CN110289762A - 一种大电流电源及其恒流控制方法及系统 - Google Patents

一种大电流电源及其恒流控制方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN110289762A
CN110289762A CN201910588330.XA CN201910588330A CN110289762A CN 110289762 A CN110289762 A CN 110289762A CN 201910588330 A CN201910588330 A CN 201910588330A CN 110289762 A CN110289762 A CN 110289762A
Authority
CN
China
Prior art keywords
current
power supply
unit
output
step response
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910588330.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN110289762B (zh
Inventor
朱翔鸥
徐玉
和志文
戴瑜兴
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wenzhou University
Wenzhou Power Supply Co of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Pingyang Power Supply Co of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Original Assignee
Wenzhou University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wenzhou University filed Critical Wenzhou University
Priority to CN201910588330.XA priority Critical patent/CN110289762B/zh
Priority to US16/564,607 priority patent/US10871792B1/en
Publication of CN110289762A publication Critical patent/CN110289762A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110289762B publication Critical patent/CN110289762B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/62—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using bucking or boosting dc sources
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/1563—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators without using an external clock
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/563—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices including two stages of regulation at least one of which is output level responsive, e.g. coarse and fine regulation
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
    • G05F1/569—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for protection
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
    • G05F1/569—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for protection
    • G05F1/573—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for protection with overcurrent detector
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/338—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in a self-oscillating arrangement
    • H02M3/3381—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in a self-oscillating arrangement using a single commutation path

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

本发明公开一种大电流电源及其恒流控制方法及系统。本发明提供的大电流电源包括：初级电源、馈能电路和直流升流器。馈能电路包括续流二极管和磁复位绕组，直流升流器的次级线圈与负载连接。本发明提供的大电流电源的负载端无输出整流二极管与滤波电容，因此不需要考虑输出整流二极管在大电流下的功耗问题，不需要使用电解电容滤波，不仅极大地延长了电源的使用寿命，而且容易通过扩展输出更大的电流，电源电路简单，体积小，易于控制，工作可靠性高。采用本发明提供的控制方法及系统能够精确控制初级电源中Buck电路的输出电压，从而使大电流电源在负载端得到恒定的输出电流。

