CN114256831A - 一种直流供电功率波动抑制装置 - Google Patents

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Abstract

直流供电系统以直流配电的形式将发电装置、储能系统、负荷联结起来，在电能质量方面，直流供电系统不存在交流系统的无功环流和频率偏差等问题，拥有更好的电能质量；在运行控制方面，直流供电系统不必考虑发电装置之间的同步问题，更容易实现环流抑制和功率平衡。直流供电系统拥有诸多优点，但是由于大量脉冲供电模式的电力电子设备，其脉冲工作模式使得供电侧的输入功率在空载与满载之间波动，严重影响供电系统与电力电子供电系统的稳定性和使用寿命。因此，必须进行直流供电系统功率波动抑制。为解决现有技术中的缺陷，本发明针对直流供电系统，利用交错并联Boost拓扑研制了功率波动抑制装置，采用先进的FPGA数字控制器进行功率波动抑制算法实现，大幅改善了脉冲负载条件下直流供电系统与电力电子供电系统的稳定性和使用寿命。

Description

一种直流供电功率波动抑制装置
技术领域
本发明属于电气工程领域，具体涉及一种直流供电功率波动抑制装置。
背景技术
随着电力电子技术的发展，电力电子设备的系统功率逐步增大、脉冲负载的工作模式更加复杂化，特别是逆变焊机、气象雷达等脉宽负载引起电力电子系统输入功率出现大幅波动，对常规交流供电系统的频率和电压稳定性造成严重影响。直流供电系统以直流配电的形式将发电装置、储能系统、负荷联结起来，在电能质量方面，直流供电系统不存在交流系统的无功环流和频率偏差等问题，拥有更好的电能质量；在运行控制方面，直流供电系统不必考虑发电装置之间的同步问题，更容易实现环流抑制和功率平衡。直流供电系统拥有诸多优点，但是由于大量脉冲供电模式的电力电子设备，其脉冲工作模式使得供电侧的输入功率在空载与满载之间波动，严重影响供电系统与电力电子供电系统的稳定性和使用寿命。因此，必须进行直流供电系统功率波动抑制。
发明内容
为解决现有技术中的缺陷，本发明针对直流供电系统，利用交错并联Boost拓扑研制了功率波动抑制装置，采用先进的FPGA数字控制器进行功率波动抑制算法实现，大幅改善了脉冲负载条件下直流供电系统与电力电子供电系统的稳定性和使用寿命。具体内容如下：
包括主功率电路、信号调理电路、AD转换电路、保护电路、数字控制电路和驱动信号电平转换电路；其中，信号调理电路连接主功率电路、AD转换电路，将主功率电路中的高压量、电流量等信号转换为满足AD转换电路所需的0-3.3V模拟量；AD转换电路连接数字控制电路，将0-3.3V模拟量转换为数字控制电路所需的数字量；数字控制电路连接驱动信号电平转换电路和保护电路，完成控制算法的实现，产生低压、小功率的PWM信号；驱动信号电平转换电路包括电平转换电路和隔离驱动电路，将数字控制电路输出的低压、小功率PWM信号转换为开关管所需的隔离、大功率驱动信号；当出现过压、过流、过温故障时，保护电路将相应逻辑电平送至数字控制电路，从而完成保护动作；
其中，主功率电路为交错并联Boost电路，包括两个并联的电感L1和L2、两个并联的二极管D1和D2、两个并联的开关管Q1和Q2、电容C及等效负载电阻R；输入正端连接电感L1、L2，L1、L2的另一端分别连接D1、D2的阳极，D1、D2的阴极连接电容C的正极；输入负端连接电容C的负极；等效负载电阻R与电容C并联；开关管Q1、Q2的漏极分别连接二极管D1、D2的阳极，Q1、Q2的源极连接输入负端，Q1、Q2的栅极与驱动信号电平转换电路连接，接收送来的驱动信号PWM1、PWM2。
进一步地，所述的数字控制电路为FPGA，其内部集成功率波动抑制装置软件模块，包括锁相环电路模块、AD控制模块、软启动模块、功率波动抑制模块、电流控制模块和调制信号生产模块；锁相环电路模块的输入端连接外部晶振的50MHz时钟信号，输出200MHz和50MHz时钟，向各个模块提供工作时钟；AD控制模块通过对AD转换电路进行控制，实现对电压、电流及温度信号的快速模数转换，确保反馈量的实时性；软启动模块实现开机软启动，防止开机瞬间开关管过流击穿；功率波动抑制模块通过对数字低通滤波器的控制，实现电感电流给定值平稳变化，从而实现功率波动的抑制效果；电流控制模块通过对电流给定值、电流反馈量做差，进而通过PI控制器产生占空比信号；调制信号生成模块通过载波比较的方式产生需要的PWM信号。
