CN114362521B - 一种宽范围多模式输出的升降压混合电路的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽范围多模式输出的升降压混合电路的控制方法，其中的升降压混合电路将输入侧为380VAC的电网电压进行变换，输出可为多模式宽范围的直流电压、直流电流或恒定功率供给后级储能系统；在正常工作状态下，该混合电路有六种工作模式，分别是恒流/限流工作模式、恒功率/限功率工作模式和恒压/限压工作模式。本发明通过升降压混合电路的直流母线电压、储能系统电压、Buck变换器电感电流等电量信息来实现六种工作模式的快速平滑切换；应用本发明控制策略，可以降低电压/电流/功率指令突变对半导体器件的应力冲击，增强了宽范围多模式输出的升降压混合电路在不同应用场合中的适应能力。

Description

一种宽范围多模式输出的升降压混合电路的控制方法
技术领域
本发明属于智能化供电设备控制技术领域，具体涉及一种宽范围多模式输出的升降压混合电路的控制方法。
背景技术
随着生产自动化，现代化水平的不断提高，制造业对电能应用提出了更高的要求，越来越多的工业设备运行于直流电供电装置下，如直流电机、超级电容、蓄电池、电焊机等等，这些工业设备要求直流供电装置能够稳定的输出电压、电流以及一定的功率值。现代智能化供电设备的应用场景越来越多，如电机软启动、智能风扇等等，这些智能化供电设备要求对供电电路的控制更加精准以及电路不同工作模式的切换更加平滑；电路工作模式的平滑切换可以减小功率器件的di/dt和du/dt，降低系统间的干扰，提高装置运行可靠性，同时平滑切换可以满足不同负载的应用需求。
目前业内主流升降压电路的控制方法涉及恒压、恒流和恒功率等多种工作模式，文献[王海超,范学鑫,杨国润,王瑞田,张新生,罗毅飞.超级电容充电三电平双输出直流变换器设计[J].高电压技术,2020,46(09):3268-3274]提出了一种基于恒流充电的超级电容充电电路及其控制方法，但恒流充电模式在在充电后期存在过压风险，因此文献[雷磊,封阿明,陶正华,郭巍.基于超级电容的宽输入范围DC/DC变换器设计[J].现代电力,2020,37(05):544-551]在恒流充电后增设了恒压充电模式来确保超级电容电压不超过安全工作范围。文献[孟彦京,张商州,陈景文,段明亮.充电方式对超级电容能量效率的影响[J].电子器件,2014,37(01):13-16]分析了不同工作模式的充电效率，指出恒流模式充电速率快、恒压模式充电效率低、而恒功率模式介于二者之间，可以将三者结合起来以实现较优的充电过程。文献[李俊.蓄电池快速充电技术研究[D].西南交通大学,2009]中利用三段式方法对铅酸蓄电池进行充电，文献[王栋.无线传感器网络的太阳能电源管理系统研究[D].武汉工程大学,2019]指出在恒流充电转向恒压充电的过程中，存在瞬间大电流冲击，电池极板的应力较大，这会影响电池的使用寿命。此外，锂电池作为热门的电化学储能方式，其主流充电策略也包括多段，具体包括涓流模式、恒流模式、恒压模式等。综上，针对不同类型负载升降压的多模式复合控制方法的研究是很有工程意义的。
在上述文献中，多种工作模式的复合可以有效提升电路运行性能，但很少有涉及各模式之间平滑切换的可靠性问题；此外，充电电路器件与负载内部的温度和模式指令大小也直接相关。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种宽范围多模式输出的升降压混合电路的控制方法，能够降低电压/电流/功率指令突变对半导体器件的应力冲击，增强升降压混合电路在不同应用场合中的适应能力。
一种宽范围多模式输出的升降压混合电路的控制方法，所述升降压混合电路包括升压隔离变压器、三相不控整流桥以及Buck变换器，其中所述升压隔离变压器用于对电网电压进行升压，三相不控整流桥用于将升压后的交流电转换为直流电，Buck变换器用于对直流电进行降压后输出给后级储能系统，该升降压混合电路在输入侧为三相电网电压的情况下，可输出多模式宽范围的直流电压、直流电流或恒定功率；
