CN111327211B - 一种用于脉冲负载的电源功率波动控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于脉冲负载的电源功率波动控制方法和系统，该方法包括：输出电压与输出电压参考信号比较后得到输出电压偏差量；输出电压偏差量经计算得到电流参考信号；对实时负载电流进行低通滤波处理得到稳态负载电流值，并通过稳态负载电流值对电流参考信号进行限幅处理；输出电流与最终的电流参考信号比较后得到输出电流偏差量；输出电流偏差量经过计算得到电源控制驱动信号；驱动信号通过功率电路使输出电流跟踪最终的电流参考信号。本发明通过调节电源输出电流来改变储能电容充放电时间，使电源输入端工作在较为稳定的工作状态，从而保持供电功率稳定，供电侧的输入功率波动范围大幅减小，达到抑制功率波动的效果，优化系统用电特性。

Description

一种用于脉冲负载的电源功率波动控制方法和系统

技术领域

本发明涉及供电电源转换装置技术领域，尤其涉及一种用于脉冲负载的电源功率波动控制方法和系统。

背景技术

供电系统作为各类工业设备的能量保障，是保证设备可靠工作必不可少的要素，对设备的正常运转起着至关重要的作用。除了大型地面设备有专用供电网络外，船舶、移动载车、飞机等各应用平台均需要配备满足设备功率需求的可移动式独立电力系统，形成孤岛型微电网供给系统内各设备的用电。独立电力系统通常由汽轮/柴油发电机组、后备储能等设备组成。受限于体积、重量、成本、单机容量等限制条件，独立电力系统除了满足设备需求的功率外，功率余量不大；另外如果供电系统余量过大，也导致平台发电机组大部分时间工作在轻载工况下，导致效率下降，导致可靠性和经济性问题，因此一般情况下设备自身设计的独立电力系统自身功率容量和机组转动惯量有限。

随着设备性能要求的持续提升，各类型设备在用电功率需求不断增大的同时，设备负载特性也越来越复杂，如高能激光、通信基站等。这类用电设备工作时呈现脉冲特性，表现为长时间段内平均功率较低，但单个周期内峰值功率较大。与传统稳态负载不同，脉冲负载设备不仅在启动和关机时对供电系统有单次冲击，而且在其正常运行时的功率突变也对供电系统产生持续反复的加载与卸载的功率扰动，引起供电系统电流大幅频繁变化，影响供电系统的输出特性。

以陆地大容量、大机组为主要特征的大型公用电网，因其容量近似无穷大，系统惯性也非常大，负载突加和突卸的功率扰动并不会引起电网电压和频率发生大幅度波动，对电网的影响很小；而在容量较小的微电网中，情况则明显不同，由于微电网的惯性小，机电调节控制器响应时间长，通常达到秒级，而大型脉冲负载设备工作周期为毫秒级，通过机电控制难以及时响应脉冲负载功率的变化，造成微电网抵御负载扰动的能力差，给脉冲负载下微电网运行特性分析与控制带来困难，从而易对供电系统造成电能质量问题，如谐波电流污染、电压波动和闪变、电网电压频率波动等，严重影响独立电力系统的稳定性，同时还带来经济性和可靠性等问题。

在孤岛型微电网、独立电力系统或有限容量供电系统中，如船舶、移动载车、飞机平台的发电机组、新能源发电系统等，由于自身功率容量有限，转动惯量小，难以承受脉冲功率负载重复、高频的突加、突卸工作特性，导致供电系统无法达到稳定工作状态，引起供电系统电能质量问题，主要包括谐波电流污染，电压波动和闪变等，严重情况下甚至使发电机组输出电压或频率持续下降，直至机组保护停机，无法运行。目前针对这种脉动负载条件下电源系统功率波动问题，国内外还没有有效的解决措施，传统的解决方案是在电源输出端增加储能电容，向脉冲负载提供实时需要的负载峰值电能，平抑脉冲负载对电源的影响，但随着脉冲负载逐渐增多，脉冲负载特性也多种多样，不同负载之间开关周期、峰值功率、占空比、滤波电容等参数也不同，该措施并不能解决输入端的功率波动问题。

