CN110768529A - 基于直流微电网能馈式直流电子负载拓扑结构及控制方法 - Google Patents

基于直流微电网能馈式直流电子负载拓扑结构及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于直流微电网能馈式直流电子负载拓扑结构及控制方法，所述拓扑结构包括直流微电网系统，直流微电网系统包括输入侧检测调理电路、输入/输出电感、全控H桥、H桥母线电压检测调理电路、输出侧检测调理电路、控制电路；所述输入电感分别与输入侧检测调理电路和全控H桥相连接，全控H桥与输入电感相连接，输出电感与输出侧检测调理电路相连接；所述全控H桥与H桥母线电压检测调理电路相连接，H桥母线电压检测调理电路与控制电路相连接。本发明的两级变换电路采用常用的全控H桥拓扑结构和同一个微处理器，通过控制全控H桥的直流电压使直流微电网系统的功率达到平衡。且本发明具有电路简单、工作可靠和性价比高的特点。

Description

基于直流微电网能馈式直流电子负载拓扑结构及控制方法
技术领域
本发明涉及电能变换的技术领域，特别是指一种基于直流微电网能馈式直流电子负载拓扑结构及控制方法。
背景技术
随着国民经济的高速发展，对能源的需求也越来越大。一方面：通过对广域内可再生能源发电直流联网，可以充分利用可再生能源发电的互补性，实现可再生能源发电的大规模集中接入，提高可再生能源发电利用率。直流微电网是由直流构成的微电网，是未来智能配用电系统的重要组成部分，对推进节能减排和实现能源可持续发展具有重要意义。相比交流微电网，直流微电网可更高效可靠地接纳风、光等分布式可再生能源发电系统、储能单元、电动汽车及其他直流用电负荷。直流微电网的推广应用为直流能馈式负载提供了能馈的通道。另一方面：随着直流微电网的发展和电力电子产品的多样化，与之相应的DC/DC变换器也得到了迅猛的发展，传统测试一般采用能耗式负载，造成了功率的浪费。这为基于直流微电网的能馈式负载提供了广泛的应用场合。
各种电源设备、电机以及大容量蓄电池在生产和研发过程中，都要进行老化测试与电源输出特性测试，来检测电气特性与质量好坏。传统上通常选用电阻等能耗式负载进行测试，导致电能转化为热能而被白白地耗费。其次，能耗式负载的特性参数不能根据需求灵活、连续地调节，负载达到一定规模之后对环境与散热性要求较高，增加测试成本。
目前市场的电子负载主要由能耗式负载和采用DC/AC结构将功率回馈给交流电网的电子负载两种。其中，一些能耗式电子负载不仅负载特性不能灵活调节，而且电能被白白地耗费，还有些负载虽然做到将功率回馈到电网中去，但是没有实现负载参数灵活、连续调节；而采用DC/AC结构的能馈式电子负载只能将功率回馈给交流电网，无法满足有关基于直流微电网能馈的需求，这给生产、制造、研发和教学带来了诸多不便。
发明内容
针对上述背景技术中存在的不足，本发明提出了一种基于直流微电网能馈式直流电子负载拓扑结构及控制方法，解决了现有能耗式电子负载功率浪费、功能单一，能馈式电子负载回馈给交流电网、无法使用直流电网的技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于直流微电网能馈式直流电子负载拓扑结构，包括直流微电网系统，所述直流微电网系统包括输入侧检测调理电路、输入电感、输出电感、全控H桥、H桥母线电压检测调理电路、输出侧检测调理电路、控制电路、驱动电路、辅助电源电路、保护电路和人机接口电路；所述输入侧检测调理电路与输入电感相连接，输入电感与全控H桥相连接，全控H桥与输入电感相连接，输出电感与输出侧检测调理电路相连接；所述全控H桥与H桥母线电压检测调理电路相连接，H桥母线电压检测调理电路与控制电路相连接，控制电路分别与驱动电路、辅助电源电路、保护电路和人机接口电路相连接。
