PI控制与滞环控制相结合的控制方法实现直流充电控制。
进一步的，所述的直流电流前馈为电压环PI控制的输入，电压环PI控制的输出为电流环PI控制的输入，电流环PI控制的输出为滞环控制的输入，滞环控制的输出连接端与BUCK电路模块的控制端相连。
进一步的，所述的控制模块还采取了逆变控制方法：⑴当采样模块的交流反馈值处于第一预设区间时，开启并网逆变控制，改变功率电子开关为并网逆变开关时序并结合采样模块的交流反馈值跟踪市电电压，实现往市电电网输入能量；⑵当采样模块的交流反馈值处于第二预设区间时，开启离网逆变控制，改变功率电子开关为离网逆变开关时序并输出合格的市电电压；⑶当采样模块的交流反馈值处于第三预设区间时，关闭逆变控制，同时切换为直流充电控制。
进一步的，所述的功率电子开关包含IGBT。
进一步的，所述的控制模块包含DSP数字处理芯片或DSP数字处理模块。
进一步的，还包含与控制模块相连的人机交互模块。
进一步的，还包含与控制模块相连的遥控模块。
本发明采取三相电作为输入，经过三相PWM整流模块的整流后得到高达千伏的脉动电压，由控制模块采取的直流电流前馈、电压环PI控制、电流环PI控制与滞环控制相结合的控制方法来控制三相PWM整流模块与BUCK电路模块的功率电子开关的PWM开关频率，经过直流滤波模块的滤波后，得到所需的直流电压。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明采取全数字控制技术，具有控制速度快，动态响应快，输出电压电流调节平滑，在大电流和小电流工作区间稳定，输出谐波小的优点。
2、本发明采用三相电输入，通过整流，PWM调节及滤波后直接输出，主电路均采用的功率器件，且由电路原理可见，不存在功率约束设计，可输出大功率高压直流电。
3、本发明使用了IGBT的PWM整流，且输入侧电压高，BUCK电路输入的电流相应减少，对应线路上的损耗就减少，使得开关损耗小，使得本发明输入PF高，效率高。
4、本发明中采用FreeRec技术可以使得交流和直流电的能量可以双向流动，三相PWM整流模块可以把市电输入变换成直流输出给DC端口供电，也可以将直流端口来自外部设备(例如电池)的直流电压逆变成正弦电压输出给市电，作为逆变器使用。
5、本发明采用的器件均为常用器件，且使用同样的硬件连接通过不同的控制方法达到了充电与逆变的不同结果，器件数量不多，经济成本低。
附图说明
图1为本发明原理框图(仅参考直流充电模式)。
图2为主电路拓扑图。
图3为控制逻辑框图。
图4为滞环控制逻辑图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。
一种大功率高压直流充电装置，如图1所示，包含三相电输入模块、三相滤波模块、三相PWM整流模块、BUCK电路模块、直流滤波模块、控制模块及采样模块；所述的三相PWM整流模块与BUCK电路模块均包含功率电子开关，功率电子开关的控制端与控制模块的输出相连；所述的三相电输入模块、三相滤波模块、三相PWM整流模块、BUCK电路模块与直流滤波模块依次相连；所述采样模块的输入分别与直流滤波模块、BUCK电路模块和三相滤波模块相连，采样模块的直流反馈值的输出及交流反馈值的输出分别与控制模块的输入相连；所述的控制模块采取了直流电流前馈、电压环PI控制、电流环PI控制与滞环控制相结合的控制方法实现直流充电控制；进一步的，所述的直流电流前馈为电压环PI控制的输入，电压环PI控制的输出为电流环PI控制的输入，电流环PI控制的输出为滞环控制的输入，滞环控制的输出连接端与BUCK电路模块的控制端相连；进一步的，控制模块还采取了逆变控制方法，具体如下：⑴当采样模块的交流反馈值处于第一预设区间时，开启并网逆变控制，改变功率电子开关为并网逆变开关时序并结合采样模块的交流反馈值跟踪市电电压，实现往市电电网输入能量；⑵当采样模块的交流反馈值处于第二预设区间时，开启离网逆变控制，改变功率电子开关为离网逆变开关时序并输出合格的市电电压；⑶当采样模块的交流反馈值处于第三预设区间时，关闭逆变控制，同时切换为直流充电控制；进一步的，所述的功率电子开关包含IGBT；进一步的，所述的控制模块包含DSP数字处理芯片或DSP数字处理模块；进一步的，还包含与控制模块相连的人机交互模块，可通过人机交互模块选择切换所需的控制方式，如，手动选择离网逆变模式；进一步的，还包含与控制模块相连的遥控模块，可通过遥控模块方便的切换所需模式。
