CN108429472B - 一种海洋能发电的自启动与自供电能量收集电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海洋能发电的自启动与自供电能量收集电路，所述自供电电路是在传统BUCK结构电路的功率开关管的漏源极之间并联一个二极管与一个储能电容串联的结构，并将此电容上的电能供给自启动电路；所述自启动电路用于驱动所述功率开关管；自供电能量收集电路，包括整流电路、自供电电路和能量管理控制装置；所述能量管理控制装置用于对储能设备进行充放电管理，并通过光电耦合的方式与自启动电路进行通信。本发明所提供的自供电能量收集电路，非常适合于小型海洋能独立发电系统应用，具有低能量条件下启动发电机、自动收集电能、增加系统发电量和储电量等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种海流能和波浪能发电的自启动与自供电能量收集电路。
背景技术
海洋约占地球表面积的71％，并且拥有丰富海洋能资源，如潮汐能、潮流能、波浪能、海洋温差能、盐度差能和海上风能等。作为一种可再生能源，海洋能得到了越来越多的研究、开发和应用。当前最普遍的海洋能利用形式是海洋能发电，并且已有一些成功商业化运营的海洋能发电站。对于一些远离海岸线需要供电的海岛或海洋仪器设备，可以因地制宜地利用海洋能资源发电来解决其供电问题，对于这些特殊的用户，小型化和独立运行是这类发电系统的主要特点。海流能和波浪能是海洋能中最丰富的两种能量形式，也是当前海洋能发电中最主要的两种发电形式，因而研究小型独立运行的海洋能(海流能和波浪能)发电系统，对于开发和利用海洋能，有着重要的应用价值。
虽然海流能和波浪能是海洋能中最丰富的两种能量形式，但是，其本身有着能量密度低、稳定性差、随机性和间歇性的缺点，因而利用其发电就有着功率波动大、单机发电量小、间歇性发电且平均值偏低等缺点。以上缺点导致对应的海洋能发电系统常常运行在额定发电功率以下，发电机的输出电压也常低于海洋能发电系统蓄电池的充电阈值电压，导致大部分微弱电能无法利用，严重影响整个海洋能发电系统的工作效率和使用范围。
此外，为了保证海洋能发电系统大功率情况下的可靠性，目前普遍配套使用的电能变换拓扑结——“三相不控整流器(或全控整流器)-Boost变换器(或Buck变换器)-负载”，存在着驱动系统复杂、变换效率低、功能单一、能耗大等问题。在海洋能量较低的情况下，发出的微弱电能全部消耗在海洋能发电系统的电能变换系统上，导致用电负载无法获得有效的电能供应。受海洋能发电系统功率等级和储能容量的限制，加之海流能和波浪能本身的特点导致海洋能发电系统不能持续发电，且长时间在低能量条件下发电，储能设备中的剩余电量会被消耗殆尽，无法保证用电负载长期稳定工作。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有的海洋能发电系统结构复杂、效率低、功能单一、能耗大、无法自启动的缺点，提供自启动与自供电能量收集电路，实现系统能量自动收集和存储电能，且兼具自启动能力，保证海洋能发电系统“忙时少耗能，闲时不耗能”。
为实现上述目的，本发明采用以下方案：
本发明海洋能发电自供电能量收集电路包括整流电路、自供电电路和能量管理控制装置；
所述整流电路由二极管D01、D02、D03、D04、D05、D06构成，所述整流电路的交流输入端与外部发电机三相输出端连接，所述整流电路的直流输出端分别与自供电电路的正极输入端Ud+和负极输入端Ud-连接；
所述自供电电路包括电容C1、电容C2、电容C3、二极管D1、二极管D2、电感L1、开关管S1、自启动电路和储能设备；电容C1、二极管D2、电容C2、电容C3、电感L1依次串联形成回路，其中二极管D2的正极连接电容C1，负极连接电容C2；二极管D1的正极连接电容C1与电感L1的连接端，负极连接电容C2与电容C3的连接端；开关管S1的源极连接二极管D1的负极，漏极连接二极管D2的正极，栅极连接自启动电路的栅极驱动模块的驱动输出端；自启动电路的电源正极端连接二极管D2的负极，电源负极端连接二极管D1的负极；储能设备为蓄电池或超级电容器，正极连接电容C2与电容C3的连接端，负极连接电容C3与电感L1的连接端；所述开关管S1的漏极端作为所述自供电电路的正极输入端Ud+，所述二极管D1的正极端作为所述自供电电路的负极输入端Ud-；所述储能设备的正极端作为所述自供电电路的正极输出端Uo+，所述储能设备的负极端作为所述自供电电路的负极输出端Uo-。
所述能量管理控制装置的电源正极端和电源负极端分别与自供电电路的正极输出端Uo+和负极输出端Uo-连接。
