CN112186730B - 功率无级调控的恒流电能变换系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率无级调控的恒流电能变换系统，包括恒流电源、外部负载、第一DC/DC变换器、功率平衡器、第二DC/DC变换器、AD采样电路、微控制器、驱动电路，首先设定功率裕度为某一合理值，然后通过AD采样电路获得输出电压Vo并传入微控制器，微控制器计算当前输出总功率和当前外部负载功率，根据当前外部负载功率与设定功率裕度值之和得出目标总功率，从而计算出目标电压值，根据目标电压值与当前电压值之差通过一定的算法(如PID算法)计算控制信号的占空比，并输出给平衡负载器，使其耗散的功率为所设定的功率裕度大小，从而减小平衡负载的耗散功率，达到能量利用率高的效果。

Description

功率无级调控的恒流电能变换系统

技术领域

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种功率无级调控的恒流电能变换系统。

背景技术

海洋在全球气候变迁、生态循环、物种繁衍、人类进化等方面均有举足轻重的作用，同时海洋还蕴含着丰富的矿产资源和生物资源。海洋探测对于人类深入了解海洋，探索生物起源，维持生态良性发展，预测自然灾害，勘探海洋资源具有重要意义。随着海洋科学技术的发展，海洋观测手段日益完善，观测范围也从海面，延伸到海洋中，直至海底。海洋科学家和工程师们能够通过科考船，大洋钻探，载人深潜器，无人自制机器人，远程遥控机器人和水下滑翔机以及种类繁多的离线式科学仪器等工具来进行海洋探测，并通过上述手段取得了一系列令人可喜的成果，推动海洋探索取得巨大的研究进展。然而，上述研究方法都是基于离线式的，在海洋观测中受到能量供应和信息回收的限制。利用全新的思路来设计全新的海洋探测系统，使得探测系统能够摆脱船时与舱位、天气和数据延迟等种种局限，连续长期的工作并能够实时的传输数据，真正意义上的第三个地球观测平台—海底观测系统—应运而生。

海底观测网因其长期、连续、实时和原位的观测方式，以及其强大的电能供给能力和超高的数据通讯带宽成为从上世界末以来海洋观测的研究热点，可实现从海底直接对深海大洋特定区域的物理、化学、生物和地质等过程的高分辨率的原位实时观测。根据网络功能的需要，将一组不同功能的科学仪器通过水下湿插拔接头连接到节点接驳盒上构成一个个局部的观测系统。接驳盒是缆系海底观测网络中的观测节点，其基本功能是电能变换和分配以及信息转换和传输。接驳盒节点将骨干光电复合缆中输入的电能进行变换，并分配给需求不同的科学仪器使用。同时，接驳盒将岸基站传来的控制信号发送给连接在其上的各科学仪器，并将各传感器采集到的数据进行打包发送给岸基站数据管理系统。

恒流输电缆系海底观测网由于其鲁棒性强、可靠性高、故障点易诊断等优点被广泛应用于对可靠性要求很高的海底观测应用中。但是，几乎所有的科学仪器都是采用恒压供电，由于恒流输电网络自身的不稳定性，以及超长的海缆所带来的电路动态响应性能差的问题，海底观测节点提供的功率不能根据负载功率的改变而及时调节。因此现有的恒流观测网络(ACO)全部利用平衡负载来耗散剩余的输出功率，达到负载功率与平衡负载耗散的功率之和为一个定值，当负载功率消耗比较小时，平衡负载就需要耗散很大的功率，不仅会造成能量利用率低，而且也要对整个装置的散热环境有很高的要求。

公开号为CN107370144A的专利申请提出了一种负载自适应恒流海底观测供电系统，该方案通过直接对“DC/DC模块”的切入/切出来调整节点的总输出功率。但是，该方案有诸多缺陷：只能通过预估负载的功率大小手动切入和切出“DC/DC模块”；“DC/DC模块”的输出端维持电压不变，因为“DC/DC模块”为恒流转恒流，电流也为确定值，所以输出功率是保持不变的，当负载功率确定后，平衡负载所耗散的功率也就不会改变，这样就会导致平衡负载需要一直耗散较大功率，来维持系统的稳定。长时间下去，会耗散掉大量的能量，使能量利用率大大下降，同时系统内部温度也会升高，影响系统内部稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种功率无级调控的恒流电能变换系统，通过自动控制功率平衡器的消耗功率等于预设的功率裕度，从而减小平衡负载的耗散功率，达到能量利用率高的效果。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种功率无级调控的恒流电能变换系统，包括：