具体地，如图2所示，本发明的三相滤波模块由EMI filter、L1、L2及Cin组成，输入开关电路由Q1、KM1组成；三相电输入后经EMI filter后，依次连接Q1、三相输入熔丝、KM1、L1、Cin、L2，其中Q1为三刀空开，每路开关与三相输入熔丝分别对应一相电路串联，再与主路继电器KM1的开关分相对应串联，KM1的触发端与控制模块(DSP控制单元)的输出相连；KM1的开关与L1每相电感对应串联，经Cin后再与L2每相电感对应串联，其中，Cin为相间跨接电容；L2的每相电感再分别与IGBT1、IGBT2、IGBT3的发射极对应相连；IGBT1-IGBT3、IGBT7集电极并联，IGBT1、IGBT2、IGBT3的发射极分别对应连接IGBT4、IGBT5、IGBT6的集电极，IGBT4-IGBT6、IGBT8的发射极并联作为参考地，IGBT1-IGBT6作为三相PWM整流模块的功率电子开关，IGBT7-IGBT8作为BUCK电路的功率电子开关，各功率电子开关的栅极分别与DSP控制单元的输出相连，由DSP控制单元控制以整流，将三相电整流为脉动电压；压敏电阻R7、R8串联后一端与IGBT3的集电极，一端接参考地；C4、C5串联，R5、R6串联后与R7、R8并联，R5与R6的连接点及C4与C5的连接点相连接；IGBT7的发射极与IGBT8的集电极相连接，连接点与L3相连，R7与R8的连接点与L3的另一端相连，再串接KM2及输出保险熔丝F7成为输出正极；输出负极经输出保险熔丝F8接回电路参考地。
具体的直流充电控制方法部分，如图3所示，控制模块中预设有输入电压参考值Vref_DC与输出直流电流的前馈值iDC_FB(或者也可以通过人机交互模块进行后期更改与设定)，Vref_DC值直接加上iDC_FB，然后减去采样模块反馈的输出直流电压值得到Verr误差，Verr误差值限幅在[200,-200]之间，4096对应1000V,所以换成电压值对应的是[49v,-49v]，接着Verr做PI调节,得到内环电流环的输入参考值iIref_DC＝KpVol*Verr+KiVol*Verr；在电流环部分，iIref_DC作为电流环的输入首先和输出直流电流做差得到电流环误差值Ierr，误差限幅后参与PI调节得到PWM发波值，Vdc_PWM＝KpCurr*Ierr+KiCurr*Ierr；由DSP内部存储单元存储Vdc_PWM，参与后续滞后控制计算，并由DSP的PWM引脚输出相应的高低电平控制IGBT7作开关动作；当高电平时，IGBT7打开导通，低电平时，IGBT7关闭截止；再由输出滤波后，即得到稳定的直流电压。
进一步的，如图4所示，滞环控制根据上周期采样到的电压电流值，逐步增减PWM发波值，双环输出值Vdc_PWM_int作为滞环控制的输入值，以下判断条件每次控制周期只进入一个成立条件，且改变输出的PWM值，具体逻辑如下：
①判断输出电压大于设置电压20v并输出电流大于20A，则每个控制周期Vdc_PWM_int减去5，逐步减小IGBT的导通时间来降低输出电压。
②判断输出电压大于设置电压10v并输出电流大于5A，则每个控制周期Vdc_PWM_int减去3，逐步减小IGBT的导通时间来降低输出电压。
③判断输出电压大于设置电压5v并输出电流大于1A，则每个控制周期Vdc_PWM_int减去1，逐步减小IGBT的导通时间来降低输出电压。
④判断输出电压小于设置电压20v并输出电流大于20A，则每个控制周期Vdc_PWM_int加5，逐步增加IGBT的导通时间来抬高输出电压。
⑤判断输出电压小于设置电压10v并输出电流大于10A，则每个控制周期Vdc_PWM_int加2，逐步增加IGBT的导通时间来抬高输出电压。
⑥判断输出电压小于设置电压5并输出电流大于2A，则每个控制周期Vdc_PWM_int加1，逐步增加IGBT的导通时间来抬高输出电压。
