CN110034589A - 感应取能式交直流联合供电系统与控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种感应取能式交直流联合供电系统与控制方法，包括主电路与电源控制与能量管理系统；主电路包括交流取电电路、主供电电路、充电电路、后备供电电路与支撑电容C1；支撑电容C1正极端与整流母线连接；电源控制与能量管理系统包括DC‑DC主控制器与整流母线电压采样电路；整流母线电压能够反映取电CT的交流输入功率与负载及供电系统消耗功率的能量平衡关系；DC‑DC主控制器能够根据整流母线电压判断能量平衡关系，并根据不同的能量平衡关系选择相应的控制策略，同时产生能够满足相应控制策略的控制信号。还公开了一种交直流联合供电方法，采用本发明的感应取能式交直流联合供电系统，并且根据整流母线电压进行分区控制。
Description
技术领域
本发明属于电力系统的感应取电技术领域，具体涉及一种感应取能式交直流联合供电系统，还涉及一种感应取能式交直流联合供电的控制方法。
背景技术
随着电力建设的迅速发展，电网规模不断扩大，在复杂地形条件下的电网建设和设备维护工作也越来越多，因此对输电线路的在线监测是一项迫切的工作，更是智能电网的重要组成部分。为了保障电力系统的安全稳定运行，安装一些高压输电线路在线监测装置是不可或缺的。实际运行经验表明，很多监测设备在安装后并不能长期稳定运行，而制约这些在线监测设备可靠运行的主要因素在于供电电源。
目前通常使用的供电方式包括：太阳能供电、激光供电、分压电容供电、后备储能装置供电等，而这些电源往往存在一些缺点，例如供电能力受天气因素影响、输出功率小、不能长期持续使用。为了克服此类电源的弊端，一种基于电磁感应原理的输电线路感应取能电源开始投入市场，但同样也存在各种技术缺陷亟待完善，例如启动电流大、输出功率低、可靠性低、线路工况变化时供电不连续等。
申请号为201110382214.6，发明名称为“一种用于高压线路感应取电的系统及方法”的专利文献，利用两组不同磁导率互感器相互切换的方式来解决输电线路一次侧电流宽范围取电的问题，但这种控制方式在切换瞬间会出现互感器短时开路现象，因此有高压放电隐患，可能造成电源损坏。申请号为201210445319.6，发明名称为“一种输电线路感应取电电源最大功率跟踪系统及方法”的专利文献，通过额外增加一路处于空载状态的测量线圈，并实时检测和比较取电线圈和测量线圈的电压，利用设定的判断条件动态调节取电线圈输出电压值以及确定负载供电路径，但这种控制方式并没有考虑电池的充电策略，且如果额外增加的测量线圈回路失效将导致电源系统紊乱，故该控制方法可靠性不高。申请号为201420419252.3，发明名称为“一种无死区感应取电电源系统”的专利文献，虽然叙述了一种包含锂电池充放电及供电路径切换的电源管理方法，但是其有限状态机的设计不合理，状态切换判别条件复杂且冗余，电池充电策略采用开环PWM占空比调节，且无完善的电池保护方案。此外，其它“最大功率跟踪”、“可充电不间断式”的感应取电相关专利在电源控制和能量管理方面也存在类似的缺陷和不足。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种感应取能式交直流联合供电系统，解决现有技术中状态切换判别条件复杂且冗余的技术问题，能够根据唯一的关键参量，即整流母线电压，对供电与充电过程进行优化控制。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种感应取能式交直流联合供电系统，包括主电路与电源控制与能量管理系统；
主电路包括交流取电电路、主供电电路、充电电路、后备供电电路与支撑电容C1；所述交流取电电路包括用于从交流线路感应得到交流电流的取电CT，取电CT通过整流桥U1将交流电流转换为直流电流，并对整流母线的支撑电容C1充电以建立合适的直流工作电压，整流桥U1能够通过整流母线将转换后的直流电能输出给中间变换器U2；中间变换器U2再通过主供电电路向负载供电；所述主供电电路通过主开关Q2来切断或导通；充电电路包括串联连接的充电开关Q3与充电拓扑电路U3；后备供电电路包括后备储能装置U4与储能供电支路，所述储能供电支路一端与后备储能装置U4连接，另一端接入主开关Q2与负载之间；所述储能供电支路通过放电开关Q4来切断或导通；中间变换器U2通过充电电路为后备储能装置U4充电；
支撑电容C1正极端与整流母线连接，其负极端接电源系统参考地平面，整流母线电压随着支撑电容C1正极端电压的变化而变化，支撑电容C1正极端电压的变化随着其充放电过程的变化而变化；电源控制与能量管理系统包括整流母线电压采样电路；整流母线电压采样电路用于实时采样整流母线电压并送给电源控制系统；所述整流母线电压能够反映取电CT的交流输入功率与负载及供电系统消耗功率的能量平衡关系；
电源控制与能量管理系统还包括采样信号输入模块、驱动信号输出模块与DC-DC主控制器；所述DC-DC主控制器能够通过采样信号输入模块实时获取整流母线电压采样电路采集的整流母线电压，再根据整流母线电压状态判断能量平衡关系，并根据不同的能量平衡关系选择相应的控制策略，同时产生能够满足相应控制策略的控制信号；DC-DC主控制器能够通过驱动信号输出模块分别向主开关Q2、充电开关Q3与放电开关Q4发送控制信号。