所述自启动电路包含稳压模块、常闭开关模块、矩形波发生模块、复合开关模块、栅极驱动模块和过压检测模块；所述稳压模块为集成芯片，有3个连接端，其中电源正极端连接所述自供电电路中二极管D2的负极，电源负极端连接所述自供电电路中二极管D1的负极，稳压输出端接所述常闭开关模块的电源正极端；所述常闭开关模块有5个连接端，其中控制输入正极端和控制输入负极端分别接所述能量管理控制装置的控制输出正极端和控制输出负极端，电源负极端连接所述自供电电路中二极管D1的负极，控制输出端连接所述矩形波发生模块的矩形波控制输入端；所述矩形波发生模块为集成芯片，有3个连接端，其中电源负极端连接所述自供电电路中二极管D1的负极，矩形波输出端连接所述复合开关模块的矩形波输入端；所述复合开关模块有7个连接端，其中电源正极端连接所述稳压模块的稳压输出端，最大功率跟踪控制输入正极端和最大功率跟踪控制输入负极端分别连接能量管理控制装置的最大功率跟踪驱动信号输出正极端和最大功率跟踪驱动信号输出负极端，使能控制输入端连接所述过压检测模块的过压控制输出端，电源负极端连接所述自供电电路中二极管D1的负极，控制输出端连接所述栅极驱动模块的控制输入端；所述栅极驱动模块为集成芯片，有4个连接端，其中电源正极端连接所述稳压模块的稳压输出端，电源负极端连接所述自供电电路中二极管D1的负极，驱动输出端连接所述自供电电路中开关管S1的栅极；所述过压检测模块有5个连接端，其中电源正极端连接所述自供电电路中二极管D2的负极，过压信号输入正极端和过压信号输入负极端分别连接能量管理控制装置的过压信号输出正极端和过压信号输出负极端，电源负极端连接所述自供电电路中二极管D1的负极。
所述常闭开关模块包括电阻R1、电阻R2、二极管D11、三极管T1、开关管T2和光电耦合器Q1；所述电阻R1的一端接开关管T2的源极，另一端接光电耦合器Q1的集电极；所述电阻R2的一端接开关管T2的源极，另一端接开关管T2的栅极；所述二极管D11的负极接三极管T1的基极，阳极接光电耦合器Q1的集电极；所述三极管T1的集电极连接开关管T2的栅极，发射极连接所述光电耦合器Q1的发射极；所述开关管T2的漏极为常闭开关模块的控制输出端，源极为常闭开关模块的电源正极端；所述光电耦合器Q1中的发光二极管两端分别为常闭开关模块的控制输入正极端和控制输入负极端，发射极为常闭开关模块的电源负极端。
在稳压模块输出的电源电压Vcc下，三极管T1通过电阻R1和二极管D11获得基极电流，其集电极和发射极饱和导通，Vcc几乎全部降落在电阻R2上，使开关管T2饱和导通，即开关闭合；当光电耦合器Q1的集电极和发射极导通时，三极管T1的发射结电压小于其导通压降而截止，致使开关管T2的栅源之间无开启电压而截止，即开关断开，为确保光电耦合器Q1饱和导通时，三极管T1可靠截止，所以串接二极管D11在三极管T1的基极上。
所述复合开关模块包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、二极管D22、三极管T3、三极管T4、三极管T6、开关管T5和光电耦合器Q2；所述电阻R3的一端接三极管T4的基极，另一端为复合开关模块的使能控制输入端；所述电阻R4一端接三极管T3的基极，另一端接三极管T4的集电极；所述电阻R5一端接三极管T3的集电极，另一端接三极管T4的发射极；所述电阻R6一端接光电耦合器Q2的发射极，另一端接三极管T6的基极；所述电阻R7一端接光电耦合器Q2的集电极，另一端连接三极管T6的集电极；所述二极管D22的正极为复合开关模块的矩形波输入端，负极接光电耦合器Q2的发射极；所述三极管T3的集电极接光电耦合器Q2的集电极，发射极连接开关管T5的栅极；所述三极管T4的发射极连接开关管T5的源极；所述三极管T6的集电极为复合开关模块的控制输出端，发射极连接三极管T4的发射极；所述开关管T5的源极作为所述复合开关模块的电源负极端，漏极接三极管T6的基极；所述光电耦合器Q2中的发光二极管两端分别为复合开关模块的最大功率跟踪控制输入正极端和最大功率跟踪控制输入负极端，集电极作为所述复合开关模块的电源正极端。