可以知道三相PWM整流模块工作模式的切换详细逻辑，通过主循环(1ms左右)的执行可以时实的检测监控下发的整流器运行模式命令，当检测到设备被设置为并网或离网逆变器模式的时候，且直流端口电压大于320V，则三相PWM整流模块开始关闭并重新软启进入逆变供电模式。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种大功率高压直流充电装置，其特征在于：包含三相电输入模块、三相滤波模块、三相PWM整流模块、BUCK电路模块、直流滤波模块、控制模块及采样模块；所述的三相PWM整流模块与BUCK电路模块均包含功率电子开关，功率电子开关的控制端与控制模块的输出相连；所述的三相电输入模块、三相滤波模块、三相PWM整流模块、BUCK电路模块与直流滤波模块依次相连；所述采样模块的输入分别与直流滤波模块、BUCK电路模块和三相滤波模块相连，采样模块的直流反馈值的输出及交流反馈值的输出分别与控制模块的输入相连；所述的控制模块采取了直流电流前馈、电压环PI控制、电流环PI控制与滞环控制相结合的控制方法实现直流充电控制；
三相滤波模块由电源EMIfilter、第一电感器L1、第二电感器L2及相间跨接电容Cin组成，输入开关电路由开关组Q1、主路继电器KM1组成；三相电输入后经电源EMI filter后，依次连接开关组Q1、三相输入熔丝、主路继电器KM1、第一电感器L1、相间跨接电容Cin、第二电感器L2，其中开关组Q1为三刀空开，每路开关与三相输入熔丝分别对应一相电路串联，再与主路继电器KM1的开关分相对应串联，主路继电器KM1的触发端与控制模块的输出相连；主路继电器KM1的开关与第一电感器L1每相电感对应串联，经相间跨接电容Cin后再与第二电感器L2每相电感对应串联，其中，相间跨接电容Cin为相间跨接电容；第二电感器L2的每相电感再分别与IGBT1、IGBT2、IGBT3的发射极对应相连；IGBT1-IGBT3、IGBT7集电极并联，IGBT1、IGBT2、IGBT3的发射极分别对应连接IGBT4、IGBT5、IGBT6的集电极，IGBT4-IGBT6、IGBT8的发射极并联作为参考地，IGBT1-IGBT6作为三相PWM整流模块的功率电子开关，IGBT7-IGBT8作为BUCK电路的功率电子开关，各功率电子开关的栅极分别与控制模块的输出相连，由控制模块控制以整流，将三相电整流为脉动电压；第七压敏电阻R7、第八压敏电阻R8串联后一端与IGBT3的集电极，一端接参考地；第四电容器C4、第五电容器C5串联，第五电阻R5、第六电阻R6串联后与第七压敏电阻R7、第八压敏电阻R8并联，第五电阻R5与第六电阻R6的连接点及第四电容器C4与第五电容器C5的连接点相连接；IGBT7的发射极与IGBT8的集电极相连接，连接点与第三电感器L3相连，第七压敏电阻R7与第八压敏电阻R8的连接点与第三电感器L3的另一端相连，再串接第二继电器KM2及输出保险熔丝F7成为输出正极；输出负极经输出保险熔丝F8接回电路参考地。
2.根据权利要求1所述的一种大功率高压直流充电装置，其特征在于：所述的直流电流前馈为电压环PI控制的输入，电压环PI控制的输出为电流环PI控制的输入，电流环PI控制的输出为滞环控制的输入，滞环控制的输出连接端与BUCK电路模块的控制端相连。
3.根据权利要求1所述的一种大功率高压直流充电装置，其特征在于：控制模块还采取了逆变控制方法，具体如下：⑴当采样模块的交流反馈值处于第一预设区间时，开启并网逆变控制，改变功率电子开关为并网逆变开关时序并结合采样模块的交流反馈值跟踪市电电压，实现往市电电网输入能量；⑵当采样模块的交流反馈值处于第二预设区间时，开启离网逆变控制，改变功率电子开关为离网逆变开关时序并输出合格的市电电压；⑶当采样模块的交流反馈值处于第三预设区间时，关闭逆变控制，同时切换为直流充电控制。
4.根据权利要求1所述的一种大功率高压直流充电装置，其特征在于：所述的功率电子开关包含IGBT。
5.根据权利要求1所述的一种大功率高压直流充电装置，其特征在于：所述的控制模块包含DSP数字处理芯片或DSP数字处理模块。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种大功率高压直流充电装置，其特征在于：还包含与控制模块相连的人机交互模块。
7.根据权利要求6所述的一种大功率高压直流充电装置，其特征在于：还包含与控制模块相连的遥控模块。
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