进一步的，还包括设置在整流桥U1与支撑电容C1之间的泄放电路，所述泄放电路包括串联在整流母线上的二级管D1以及并联在二极管D1前端的泄放开关Q1；泄放开关Q1一端连接二极管D1的阳极，另一端与电源系统参考地平面连接，可以使整流桥U1输出的多余电流能够通过泄放开关Q1回流至取电CT，避免因支撑电容C1过充电而造成整流母线过压；
整流母线电压取样电路的取样点位于二级管D1与中间变换器U2之间；
电源控制与能量管理系统还包括AC-DC主控制器，AC-DC主控制器能够通过采样信号输入模块实时获取整流母线电压采样电路采集的整流母线电压；AC-DC主控制器能够判断整流母线电压是否超过安全阈值，并生成相应的PWM控制信号，再通过驱动信号输出模块向泄放开关Q1的门极发送PWM驱动电平。
进一步的，电源控制与能量管理系统通过1#辅助电源从主供电电路或后备储能装置U4取电；所述充电开关Q3包括与其并联的反向二级管，使得充电开关Q3断开时，后备储能装置U4能够通过充电拓扑电路U3和反向二级管输出反向电流供给1#辅助电源；主供电电路还包括二级管D2与输出变换器U5，二级管D2串联在中间变换器U2与主开关Q2之间，输出变换器U5串联在主开关Q2与负载之间；二级管D2的阳极与中间变换器U2输出端连接，二级管D2的阴极与主开关Q2连接；1#辅助电源中为AC-DC控制器供电的部分由P1输入端与二级管D2的阳极连接，并只能从主供电电路取电；1#辅助电源中为DC-DC控制器供电的部分由P2输入端与二级管D2的阴极连接，当主供电电路正常工作时优先供电，而主供电电路不工作时由后备储能装置U4的反向电流供电。
进一步的，所述支撑电容C1为普通铝电解电容；所述后备储能装置U4为锂电池组或超级电容器组。
进一步的，还包括后备储能温度保护电路，后备储能温度保护电路由2#辅助电源供电，且2#辅助电源的P3输入端与二级管D2的阴极连接，从而既可以从主供电电路优先获取能量，又可以从后备储能装置U4获取能量来保证不间断供电；所述后备储能温度保护电路包括充放电干预模块、用于实时检测后备储能装置U4温度的温度传感器、控制储能供电支路通断的放电开关Q5；所述放电开关Q5与放电开关Q4串联；温度传感器与充放电干预模块的信号输入端连接，并且充放电干预模块的信号输出端分别与DC-DC主控制器、放电开关Q5连接，从而能够分别向DC-DC主控制器发送温度超过安全阈值的报警信号，以及对放电开关Q5的门极输出通断控制的驱动信号。
进一步的，所述DC-DC主控制器包括供电路径切换模块、充电电流跟踪模块、充电开关使能模块以及内核执行控制电路；所述供电路径切换模块用于根据整流母线电压生成能够实现负载不间断供电的路径切换指令；充电电流跟踪模块用于根据整流母线电压生成能够实现满足系统能量平衡时的最大充电电流设定值指令；充电开关使能模块用于根据整流母线电压生成能够实现间歇充电模式的充电开关驱动信号使能指令；所述内核执行控制电路用于接收供电路径切换模块、充电电流跟踪模块与充电开关使能模块的指令，并根据相应指令输出驱动信号给主开关Q2、充电开关Q3与放电开关Q4，其中向充电开关Q3输出的驱动信号为定频率的PWM脉宽调制信号。
一种交直流联合供电控制方法，采用上述的感应取能式交直流联合供电系统，并且根据整流母线电压进行分区控制：
当整流母线电压VBUS处于1#区间时，表明取电CT的交流输入功率小于或等于负载及供电系统消耗功率之和，DC-DC主控制器执行主开关Q2与放电开关Q4的协调控制，通过切换不同的供电模式以实现对负载的不间断供电；供电模式包括交流供电、直流供电与交替供电；所述交流供电是指闭合主开关Q2并断开放电开关Q4，交流取电电路通过主供电电路向负载供电；所述直流供电是指闭合放电开关Q4并断开主开关Q2，后备供电电路为负载供电；所述交替供电是指交流供电与直流供电进行交替切换运行；
当整流母线电压VBUS处于2#区间时，表明取电CT的交流输入功率大于负载及供电系统消耗功率之和，在保持交流供电模式为负载供电的同时，DC-DC主控制器控制充电开关Q3以对后备储能装置U4进行充电过程的控制；
整流母线电压的3#区间为2#区间的子区间，当整流母线电压VBUS处于3#区间时，表明整流母线电压VBUS超过整流母线电压安全阈值，在保持交流供电模式为负载供电以及DC-DC主控制器控制充电开关Q3以对后备储能装置U4进行充电过程的控制的同时，AC-DC主控制器控制泄放开关Q1以通过泄放电路对取电CT输出的多余电流进行泄放，从而保证整个电源系统的安全。
进一步的，1#区间为[0,Vs5off]，并包括以下子区间：中间变换器U2的迟滞区间[Vs2off,Vs2on]与供电模式切换迟滞区间[Vs3off,Vs3on]；中间变换器U2的启动条件为VBUS≥Vs2on，中间变换器U2的关闭条件为VBUS≤Vs2off；供电模式切换的交流供电触发条件为VBUS≥Vs3on，供电模式切换的直流供电触发条件为VBUS≤Vs3off；并且Vs3off＞Vs2on；
当VBUS＜Vs2on时，不满足中间变换器U2的启动条件，采用直流供电模式，即由后备供电电路为负载供电，放电开关Q4处于闭合状态且主开关Q2和充电开关Q3处于断开状态，而DC-DC主控制器由后备储能装置U4经充电拓扑电路U3和充电开关Q3的反向并联二级管提供的反向电流供电；
当Vs2on≤VBUS＜Vs3on时，中间变换器U2正常工作，由于充电开关Q3的反向并联二极管处于截止状态，此时后备储能装置U4不能输出反向电流，而1#辅助电源分别通过P1输入端和P2输入端从主供电电路获取电能向AC-DC主控制器和DC-DC主控制器供电，由于未触发交流供电模式，所以依旧采用直流供电模式为负载供电；