发明内容

本发明提供了一种用于脉冲负载的电源功率波动控制方法通过检测负载平均功率实时调节供电电源装换装置的输出功率，在保证脉冲功率负载获取高峰值功率的前提下，大大降低供电电源转换装置输入侧的功率波动，减小脉冲负载对微型电网的功率冲击，保障系统可靠稳定运行。

具体而言本发明提供了一种用于脉冲负载的电源功率波动控制方法，其特征在于，所述电源功率波动控制方法包括以下步骤：

S1，电源正常工作时，采集电源的实时输出电压和负载脉冲电流，实时输出电压与输出电压参考信号比较后得到输出电压偏差量；

S2，输出电压偏差量经过电压闭环计算得到电流参考信号；

S3，对所述电流参考信号进行限幅处理得到最终的电流参考信号；

S4，获取电源的实时输出电流，实时输出电流与最终的电流参考信号比较后得到输出电流偏差量；

S5，输出电流偏差量经过电流闭环计算得到电源控制驱动信号；

S6，驱动信号通过功率电路使实时输出电流跟踪最终的电流参考信号，从而使电源在脉冲负载重复周期内提供稳态平均电流。

更进一步地，在步骤S3中，对所述电流参考信号进行限幅处理还包括以下步骤：

对所述负载脉冲电流进行低通滤波处理得到稳态负载电流值；

通过所述稳态负载电流值对所述电流参考信号进行限幅处理。

更进一步地，在步骤S3中，对所述负载脉冲电流进行低通滤波处理，所述滤波截止频率应小于等于脉冲负载的最小重复频率。

更进一步地，在步骤S3中，通过所述稳态负载电流值对所述电流参考信号进行限幅处理，使所述电流参考信号小于等于稳态负载电流值，获取最终的电流参考信号。

还提供了一种用于脉冲负载的电源功率波动控制系统，其特征在于，所述电源功率波动控制系统包括检测模块、电压参考信号模块、电压控制模块、电流参考调节模块、电流控制模块、功率变换模块和储能电容模块；

所述电源功率波动控制系统设置在电力供电系统与脉冲负载之间；

所述检测模块包括负载电流检测单元、输出电流检测单元和输出电压检测单元，所述检测模块用于采集负载脉冲电流、实时输出电流和实时输出电压；

所述电压参考信号模块用于提供给定输出电压参考信号；

所述电压控制模块用于进行闭环计算获取电流参考信号；

所述电流参考调节模块用于对所述电流参考信号进行限幅处理，得到最终的电流参考信号；

所述电流控制模块用于进行闭环计算获取电源控制驱动信号；

所述功率变换模块用于通过所述电源控制驱动信号调整实时输出电流跟踪所述最终的电流参考信号；

所述储能电容模块用于提供脉冲峰值功率。

更进一步地，所述电压控制模块输入端分别连接所述电压参考信号模块的输出端和所述输出电压检测单元的输出端；

将实时输出电压和所述电压参考信号比较获取输出电压偏差量，并将所述输出电压偏差量进行闭环计算获取所述电流参考信号。

更进一步地，所述电流参考调节模块输入端分别连接所述电压控制模块的输出端和所述负载电流检测单元的输出端；

所述电流参考调节模块将所述实时负载电流进行低通滤波处理得到稳态负载电流值；

所述电流参考调节模块通过所述稳态负载电流值对所述电流参考信号进行限幅处理，得到所述最终的电流参考信号。

更进一步地，所述低通滤波处理中滤波截止频率应小于等于脉冲负载的最小重复频率。

更进一步地，所述最终的电流参考信号小于等于所述稳态负载电流值。

本发明的有益效果是：

本发明中的技术方案在脉冲负载供电系统中基于电源和储能电容搭配的供电架构，在长脉宽、高峰值功率脉冲工作条件下，通过调节电源输出电流/功率来改变储能电容充放电时间，使电源输入端工作在较为稳定的工作状态，从而保持供电功率稳定，供电侧的输入功率波动范围大幅减小，达到抑制功率波动的效果，优化系统用电特性，降低孤岛型微电网、独立电力系统或有限容量电力系统等供电平台侧发电机组的最大输出功率需求，改善供电效率，提升系统运行经济性，同时提高各独立平台供电系统的稳定性、可靠性，以及设备的平台适装性。