当二极管D22或光电耦合器Q2导通时，三极管T6通过电阻R6获得基极电流而导通，复合开关模块(304)的控制输出端输出低电平；当二极管D22和光电耦合器Q2均截止时，三极管T6不导通，复合开关模块(304)的控制输出端输出高电平；当三极管T4导通时，三极管T3导通，电阻R5上的电压使开关管T5导通，开关管T5导通后将三极管T6的基极和发射极短路，无论二极管D22和光电耦合器Q2导通还是截止，三极管T6都不会导通，复合开关模块(304)的控制输出端输出高电平；复合开关模块(304)功能为带使能控制输入的或非逻辑关系，当使能控制输入端输入低电平或无输入时，复合开关模块(304)的矩形波输入端和最大功率跟踪控制输入正极端及最大功率跟踪控制输入负极端正常工作；当使能控制输入端为高电平时，矩形波输入端和最大功率跟踪控制输入正极端及最大功率跟踪控制输入负极端的控制作用将被封锁，复合开关模块(304)的控制输出端输出高电平。
所述过压检测模块包括电阻R0、稳压二极管Z0和光电耦合器Q0；所述电阻R0的一端接光电耦合器Q0中发光二极管的阴极，另一端所述过压检测模块的电源负极端；所述稳压二极管Z0的阴极为所述过压检测模块的电源正极端，阳极接光电耦合器Q0中发光二极管的阳极；所述光电耦合器Q0的集电极和发射极分别为过压检测模块的过压信号输入正极端和过压信号输入负极端，光电耦合器Q0中发光二极管的阴极为过压检测模块的过压控制输出端。
本发明的工作原理及工作过程为：
本发明的自供电电路是在传统BUCK结构电路的开关功率管的漏极和源极之间并联一个二极管和电容串联支路组成。不同于传统BUCK结构电路对其低压端元件的要求，本发明的自供电电路的低压输出端接大电容性质的储能设备，如蓄电池和超级电容器。自供电电路中，电容C1、电容C3、二极管D1、电感L1和开关管S1共同组成的BUCK电路。电容C2和储能设备为串联的结构，其串联等效电容近似等于电容C2的容值，因而当有电流流过此支路时，电压的上升几乎全部降落在电容C2上，至此电容C2上才能有足够的电压使自启动电路工作。自启动电路工作后，以一定的占空比驱动开关管S1导通和关闭。若忽略二极管的导通压降，稳态时自供电电路的高压输出端电压将等于其高压输入端电压，即Us＝Ud，具体工作过程分析如下：
由于开关周期很短，因而一个开关周期内电容C1的端电压Ud不变，储能设备的端电压Uo也不变。在稳态情况下，自供电电路存在电感电流连续和断续的工作模态。在电感L1电流连续的情况下，当开关管S1导通时，二极管D2承受电容C2上的反向电压而截止，同时电感L1充电，开关管S1导通瞬间电容C2的电压Us_on+＝Ud；当开关管S1断开时，由于自启动电路一直需要消耗电能，且在开关管S1导通期间，自启动电路是从电容C2在上获得电能，所以开关管S1断开时电容C2的电压Us_off+小于开关管S1导通时的电压Us_on+。此外，在开关管S1断开的瞬间，电感L1的电压立即反向，由于二极管D1和储能设备回路的存在，电感L1的电压会被钳制小于等于二极管D1的导通压降与储能设备电压之和。此时，电路存在电压关系：Ud+UL＝Us_off++Uo，Us_off+<Ud，UL≤Uo。
根据上式可知，UL必定小于Uo，二极管D1不导通，二极管D2导通，电容C2充电，其电压Us不断上升，UL也不断上升，当UL＝Uo时，Us＝Ud。所以在开关管S1关闭期间，电感L1在开关管S1导通期间存储的电能先补充到电容C2和自启动电路上，当电容C2的电压Us＝Ud时，才通过二极管D1续流。电感电流断续下的情况也如此，电感L1在开关管S1导通期间存储的电能先补充到电容C2所在的支路上，当电压电容C2的电压Us＝Ud时，电感L1的一部分电流供给自启动电路，剩余部分通过二极管D1续流。
自启动电路是自供能电路的核心电路部分，其主要用于驱动所述开关管S1，并且通过光电耦合的方式与能量管理控制装置协同工作。自启动电路包含稳压模块、常闭开关模块、矩形波发生模块、复合开关模块、栅极驱动模块和过压检测模块。
稳压器模块为所述常闭开关模块、矩形波发生模块、复合开关模块和栅极驱动模块提供稳定的电压源。稳压器模块的输入与输出共地，大部分输入与输出共地的降压型开关稳压器和线性稳压器可满足设计要求。
过压检测模块用于检测稳压器模块的输入电压，并保护稳压器模块工作在安全的电压范围内。过压检测模块由稳压二极管Z0、光电耦合器Q0和电阻R0串联组成，选定不同的稳压二极管Z0和电阻R0可设定不同的过压检测点，当所述电容C2电压Us未达到设定过压检测点时，稳压二极管Z0不会击穿，电阻R0上和电耦合器Q0的发光二极管上没有电流流过，光电耦合器Q0的集电极和发射极不输出过压信号，R0上也不会输出过压控制信号。
常闭开关模块用于控制矩形波发生模块的通电和断电，且正常情况下常闭开关模块自然导通，使所述矩形波发生模块上电运行。常闭开关模块由电阻R1、电阻R2、二极管D11、三极管T1、三极管T2和光电耦合器Q1组成。在电压Vcc下三极管T1通过电阻R1和二极管D11获得基极电流，其集电极和发射极饱和导通，Vcc电压几乎全部降落在电阻R2上，使三极管T2饱和导通，即开关闭合；当光电耦合器Q1的集电极和发射极导通时，三极管T1的发射结电压小于其导通压降而截止，致使三极管T2的栅源之间无开启电压而截止，即开关断开，为确保光电耦合器Q1饱和导通时，三极管T1可靠截止，所以串接二极管D11在三极管T1的基极上。