当VBUS≥Vs3on时，开始触发交流供电模式，此时闭合主开关Q2并断开放电开关Q4，即由主供电电路为负载供电；若交流输入功率不能完全满足负载消耗的需求，则整流母线电压VBUS呈下降趋势，直到VBUS≤Vs3off时将触发直流供电模式，并立刻切换为直流供电模式；但是由于交流输入功率对整流母线的支撑电容C1继续充电，整流母线电压将重新回到VBUS≥Vs3on的状态，并再次触发交流供电模式；因此，若交流输入功率不能完全满足负载消耗的需求，这种供电模式切换会循环进行，相当于取电CT和后备储能装置U4交替为负载供电；而当交流输入功率过低时，由于整流母线电压不能被充电至VBUS≥Vs3on，所以不能触发交流供电模式而一直保持直流供电模式；当交流输入功率大于等于负载消耗的需求时，整流母线电压将保持稳定在VBUS≥Vs3off的区间，即可以维持交流供电模式而不触发直流供电模式。
进一步的，2#区间为[Vs5off,∞)，并包含以下子区间：充电开关使能迟滞区间[Vs5off,Vs5on]；充电开关Q3的驱动使能条件为VBUS≥Vs5on，充电开关Q3的驱动禁止条件为VBUS≤Vs5off；Vs4on为充电电流跟踪控制的启动门槛；Vs6on为稳压控制的安全阈值；并且，Vs3on＜Vs5off＜Vs4on；
当Vs4on＜VBUS＜Vs5on时，在保持交流供电模式为负载供电的同时，DC-DC主控制器开始根据整流母线电压状态进行动态功率跟踪并实时计算充电电流设定值；
当Vs5on≤VBUS＜Vs6on时，在保持交流供电模式为负载供电与进行充电电流跟踪计算的同时，DC-DC主控制器使能充电开关Q3的驱动信号，并根据满足系统能量平衡的最大充电电流设定指令对充电开关Q3输出PWM驱动信号，从而实现对充电过程的控制。
进一步的，3#区间为[Vs6on,∞)，并包含以下子区间：整流母线电压超限控制迟滞区间[Vs7off,Vs7on]；并且Vs7off＞Vs6on；
当Vs6on≤VBUS＜Vs7on时，AC-DC控制器对泄放开关Q1进行定频率PWM控制，其最大占空比小于100％，从而使泄放开关Q1交替进行闭合和断开，以实现整流母线电压稳压控制，防止整流母线电压的持续上升；
当VBUS＞Vs7on时，AC-DC控制器完全闭合泄放开关Q1来达到100％占空比，以实现整流母线电压超限控制，防止整流母线电压再进一步上升，最终实现了对整个供电系统的可靠保护。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的主电路能够实现主供电电路与后备供电电路的切换，并能实现为后备储能装置U4的充电。辅助电路中支撑电容C1的电压会随着取电CT的交流输入功率与消耗功率(负载及供电系统的消耗功率之和)的能量平衡关系(以下简称系统能量平衡关系)的变化而变化，当交流输入功率提高或消耗功率降低时，支撑电容C1被持续充电，整流母线电压检测点的电压将升高；当交流输入功率下降或消耗功率增加时，支撑电容C1向中间变换器U2放电，整流母线电压检测点的电压下降。支撑电容C1既作为整流桥U1的输出电容以建立合适的直流工作电压，同时也兼作中间变换器U2的输入滤波电容。
2、本发明仅基于整流母线电压作为反映系统能量平衡关系的关键参量，电源控制与能量管理系统完全根据整流母线电压对主电路进行控制，采用以负载供电优先的能量主动管理策略，后备储能装置的充电功率根据系统能量平衡状态自动调节以实现最大功率跟踪和利用，供电模式的切换快速简单合理，并可实现负载的不间断可靠供电。
3、通过增加泄放电路与AC-DC主控制器，当交流输入功率远大于负载消耗功率时，对整流母线电压进行稳压和超限控制，从而保证了供电系统的安全运行。
4、泄放电路通过在整流桥U1的输出端进行短接，将多余的电流回馈至取电CT的二次侧，这相当于取电CT的一次侧交流线路将多余能量回收，这种方式比电阻耗能式泄放更为经济，且不易造成取电CT饱和。
5、电源控制与能量管理系统的1#辅助电源可以从主供电电路或后备储能装置U4获取电能，保证了DC-DC主控制器的不间断供电，而AC-DC主控制器的辅助电源由于通过输入端P1连接至二极管D2的阳极，故仅能从主供电电路获取电能，当交流输入功率太低或无效时，将可以进一步提高后备储能装置对负载的续航。
6、支撑电容C1为普通电解电容且容值不需很大，由于其充放电迅速，因此能快速反映系统能量平衡关系的变化，提高了系统控制的灵敏度；并且相较超级电容作为整流母线的支撑电容，普通电解电容的耐压高、价格低、适应的环境温度范围广，可以满足整流母线电压宽范围运行和系统可靠性要求。
7、增加后备储能装置的温度保护电路，以提高后备储能装置充放电过程的安全性。
8、DC-DC主控制器包括供电路径切换模块、充电电流跟踪模块、充电开关使能模块以及内核执行控制电路，其中，供电路径切换模块、充电电流跟踪模块、充电开关使能模块的功能可采用现有技术中相应的硬件电路实现，也可以采用嵌入式处理器的软件编程来实现。
9、后备储能装置的最大充电功率跟踪是根据整流母线电压的变化来计算充电电流设定指令，再根据该指令对充电开关Q3进行定频率PWM控制，通过电流反馈调节过程使实际的充电电流保持和设定值相同。由于当充电电流设定值极小时，电流的采样反馈控制无法正确工作，这时将以固定的最小充电电流进行连续充电。为了维持系统能量平衡且充分利用交流输入功率，在DC-DC主控制器中设置了充电开关使能模块，并利用整流母线电压的区间配合关系，实现了以固定最小充电电流间歇充电的工作模式，解决了连续充电跟踪控制的死区问题。