恒流电源，

外部负载，

第一DC/DC变换器，其并联到恒流电源的输出端，用于将恒流电源的总电压降为转换电压；

功率平衡器，其并联到第一DC/DC变换器的输出端，用于消耗系统功率以平衡系统功率；

第二DC/DC变换器，其并联在功率平衡器的输出端，用于将转换电压降为稳定输出电压为外部负载供电；

AD采样电路，其并联在功率平衡器的输出端，用于采集功率平衡器两端的电压值；

微控制器，其根据AD采样电路采集的电压值计算系统输出总功率，然后再根据外部负载的消耗功率和功率平衡器的功率裕度计算控制信号的占空比，并按照该占空比输出控制信号至驱动电路；

驱动电路，其对接收的控制信号放大后，根据放大的控制信号调节功率平衡器的消耗功率等于功率裕度。

优选地，所述微控制器根据AD采样电路采集的电压值和第一DC/DC变换器输出的电流值计算系统输出总功率。

优选地，所述微控制器在计算得到系统输出总功率后，再根据当前的控制信号的占空比计算出功率平衡器的当前消耗功率，系统输出总功率与当前消耗功率相减得到当前外部负载的消耗功率；

然后，根据外部负载消耗的功率与设定的功率裕度之和，得出目标总功率，再根据目标总功率和系统电流Io计算出所需要的目标电压。

优选地，所述微控制器在计算得到所需的目标电压后，将其与采集的当前电压求差得到误差电压，输入给PID控制器，PID控制器计算出使功率平衡器的消耗功率等于设定功率裕度的控制信号的占空比，并按照该占空比输出控制信号至驱动电路。将误差电压作为PID控制器的输入，根据误差电压计算误差占空比，根据该误差占空比更新控制信号的下一时刻占空比。

优选地，所述驱动电路对接收的控制信号放大后，输出放大的控制信号至功率平衡器，通过控制信号调节功率平衡器的两端电压和/或功率平衡器的等效电阻来控制功率平衡器的消耗功率以使功率平衡器的消耗功率等于设定的功率裕度。

其中，所述微控制器采用FPGA。

上述功率无级调控的恒流电能变换系统中，功率平衡器的等效阻值可以根据外部负载的电阻大小和微控制器内的控制方法自动调整，可调范围为从某一定值到无穷大。

上述功率无级调控的恒流电能变换系统中，为功率平衡器预留有一定的功率裕度，即使外部负载存在相应幅度的跃升，整体系统仍能保证其充分的稳定性。

上述功率无级调控的恒流电能变换系统中，由于第一DC/DC变换器的输出的转换电压的调节是无级的，就是转换电压可以是调节能力范围内的任意值，所以输出总功率的大小调节也是无级的。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

本发明提供的功率无级调控的恒流电能变换系统可以用作海底观测网络供电系统，为功率平衡器设定功率裕度，通过计算出功率平衡器的当前消耗功率和系统输出总功率计算实时外部负载功率，并根据实时外部负载功率与设定的功率裕度值之和计算出目标总功率，根据目标总功率得出目标电压，与当前电压比较实时更新控制信号的占空比，以使功率平衡器的当前消耗功率等于功率裕度，这样不会造成功率平衡器的不可控的较大耗散，保证了能量的有效利用，也保证了系统的稳定性和可靠性。

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做简单地介绍，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前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是功率无级调控的恒流电能变换系统的结构示意图；

图2是系统动态调节控制框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

图1是功率无级调控的恒流电能变换系统的结构示意图。如图1所示，海底观测网络供电系统的包括恒流源、开环DC/DC、功率平衡器BL、后端DC/DC、AD采样电路、FPGA、驱动电路、外部负载。其中，开环DC/DC并联在恒流源的输出端，用于将恒流电源的总电压转换为输出电压Vo；功率平衡器BL并联在开环DC/DC的输出端，用于消耗系统功率以平衡系统功率；后端DC/DC并联在功率平衡器BL的输出端将输出电压Vo降压成稳定输出电压Vout为外部负载供电，AD采样电路并联在功率平衡器的输出端，用于采集输出电压Vo；FPGA根据AD采样电路采集的电压值计算系统输出总功率，并根据系统输出总功率与当前功率平衡器消耗的功率计算出当前外部负载的消耗功率，然后再根据外部负载的消耗功率和设定的功率平衡器的功率裕度之和计算控制信号的占空比，并按照该占空比输出控制信号至驱动电路；驱动电路接收并放大控制信号后，根据放大的控制信号调节功率平衡器的消耗功率等于功率裕度。

具体地，功率无级调控的恒流电能变换系统的工作流程为：

(1)首先设定功率器的功率裕度(即平衡负载消耗的功率)为Pm_t。系统上电启动，系统开始正常工作。初始时控制信号的占空比设为一个比较大的值，以使得此时功率平衡器消耗的功率大于设定的功率裕度Pm_t，保证系统具有一定的稳定性。

(2)AD采样电路采集系统的输出电压Vo，并传送至FPGA，FPGA接受到输出电压Vo后，根据开环DC/DC输出的电流计算出系统输出总功率Ps，再根据当前控制信号的占空比D计算出当前功率平衡器消耗的功率Pm，由Ps和Pm之差计算出当前负载消耗的功率PL。