矩形波发生模块用于产生固定占空比的矩形波信号，其工作时输出较大占空比的矩形波信号，经过复合开关模块反向后，传输到栅极驱动模块输入端信号的占空比就变小了。
复合开关模块用于处理其输入与输出的逻辑关系。复合开关模块由二极管D22、光电耦合器Q2、三极管T3、三极管T4、三极管T5、三极管T6、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7组成。当二极管D22或光电耦合器Q2导通时，三极管T6通过电阻R6获得基极电流而导通，复合开关模块(304)的控制输出端输出低电平；当二极管D22和光电耦合器Q2均截止时，三极管T6不导通，复合开关模块(304)的控制输出端输出高电平；当三极管T4导通时，三极管T3导通，电阻R5上的电压使开关管T5导通，开关管T5导通后将三极管T6的基极和发射极短路，无论二极管D22和光电耦合器Q2导通还是截止，三极管T6都不会导通，复合开关模块(304)的控制输出端输出高电平。因此，复合开关模块功能为带使能控制输入的或非逻辑关系。当使能控制输入端输入低电平或无输入时，复合开关模块的矩形波输入端和最大功率跟踪控制输入正极端及最大功率跟踪控制输入负极端正常工作；当使能控制输入端为高电平时，矩形波输入端和最大功率跟踪控制输入正极端及最大功率跟踪控制输入负极端的控制作用将被封锁，复合开关模块的控制输出端输出高电平。
栅极驱动模块用于驱动所述开关管S1。栅极驱动模块的逻辑关系为同相输入输出的关系，外部发电机输出端的等效负载与所述开关管S1的占空比成正比关系，开关管S1的占空比越小，外部发电机输出端的等效负载越小，为使外部发电机越能够在低能量条件下启动运行，其输出端的等效负载就要越小，即栅极驱动模块输入信号波形的占空比要越小。
能量管理控制装置接在储能设备上，用于储能设备进行充电和放电管理，并通过光电耦合的方式与所述自启动电路子系统进行通信。根据储能设备的剩余电荷SOC划分为：主动能量收集模式、自动能量收集模式和过压保护模式，其中过压保护模式贯穿整个发电工作期间，具体工作过程为：
(1)主动能量收集模式：所述储能设备的剩余电能≥10％。
能量管理控制装置先通过给常闭开关模块的控制输入正极端和控制输入负极端发送控制信号，使常闭开关模块断开矩形波发生模块的工作电源，然后再通过给复合开关模块的最大功率跟踪控制输入正极端和最大功率跟踪控制输入负极端发送控制信号，改变栅极驱动模块的驱动信号占空比，进而控制功率开关管S1，实现自供电能量收集电路能量收集的最大化。当能量管理控制装置检测到自供电能量收集电路收集到的电能长时间小于自供电能量收集电路自身所消耗的电能时，能量管理控制装置自动断开对常闭开关模块和复合开关模块的控制。此时，常闭开关模块使矩形波发生模块上电工作，能量管理控制装置实时检测所述外部发电机的输出功率。当能量管理控制装置连续在几个周期检测到的外部发电机的输出功率大于所设定的功率时，能量管理控制装置重新控制所述常闭开关模块和复合开关模块。
(2)自动能量收集模式：所述储能设备的剩余电能<10％。
能量管理控制装置切断自供电能量收集电路的用电负荷，并进入休眠状态。休眠期间，能量管理控制装置只处理自供电能量收集电路的一些保护控制，包括过压和过流保护。在自动能量收集模式下，常闭开关模块自然闭合，矩形波发生模块上电工作，输出固定占空比的矩形波信号。矩形波信号经复合开关模块传送和栅极驱动模块功率放大后，驱动功率开关管S1导通和关闭，从而使储能设备逐渐积累电能，当储能设备的电能足够唤醒能量管理控制装置时，自供电能量收集电路重新转入主动能量收集模式。
过压保护模式分两种情况：
(1)储能设备完全没有电能启动能量管理控制装置：当储能电容C2两端发生过压时，复合开关模块的使能控制输入端接收到过压检测模块的过压控制输出端的过压信号，复合开关模块的控制输出端输出高电平，使栅极驱动模块驱动功率开关管S1导通，从而切断储能电容的充电电流。
(2)自供电能量收集电路在主动能量收集模式下工作或能量管理控制装置在休眠状态下时，在复合开关模块发生过压保护动作的同时，能量管理控制装置也能够接收到过压检测模块的过压控制输出端的过压信号。当过压信号消除时，能量管理控制装置通过控制复合开关模块的最大功率跟踪控制输入正极端和最大功率跟踪控制输入负极端，使复合开关模块的矩形波输出端输出正常的占空比控制信号。