10、对泄放开关Q1进行PWM控制，根据整流母线电压反映的系统能量平衡关系来调节占空比，只有当极端工况(如输电线短路或严重过负荷)时，才完全闭合泄放开关Q1。在系统瞬时功率小幅不平衡时，采用快速占空比控制，可以提高系统的响应速度和交流输入功率的利用率。
11、本发明对中间变换器U2、供电模式切换、充电开关使能以及整流母线电压超限控制等均设置了相应的迟滞区间，只有当整流母线电压下降到迟滞区间的下限时，才关闭相应控制阶段的器件或功能，从而避免了整流母线电压在触发条件上下波动引起的频繁操作，提高了系统运行的鲁棒性。
12、Vs3off＞Vs2on、Vs3on＜Vs5off＜Vs4on、Vs7off＞Vs6on，使得各控制阶段的执行正确配合，并实现相应的工作模式及切换。
附图说明
图1是具体实施方式中感应取能式交直流联合供电系统的结构框图；
图2是具体实施方式中电源控制与能量管理系统的组成架构图；
图3是后备储能装置的温度保护示意图；
图4是基于整流母线电压的分区控制策略示意图；
图5是供电模式、充电模式与保护模式的组合方案示意图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。
本发明的感应取能式交直流联合供电系统，适用于具有交流线路的高压隔离供电场所，且不限于架空输电线路，还可安装于电气环网柜、输配电变压器、变电站交流母线等，采用本发明的感应取能式交直流联合供电系统可以为各种传感器与监测设备供电。
如图1所示，一种感应取能式交直流联合供电系统，其特征在于：包括主电路与电源控制与能量管理系统；
主电路包括交流取电电路、主供电电路、充电电路、后备供电电路与支撑电容C1；所述交流取电电路包括用于从交流线路感应得到交流电流的取电CT，取电CT通过整流桥U1将交流电流转换为直流电流，并对整流母线的支撑电容C1充电以建立合适的直流工作电压，整流桥U1能够通过整流母线将转换后的直流电能输出给中间变换器U2；中间变换器U2再通过主供电电路向负载供电；所述主供电电路通过主开关Q2来切断或导通；充电电路包括串联连接的充电开关Q3与充电拓扑电路U3；后备供电电路包括后备储能装置U4与储能供电支路，所述储能供电支路一端与后备储能装置U4连接，另一端接入主开关Q2与负载之间；所述储能供电支路通过放电开关Q4来切断或导通；中间变换器U2通过充电电路为后备储能装置U4充电；
支撑电容C1正极端与整流母线连接，其负极端接电源系统参考地平面，整流母线电压随着支撑电容C1正极端电压的变化而变化，支撑电容C1正极端电压的变化随着其充放电过程的变化而变化；电源控制与能量管理系统包括整流母线电压采样电路；整流母线电压采样电路用于实时采样整流母线电压并送给电源控制系统；所述整流母线电压能够反映取电CT的交流输入功率与负载及供电系统消耗功率之和的能量平衡关系；
电源控制与能量管理系统还包括采样信号输入模块、驱动信号输出模块与DC-DC主控制器；所述DC-DC主控制器能够通过采样信号输入模块实时获取整流母线电压采样电路采集的整流母线电压，再根据整流母线电压状态判断能量平衡关系，并根据不同的能量平衡关系选择相应的控制策略，同时产生能够满足相应控制策略的控制信号；DC-DC主控制器能够通过驱动信号输出模块分别向主开关Q2、充电开关Q3与放电开关Q4发送控制信号。
取电CT，其通过电磁感应将交流线路中的大电流转换为二次侧小电流输出；TVS瞬态电压抑制二极管，用于防止取电CT二次侧瞬时过压；整流桥U1，用于将取电CT的二次侧交流电流转换为直流电流输出；支撑电容C1，用于将整流桥输出的直流电流充电转换为直流电压，同时兼当辅助电源的启动电容和中间变换器的输入滤波电容；中间变换器U2，其对整流母线进行直流电压等级变换。主开关Q2，用于控制从取电CT开始到输出变换器的能量传输主路径。后备储能装置U4，由锂电池组或超级电容器组构成，电压和容量可灵活配置。二极管D3，用于提供电源路径切换瞬间的电流冲击支撑，Q4导通时，旁路其本身的二极管及并联的二极管D3，降低功耗和发热并提升续航能力，与主开关Q2满足互斥导通关系。
DC-DC主控制器用于系统能量平衡管理，当取电CT交流输入功率或负载消耗功率变化时，对后备储能装置的充放电功率进行主动管理，不仅能满足负载不间断供电，还可以实现输入能量的最优利用。如图2所示，它包含电源路径切换模块、充电开关使能模块、充电电流跟踪模块以及内核执行控制电路，其中，供电路径切换模块、充电电流跟踪模块、充电开关使能模块的功能可采用现有技术中相应的硬件电路实现，也可以采用嵌入式处理器的软件编程来实现。
电源路径切换用于实现负载的不间断供电，充电开关使能和充电电流跟踪用于实现最大充电功率跟踪和输入能量最优利用，内核执行控制电路的功能则是接收电源路径切换、充电开关使能、充电电流跟踪模块三者的指令信号，同时正确输出主开关Q2、充电开关Q3和放电开关Q4的驱动信号，并对后备储能装置的电压和电流进行采样反馈控制，当后备储能装置充电达到某一电压阈值时，充电电路自动切换为恒压输出，防止过度充电而损坏；当后备储能装置放电至低于某一电压阈值时，输出变换器U5停止工作，防止后备储能装置对负载过度放电。