(3)FPGA根据当前负载消耗的功率PL与设定的功率裕度之和Pm_t相加得出目标总功率Ps_t＝PL+Pm_t，然后由目标总功率Ps_t和已知的系统电流Io，计算出目标的输出电压Vo_t＝Ps_t/Io；

(4)FPGA将当前输出电压Vo与计算得出的目标输出电压Vo_t比较，得出误差电压ΔV＝Vo–Vo_t，将误差电压ΔV作为PID算法的输入，计算得出误差占空比ΔD＝Gs*ΔV，然后将下一过程的占空比的值更新为D_t＝D+ΔD，其中，Gs为PID控制器的传递函数，意思是ΔV经过PID控制器Gs输出ΔD。

(5)FPGA将新的占空比D_t作为控制信号，输入给驱动电路，驱动电路控制功率平衡器的等效电阻大小，从而调节功率平衡器的消耗功率，使其逼近于设定的功率裕度Pm_t。

(6)重复(2)到(5)过程，使得功率平衡器的当前消耗功率等于设定的功率裕度值，系统达到稳态。

图2为FPGA中控制算法流程图，主要包括状态计算过程和内外环调整过程，状态计算过程：根据占空比D计算出功率平衡器的消耗功率Pm，并根据当前电压值Vo计算出系统消耗总功率，从而得出外部负载消耗的功率PL，然后将PL叠加上设定的功率裕度值Pm_t得出目标总功率Ps_t，再根据系统输出电流得出目标电压值Vo_t。

内外环调整过程：将得到的目标电压Vo_t与当前电压Vo作差得到误差信号，误差信号经过外环PID控制器得到参考电压ΔVref，输入给内环PID控制器，在内环PID控制器的作用下得到更新的占空比D和更新的输出电压Vo，并再次作用于系统。重复此动态过程，最终使得功率平衡器消耗的功率为设定的功率裕度值Pm_t。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种功率无级调控的恒流电能变换系统，其特征在于，包括：

恒流电源；

外部负载；

第一DC/DC变换器，其并联到恒流电源的输出端，用于将恒流电源的总电压降为转换电压；

功率平衡器，其并联到第一DC/DC变换器的输出端，用于消耗系统功率以平衡系统功率；

第二DC/DC变换器，其并联在功率平衡器的输出端，用于将转换电压降为稳定输出电压为外部负载供电；

AD采样电路，其并联在功率平衡器的输出端，用于采集功率平衡器两端的电压值；

微控制器，其根据AD采样电路采集的电压值计算系统输出总功率，然后再根据外部负载的消耗功率和设定的功率平衡器的功率裕度计算控制信号的占空比，并按照该占空比输出控制信号至驱动电路；

驱动电路，其对接收的控制信号放大后，根据放大的控制信号调节功率平衡器的消耗功率等于设定的功率裕度。

2.如权利要求1所述的功率无级调控的恒流电能变换系统，其特征在于，所述微控制器根据AD采样电路采集的电压值和第一DC/DC变换器输出的电流值计算系统输出总功率。

3.如权利要求2所述的功率无级调控的恒流电能变换系统，其特征在于，所述微控制器在计算得到系统输出总功率后，再根据当前的控制信号的占空比计算出功率平衡器的当前消耗功率，系统输出总功率与当前消耗功率相减得到当前外部负载的消耗功率；

然后，根据外部负载的消耗功率与设定的功率裕度之和，得出目标总功率，再根据目标总功率和系统电流Io计算出所需要的目标电压。

4.如权利要求3所述的功率无级调控的恒流电能变换系统，其特征在于，所述微控制器在计算得到所需的目标电压后，将其与采集的当前电压求差得到误差电压，输入给PID控制器，PID控制器计算出使功率平衡器的消耗功率等于设定功率裕度的控制信号的占空比，并按照该占空比输出控制信号至驱动电路。

5.如权利要求4所述的功率无级调控的恒流电能变换系统，其特征在于，将误差电压作为PID控制器的输入，根据误差电压计算误差占空比，根据该误差占空比更新控制信号的下一时刻占空比。

6.如权利要求1所述的功率无级调控的恒流电能变换系统，其特征在于，所述驱动电路对接收的控制信号放大后，输出放大的控制信号至功率平衡器，通过控制信号调节功率平衡器的两端电压和/或功率平衡器的等效电阻来控制功率平衡器的消耗功率以使功率平衡器的消耗功率等于设定的功率裕度。

7.如权利要求1所述的功率无级调控的恒流电能变换系统，其特征在于，所述微控制器采用FPGA。

8.如权利要求1所述的功率无级调控的恒流电能变换系统，其特征在于，由于第一DC/DC变换器的输出的转换电压的调节是无级的，就是转换电压可以是调节能力范围内的任意值，所以输出总功率的大小调节也是无级的。

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