本发明中基于电源和储能电容搭配的供电架构的技术方案可以适应多种多样的复杂脉冲负载特性，包括开关周期、峰值功率、占空比等不同参数指标，从根本上降低供电系统需求的峰值容量和功率波动幅度，有效降低各种脉冲负载对孤岛型微电网、独立电力系统或有限容量电力系统等供电平台的扰动，从根本上提高供电系统的稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种用于脉冲负载的电源功率波动控制方法的步骤示意图；

图2是本发明实施例提供的一种用于脉冲负载的电源功率波动控制系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种用于脉冲负载供电系统架构的示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图1-3，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

如附图1所示，本发明中的一种用于脉冲负载的电源功率波动控制方法包括如下步骤：

S1，电源正常工作时，采集电源的实时输出电压，实时输出电压与输出电压参考信号比较后得到输出电压偏差量；

S2，输出电压偏差量经过电压闭环计算得到电流参考信号；

S3，对电流参考信号进行限幅处理得到最终的电流参考信号；

S4，获取电源的实时输出电流，实时输出电流与最终的电流参考信号比较后得到输出电流偏差量；

S5，输出电流偏差量经过电流闭环计算得到电源控制驱动信号；

S6，驱动信号通过功率电路使实时输出电流跟踪最终的电流参考信号，从而使电源在脉冲负载重复周期内提供稳态平均电流。

具体的，在步骤S1中，在电源正常工作时，采集电源的实时输出电压、实时输出电流、负载脉冲电流；将采集到的实时输出电压与系统给定输出电压参考信号进行比较，得到输出电压偏差量。

在步骤S2中，将输出电压偏差量通过电压闭环控制器计算获取电流参考信号。

在步骤S3中，对获取电源的实时负载电流进行低通滤波处理得到稳态负载电流值，其中稳态负载电流值对应的即为不同工作比条件下脉冲负载在重复周期内的平均电流，其滤波截止频率应小于等于脉冲负载的最小重复频率。

同时，通过稳态负载电流值对通过计算获取的电流参考信号进行限幅处理，使最终的电流参考信号小于等于稳态负载电流值，起到平抑电流波动的作用，并得到最终的电流参考信号。

在步骤S4中，将采集到的实时输出电流与最终的电流参考信号进行比较，得到输出电流偏差量。

在步骤S5中，输出电流偏差量经过电流闭环控制器计算得到电源控制驱动信号。

在步骤S6中，将计算获取的驱动信号通过功率变换调整实时输出电流跟踪最终的电流参考信号，由于脉冲负载需求的能量是确定的，脉冲负载能量由功率电路和储能电容模块共同提供。由于功率电路的输出功率是固定的，储能电容模块将提供脉冲负载和功率电路之差的部分能量。从而使电源在脉冲负载重复周期内提供稳态平均电流，而非瞬态峰值电流，达到改善电源输入功率波动的目的。

如附图2-3所示，本发明还包括一种用于脉冲负载的电源功率波动控制系统，该控制系统包括检测模块、电压参考信号模块、电压控制模块、电流参考调节模块、电流控制模块、功率变换模块和储能电容模块；该控制系统设置在电力供电系统与脉冲负载之间。

其中，检测模块包括负载电流检测单元、输出电流检测单元和输出电压检测单元。负载电流检测单元采集经过储能电容模块补偿后输出的实时负载电流；输出电流检测单元检测经过功率变换模块转换后输出的实时输出电流；输出电压检测单元检测经过功率变换模块转换后输出的实时输出电压。