本具体实施方式中，还包括设置在整流桥U1与支撑电容C1之间的泄放电路，所述泄放电路包括串联在整流母线上的二级管D1以及并联在二极管D1前端的泄放开关Q1；泄放开关Q1一端连接二极管D1的阳极，另一端与电源系统参考地平面连接，可以使整流桥U1输出的多余电流能够通过泄放开关Q1回流至取电CT，避免因支撑电容C1过充电而造成整流母线过压；
整流母线电压取样电路的取样点位于二级管D1与中间变换器U2之间；
电源控制与能量管理系统还包括AC-DC主控制器，AC-DC主控制器能够通过采样信号输入模块实时获取整流母线电压采样电路采集的整流母线电压；AC-DC主控制器能够判断整流母线电压是否超过安全阈值，并生成相应的PWM控制信号，再通过驱动信号输出模块向泄放开关Q1的门极发送PWM驱动电平。
AC-DC主控制器用于整流电路中泄放开关Q1的控制，保证了整流母线电压的安全运行，如图2所示，包含母线电压稳定控制和母线电压超限控制两种功能。母线电压稳定控制采用定频率PWM脉宽调制控制，母线电压超限控制采用全占空比迟滞开关控制，两者密切配合无缝切换，可实现泄放开关Q1的0-100％占空比控制，以及整流母线电压的无死区保护。
本具体实施方式中，电源控制与能量管理系统通过1#辅助电源从主供电电路或后备储能装置U4取电；所述充电开关Q3包括与其并联的反向二级管，使得充电开关Q3断开时，后备储能装置U4能够通过充电拓扑电路U3和反向二级管输出反向电流供给1#辅助电源；主供电电路还包括二级管D2与输出变换器U5，二级管D2串联在中间变换器U2与主开关Q2之间，输出变换器U5串联在主开关Q2与负载之间；二级管D2的阳极与中间变换器U2输出端连接，二级管D2的阴极与主开关Q2连接；1#辅助电源中为AC-DC控制器供电的部分由P1输入端与二级管D2的阳极连接，并只能从主供电电路取电；1#辅助电源中为DC-DC控制器供电的部分由P2输入端与二级管D2的阴极连接，当主供电电路正常工作时优先供电，而主供电电路不工作时由后备储能装置U4的反向电流供电。
二极管D2，用于防止后级电路向中间变换器倒灌电流。输出变换器U5，用于抑制电压路径切换动态过程中的电压波动，调节和稳定输出电压，同时还有后备储能装置的过放电欠压保护功能。
本具体实施方式中，还包括后备储能温度保护电路，后备储能温度保护电路由2#辅助电源供电，且2#辅助电源的P3输入端与二级管D2的阴极连接，从而既可以从主供电电路优先获取能量，又可以从后备储能装置U4获取能量来保证不间断供电；所述后备储能温度保护电路包括充放电干预模块、用于实时检测后备储能装置U4温度的温度传感器、控制储能供电支路通断的放电开关Q5，Q5用于后备储能装置温度保护动作时阻断对负载的放电路径；所述放电开关Q5与放电开关Q4串联；温度传感器与充放电干预模块的信号输入端连接，并且充放电干预模块的信号输出端分别与DC-DC主控制器、放电开关Q5连接，从而能够分别向DC-DC主控制器发送温度超过安全阈值的报警信号，以及对放电开关Q5的门极输出通断控制的驱动信号。
如图3所示，所述后备储能装置温度保护电路首先通过温度传感器检测后备储能装置的温度，然后通过禁止充电开关Q3的驱动输入以及直接控制放电开关Q5来阻断后备储能装置的充电和放电路径。当后备储能装置处于恶劣的温度环境时，后备储能装置将处于待机或微功耗状态，虽然此时负载可能会出现供电中断状况，但是这种后备储能装置的保护策略可以保证整个电源供电系统安全平稳度过恶劣环境条件。而当环境温度处于合适条件时，后备储能装置温度保护模块会重新闭合放电开关Q5，或者重新使能充电开关Q3的驱动输入并将其控制权交由电源控制与能量管理系统的DC-DC主控制器。
如图4所示，一种感应取能式交直流联合供电控制方法，适用于本具体实施方式中的感应取能式交直流联合供电系统，其根据整流母线电压进行分区控制：
当整流母线电压VBUS处于1#区间时，表明取电CT的交流输入功率小于或等于负载及供电系统消耗功率之和，DC-DC主控制器执行主开关Q2与放电开关Q4的协调控制，通过切换不同的供电模式以实现对负载的不间断供电；供电模式包括交流供电、直流供电与交替供电；所述交流供电是指闭合主开关Q2并断开放电开关Q4，交流取电电路通过主供电电路向负载供电；所述直流供电是指闭合放电开关Q4并断开主开关Q2，后备供电电路为负载供电；所述交替供电是指交流供电与直流供电进行交替切换运行；
当整流母线电压VBUS处于2#区间时，表明取电CT的交流输入功率大于负载及供电系统消耗功率，在保持交流供电模式为负载供电的同时，DC-DC主控制器控制充电开关Q3以对后备储能装置U4进行充电过程的控制；
整流母线电压的3#区间为2#区间的子区间，当整流母线电压VBUS处于3#区间时，表明整流母线电压VBUS超过整流母线电压安全阈值，在保持交流供电模式为负载供电以及DC-DC主控制器控制充电开关Q3以对后备储能装置U4进行充电过程的控制的同时，AC-DC主控制器控制泄放开关Q1以通过泄放电路对取电CT输出的多余电流进行泄放，从而保证整个电源系统的安全。
本具体实施方式中，1#区间为[0,Vs5off]，并包括以下子区间：中间变换器U2的迟滞区间[Vs2off,Vs2on]与供电模式切换迟滞区间[Vs3off,Vs3on]；中间变换器U2的启动条件为VBUS≥Vs2on，中间变换器U2的关闭条件为VBUS≤Vs2off；供电模式切换的交流供电触发条件为VBUS≥Vs3on，供电模式切换的直流供电触发条件为VBUS≤Vs3off；并且Vs3off＞Vs2on；