所述第一级Boost升压电路包括输入电感L1和全控H桥的一个桥臂，输入电感L1与被测DC/DC变换器相连接，输入电感L1与全控H桥的一个桥臂的中点相连接；所述第二级Buck降压电路包括全控H桥的另一个桥臂和输出电感L2，全控H桥的另一个桥臂的中点与输出电感L2相连接，输出电感L2与直流微电网母线相连接。
所述第一级Boost升压电路和第二级Buck降压电路采用同一个控制电路。
所述输入侧检测调理电路、输出侧检测调理电路和H桥母线电压检测调理电路均包括检测电路和调理电路，所述检测电路采用“电阻分压+线性光耦”结构或电流和电压霍尔传感器，所述调理电路采用巴特沃斯低通滤波电路；所述保护电路包括继电器和直流接触器；所述控制电路包括微处理器。
一种基于直流微电网能馈式直流电子负载拓扑结构的控制方法，其步骤如下：
S1、根据被测DC/DC变换器的要求，由第一级Boost升压电路完成恒流、恒阻、恒功率负载模式的功能；
S2、通过全控H桥的直流电压PI调节的控制，为第二级Buck降压电路输出提供指令电流，使直流微电网系统的功率达到平衡；
S3、根据步骤S2提供的指令电流，由第二级Buck降压电路以可控电流源的形式向直流微电网母线输出功率，完成能量回收。
针对恒流模式，能馈式电子负载的给定量为恒定电流Iref，根据第一级Boost升压电路的特征：
Figure BDA0002295773200000021
其中，D为第一级Boost升压电路的占空比，Uin为第一级Boost升压电路的输入电压，Iin为第一级Boost升压电路的输入电流，Udc为全控H桥的电压，Idc为全控H桥的电流，Rin为输入等效电阻，Req为第二级Buck降压电路的等效电阻；改变第一级Boost升压电路的占空比D实现电子负载的恒流模式。
针对恒阻模式，能馈式电子负载的给定量为恒定阻抗值Rref，根据第一级Boost升压电路的特征：其中，D为第一级Boost升压电路的占空比，Uin为第一级Boost升压电路的输入电压，Iin为第一级Boost升压电路的输入电流，Udc为全控H桥的电压；改变第一级Boost升压电路的占空比D实现电子负载的恒阻模式。
针对恒功率模式，能馈式电子负载的给定值为功率大小Pref，根据第一级Boost升压电路的特征：
Figure BDA0002295773200000031
其中，D为第一级Boost升压电路的占空比，Uin为第一级Boost升压电路的输入电压，Iin为第一级Boost升压电路的输入电流，Udc为全控H桥的电压；改变第一级Boost升压电路的占空比D实现电子负载的恒功率模式。
所述步骤S2中全控H桥的直流电压PI调节的控制方法为：根据功率平衡可知：UinIin＝UdcIdc＝UoIo，其中，
Figure BDA0002295773200000032
Uo为电子负载输出侧的电压，Io为电子负载输出侧的电流，Uin为第一级Boost升压电路的输入电压，Iin为第一级Boost升压电路的输入电流，Udc为全控H桥的电压，Idc为全控H桥的电流；当第一级Boost升压电路的输入电压、第一级Boost升压电路的输入电流或输入功率改变时，且全控H桥的电压不变，则全控H桥的电流必须改变，以平衡输入功率的变化。
本技术方案能产生的有益效果：本发明根据直流微电网的特点，能馈式直流电子负载主要由全控H桥组成的两级DC/DC变换组成；第一级由输入电感和全控H桥的一个桥臂组成Boost升压电路完成恒流、恒阻、恒功率等负载功能；第二级由全控H桥的另一个桥臂和输出电感组成Buck降压电路完成向直流电网母线的功率回馈；通过控制全控H桥的直流电压使直流微电网系统的功率达到平衡。两级变换采用常用的全控H桥拓扑结构，两级控制采用同一个微处理器，因此本发明具备电路简单、工作可靠和性价比高的特点。