Description

一种大电流电源及其恒流控制方法及系统
技术领域
本发明涉及低压电器领域，特别是涉及一种大电流电源及其恒流控制方法及系统。
背景技术
直流断路器在直流输电系统中作为换流站中的重要保护电器，能够在不停电的情况下对系统进行检修以及处理出现的故障，确保系统工作正常。而光伏发电站中的直流汇流箱以及直流配电柜中主要将直流断路器作为开关使用，主要功能是过电流保护以及隔离，并为支路开关产生的故障提供选择性保护。特别是集中式光伏并网系统中，拥有大量的直流汇流箱与直流配电柜，需要大量的直流断路器。光伏发电的迅速发展，对直流断路器提出了更高的保护性能要求。而城市轨道交通需要在沿线每两公里建设直流牵引变电所，每个变电所内含10-12套包括直流断路器的直流电源设备，直流断路器主要起过流保护、过压保护、热保护等。可见，高压直流输电技术、光伏发电以及城市轨道交通等直流系统的迅速发展需求大量的直流断路器。同时，作为直流系统中起控制和保护作用的直流断路器，其性能对直流系统的安全可靠运行至关重要。因此对直流断路器的保护特性进行测试，对防止直流系统出现故障及事故扩大，保证直流系统的稳定运行，具有重要意义。
直流断路器短路瞬动保护特性测试所需的电流很大，电流范围为几百安培到几万安培。现有的直流断路器保护特性测试装置大多为电源加负载系统或交流电源整流成直流系统的方式。前者由于外加负载系统，存在体积庞大、重量重、操作繁琐的问题，不利于移动测试。后者不仅存在输出电流不稳定，难控制，且电流纹波大的问题，而且由于交流整流成直流的过程中需要输出整流管，造成整流和滤波困难，且大电流下整流二极管的功耗非常大。
发明内容
本发明的目的是提供一种大电流电源及其控制方法及系统，大电流电源的负载端无输出整流二极管与滤波电容，不需要考虑输出整流二极管在大电流下的功耗问题，大电流电源在负载端能够得到恒定的输出电流。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种大电流电源，所述电源包括：初级电源、馈能电路和直流升流器；其中，
所述馈能电路包括续流二极管和磁复位绕组，所述续流二极管的阳极与所述磁复位绕组的第一端连接，所述续流二极管的阴极与所述直流升流器的初级线圈的第一端连接，所述初级线圈的第二端与所述磁复位绕组的第二端连接；其中，所述磁复位绕组的第一端与所述初级线圈的第一端互为同名端；
所述初级电源的正输出端与所述初级线圈的第一端连接，所述初级电源的负输出端与所述初级线圈的第二端连接，所述直流升流器的次级线圈与负载连接。
可选的，所述初级电源包括Buck电路与直流电源，所述直流电源与所述Buck电路的输入端连接。
一种大电流电源的恒流控制方法，所述控制方法用于所述的电源，所述控制方法包括：
获取从PWM控制器到所述电源的输出电流的单位阶跃响应系数数据集，所述PWM控制器用于控制Buck电路的开关管的工作状态；
根据所述单位阶跃响应系数数据集确定动态矩阵，所述动态矩阵中的元素为所述单位阶跃响应系数数据集中的单位阶跃响应系数；
根据所述动态矩阵、控制增量序列及当前控制量作用下电源的输出电流确定所述电源的预测控制模型；
根据所述预测控制模型预测的输出电流控制所述电源中Buck电路的开关管的工作状态，以使所述电源的输出电流维持在期望值。
一种大电流电源的恒流控制系统，所述控制系统用于所述的电源，所述控制系统包括：
数据集获取模块，用于获取从所述PWM控制器到所述电源的输出电流的单位阶跃响应系数数据集，所述PWM控制器用于控制Buck电路的开关管的工作状态；
动态矩阵确定模块，用于根据所述单位阶跃响应系数数据集确定动态矩阵，所述动态矩阵中的元素为所述单位阶跃响应系数数据集中的单位阶跃响应系数；
预测模型确定模块，用于根据所述动态矩阵、控制增量序列及当前控制量作用下电源的输出电流确定所述电源的预测控制模型；
控制模块，用于根据所述预测控制模型预测的输出电流控制所述电源中Buck电路的开关管的工作状态，以使所述电源的输出电流维持在期望值。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种大电流电源包括：初级电源、馈能电路和直流升流器。馈能电路包括续流二极管和磁复位绕组。续流二极管的阳极与磁复位绕组的第一端连接，续流二极管的阴极与直流升流器的初级线圈的第一端连接，初级线圈的第二端与磁复位绕组的第二端连接。其中，磁复位绕组的第一端与所述初级线圈的第一端互为同名端。初级电源的正输出端与初级线圈的第一端连接，初级电源的负输出端与初级线圈的第二端连接，直流升流器的次级线圈与负载连接。本发明提供的大电流电源的负载端无输出整流二极管与滤波电容，因此不需要考虑输出整流二极管在大电流下的功耗问题，也不需要使用电解电容滤波，不仅极大地延长了电源的使用寿命，而且容易通过扩展输出更大的电流，电源电路简单，体积小，易于控制，工作可靠性高。
本发明提供的大电流电源的恒流控制方法包括：获取从PWM控制器到所述电源的输出电流的单位阶跃响应系数数据集，根据单位阶跃响应系数数据集确定动态矩阵；根据动态矩阵、控制增量序列及当前控制量作用下电源的输出电流确定所述电源的预测控制模型；根据预测控制模型预测的输出电流控制所述电源中Buck电路的开关管的工作状态，以使电源的输出电流维持在期望值。采用本发明提供的控制方法及系统能够精确控制初级电源中Buck电路的输出电压，从而使大电流电源在负载端得到恒定的输出电流。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种大电流电源的电路图；