当VBUS＜Vs2on时，不满足中间变换器U2的启动条件，采用直流供电模式，即由后备供电电路为负载供电，放电开关Q4处于闭合状态且主开关Q2和充电开关Q3处于断开状态，而DC-DC主控制器由后备储能装置U4经充电拓扑电路U3和充电开关Q3的反向并联二级管提供的反向电流供电；
当Vs2on≤VBUS＜Vs3on时，中间变换器U2正常工作，由于充电开关Q3的反向并联二极管处于截止状态，此时后备储能装置U4不能输出反向电流，而1#辅助电源分别通过P1输入端和P2输入端从主供电电路获取电能向AC-DC主控制器和DC-DC主控制器供电，由于未触发交流供电模式，所以依旧采用直流供电模式为负载供电；
当VBUS≥Vs3on时，开始触发交流供电模式，此时闭合主开关Q2并断开放电开关Q4，即由主供电电路为负载供电；若交流输入功率不能完全满足负载消耗的需求，则整流母线电压VBUS呈下降趋势，直到VBUS≤Vs3off时将触发直流供电模式，并立刻切换为直流供电模式；但是由于交流输入功率对整流母线的支撑电容C1继续充电，整流母线电压将重新回到VBUS≥Vs3on的状态，并再次触发交流供电模式；因此，若交流输入功率不能完全满足负载消耗的需求，这种供电模式切换会循环进行，相当于取电CT和后备储能装置U4交替为负载供电；而当交流输入功率过低时，由于整流母线电压不能被充电至VBUS≥Vs3on，所以不能触发交流供电模式而一直保持直流供电模式；当交流输入功率大于等于负载消耗的需求时，整流母线电压将保持稳定在VBUS≥Vs3off的区间，即可以维持交流供电模式而不触发直流供电模式。
本具体实施方式中，2#区间为[Vs5off,∞)，并包含以下子区间：充电开关使能迟滞区间[Vs5off,Vs5on]；充电开关Q3的驱动使能条件为VBUS≥Vs5on，充电开关Q3的驱动禁止条件为VBUS≤Vs5off；Vs4on为充电电流跟踪控制的启动门槛；Vs6on为稳压控制的安全阈值；并且，Vs3on＜Vs5off＜Vs4on；
当Vs4on＜VBUS＜Vs5on时，在保持交流供电模式为负载供电的同时，DC-DC主控制器开始根据整流母线电压状态进行动态功率跟踪并实时计算充电电流设定值；
当Vs5on≤VBUS＜Vs6on时，在保持交流供电模式为负载供电与进行充电电流跟踪计算的同时，DC-DC主控制器使能充电开关Q3的驱动信号，并根据满足系统能量平衡的最大充电电流设定指令对充电开关Q3输出PWM驱动信号，从而实现对充电过程的控制。
如图5所示，感应取能式交直流联合供电系统的工作状态由供电状态、充电状态和保护状态组成，其中充电状态包括不充电、间歇充电和连续充电三种模式，且后备储能装置的放电和充电是互斥的，即在不充电模式下后备储能装置才可能处于放电或待机，具体情况由供电状态决定。由于充电电流存在采样和控制死区，使得充电电流跟踪控制电路输出指令在极小时充电电流不能按比例调节，即连续充电的最小功率不能无限趋近于零，因此通过间歇充电来实现此时的系统功率平衡，也作为不充电到连续充电之间的过渡。若取电CT的交流输入功率减去负载消耗功率，而剩余部分满足连续充电的最小功率时，则后备储能装置切换到连续充电模式，且后备储能装置充电功率自动跟随取电CT的交流输入功率而变化，在系统功率平衡的前提下实现最优充电。
根据泄放开关Q1的驱动方式分为零占空比、非全占空比和全占空比三种模式，其中，零占空比情况下整流母线电压保护不动作，此时完全由DC-DC主控制器实现系统功率平衡控制。非全占空比是指泄放开关Q1按定频率PWM控制方式工作，占空比大于零但小于100％，这种模式是由母线电压稳定控制电路实现，用于快速消除系统瞬时功率中小幅度不平衡。当输电线路遭遇短路冲击或严重超额定负荷运行时，感应取能式交直流联合供电系统出现大幅度功率不平衡，此时整流母线电压在非全占空比控制下还会继续上升，达到母线电压超限控制触发条件时，将完全闭合泄放开关Q1实现全占空比控制，直到整流母线电压下降到电压超限控制电路关闭条件时，将泄放开关Q1的控制权重新交给母线电压稳定控制电路。
1#区间与2#区间均与零占空比保护模式对应，3#区间则对应了非全占空比和全占空比两种保护模式，具体如下：
3#区间为[Vs6on,∞)，并包含以下子区间：整流母线电压超限控制迟滞区间[Vs7off,Vs7on]；并且Vs7off＞Vs6on；
当Vs6on≤VBUS＜Vs7on时，AC-DC控制器对泄放开关Q1进行定频率PWM控制，其最大占空比小于100％，从而使泄放开关Q1交替进行闭合和断开，以实现整流母线电压稳压控制，防止整流母线电压的持续上升；
当VBUS＞Vs7on时，AC-DC控制器完全闭合泄放开关Q1来达到100％占空比，以实现整流母线电压超限控制，防止整流母线电压再进一步上升，最终实现了对整个供电系统的可靠保护。
当取电CT的交流输入功率和消耗功率(负载与系统消耗之和)变化时，系统功率平衡关系反映为整流母线电压的水平状况。本发明的感应取能式交直流联合供电控制方法仅根据整流母线电压进行判断和操作，就可以自动切换到工作状态集合中最匹配的工作模式，供电系统的状态转换过程快速平滑且不存在未知的亚状态，电路工作简单可靠。
感应取能式交直流联合供电系统在启动后开始监视整流母线电压水平，通过电压区间划分控制阶段，自动判断当前所处状态并施加控制。若整流母线电压波动能维持这一状态，则继续保持当前状态的控制策略。反之，则重新切换到新的工作状态。其中，状态判断和状态切换是一个不断循环的过程，以适应电源系统的稳态和暂态变化。