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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明的系统结构框图。
图2为本发明的实现恒流模式控制的原理框图。
图3为本发明的实现恒阻模式控制的原理框图。
图4为本发明的实现恒功率模式控制的原理框图。
图5为本发明的实现功率平衡及功率回馈控制的原理框图。
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付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。
实施例1，如图1所示，一种基于直流微电网能馈式直流电子负载拓扑结构，所述拓扑结构包括直流微电网系统，所述直流微电网系统包括输入侧检测调理电路、输入电感、输出电感、全控H桥、H桥母线电压检测调理电路、输出侧检测调理电路、控制电路、驱动电路、辅助电源电路、保护电路和人机接口电路；所述输入侧检测调理电路与输入电感相连接，输入电感与全控H桥相连接，全控H桥与输入电感相连接，输出电感与输出侧检测调理电路相连接；所述全控H桥与H桥母线电压检测调理电路相连接，H桥母线电压检测调理电路与控制电路相连接，控制电路分别与驱动电路、辅助电源电路、保护电路和人机接口电路相连接。
所述第一级Boost升压电路包括输入电感L1和全控H桥的一个桥臂，输入电感L1与被测DC/DC变换电路相连接，输入电感L1与全控H桥的一个桥臂的中点相连接；所述第二级Buck降压电路包括全控H桥的另一个桥臂和输出电感L2，全控H桥的另一个桥臂的中点与输出电感L2相连接，输出电感L2与直流微电网母线相连接。所述第一级Boost升压电路和第二级Buck降压电路采用常用的H桥拓扑结构，可用于电池储能和功率的双向流动。
所述第一级Boost升压电路和第二级Buck降压电路采用同一个控制电路，控制电路包括微处理器，微处理器可采用DSP28335或其它功能相近的微处理器，因此第一级Boost升压电路和第二级Buck降压电路采用同一个微处理器，具备电路简单、工作可靠和性价比高特点。微处理器根据被测DC/DC变换器的要求，采集相应的电压和电流，产生实现设定相应功能PWM信号。所述输入侧检测调理电路、输出侧检测调理电路和H桥母线电压检测调理电路均包括检测电路和调理电路，所述检测电路可采用“电阻分压+线性光耦”结构，也可采用电流和电压霍尔传感器，提高直流微电网系统的抗干扰能力，所述调理电路采用巴特沃斯低通滤波电路，滤除高频干扰信号，提高系统的控制精度；所述保护电路包括继电器和直流接触器，微处理器根据设定的保护值与实际检测到的值进行比较，当实际值大于设定保护值时，输出控制信号给继电器，由继电器控制直流接触器断开主电路实现保护。所述驱动电路将微处理器产生的PWM信号进行放大，驱动全控H桥功率开关管的开关状态，实现设定的功能，为避免全控H桥侧“强电”信号对微处理器干扰，在驱动电路与微处理器之间增加高速光耦进行隔离。所述电源辅助电路提供直流微电网系统工作需要的电源，例如微处理器的工作电源一般为5V，检测调理电路的工作电源为±15V，驱动电路的工作电源一般为15V。所述人机接口电路完成模式的设定、保护值的设定和电路参数的显示功能，人机交互采用键盘显示或上位机通信方式。
直流微电网系统的工作过程为：
(1)通过输入侧检测调理电路检测被测DC/DC变换器的电流Iin、电压Uin，将检测到的电流Iin、电压Uin经A/D转换后提供给微处理器；其中，A/D转换可以集成在微处理器模块，也可以是单独的A/D转换电路。
(2)通过H桥直流母线电压检测调理电路将采集到的直流电压Udc经A/D转换后提供给微处理器；