电压参考信号模块用于由系统提供给定输出电压参考信号。

电压控制模块输入端分别连接电压参考信号模块的输出端和输出电压检测单元的输出端；将实时输出电压和电压参考信号比较获取输出电压偏差量，并将输出电压偏差量输入电压控制模块，输出电压偏差量经过电压控制模块进行闭环计算获取电流参考信号。

电流参考调节模块输入端分别连接电压控制模块的输出端和负载电流检测单元的输出端；将负载电流检测单元的实时负载电流输入电流参考调节模块进行低通滤波处理得到稳态负载电流值，其滤波截止频率应小于等于脉冲负载的最小重复频率，稳态负载电流值对应的即为不同工作比条件下脉冲负载在重复周期内的平均电流；并通过得到的稳态负载电流值对电压控制模块输入的电流参考信号进行限幅处理，使电流参考信号小于等于稳态负载电流值，起到平抑电流波动的作用，得到最终的电流参考信号。

电流控制模块输入端分别连接电流参考调节模块的输出端和输出电流检测单元的输出端；将输出电流检测单元采集到的实时输出电流与电流参考调节模块获得的最终的电流参考信号进行比较，得到输出电流偏差量；并将输出电流偏差量输入电流控制模块，输出电流偏差量经过电流控制模块进行闭环计算获取电源控制驱动信号。

功率变换模块输入端与电流控制模块连接；将电流控制模块获取的电源控制驱动信号输入功率变换模块，通过功率变换模块调整实时输出电流跟踪最终的电流参考信号，从而调整电源使其在脉冲负载重复周期内提供稳态平均电流，而非瞬态峰值电流，达到改善电源输入功率波动的目的。

储能电容模块设置在功率变换模块与脉冲负载之间，用于提供脉冲负载和功率变换模块之差的部分能量，提供脉冲峰值功率。

在一种实施例中，通信系统所需供电电压为50V，最大脉宽为5ms，最大脉宽占比为40％，峰值功率为25kW，则最大平均功率需求为10kW，即电源最大输出功率需≥10kW。本示例仅选取最大脉宽占比为40％和20％两种典型工作状态进行说明。

如果电源不采用本发明中的脉动抑制控制方法，则电源输出电流需限制在200A，即输出功率10kW，则在通信系统工作在5ms脉宽，最大脉宽占整个周期40％的工作条件下，电源输入功率稳定在10kW，不存在电源功率波动；而当通信系统工作在5ms脉宽，最大脉宽占整个周期为20％的工作条件下，重复周期为25ms的条件下，考虑理想情况下电源输入功率在每个重复周期内的前半周期工作输出功率保持在10kW，而后半个周期因负载工作比较小，电源输出功率接近为0，从而使电源输入功率出现峰值10kW(不考虑电源转换效率)，占空比50％，重复周期25ms的周期波动。

采用本发明的控制方案，首先讨论在最大脉宽占整个周期为20％的工作条件下，电源采集电源的实时输出电压、实时输出电流和负载脉冲电流；实时输出电压与给定输出电压参考信号比较后得到输出电压偏差量，输出电压偏差量经过电压闭环控制器进行电流参考信号，应达到最大功率对应的200A；对负载脉冲电流进行低通滤波处理，其中滤波截止频率取25ms对应的40Hz，得到稳态负载电流值，近似为100A；通过稳态负载电流值对电流参考信号进行限幅处理得到最终的电流参考信号，使为100A；则实时输出电流与最终的电流参考信号比较后得到输出电流偏差量；输出电流偏差量经过电流闭环控制器得到电源控制驱动信号，并通过功率电路使实时输出电流跟踪最终的电流参考信号100A，从而使电源在脉冲负载25ms重复周期内维持100A稳态平均电流，5kW平均功率的工作状态，大幅改善电源输入功率波动。