总之，本发明简化了状态判断与状态切换的判别条件，以反映功率平衡关系的整流母线电压作为唯一关键参量，进行供电与充电过程的优化控制，在满足负载的不间断可靠供电的同时，实现了对交流输入功率的充分利用。
Claims (10)
1.一种感应取能式交直流联合供电系统，其特征在于：包括主电路与电源控制与能量管理系统；
主电路包括交流取电电路、主供电电路、充电电路、后备供电电路与支撑电容C1；所述交流取电电路包括用于从交流线路感应得到交流电流的取电CT，取电CT通过整流桥U1将交流电流转换为直流电流，并对整流母线的支撑电容C1充电以建立合适的直流工作电压，整流桥U1能够通过整流母线将转换后的直流电能输出给中间变换器U2；中间变换器U2再通过主供电电路向负载供电；所述主供电电路通过主开关Q2来切断或导通；充电电路包括串联连接的充电开关Q3与充电拓扑电路U3；后备供电电路包括后备储能装置U4与储能供电支路，所述储能供电支路一端与后备储能装置U4连接，另一端接入主开关Q2与负载之间；所述储能供电支路通过放电开关Q4来切断或导通；中间变换器U2通过充电电路为后备储能装置U4充电；
支撑电容C1正极端与整流母线连接，其负极端接电源系统参考地平面，整流母线电压随着支撑电容C1正极端电压的变化而变化，支撑电容C1正极端电压的变化随着其充放电过程的变化而变化；电源控制与能量管理系统包括整流母线电压采样电路；整流母线电压采样电路用于实时采样整流母线电压并送给电源控制系统；所述整流母线电压能够反映取电CT的交流输入功率与负载及供电系统消耗功率的能量平衡关系；
电源控制与能量管理系统还包括采样信号输入模块、驱动信号输出模块与DC-DC主控制器；所述DC-DC主控制器能够通过采样信号输入模块实时获取整流母线电压采样电路采集的整流母线电压，再根据整流母线电压状态判断能量平衡关系，并根据不同的能量平衡关系选择相应的控制策略，同时产生能够满足相应控制策略的控制信号；DC-DC主控制器能够通过驱动信号输出模块分别向主开关Q2、充电开关Q3与放电开关Q4发送控制信号。
2.根据权利要求1所述的感应取能式交直流联合供电系统，其特征在于：还包括设置在整流桥U1与支撑电容C1之间的泄放电路，所述泄放电路包括串联在整流母线上的二级管D1以及并联在二极管D1前端的泄放开关Q1；泄放开关Q1一端连接二极管D1的阳极，另一端与电源系统参考地平面连接，可以使整流桥U1输出的多余电流能够通过泄放开关Q1回流至取电CT，避免因支撑电容C1过充电而造成整流母线过压；
整流母线电压取样电路的取样点位于二级管D1与中间变换器U2之间；
电源控制与能量管理系统还包括AC-DC主控制器，AC-DC主控制器能够通过采样信号输入模块实时获取整流母线电压采样电路采集的整流母线电压；AC-DC主控制器能够判断整流母线电压是否超过安全阈值，并生成相应的PWM控制信号，再通过驱动信号输出模块向泄放开关Q1的门极发送PWM驱动电平。
3.根据权利要求2所述的感应取能式交直流联合供电系统，其特征在于：电源控制与能量管理系统通过1#辅助电源从主供电电路或后备储能装置U4取电；所述充电开关Q3包括与其并联的反向二级管，使得充电开关Q3断开时，后备储能装置U4能够通过充电拓扑电路U3和反向二级管输出反向电流供给1#辅助电源；主供电电路还包括二级管D2与输出变换器U5，二级管D2串联在中间变换器U2与主开关Q2之间，输出变换器U5串联在主开关Q2与负载之间；二级管D2的阳极与中间变换器U2输出端连接，二级管D2的阴极与主开关Q2连接；1#辅助电源中为AC-DC控制器供电的部分由P1输入端与二级管D2的阳极连接，并只能从主供电电路取电；1#辅助电源中为DC-DC控制器供电的部分由P2输入端与二级管D2的阴极连接，当主供电电路正常工作时优先供电，而主供电电路不工作时由后备储能装置U4的反向电流供电。
4.根据权利要求1所述的感应取能式交直流联合供电系统，其特征在于：所述支撑电容C1为普通铝电解电容；所述后备储能装置U4为锂电池组或超级电容器组。
5.根据权利要求1所述的感应取能式交直流联合供电系统，其特征在于：还包括后备储能温度保护电路，后备储能温度保护电路由2#辅助电源供电，且2#辅助电源的P3输入端与二级管D2的阴极连接，从而既可以从主供电电路优先获取能量，又可以从后备储能装置U4获取能量来保证不间断供电；所述后备储能温度保护电路包括充放电干预模块、用于实时检测后备储能装置U4温度的温度传感器、控制储能供电支路通断的放电开关Q5；所述放电开关Q5与放电开关Q4串联；温度传感器与充放电干预模块的信号输入端连接，并且充放电干预模块的信号输出端分别与DC-DC主控制器、放电开关Q5连接，从而能够分别向DC-DC主控制器发送温度超过安全阈值的报警信号，以及对放电开关Q5的门极输出通断控制的驱动信号。
6.根据权利要求1所述的感应取能式交直流联合供电系统，其特征在于：所述DC-DC主控制器包括供电路径切换模块、充电电流跟踪模块、充电开关使能模块以及内核执行控制电路；所述供电路径切换模块用于根据整流母线电压生成能够实现负载不间断供电的路径切换指令；充电电流跟踪模块用于根据整流母线电压生成能够实现满足系统能量平衡时的最大充电电流设定值指令；充电开关使能模块用于根据整流母线电压生成能够实现间歇充电模式的充电开关驱动信号使能指令；所述内核执行控制电路用于接收供电路径切换模块、充电电流跟踪模块与充电开关使能模块的指令，并根据相应指令输出驱动信号给主开关Q2、充电开关Q3与放电开关Q4，其中向充电开关Q3输出的驱动信号为定频率的PWM脉宽调制信号。