图2为本发明实施例提供的一种大电流电源的恒流控制方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种大电流电源的恒流控制系统的结构框图；
图4为本发明实施例提供的一种大电流电源的恒流控制方法的原理图；
图5为本发明实施例提供的一种大电流电源的恒流控制方法的实施流程图；
图6为本发明实施例提供的磁化曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种大电流电源及其控制方法及系统，大电流电源的负载端无输出整流二极管与滤波电容，不需要考虑输出整流二极管在大电流下的功耗问题，大电流电源在负载端能够得到恒定的输出电流。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种大电流电源的电路图。如图1所示，所述电源包括：初级电源1、馈能电路2和直流升流器3。
所述馈能电路包括续流二极管D2和磁复位绕组L2，所述续流二极管D2的阳极与所述磁复位绕组L2的第一端连接，所述续流二极管D2的阴极与所述直流升流器的初级线圈L3的第一端连接，所述初级线圈L3的第二端与所述磁复位绕组L2的第二端连接；其中，所述磁复位绕组L2的第一端与所述初级线圈L3的第一端互为同名端。
所述初级电源的正输出端与所述初级线圈L3的第一端连接，所述初级电源的负输出端与所述初级线圈L3的第二端连接，所述直流升流器的次级线圈L4与负载Rload连接。
本实施例中，所述初级电源包括Buck电路与直流电源V，所述直流电源V与所述Buck电路的输入端连接。直流电源V，开关管Q1、电源二极管D1、电感L1、电容C1构成初级电源1，初级电源1主要是为大电流电源提供能源。直流升流器MC1与负载Rload连接，负载Rload为直流断路器。
针对直流断路器短路瞬动保护特性测试装置的电源输出电流大，持续时间短(毫秒级)的特点，本发明提出一种无输出整流二极管的大电流脉冲电源，采用本发明提供的大电流电源进行直流断路器短路瞬动保护特性测试时，其工作过程如下：
使用PWM波控制初级电源的开关管Q1导通与关断，在初级电源的输出端得到周期变化的输出电压，从而在初级线圈L3上得到一个变化的电压，因此在直流升流器MC1上会形成一个变化的磁场，通过磁场耦合到次级线圈L4上产生感应电压，由于次级线圈L4与负载Rload相连，且次级线圈L4与负载Rload组成的回路阻抗极小，负载Rload上就会产生一个低电压、大电流。合理地控制初级电源输出电压的变化，可以使次级线圈L4上得到的感应电流为期望的恒定电流。由续流二极管D2、磁复位绕组L2完成续流与磁复位，将能量回馈到电源端。
相较于其他电子元器件5～10年的使用寿命，电解电容的寿命较短。电源的寿命在很大程度上取决于电解电容的寿命。电解电容的寿命主要与电解电容内部的温度以及纹波电流有关，在流过大电流时，发热尤为严重。根据阿列纽斯经验公式可知：电解电容的工作温度每升高10℃，其寿命缩短一倍。
本发明提出的无输出整流二极管的脉冲电源在负载端不需要输出整流二极管与滤波电容，因此不需要考虑输出整流二极管在大电流下的功耗问题，不需要使用电解电容滤波，极大的延长了电源的使用寿命，容易通过扩展输出更大的电流，本发明提供的大电流电源具有电路简单、电源体积小、易于控制以及工作可靠性高等优点。
图2为本发明实施例提供的一种大电流电源的恒流控制方法的流程图。如图2所示，所述控制方法用于所述的电源，所述控制方法包括：
步骤201：获取从PWM控制器到所述电源的输出电流的单位阶跃响应系数数据集，所述PWM控制器用于控制Buck电路的开关管的工作状态。所述单位阶跃响应系数数据集包括多个线性区单位阶跃响应系数和多个非线性区单位阶跃响应系数，其中，线性区单位阶跃响应系数为直流升流器在线性磁特性工作区域的单位阶跃响应系数，所述非线性区单位阶跃响应系数为直流升流器在饱和磁特性工作区域的单位阶跃响应系数。
步骤202：根据所述单位阶跃响应系数数据集确定动态矩阵，所述动态矩阵中的元素为所述单位阶跃响应系数数据集中的单位阶跃响应系数。为了合理精确的控制初级电源Buck电路的输出电压，以使电源负载端得到恒定的输出电流。本发明充分考虑了直流升流器的磁特性，组成所述动态矩阵的元素包括多个所述线性区单位阶跃响应系数和多个所述非线性区单位阶跃响应系数，能够使电源的输出电流精确可控。
步骤203：根据所述动态矩阵、控制增量序列及当前控制量作用下电源的输出电流确定所述电源的预测控制模型。所述预测控制模型的表达式为：
YPM(k)＝YP0(k)+AΔuM(k)，其中，k表示当前采样周期，YP0(k)表示当前控制量作用下的输出电流预测值矩阵，y0(k+i)表示当前控制量作用下第i个预测时域电源的输出电流预测值，1≤i≤P，P表示预测时域长度；A表示动态矩阵，an表示单位跃响应系数，1≤n≤P；ΔuM(k)表示控制增量序列，Δu(k+i′)表示第i′个控制时域的控制增量，1≤i′≤M-1，M表示控制时域长度；YPM(k)表示在控制增量序列作用下的输出电流预测值矩阵，yM(k+i″)表示在对应控制增量作用下第i″个预测时域的输出电流预测值，1≤i″≤P。
步骤204：根据所述预测控制模型预测的输出电流控制所述电源中Buck电路的开关管的工作状态，以使所述电源的输出电流维持在期望值。
由于现实中存在非线性、模型失配和/或环境干扰等，基于不变模型的预测可能和实际情况不能完全匹配，因此，执行步骤203之后，本实施例采用对预测误差加权的方式对预测模型进行修正，具体包括：