(3)输出侧检测调理电路检测直流电网母线端的电流Io、电压Uo，将检测到的电流Io、电压Uo经A/D转换后提供给微处理器；
(4)微处理器根据被测DC/DC变换器的要求将检测到的信号按步骤S1、S2和S3产生相应的PWM信号。
(5)微处理器产生的PWM信号经驱动电路放大后驱动全控H桥的功率开关管完成相应的控制、保护以及显示功能。
实施例2，如图1所示，一种基于直流微电网能馈式直流电子负载拓扑结构的控制方法，具体步骤如下：
S1、根据被测DC/DC变换器的要求，由第一级Boost升压电路完成恒流、恒阻、恒功率负载模式的功能。其中，被测DC/DC变换器为被测DC/DC变换电路。针对恒流模式控制采用输入端电流Iin反馈，与给定电流Iref进行PI调节控制全控H桥的开关管VT1、VT2桥臂的占空比实现恒流负载模式控制；针对恒阻模式控制，采用输入端电压Uin与设定的电阻之比作为指令电流与输入电流Iin做差，进行PI调节控制全控H桥的开关管VT1、VT2桥臂的占空比实现恒阻负载模式控制；针对恒功率模式控制，采用设定功率与输入端电压Uin之比作为指令电流与输入电流Iin做差，进行PI调节控制控制H桥的开关管VT1、VT2桥臂的占空比实现恒功率负载模式的控制。所述恒流、恒阻、恒功率负载模式的控制是H桥的一个桥臂开关管VT1、VT2完成Boost升压变换，其中，H桥的一个桥臂开关管VT1、VT2的PWM波为互补模式。
如图2所示，针对恒流模式，能馈式电子负载的给定量为恒定电流Iref，无论被测DC/DC变换器的电压如何变化，能馈式电子负载需要控制被测DC/DC变换器输出电流恒定为Iref。当被测DC/DC变换器的电压改变而保持电流不变则需实时改变电子负载输入电阻的大小。根据第一级Boost升压电路的特征：其中，D为第一级Boost升压电路的占空比，Uin为第一级Boost升压电路的输入电压，Iin为第一级Boost升压电路的输入电流，Udc为全控H桥的电压，Idc为全控H桥的电流，Rin为输入等效电阻，Req为第二级Buck降压电路的等效电阻；根据测试需要在输入电压发生变化时其输出电流不变，即要求负载为恒流负载，此时改变负载的等效电阻即可，改变第一级Boost升压电路的占空比D实现电子负载的恒流模式。
具体控制过程为：将第一级Boost升压电路的输入电流Iin和给定的电流Iref做PI调节，其输出改变第一级Boost升压电路的占空比D实现电子负载的恒流模式。
如图3所示，针对恒阻模式，电子负载的给定量为恒定阻抗值Rref，电子负载需要跟随被测DC/DC变换器的电压大小来改变其输出电流大小，以实现阻抗值恒定为Rref。根据第一级Boost升压电路的特征：其中，D为第一级Boost升压电路的占空比，Uin为第一级Boost升压电路的输入电压，Iin为第一级Boost升压电路的输入电流，Udc为全控H桥的电压；改变第一级Boost升压电路的占空比D实现能馈式电子负载的恒阻模式。当全控H桥的电压Udc被Buck降压电路控制为常数时，只要改变第一级Boost升压电路的占空比D实现能馈式电子负载的恒阻模式。
具体控制过程为：将第一级Boost升压电路的输入电压Uin和给定的电阻之比作为指令电流，与第一级Boost升压电路的输入电流Iin做PI调节，其输出改变占空比D实现能馈式电子负载的恒阻模式。
如图4所示，针对恒功率模式，能馈式电子负载的给定值为功率大小Pref，要求能馈式电子负载根据被测DC/DC变换器的电压来控制其输出电流大小，以维持电压源的输出功率恒定为Pref。根据第一级Boost升压电路的特征：
Figure BDA0002295773200000062
其中，D为第一级Boost升压电路的占空比，Uin为第一级Boost升压电路的输入电压，Iin为第一级Boost升压电路的输入电流，Udc为全控H桥的电压；当全控H桥的电压Udc被Buck降压电路控制为常数时，改变第一级Boost升压电路的占空比D实现电子负载的恒功率模式。