本发明的有益效果为：
(1)本发明在传统能量转换电路的基础上，增加了自启动电路，可根据发电系统实际的发电功率或电压的大小，自动启动能量转换电路，实现发电电压足够的情况下不工作，发电电压过小的情况下自动调压，从而大幅提高发电系统的能量捕获及利用范围；
(2)本发明采用的自启动电路均由无源器件搭建而成，电路本身不耗电，运行时发热耗电量极低，真正实现了“闲时不耗能，忙时少耗能”，最大限度的保证了电能的有效利用和存储，提高了系统的能量转换效率。
(3)本发明的储能设备采用蓄电池与超级电容相结合的互补存储方式，发电设备产生的电能经过变换后，能量较小时，给超级电容器充电，能量较大时给蓄电池充电，从而保证了能量的高效收集以及系统供电的稳定性和可靠性。
附图说明
图1是本发明的能量收集电路的主电路结构原理图；
图2a是本发明的自供电电路的第二种结构原理图；
图2b是本发明的自供电电路的第三种结构的原理图；
图2c是本发明的自供电电路的第四种结构原理图；
图3是本发明的自启动电路的结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明海洋能发电自供电能量收集电路，包括整流电路1、自供电电路2和能量管理控制装置5；所述整流电路1由二极管D01、D02、D03、D04、D05、D06构成，所述整流电路1的交流输入端与外部发电机三相输出端连接，所述整流电路1的直流输出端分别与自供电电路的正极输入端Ud+和负极输入端Ud-连接；所述自供电电路2包括电容C1、电容C2、电容C3、二极管D1、二极管D2、电感L1、开关管S1、自启动电路3和储能设备4；电容C1、二极管D2、电容C2、电容C3、电感L1依次串联形成回路，其中二极管D2的正极连接电容C1，负极连接电容C2；二极管D1的正极连接电容C1与电感L1的连接端，负极连接电容C2与电容C3的连接端；开关管S1的源极连接二极管D1的负极，漏极连接二极管D2的正极，栅极连接自启动电路3的栅极驱动模块的驱动输出端；自启动电路3的电源正极端连接二极管D2的负极，电源负极端连接二极管D1的负极；储能设备4为蓄电池或超级电容器，正极连接电容C2与电容C3的连接端，负极连接电容C3与电感L1的连接端；所述开关管S1的漏极端作为所述自供电电路2的正极输入端Ud+，所述二极管D1的正极端作为所述自供电电路2的负极输入端Ud-；所述储能设备4的正极端作为所述自供电电路2的正极输出端Uo+，所述储能设备4的负极端作为所述自供电电路2的负极输出端Uo-；所述能量管理控制装置5的电源正极端和电源负极端分别与自供电电路2的正极输出端Uo+和负极输出端Uo-连接。
如图2a所示，本发明的自供电电路的第二种电路结构图，与图1中的自供电电路2相比，仅电感L1的位置不同。图2a中，电感L1的一端和二极管D1的阴极以及开关管S1的源极共同接在自启动电路3的电源负极端上，另一端接在自启动电路(3)的电源正极端上，自供电电路的负极输出端Uo-和自供电电路的负极输入端Ud-接在一起。
如图2b所示，本发明的自供电电路的第三种电路结构图中，电容C1、电感L1、电容C3、二极管D2、电容C2依次串联形成回路，其中二极管D2的正极连接电容C3，负极连接电容C2；二极管D1的负极连接电容C1与电感L1的连接端，正极连接二极管D2的正极；开关管S1的源极连接电容C1与电容C2的连接端，漏极连接二极管D1的正极，栅极连接自启动电路的栅极驱动模块的驱动输出端；自启动电路的电源正极端连接二极管D2的负极，电源负极端连接开关管S1的源极；储能设备正极连接电感L1与电容C3的连接端，负极连接二极管D2的正极；所述二极管D1的负极作为所述自供电电路的正极输入端Ud+，所述开关管S1的源极作为所述自供电电路的负极输入端Ud-；所述储能设备的正极端作为所述自供电电路的正极输出端Uo+，所述储能设备的负极端作为所述自供电电路的负极输出端Uo-。
如图2c所示，本发明的自供电电路的第四种电路结构图，与图2b的电路结构相比，仅电感L1的位置不同。图2c中，电感L1的一端和二极管D1的阳极、二极管D1的阳极、开关管S1的源极共同接在一起，电感L1的另一端接在所述储能设备的负极端。