获取输出电流实际值；
采用优化算法求解目标函数：
获得控制增量序列的最优解；其中，qi表示期望差值权系数，rj表示控制增量权系数，w(k+i)表示第i个预测时域电源的输出电流期望值；
根据所述控制增量序列的最优解及所述预测控制模型确定输出电流预测值；
根据所述输出电流预测值与所述输出电流实际值确定预测误差；
根据所述预测误差校正所述预测控制模型，获得校正后的预测控制模型。校正后的预测控制模型的表达式为：Ycor(k+1)＝YPM(k)+he(k+1)，其中，Ycor(k+1)表示校正后的输出电流预测值矩阵，h表示误差校正向量，e(k+1)表示预测误差。
图3为本发明实施例提供的一种大电流电源的恒流控制系统的结构框图。如图3所示，所述控制系统用于所述的电源，所述控制系统包括：
数据集获取模块301，用于获取从所述PWM控制器到所述电源的输出电流的单位阶跃响应系数数据集，所述PWM控制器用于控制Buck电路的开关管的工作状态；
动态矩阵确定模块302，用于根据所述单位阶跃响应系数数据集确定动态矩阵，所述动态矩阵中的元素为所述单位阶跃响应系数数据集中的单位阶跃响应系数；
预测模型确定模块303，用于根据所述动态矩阵、控制增量序列及当前控制量作用下电源的输出电流确定所述电源的预测控制模型；
控制模块304，用于根据所述预测控制模型预测的输出电流控制所述电源中Buck电路的开关管的工作状态，以使所述电源的输出电流维持在期望值。
图4为本发明实施例提供的一种大电流电源的恒流控制方法的原理图。图5为本发明实施例提供的一种大电流电源的恒流控制方法的实施流程图。如图4和图5所示，本发明提供的一种大电流电源的恒流控制方法的具体实施过程如下：
(1)通过制作测试样品测量直流升流器的磁特性，分别测量不同磁场强度下的磁滞回线。记录各磁滞回线顶点的磁感应强度B和磁场强度H，得到表1，则基本磁化曲线如图6所示。
表1磁滞回线的顶点B、H值
(2)测量从电源的PWM控制器到输出电流的单位阶跃响应数据，以建立预测模型。预测模型的功能是根据被控对象的历史信息和未来输入对输出进行预测。在k时刻，假定控制作用保持不变即无控制增量作用下，在未来N个时刻的输出为初始预测电流值：y0(k+1)，…，y0(k+N)，那么在控制增量序列Δu(k)作用后系统的输出电流预测值为：
YN1(k)＝YN0(k)+aΔu(k) (1)
其中，和分别是无控制增加量时电源的输出电流预测值和施加控制增加量序列Δu(k)后电源的输出电流预测值，a＝[a1 a2 … aN]T是系统动态系数矩阵，也就是单位阶跃响应向量。同样的，在M个控制增量：Δu(k)，Δu(k+1)，…，Δu(k+M-1)作用下电源未来P个时刻的输出电流预测值为：
YPM(k)＝YP0(k)+AΔuM(k) (2)
其中， 为动态矩阵，由系统阶跃响应系数组成；P为预测时域长度，M为控制时域长度，N为模型时域的长度，P和M满足条件：M≤P≤N。
(3)滚动优化确定未来一系列时刻的控制增量，主要通过某一性能指标的最优来确定未来的控制增量。优化目标函数为：
其中，qi和rj为权系数，w(k+i)为期望输出电流，Δu(k+j-1)为未来第(j-1)个控制时域的控制增量，yM(k+i)表示第i个预测时域的输出电流预测值。
令Q＝diag(q1,q2…,qP)，R＝diag(r1,r2…,rM)，将优化目标函数写成矩阵形式：
在k各采样周期，对于已知确定的系统，由于WP(k)与YPM(k)已知，在输入输出没有约束的情况下，令可得：
对于已知确定的电源系统，矩阵A、Q、R以及优化时域P和控制时域M都可以通过计算或参数设计得到，所以通过公式(5)计算可得到dT的值从而得到控制增量序列Δu(k)。
dT＝[1 0 … 0](ATQA+R)-1ATQ＝[d1 d2 … dP] (5)
Δu(k)＝[1 0 … 0]ΔuM(k)＝dT[WP(k)-YP0(k)] (6)
(4)通过反馈校正对预测模型进行补充和修正，由于实际应用中存在的非线性、模型失配、环境干扰等，基于不变模型的预测不可能和实际情况完全相符，因此应该采取其他的手段补充模型预测的不足，或者对基础模型进行在线修正。本实施例采用对预测误差加权的方式对预测模型进行修正。其修正公式为：
Ycor(k+1)＝YN1(k)+he(k+1) (7)
e(k+1)＝y(k+1)-y1(k+1) (8)
其中，Ycor＝[ycor(k+1) … ycor(k+N)]T是在t＝(k+1)T采样时刻由误差校正后在t＝(k+i)T采样时刻的预测输出电流，T表示采样周期，h＝[h1 … hN]T为误差校正向量，hi是修正加权系数，表示对不同采样时刻预测值进行误差校正的权重系数，其中h1＝1，e(k+1)为预测误差，预测误差为输出电流实际值与输出电流预测的差值。通过移位矩阵后得到校正后的预测模型的输出电流预测值为：
YN0(k+1)＝SYcor(k+1) (9)
其中S为位移矩阵，
有了当前预测周期的预测电流值后，就可以开始新一轮的优化，动态矩阵控制(DMC)的控制过程是通过预测、优化、校正、预测并随时间推移在线循环实施。
采用本发明提供的控制方法及系统能够精确控制初级电源中Buck电路的输出电压，从而使大电流电源在负载端得到恒定的输出电流，将其用于控制直流断路器短路瞬动保护特性测试装置的电源，具有重要意义。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种大电流电源，其特征在于，所述电源包括：初级电源、馈能电路和直流升流器；其中，