7.一种交直流联合供电控制方法，其特征在于：采用权利要求3所述的感应取能式交直流联合供电系统，并且根据整流母线电压进行分区控制：
当整流母线电压VBUS处于1#区间时，表明取电CT的交流输入功率小于或等于负载及供电系统消耗功率之和，DC-DC主控制器执行主开关Q2与放电开关Q4的协调控制，通过切换不同的供电模式以实现对负载的不间断供电；供电模式包括交流供电、直流供电与交替供电；所述交流供电是指闭合主开关Q2并断开放电开关Q4，交流取电电路通过主供电电路向负载供电；所述直流供电是指闭合放电开关Q4并断开主开关Q2，后备供电电路为负载供电；所述交替供电是指交流供电与直流供电进行交替切换运行；
当整流母线电压VBUS处于2#区间时，表明取电CT的交流输入功率大于负载及供电系统消耗功率，在保持交流供电模式为负载供电的同时，DC-DC主控制器控制充电开关Q3以对后备储能装置U4进行充电过程的控制；
整流母线电压的3#区间为2#区间的子区间，当整流母线电压VBUS处于3#区间时，表明整流母线电压VBUS超过整流母线电压安全阈值，在保持交流供电模式为负载供电以及DC-DC主控制器控制充电开关Q3以对后备储能装置U4进行充电过程的控制的同时，AC-DC主控制器控制泄放开关Q1以通过泄放电路对取电CT输出的多余电流进行泄放，从而保证整个电源系统的安全。
8.根据权利要求7所述的交直流联合供电控制方法，其特征在于：1#区间为[0,Vs5off]，并包括以下子区间：中间变换器U2的迟滞区间[Vs2off,Vs2on]与供电模式切换迟滞区间[Vs3off,Vs3on]；中间变换器U2的启动条件为VBUS≥Vs2on，中间变换器U2的关闭条件为VBUS≤Vs2off；供电模式切换的交流供电触发条件为VBUS≥Vs3on，供电模式切换的直流供电触发条件为VBUS≤Vs3off；并且Vs3off＞Vs2on；
当VBUS＜Vs2on时，不满足中间变换器U2的启动条件，采用直流供电模式，即由后备供电电路为负载供电，放电开关Q4处于闭合状态且主开关Q2和充电开关Q3处于断开状态，而DC-DC主控制器由后备储能装置U4经充电拓扑电路U3和充电开关Q3的反向并联二级管提供的反向电流供电；
当Vs2on≤VBUS＜Vs3on时，中间变换器U2正常工作，由于充电开关Q3的反向并联二极管处于截止状态，此时后备储能装置U4不能输出反向电流，而1#辅助电源分别通过P1输入端和P2输入端从主供电电路获取电能向AC-DC主控制器和DC-DC主控制器供电，由于未触发交流供电模式，所以依旧采用直流供电模式为负载供电；
当VBUS≥Vs3on时，开始触发交流供电模式，此时闭合主开关Q2并断开放电开关Q4，即由主供电电路为负载供电；若交流输入功率不能完全满足负载消耗的需求，则整流母线电压VBUS呈下降趋势，直到VBUS≤Vs3off时将触发直流供电模式，并立刻切换为直流供电模式；但是由于交流输入功率对整流母线的支撑电容C1继续充电，整流母线电压将重新回到VBUS≥Vs3on的状态，并再次触发交流供电模式；因此，若交流输入功率不能完全满足负载消耗的需求，这种供电模式切换会循环进行，相当于取电CT和后备储能装置U4交替为负载供电；而当交流输入功率过低时，由于整流母线电压不能被充电至VBUS≥Vs3on，所以不能触发交流供电模式而一直保持直流供电模式；当交流输入功率大于等于负载消耗的需求时，整流母线电压将保持稳定在VBUS≥Vs3off的区间，即可以维持交流供电模式而不触发直流供电模式。
9.根据权利要求8所述的交直流联合供电控制方法，其特征在于：2#区间为[Vs5off,∞)，并包含以下子区间：充电开关使能迟滞区间[Vs5off,Vs5on]；充电开关Q3的驱动使能条件为VBUS≥Vs5on，充电开关Q3的驱动禁止条件为VBUS≤Vs5off；Vs4on为充电电流跟踪控制的启动门槛；Vs6on为稳压控制的安全阈值；并且，Vs3on＜Vs5off＜Vs4on；
当Vs4on＜VBUS＜Vs5on时，在保持交流供电模式为负载供电的同时，DC-DC主控制器开始根据整流母线电压状态进行动态功率跟踪并实时计算充电电流设定值；
当Vs5on≤VBUS＜Vs6on时，在保持交流供电模式为负载供电与进行充电电流跟踪计算的同时，DC-DC主控制器使能充电开关Q3的驱动信号，并根据满足系统能量平衡的最大充电电流设定指令对充电开关Q3输出PWM驱动信号，从而实现对充电过程的控制。
10.根据权利要求9所述的交直流联合供电控制方法，其特征在于：3#区间为[Vs6on,∞)，并包含以下子区间：整流母线电压超限控制迟滞区间[Vs7off,Vs7on]；并且Vs7off＞Vs6on；
当Vs6on≤VBUS＜Vs7on时，AC-DC控制器对泄放开关Q1进行定频率PWM控制，其最大占空比小于100％，从而使泄放开关Q1交替进行闭合和断开，以实现整流母线电压稳压控制，防止整流母线电压的持续上升；
当VBUS＞Vs7on时，AC-DC控制器完全闭合泄放开关Q1来达到100％占空比，以实现整流母线电压超限控制，防止整流母线电压再进一步上升，最终实现了对整个供电系统的可靠保护。
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