如图3所示，本发明自启动电路3包含稳压模块301、常闭开关模块302、矩形波发生模块303、复合开关模块304、栅极驱动模块305和过压检测模(306；所述稳压模块301为集成芯片，有3个连接端，其中电源正极端连接所述自供电电路2中二极管D2的负极，电源负极端连接所述自供电电路2中二极管D1的负极，稳压输出端接所述常闭开关模块302的电源正极端；所述常闭开关模块302有5个连接端，其中控制输入正极端和控制输入负极端分别接所述能量管理控制装置5的控制输出正极端和控制输出负极端，电源负极端连接所述自供电电路2中二极管D1的负极，控制输出端连接所述矩形波发生模块303的矩形波控制输入端；所述矩形波发生模块303为集成芯片，有3个连接端，其中电源负极端连接所述自供电电路2中二极管D1的负极，矩形波输出端连接所述复合开关模块304的矩形波输入端；所述复合开关模块304有7个连接端，其中电源正极端连接所述稳压模块301的稳压输出端，最大功率跟踪控制输入正极端和最大功率跟踪控制输入负极端分别连接能量管理控制装置5的最大功率跟踪驱动信号输出正极端和最大功率跟踪驱动信号输出负极端，使能控制输入端连接所述过压检测模块306的过压控制输出端，电源负极端连接所述自供电电路2中二极管D1的负极，控制输出端连接所述栅极驱动模块305的控制输入端；所述栅极驱动模块305为集成芯片，有4个连接端，其中电源正极端连接所述稳压模块301的稳压输出端，电源负极端连接所述自供电电路2中二极管D1的负极，驱动输出端连接所述自供电电路2中开关管S1的栅极；所述过压检测模块306有5个连接端，其中电源正极端连接所述自供电电路2中二极管D2的负极，过压信号输入正极端和过压信号输入负极端分别连接能量管理控制装置5的过压信号输出正极端和过压信号输出负极端，电源负极端连接所述自供电电路2中二极管D1的负极。
如图3所示，本发明常闭开关模块302包括电阻R1、电阻R2、二极管D11、三极管T1、开关管T2和光电耦合器Q1；所述电阻R1的一端接开关管T2的源极，另一端接光电耦合器Q1的集电极；所述电阻R2的一端接开关管T2的源极，另一端接开关管T2的栅极；所述二极管D11的负极接三极管T1的基极，阳极接光电耦合器Q1的集电极；所述三极管T1的集电极连接开关管T2的栅极，发射极连接所述光电耦合器Q1的发射极；所述开关管T2的漏极为常闭开关模块302的控制输出端，源极为常闭开关模块302的电源正极端；所述光电耦合器Q1中的发光二极管两端分别为常闭开关模块302的控制输入正极端和控制输入负极端，发射极为常闭开关模块302的电源负极端。
如图3所示，本发明复合开关模块304包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、二极管D22、三极管T3、三极管T4、三极管T6、开关管T5和光电耦合器Q2；所述电阻R3的一端接三极管T4的基极，另一端为复合开关模块(304)的使能控制输入端；所述电阻R4一端接三极管T3的基极，另一端接三极管T4的集电极；所述电阻R5一端接三极管T3的集电极，另一端接三极管T4的发射极；所述电阻R6一端接光电耦合器Q2的发射极，另一端接三极管T6的基极；所述电阻R7一端接光电耦合器Q2的集电极，另一端连接三极管T6的集电极；所述二极管D22的正极为复合开关模块304的矩形波输入端，负极接光电耦合器Q2的发射极；所述三极管T3的集电极接光电耦合器Q2的集电极，发射极连接开关管T5的栅极；所述三极管T4的发射极连接开关管T5的源极；所述三极管T6的集电极为复合开关模块304的控制输出端，发射极连接三极管T4的发射极；所述开关管T5的源极作为所述复合开关模块304的电源负极端，漏极接三极管T6的基极；所述光电耦合器Q2中的发光二极管两端分别为复合开关模块304的最大功率跟踪控制输入正极端和最大功率跟踪控制输入负极端，集电极作为所述复合开关模块304的电源正极端。
如图3所示，本发明过压检测模块306包括电阻R0、稳压二极管Z0和光电耦合器Q0；所述电阻R0的一端接光电耦合器Q0中发光二极管的阴极，另一端所述过压检测模块306的电源负极端；所述稳压二极管Z0的阴极为所述过压检测模块306的电源正极端，阳极接光电耦合器Q0中发光二极管的阳极；所述光电耦合器Q0的集电极和发射极分别为过压检测模块306的过压信号输入正极端和过压信号输入负极端，光电耦合器Q0中发光二极管的阴极为过压检测模块306的过压控制输出端。
Claims (12)
1.一种用于海洋能发电的自启动电路(3)，其特征在于：包括稳压器模块(301)、常闭开关模块(302)、矩形波发生模块(303)、复合开关模块(304)、栅极驱动模块(305)和过压检测模块(306)；
稳压器模块(301)，为常闭开关模块(302)、矩形波发生模块(303)、复合开关模块(304)、栅极驱动模块(305)和过压检测模块(306)提供稳定的电压源；