所述馈能电路包括续流二极管和磁复位绕组，所述续流二极管的阳极与所述磁复位绕组的第一端连接，所述续流二极管的阴极与所述直流升流器的初级线圈的第一端连接，所述初级线圈的第二端与所述磁复位绕组的第二端连接；其中，所述磁复位绕组的第一端与所述初级线圈的第一端互为同名端；
所述初级电源的正输出端与所述初级线圈的第一端连接，所述初级电源的负输出端与所述初级线圈的第二端连接，所述直流升流器的次级线圈与负载连接。
2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述初级电源包括Buck电路与直流电源，所述直流电源与所述Buck电路的输入端连接。
3.一种大电流电源的恒流控制方法，其特征在于，所述控制方法用于权利要求2所述的电源，所述控制方法包括：
获取从PWM控制器到所述电源的输出电流的单位阶跃响应系数数据集，所述PWM控制器用于控制Buck电路的开关管的工作状态；
根据所述单位阶跃响应系数数据集确定动态矩阵，所述动态矩阵中的元素为所述单位阶跃响应系数数据集中的单位阶跃响应系数；
根据所述动态矩阵、控制增量序列及当前控制量作用下电源的输出电流确定所述电源的预测控制模型；
根据所述预测控制模型预测的输出电流控制所述电源中Buck电路的开关管的工作状态，以使所述电源的输出电流维持在期望值。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述单位阶跃响应系数数据集包括多个线性区单位阶跃响应系数和多个非线性区单位阶跃响应系数，其中，线性区单位阶跃响应系数为直流升流器在线性磁特性工作区域的单位阶跃响应系数，所述非线性区单位阶跃响应系数为直流升流器在饱和磁特性工作区域的单位阶跃响应系数。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，组成所述动态矩阵的元素包括多个所述线性区单位阶跃响应系数和多个所述非线性区单位阶跃响应系数。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述预测控制模型的表达式为：
YPM(k)＝YP0(k)+AΔuM(k)，其中，k表示当前采样周期，YP0(k)表示当前控制量作用下的输出电流预测值矩阵，y0(k+i)表示当前控制量作用下第i个预测时域电源的输出电流预测值，1≤i≤P，P表示预测时域长度；A表示动态矩阵，an表示单位跃响应系数，1≤n≤P；ΔuM(k)表示控制增量序列，Δu(k+i′)表示第i′个控制时域的控制增量，1≤i′≤M-1，M表示控制时域长度；YPM(k)表示在控制增量序列作用下的输出电流预测值矩阵，yM(k+i″)表示在对应控制增量作用下第i″个预测时域的输出电流预测值，1≤i″≤P。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述动态矩阵、控制增量序列及当前控制量作用下电源的输出电流确定所述电源的预测控制模型之后，还包括：
获取输出电流实际值；
采用优化算法求解目标函数：
获得控制增量序列的最优解；其中，qi表示期望差值权系数，rj表示控制增量权系数，w(k+i)表示第i个预测时域电源的输出电流期望值；
根据所述控制增量序列的最优解及所述预测控制模型确定输出电流预测值；
根据所述输出电流预测值与所述输出电流实际值确定预测误差；
根据所述预测误差校正所述预测控制模型，获得校正后的预测控制模型。
8.一种大电流电源的恒流控制系统，其特征在于，所述控制系统用于权利要求2所述的电源，所述控制系统包括：
数据集获取模块，用于获取从所述PWM控制器到所述电源的输出电流的单位阶跃响应系数数据集，所述PWM控制器用于控制Buck电路的开关管的工作状态；
动态矩阵确定模块，用于根据所述单位阶跃响应系数数据集确定动态矩阵，所述动态矩阵中的元素为所述单位阶跃响应系数数据集中的单位阶跃响应系数；
预测模型确定模块，用于根据所述动态矩阵、控制增量序列及当前控制量作用下电源的输出电流确定所述电源的预测控制模型；
控制模块，用于根据所述预测控制模型预测的输出电流控制所述电源中Buck电路的开关管的工作状态，以使所述电源的输出电流维持在期望值。
CN201910588330.XA 2019-07-02 2019-07-02 一种大电流电源及其恒流控制方法及系统 Active CN110289762B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910588330.XA CN110289762B (zh) 2019-07-02 2019-07-02 一种大电流电源及其恒流控制方法及系统
US16/564,607 US10871792B1 (en) 2019-07-02 2019-09-09 Large-current power supply and constant-current control method and system thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910588330.XA CN110289762B (zh) 2019-07-02 2019-07-02 一种大电流电源及其恒流控制方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110289762A true CN110289762A (zh) 2019-09-27
CN110289762B CN110289762B (zh) 2021-01-01