具体控制过程为：将给定的功率与第一级Boost升压电路的输入电压Uin之比作为指令电流，与第一级Boost升压电路的输入电流Iin做PI调节，其输出改变占空D实现电子负载的恒功率模式。
S2、通过全控H桥的直流电压PI调节的控制，为第二级Buck降压电路输出提供指令电流，使直流微电网系统的功率达到平衡。将采集到的直流母线电压Udc与设定的电压Udcref相比较，经PI调节输出指令电流Ioutref，与回馈的输出电流Io做差进行PI调节控制H桥的另一个桥臂开关管VT3、VT4电路的占空比，完成向直流微电网母线输出电能的大小的控制，使能馈式电子负载接收的功率和向直流电网发出的功率到达平衡。该级变换是由H桥的另一个桥臂开关管VT3、VT4组成Buck变换，其中，控制H桥的另一个桥臂开关管VT3、VT4的PWM波为互补模式。
如图5所示，全控H桥的直流电压PI调节的控制方法为：根据功率平衡可知：UinIin＝UdcIdc＝UoIo，其中，
Figure BDA0002295773200000071
Uo为电子负载输出侧的电压，Io为电子负载输出侧的电流，Uin为第一级Boost升压电路的输入电压，Iin为第一级Boost升压电路的输入电流，Udc为全控H桥的电压，Idc为全控H桥的电流；当第一级Boost升压电路的输入电压、第一级Boost升压电路的输入电流或输入功率改变时，且全控H桥的电压不变，则全控H桥的电流必须改变，以平衡输入功率的变化。
具体控制过程为：采集到的全控H桥的直流母线电压与设定的电压相比较，经PI调节输出指令电流，作为第二级Buck降压电路的可控电流源的给定，使能馈式电子负载接收的功率和向直流电网发出的功率到达平衡。
S3、根据步骤S2提供的指令电流，由第二级Buck降压电路以可控电流源的形式向直流微电网母线输出功率，完成能量回收。
针对第二级Buck降压电路，要使直流微电网系统的功率平衡，根据功率平衡公式可知：当直流侧电压保持不变，Uo为微电网直流母线的电压为常数不变，要想维持功率的平衡，输出的电流Io就必须跟随直流电流的变化而变化。
具体控制过程为：根据全控H桥的直流母线电压与设定的电压相比较，经PI调节产生的指令电流与回馈的电网电流做差进行PI调节控制第二级Buck降压电路的占空比，完成向直流微电网母线输出电能的大小的控制，由于采用可控电流源控制，其输出不受微电网电压波动的影响，可靠性高。
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 (9)

1.一种基于直流微电网能馈式直流电子负载拓扑结构，其特征在于，包括直流微电网系统，所述直流微电网系统包括输入侧检测调理电路、输入电感、输出电感、全控H桥、H桥母线电压检测调理电路、输出侧检测调理电路、控制电路、驱动电路、辅助电源电路、保护电路和人机接口电路；所述输入侧检测调理电路与输入电感相连接，输入电感与全控H桥相连接，全控H桥与输入电感相连接，输出电感与输出侧检测调理电路相连接；所述全控H桥与H桥母线电压检测调理电路相连接，H桥母线电压检测调理电路与控制电路相连接，控制电路分别与驱动电路、辅助电源电路、保护电路和人机接口电路相连接。
2.根据权利要求1所述的基于直流微电网能馈式直流电子负载拓扑结构，其特征在于，所述第一级Boost升压电路包括输入电感L1和全控H桥的一个桥臂，输入电感L1与被测DC/DC变换器相连接，输入电感L1与全控H桥的一个桥臂的中点相连接；所述第二级Buck降压电路包括全控H桥的另一个桥臂和输出电感L2，全控H桥的另一个桥臂的中点与输出电感L2相连接，输出电感L2与直流微电网母线相连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于直流微电网能馈式直流电子负载拓扑结构，其特征在于，所述第一级Boost升压电路和第二级Buck降压电路采用同一个控制电路。