本发明的有益效果在于：
1.降低直流供电系统的输出功率波动，提高供电系统稳定性。
2.提高电力电子供电系统的使用寿命。
3.提高直流供电系统中光伏发电装置、蓄电池储能装置工作寿命。
4.在相同电感量的情况下，交错并联Boost比传统Boost的电感缩小一半，可大幅降低功率波动抑制装置尺寸；同时降低了功率波动抑制装置的总输入电流纹波。
5.降低了开关管、二极管的电流应力，提高功率波动抑制装置的可靠性。
附图说明
图1为直流供电系统架构示意图。
图2为功率波动抑制装置硬件电路示意图。
图3为功率波动抑制装置软件组成图。
图4为功率波动抑制装置控制原理图。
图5为功率波动抑制装置仿真波形。
图6为功率波动抑制装置实验波形。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明做进一步具体说明。
实施例：
功率波动抑制装置主要包括两部分：一是硬件电路部分，包括主功率部分（交错并联Boost电路）、信号调理电路、AD转换电路、保护电路、FPGA核心电路和驱动信号电平转换电路等，如图2所示；二是程序软件部分，包括锁相环电路模块、AD控制模块、软启动模块、功率波动抑制模块、电流控制模块和调制信号生成模块等，FPGA数字控制系统软件组成如图3所示。
如图2所示硬件组成部分，其中主功率部分为交错并联Boost电路，其连接关系为：输入的正端连接电感L1、L2，L1、L2的另一端分别连接D1、D2的阳极，D1、D2的阴极连接电容C的正极；输入的负端连接电容C的负极；等效负载电阻R与电容C并联；开关管Q1、Q2的漏极分别连接二极管D1、D2的阳极，Q1、Q2的源极连接输入的负端；Q1、Q2的栅极与控制电路送来的驱动信号PWM1、PWM2相连。主功率部分通过隔离方案检测输入电压、输出电压、电感电流和输出电流，然后通过信号调理、AD转换和硬件保护等电路后将相关信息送至FPGA核心电路，FPGA中的软件程序完成控制算法实现，并输出PWM信号。驱动信号电平转换电路主要包括电平转换电路（实现3.3V转5V）和隔离驱动电路（实现0V、5V转隔离-5V、+20V），将FPGA输出的低压小功率PWM信号转换为开关管所需的隔离、大功率驱动信号。
如图3所示功率波动抑制装置软件组成，该软件均编写在FPGA内部，包括锁相环电路模块、AD控制模块、软启动模块、功率波动抑制模块、电流控制模块、调制信号生产模块等。锁相环电路模块的输入端连接外部晶振的50MHz时钟信号，输出200MHz和50MHz时钟，向其它模块提供200MHz和50MHz的工作时钟；AD控制模块通过对AD转换芯片的控制，实现对电压、电流及温度信号的快速模数转换，确保反馈量的实时性；软启动模块实现开机软启动，防止开机瞬间开关管过流击穿；功率波动抑制模块通过基于数字滤波器的控制算法，实现电感电流给定值平稳变化，从而实现功率波动的抑制效果；电流控制模块通过对电流给定值、电流反馈量做差，进而通过PI控制器产生占空比信号；调制信号生成模块通过载波比较的方式产生需要的PWM信号。
如图4所示功率波动抑制装置的控制原理图，包括功率波动抑制的控制外环、电流控制内环和交错PWM调制模块。附图中及以下公式中：Uref为电压参考值，Uo为功率波动抑制装置输出电压，ΔU为Uref与Uo的差值，kup为电压控制比例系数，iref为计算得到的电流参考值，iL1为电感L1的电流实际值，iL2为电感L2的电流实际值，Δi1为iref与iL1的差值，Δi2为iref与iL2的差值，kip为电流控制比例系数，kii为电流控制积分系数，d1、d2为计算得到的占空比，τ为时间常数，s表示该公式为时域，P代表比例控制器，PI代表比例积分控制器。
功率波动抑制模块的控制原理图如图4所示，功率波动抑制环路对电源输出电压进行比例控制，属于有静差系统。功率波动抑制环路产生的电流给定值通过数字低通滤波器进行平滑滤波，从而抑制电感上的电流波动。功率波动抑制模块控制算法如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（8）
电流控制内环采用PI调节器，在电路中主要起环路补偿的作用，保证电源具有良好的动态特性和稳态特性，电流环控制算法如下：
Figure 908316DEST_PATH_IMAGE002
（9）