Family

ID=68021675

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910588330.XA Active CN110289762B (zh) 2019-07-02 2019-07-02 一种大电流电源及其恒流控制方法及系统

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10871792B1 (zh)
CN (1) CN110289762B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110798107A (zh) * 2019-09-30 2020-02-14 山东休普动力科技股份有限公司 基于dmc算法的自由活塞直线发电机控制系统及控制方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN203104298U (zh) * 2013-03-01 2013-07-31 耿昆 全固态转换器
CN103929067A (zh) * 2014-04-30 2014-07-16 杨飏 一种新型的隔离式双向dc/dc变换器的拓扑结构
CN104300516A (zh) * 2014-05-05 2015-01-21 西南交通大学 一种基于Buck变换器的单向变压型高压直流断路器
US20170077729A1 (en) * 2015-09-11 2017-03-16 Renesas Electronics America Inc. Transformer less battery charger system
CN109204006A (zh) * 2018-09-30 2019-01-15 中国铁路设计集团有限公司 一种应用于交流电气化铁路再生能利用系统

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5570276A (en) * 1993-11-15 1996-10-29 Optimun Power Conversion, Inc. Switching converter with open-loop input voltage regulation on primary side and closed-loop load regulation on secondary side
TWI455470B (zh) * 2011-12-30 2014-10-01 Nat Univ Tsing Hua Two - stage isolated DC / AC conversion circuit architecture
JP5704124B2 (ja) * 2012-06-14 2015-04-22 株式会社村田製作所 スイッチング電源装置
CN105247772B (zh) * 2013-05-20 2018-07-24 松下知识产权经营株式会社 直流电源电路
CN103887961B (zh) * 2014-04-18 2015-06-10 杭州士兰微电子股份有限公司 开关电源及其控制器
US10148186B2 (en) * 2016-04-12 2018-12-04 Dialog Semiconductor Inc. Switching power converter with efficient VCC charging