4.根据权利要求1所述的基于直流微电网能馈式直流电子负载拓扑结构，其特征在于，所述输入侧检测调理电路、输出侧检测调理电路和H桥母线电压检测调理电路均包括检测电路和调理电路，所述检测电路采用“电阻分压+线性光耦”结构或电流和电压霍尔传感器，所述调理电路采用巴特沃斯低通滤波电路；所述保护电路包括继电器和直流接触器；所述控制电路包括微处理器。
5.根据权利要求1、2或4所述的基于直流微电网能馈式直流电子负载拓扑结构的控制方法，其特征在于，其步骤如下：
S1、根据被测DC/DC变换器的要求，由第一级Boost升压电路完成恒流、恒阻、恒功率负载模式的功能；
S2、通过全控H桥的直流电压PI调节的控制，为第二级Buck降压电路输出提供指令电流，使直流微电网系统的功率达到平衡；
S3、根据步骤S2提供的指令电流，由第二级Buck降压电路以可控电流源的形式向直流微电网母线输出功率，完成能量回收。
6.根据权利要求5所述的基于直流微电网能馈式直流电子负载拓扑结构的控制方法，其特征在于，针对恒流模式，能馈式电子负载的给定量为恒定电流Iref，根据第一级Boost升压电路的特征：
Figure FDA0002295773190000011
其中，D为第一级Boost升压电路的占空比，Uin为第一级Boost升压电路的输入电压，Iin为第一级Boost升压电路的输入电流，Udc为全控H桥的电压，Idc为全控H桥的电流，Rin为输入等效电阻，Req为第二级Buck降压电路的等效电阻；改变第一级Boost升压电路的占空比D实现电子负载的恒流模式。
7.根据权利要求5所述的基于直流微电网能馈式直流电子负载拓扑结构的控制方法，其特征在于，针对恒阻模式，能馈式电子负载的给定量为恒定阻抗值Rref，根据第一级Boost升压电路的特征：
Figure FDA0002295773190000021
其中，D为第一级Boost升压电路的占空比，Uin为第一级Boost升压电路的输入电压，Iin为第一级Boost升压电路的输入电流，Udc为全控H桥的电压；改变第一级Boost升压电路的占空比D实现电子负载的恒阻模式。
8.根据权利要求5所述的基于直流微电网能馈式直流电子负载拓扑结构的控制方法，其特征在于，针对恒功率模式，能馈式电子负载的给定值为功率大小Pref，根据第一级Boost升压电路的特征：
Figure FDA0002295773190000022
其中，D为第一级Boost升压电路的占空比，Uin为第一级Boost升压电路的输入电压，Iin为第一级Boost升压电路的输入电流，Udc为全控H桥的电压；改变第一级Boost升压电路的占空比D实现电子负载的恒功率模式。
9.根据权利要求5所述的基于直流微电网能馈式直流电子负载拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中全控H桥的直流电压PI调节的控制方法为：根据功率平衡可知：UinIin＝UdcIdc＝UoIo，其中，
Figure FDA0002295773190000023
Uo为电子负载输出侧的电压，Io为电子负载输出侧的电流，Uin为第一级Boost升压电路的输入电压，Iin为第一级Boost升压电路的输入电流，Udc为全控H桥的电压，Idc为全控H桥的电流；当第一级Boost升压电路的输入电压、第一级Boost升压电路的输入电流或输入功率改变时，且全控H桥的电压不变，则全控H桥的电流必须改变，以平衡输入功率的变化。
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