过压检测模块(306)，用于检测稳压器模块(301)的输入电压，保护稳压器模块(301)工作在安全的电压范围内，并将检测结果输出至复合开关模块(304)的控制端；
常闭开关模块(302)，用于控制矩形波发生模块(303)的通电和断电，且正常情况下常闭开关模块(302)自然导通，使所述矩形波发生模块(303)上电运行；
矩形波发生模块(303)，用于产生固定占空比的矩形波信号，并输出至复合开关模块(304)的矩形波输入端；当矩形波发生模块(303)工作时，矩形波输出端输出的矩形波信号经过复合开关模块(304)反向后，传输到栅极驱动模块(305)的矩形波输入端；
复合开关模块(304)，用于处理输入与输出的逻辑关系，为带使能控制输入的或非逻辑关系；当使能控制输入端输入低电平或无输入时，所述复合开关模块(304)的矩形波输入端、最大功率跟踪控制输入正极端和最大功率跟踪控制输入负极端正常工作，矩形波输出端输出占空比控制信号；当使能控制输入端为高电平时，所述复合开关模块(304)的矩形波输入端、最大功率跟踪控制输入正极端和最大功率跟踪控制输入负极端将被封锁，矩形波输出端输出高电平；
栅极驱动模块(305)，根据复合开关模块(304)的输出驱动功率开关管。
2.根据权利要求1所述的用于海洋能发电的自启动电路(3)，其特征在于：所述常闭开关模块(302)包括电阻R1、电阻R2、二极管D11、三极管T1、开关管T2和光电耦合器Q1；所述电阻R1的一端接开关管T2的源极，另一端接光电耦合器Q1的集电极；所述电阻R2的一端接开关管T2的源极，另一端接开关管T2的栅极；所述二极管D11的负极接三极管T1的基极，阳极接光电耦合器Q1的集电极；所述三极管T1的集电极连接开关管T2的栅极，发射极连接所述光电耦合器Q1的发射极；所述开关管T2的漏极为常闭开关模块(302)的控制输出端，源极为常闭开关模块(302)的电源正极端；所述光电耦合器Q1中的发光二极管两端分别为常闭开关模块(302)的控制输入正极端和控制输入负极端，发射极为常闭开关模块(302)的电源负极端。
3.根据权利要求1所述的用于海洋能发电的自启动电路(3)，其特征在于：所述复合开关模块(304)包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、二极管D22、三极管T3、三极管T4、三极管T6、开关管T5和光电耦合器Q2；所述电阻R3的一端接三极管T4的基极，另一端为复合开关模块(304)的使能控制输入端；所述电阻R4一端接三极管T3的基极，另一端接三极管T4的集电极；所述电阻R5一端接三极管T3的集电极，另一端接三极管T4的发射极；所述电阻R6一端接光电耦合器Q2的发射极，另一端接三极管T6的基极；所述电阻R7一端接光电耦合器Q2的集电极，另一端连接三极管T6的集电极；所述二极管D22的正极为复合开关模块(304)的矩形波输入端，负极接光电耦合器Q2的发射极；所述三极管T3的集电极接光电耦合器Q2的集电极，发射极连接开关管T5的栅极；所述三极管T4的发射极连接开关管T5的源极；所述三极管T6的集电极为复合开关模块(304)的控制输出端，发射极连接三极管T4的发射极；所述开关管T5的源极作为所述复合开关模块(304)的电源负极端，漏极接三极管T6的基极；所述光电耦合器Q2中的发光二极管两端分别为复合开关模块(304)的最大功率跟踪控制输入正极端和最大功率跟踪控制输入负极端，集电极作为所述复合开关模块(304)的电源正极端。
4.根据权利要求1所述的用于海洋能发电的自启动电路(3)，其特征在于：所述过压检测模块(306)包括电阻R0、稳压二极管Z0和光电耦合器Q0；所述电阻R0的一端接光电耦合器Q0中发光二极管的阴极，另一端所述过压检测模块(306)的电源负极端；所述稳压二极管Z0的阴极为所述过压检测模块(306)的电源正极端，阳极接光电耦合器Q0中发光二极管的阳极；所述光电耦合器Q0的集电极和发射极分别为过压检测模块(306)的过压信号输入正极端和过压信号输入负极端，光电耦合器Q0中发光二极管的阴极为过压检测模块(306)的过压控制输出端。
5.根据权利要求1所述的自启动电路(3)，其特征在于：所述栅极驱动模块(306)的输入信号波形的占空比小于50％。
6.一种用于海洋能发电的自供电电路(2)，其特征在于：所述自供电电路(2)在BUCK结构电路的功率开关管S1的漏源极之间并联一个二极管D2与储能电容C2串联支路，储能电容C2并联一个权利要求1-5任意之一所述的自启动电路(3)，并将储能电容C2上的电能供给所述自启动电路(3)；所述自启动电路(3)用于驱动所述功率开关管S1。