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN203104298U (zh) * 2013-03-01 2013-07-31 耿昆 全固态转换器
CN103929067A (zh) * 2014-04-30 2014-07-16 杨飏 一种新型的隔离式双向dc/dc变换器的拓扑结构
CN104300516A (zh) * 2014-05-05 2015-01-21 西南交通大学 一种基于Buck变换器的单向变压型高压直流断路器
US20170077729A1 (en) * 2015-09-11 2017-03-16 Renesas Electronics America Inc. Transformer less battery charger system
CN109204006A (zh) * 2018-09-30 2019-01-15 中国铁路设计集团有限公司 一种应用于交流电气化铁路再生能利用系统

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110798107A (zh) * 2019-09-30 2020-02-14 山东休普动力科技股份有限公司 基于dmc算法的自由活塞直线发电机控制系统及控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
US10871792B1 (en) 2020-12-22
US20210004034A1 (en) 2021-01-07
CN110289762B (zh) 2021-01-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Van Der Merwe et al. The solid-state transformer concept: A new era in power distribution
CN110829619B (zh) 一种具有阻抗调整功能的输电线路取能装置及其应用方法
CN105429451A (zh) 一种pfc电感饱和抑制电路、方法及电源设备
Huang et al. Improving photovoltaic and electric vehicle penetration in distribution grids with smart transformer
Lazaroiu et al. A control system for dc arc furnaces for power quality improvements
CN203632348U (zh) 一种高压端供能系统
CN103730947A (zh) 一种混合式高压端供能系统
CN110289762A (zh) 一种大电流电源及其恒流控制方法及系统
CN110212800A (zh) 基于模型预测控制的模块化多电平换流器通用控制方法
Zhou et al. Estimation of the short circuit ratio and the optimal controller gains selection of a VSC system
CN109194132B (zh) 一种高频变压器温度场测试电源拓扑的控制方法
Jaraniya et al. Multifunctional bidirectional charging system for EVs and the grid with improved power quality using sparse proportionate-NLMF based method
Laaksonen et al. Voltage and current THD in microgrid with different DG unit and load configurations
Yang et al. Predictive Control of Interleaved Boost Converter Based on Luenberger Disturbance Observer
Megahed et al. Unified Power Quality Evaluation of Charging Electrical Vehicles on Electrical Grid
CN207321150U (zh) 一种解决核电机组励磁阶跃断流问题的系统
Virulkar et al. Modeling and Control of DSTATCOM with BESS for Mitigation of Flicker
Reigstad Bidirectional DC-DC Converter for Supercapacitor as DC-bus Stabilization Element
Huang et al. Research on Power Supply of Monitoring Equipment Based on Adaptive Voltage Stabilization Control
CN110957802A (zh) 一种自适应在线实时感应取能电源系统
CN105048459A (zh) 计及低电压控制的逆变型电源对称短路简化建模方法
Tran Definition and implementation of voltage stability indices in PSS® NETOMAC
Hans et al. Performance analysis of the lithium-ion batteries using CT-CV charging technique
CN204906219U (zh) 一种电子束加工设备精密加速电源装置
Langerudy et al. Tuning of a railway power quality conditioner

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Zhu Xiangou

Inventor after: He Zhiwen

Inventor after: Xu Yu

Inventor after: Dai Yuxing

Inventor before: Zhu Xiangou

Inventor before: Xu Yu

Inventor before: He Zhiwen

Inventor before: Dai Yuxing

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20210726

Address after: 325028 power building, Jinxiu Road, Wenzhou City, Zhejiang Province

Patentee after: WENZHOU POWER SUPPLY COMPANY OF STATE GRID ZHEJIANG ELECTRIC POWER Co.,Ltd.

Patentee after: Pingyang power supply company of State Grid Zhejiang Electric Power Co.,Ltd.

Patentee after: Wenzhou University

Address before: 325016 incubator of Wenzhou National University Science Park, 38 Dongfang South Road, Ouhai District, Wenzhou City, Zhejiang Province

Patentee before: Wenzhou University