Figure 644190DEST_PATH_IMAGE003
（10）
功率波动抑制模块的低通滤波器用于平滑电感电流的给定值，实现平抑输入功率波动的作用。z代表该公式为频域，数字滤波器采用前向数值积分法，即取s =（z-1）/ T，代入式（1）整理得：
Figure 108670DEST_PATH_IMAGE004
（11）
其中T为滤波器采样周期。进一步将z变换后的式（3）转换为FPGA可执行的离散形式，其中k代表当前时刻数值、k+1代表下一时刻数值：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（12）
FPGA控制程序为定点运算，系数T/τ由移位实现。电流控制模块中的数字PI调节器，在数字模块电源中主要起环路补偿的作用，保证电源具有良好的动态特性和稳态特性。电流控制环采用位置式PI控制器，其控制规律为：
Figure 980811DEST_PATH_IMAGE006
（13）
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（14）
调制信号生成模块采用200MHz的时钟信号，输出50kHz的PWM信号，三角载波采用增计数方式得到。每个PWM周期由4000个时钟周期累加得到，计数值为0时载入新的Duty信号，进而更新下一周期的PWM占空比。
通过仿真和实验验证了所提基于交错并联Boost的功率波动抑制装置的有效性。
如图5的仿真波形所示，输出电压如蓝色波形所示，输出电流如红色波形所示，输入电流如青色波形所示，由仿真波形可见，采用本发明所提出的基于交错并联Boost的功率波动抑制装置，输入电流被控制平稳。
如图6的实验波形所示，输出电压如黄色波形所示，输出电流如蓝色波形所示，输入电流如紫色波形所示，由试验波形可见，采用本发明所提出的基于交错并联Boost的功率波动抑制装置，输入电流被控制平稳。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种直流供电功率波动抑制装置，其特征在于：包括主功率电路、信号调理电路、AD转换电路、保护电路、数字控制电路和驱动信号电平转换电路；其中，信号调理电路连接主功率电路、AD转换电路，将主功率电路中的高压量、电流量等信号转换为满足AD转换电路所需的0-3.3V模拟量；AD转换电路连接数字控制电路，将0-3.3V模拟量转换为数字控制电路所需的数字量；数字控制电路连接驱动信号电平转换电路和保护电路，完成控制算法的实现，产生低压、小功率的PWM信号；驱动信号电平转换电路包括电平转换电路和隔离驱动电路，将数字控制电路输出的低压、小功率PWM信号转换为开关管所需的隔离、大功率驱动信号；当出现过压、过流、过温故障时，保护电路将相应逻辑电平送至数字控制电路，从而完成保护动作；
其中，主功率电路为交错并联Boost电路，包括两个并联的电感L1和L2、两个并联的二极管D1和D2、两个并联的开关管Q1和Q2、电容C及等效负载电阻R；输入正端连接电感L1、L2，L1、L2的另一端分别连接D1、D2的阳极，D1、D2的阴极连接电容C的正极；输入负端连接电容C的负极；等效负载电阻R与电容C并联；开关管Q1、Q2的漏极分别连接二极管D1、D2的阳极，Q1、Q2的源极连接输入负端，Q1、Q2的栅极与驱动信号电平转换电路连接，接收送来的驱动信号PWM1、PWM2。
2.如权利要求1所述的一种直流供电功率波动抑制装置，其特征在于：所述的数字控制电路为FPGA，其内部集成功率波动抑制装置软件模块，包括锁相环电路模块、AD控制模块、软启动模块、功率波动抑制模块、电流控制模块和调制信号生产模块；锁相环电路模块的输入端连接外部晶振的50MHz时钟信号，输出200MHz和50MHz时钟，向各个模块提供工作时钟；AD控制模块通过对AD转换电路进行控制，实现对电压、电流及温度信号的快速模数转换，确保反馈量的实时性；软启动模块实现开机软启动，防止开机瞬间开关管过流击穿；功率波动抑制模块通过对数字低通滤波器的控制，实现电感电流给定值平稳变化，从而实现功率波动的抑制效果；电流控制模块通过对电流给定值、电流反馈量做差，进而通过PI控制器产生占空比信号；调制信号生成模块通过载波比较的方式产生需要的PWM信号。
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