7.一种海洋能发电的自供电能量收集电路，包括整流电路(1)、自供电电路(2)和能量管理控制装置(5)；其特征在于：所述自供电路(2)在BUCK结构电路的功率开关管S1的漏源极之间并联一个二极管D2与储能电容C2串联支路，储能电容C2并联权利要求1-5任意之一所述的自启动电路(3)，并将储能电容C2上的电能供给所述自启动电路(3)；所述自启动电路(3)用于驱动所述功率开关管S1；所述能量管理控制装置(5)接在储能设备(4)上，用于储能设备(4)进行充电和放电管理，并通过光电耦合的方式与所述自启动电路(3)进行通信。
8.根据权利要求7所述的一种海洋能发电的自供电能量收集电路，其特征在于：将所述储能设备(4)的剩余电荷SOC划分为：主动能量收集模式、自动能量收集模式和过压保护模式；主动能量收集模式在所述储能设备(4)的剩余电能≥10％时采用；自动能量收集模式在所述储能设备(4)的剩余电能<10％时采用；过压保护模式当贯穿整个发电工作期间，用于检测稳压器模块(301)的输入电压，保护稳压器模块(301)工作在安全的电压范围内。
9.根据权利要求8所述的一种海洋能发电的自供电能量收集电路，其特征在于：所述主动能量收集模式过程如下：
所述能量管理控制装置(5)先通过给常闭开关模块(302)的控制输入正极端和控制输入负极端发送控制信号，使常闭开关模块(302)断开矩形波发生模块(303)的工作电源，然后再通过给复合开关模块(304)的最大功率跟踪控制输入正极端和最大功率跟踪控制输入负极端发送控制信号，改变栅极驱动模块(305)的驱动信号占空比，进而控制功率开关管S1，实现所述自供电能量收集电路能量收集的最大化；当所述能量管理控制装置(5)检测到所述自供电能量收集电路收集到的电能长时间小于所述自供电能量收集电路自身所消耗的电能时，所述能量管理控制装置(5)自动断开对常闭开关模块(302)和复合开关模块(304)的控制，此时，常闭开关模块(302)使矩形波发生模块(303)上电工作，所述能量管理控制装置(5)实时检测外部发电机PMSG的输出功率；当所述能量管理控制装置(5)连续在几个周期检测到的所述外部发电机PMSG的输出功率大于所设定的功率时，所述能量管理控制装置(5)重新控制常闭开关模块(302)和复合开关模块(304)。
10.根据权利要求8所述的一种海洋能发电的自供电能量收集电路，其特征在于：所述自动能量收集模式实现如下：
所述能量管理控制装置(5)切断所述自供电能量收集电路的用电负荷，并进入休眠状态，休眠期间，所述能量管理控制装置(5)只处理所述自供电能量收集电路的一些保护控制，包括过压和过流保护；在自动能量收集模式下，常闭开关模块(302)自然闭合，矩形波发生模块(303)上电工作，输出固定占空比的矩形波信号，矩形波信号经复合开关模块(304)传送和栅极驱动模块(305)功率放大后，驱动功率开关管S1导通和关闭，从而使所述储能设备(4)逐渐积累电能，当储能设备(4)的电能足够唤醒所述能量管理控制装置(5)时，所述自供电能量收集电路重新转入主动能量收集模式。
11.根据权利要求8所述的一种海洋能发电的自供电能量收集电路，其特征在于：所述过压保护模式分两种情况：
A：所述储能设备(4)完全没有电能启动能量管理控制装置：当储能电容C2两端发生过压时，复合开关模块(304)的使能控制输入端接收到过压检测模块(306)的过压控制输出端的过压信号，复合开关模块(304)的控制输出端输出高电平，使栅极驱动模块(305)驱动功率开关管S1导通，从而切断储能电容C2的充电电流；
B：所述自供电能量收集电路在主动能量收集模式下工作或所述能量管理控制装置(5)在休眠状态下时，在复合开关模块(304)发生过压保护动作的同时，所述能量管理控制装置(5)也能够接收到过压检测模块(306)的过压控制输出端的过压信号；当过压信号消除时，所述能量管理控制装置(5)通过控制复合开关模块(304)的最大功率跟踪控制输入正极端和最大功率跟踪控制输入负极端，使复合开关模块(304)的矩形波输出端输出正常的占空比控制信号。
12.根据权利要求8所述的一种海洋能发电的自供电能量收集电路，其特征在于：所述储能设备(4)采用蓄电池与超级电容相结合的互补存储方式，外部发电机PMSG产生的电能经过变换后，电压小于蓄电池端电压时，给超级电容器充电，电压大于蓄电池端电压时，给蓄电池充电，从而保证了所述外部发电机PMSG输出电能的高效收集以及所述自供电能量收集电路供电的稳定性和可靠性。
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