在最大脉宽占整个周期为40％的工作条件下，重复上述步骤，电源维持在输出电流200A，输出功率10kW的稳定状态，同样不造成电源输入功率波动。

本发明中的技术方案在脉冲负载供电系统中基于电源和储能电容搭配的供电架构，在长脉宽、高峰值功率脉冲工作条件下，通过调节电源输出电流/功率来改变储能电容充放电时间，使电源输入端工作在较为稳定的工作状态，从而保持供电功率稳定，供电侧的输入功率波动范围大幅减小，达到抑制功率波动的效果，优化系统用电特性，降低孤岛型微电网、独立电力系统或有限容量电力系统等供电平台侧发电机组的最大输出功率需求，改善供电效率，提升系统运行经济性，同时提高各独立平台供电系统的稳定性、可靠性，以及设备的平台适装性。

虽然本发明已经以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (2)

1.一种用于脉冲负载的电源功率波动控制方法，其特征在于，所述电源功率波动控制方法包括以下步骤：

S1，电源正常工作时，采集电源的实时输出电压和负载脉冲电流，实时输出电压与输出电压参考信号比较后得到输出电压偏差量；

S2，输出电压偏差量经过电压闭环计算得到电流参考信号；

S3，对所述电流参考信号进行限幅处理得到最终的电流参考信号；

S4，获取电源的实时输出电流，实时输出电流与最终的电流参考信号比较后得到输出电流偏差量；

S5，输出电流偏差量经过电流闭环计算得到电源控制驱动信号；

S6，将驱动信号通过功率电路使实时输出电流跟踪最终的电流参考信号，从而使电源在脉冲负载重复周期内提供稳态平均电流；

在步骤S3中，对所述电流参考信号进行限幅处理还包括以下步骤：

对所述负载脉冲电流进行低通滤波处理得到稳态负载电流值；

通过所述稳态负载电流值对所述电流参考信号进行限幅处理；

对所述负载脉冲电流进行低通滤波处理，滤波截止频率应小于等于脉冲负载的最小重复频率；

通过所述稳态负载电流值对所述电流参考信号进行限幅处理，使所述电流参考信号小于等于稳态负载电流值，获取最终的电流参考信号。

2.一种用于脉冲负载的电源功率波动控制系统，其特征在于，所述电源功率波动控制系统包括检测模块、电压参考信号模块、电压控制模块、电流参考调节模块、电流控制模块、功率变换模块和储能电容模块；

所述电源功率波动控制系统设置在电力供电系统与脉冲负载之间；

所述检测模块包括负载电流检测单元、输出电流检测单元和输出电压检测单元，所述检测模块用于采集负载脉冲电流、实时输出电流和实时输出电压；

所述电压参考信号模块用于提供给定输出电压参考信号；

所述电压控制模块用于进行闭环计算获取电流参考信号；

所述电流参考调节模块用于对所述电流参考信号进行限幅处理，得到最终的电流参考信号；

所述电流控制模块用于进行闭环计算获取电源控制驱动信号；

所述功率变换模块用于通过所述电源控制驱动信号调整实时输出电流跟踪所述最终的电流参考信号；

所述储能电容模块用于提供脉冲峰值功率；

所述电压控制模块输入端分别连接所述电压参考信号模块的输出端和所述输出电压检测单元的输出端；

将实时输出电压和所述电压参考信号比较获取输出电压偏差量，并将所述输出电压偏差量进行闭环计算获取所述电流参考信号；

所述电流参考调节模块输入端分别连接所述电压控制模块的输出端和所述负载电流检测单元的输出端；

所述电流参考调节模块将实时负载电流进行低通滤波处理得到稳态负载电流值；

所述电流参考调节模块通过所述稳态负载电流值对所述电流参考信号进行限幅处理，得到所述最终的电流参考信号；

所述低通滤波处理中滤波截止频率应小于等于脉冲负载的最小重复频率；

所述最终的电流参考信号小于等于所述稳态负载电流值。