所述控制方法包括如下步骤：
首先，检测三相不控整流桥的直流母线电压，若直流母线电压低于充电所需的电压阈值，则闭锁Buck变换器的PWM信号；若直流母线电压高于充电所需的电压阈值，则进一步检测储能系统的电压；
然后，根据储能系统电压控制Buck变换器进入相应的工作模式；当工作模式需要进行切换时，需根据当前工作模式和目标工作模式依据相应控制策略进行平滑切换。
进一步地，所述Buck变换器包含有三种恒定工作模式和三种缓冲工作模式，三种恒定工作模式分别为恒流工作模式、恒功率工作模式以及恒压工作模式，三种缓冲工作模式分别为限流工作模式、限功率工作模式以及限压工作模式；以适用于不同应用场合。
进一步地，根据储能系统电压控制Buck变换器进入相应工作模式的具体标准如下：
当0≤储能系统电压＜Vcharge1，则控制Buck变换器进入恒流工作模式或限流工作模式；
当Vcharge1≤储能系统电压＜Vcharge2，则控制Buck变换器进入恒功率工作模式或限功率工作模式；
当Vcharge2≤储能系统电压＜Vovervoltage，则控制Buck变换器进入恒压工作模式或限压工作模式；
当储能系统电压≥Vovervoltage，则发出储能系统过压警报并闭锁Buck变换器的PWM信号；
其中：Vcharge1、Vcharge2和Vovervoltage均为设定的电压阈值且Vcharge1＜Vcharge2＜Vovervoltage。
进一步地，当工作模式需要切换时所采用的控制策略如下：
限流工作模式、限功率工作模式以及限压工作模式相互之间可直接进行切换；
恒流工作模式与限流工作模式之间可直接进行切换；
恒功率工作模式与限功率工作模式之间可直接进行切换；
恒压工作模式与限压工作模式之间可直接进行切换；
因此，若当前工作模式为某一种恒定工作模式A，目标工作模式为另一种恒定工作模式情况B，在进行切换时需将当前工作模式先切换至对应的缓冲工作模式a(即恒流切换至限流，恒功率切换至限功率，恒压切换至限压)，然后再将该缓冲工作模式a切换至恒定工作模式B所对应的缓冲工作模式b，最后再将缓冲工作模式b切换至恒定工作模式B下；
同样，若当前工作模式为恒定工作模式A，目标工作模式为缓冲工作模式c，在进行切换时需将当前工作模式先切换至对应的缓冲工作模式a，然后再将该缓冲工作模式a切换至切换至缓冲工作模式c下；
反之，若当前工作模式为缓冲工作模式c，目标工作模式为恒定工作模式A，在进行切换时需将当前工作模式切换至恒定工作模式A所对应的缓冲工作模式a，然后再将缓冲工作模式a切换至恒定工作模式A下。
进一步地，当Buck变换器处于恒流工作模式、恒功率工作模式、限流工作模式或限功率工作模式下，进一步检测Buck变换器中功率器件的温度，若Tcharge1≤功率器件温度＜Tcharge2，则渐进降低电流指令值或功率指令值，其中Tcharge1和Tcharge2均为设定的温度阈值且Tcharge1＜Tcharge2。
进一步地，检测Buck变换器中功率器件的温度，若功率器件温度≥Tcharge2，则发出功率器件过温故障警报并闭锁Buck变换器的PWM信号，Tcharge2为设定的温度阈值；通过对功率器件执行过温保护，兼顾了器件可靠性与使用周期。
本发明中宽范围多模式输出的升降压混合电路基于隔离变压器、三相整流桥和Buck变换器，系统结构简单实用，可输出电压/电流/功率范围广，可靠性高，成本低。本发明升降压混合电路的工作模式多样，控制方案中有六种工作模式，除了一般的恒流、恒压和恒功率模式，该电路工作模式中还加入了限流、限压和限功率工作模式，可以适应于各种不同的工况，后级储能系统包括但不限于超级电容、储能电池等。
本发明控制方法简单，整个电路的控制集中于Buck变换器，通过控制Buck变换器的输出电压和输出电流，实现宽范围多模式输出的升降压混合电路恒流/限流、恒压/限压、恒功率/限功率的平滑切换，增强宽范围多模式输出的升降压混合电路的实用性。
附图说明
图1为本发明控制方法的具体实施流程示意图。
图2为宽范围多模式输出的升降压混合电路结构示意图。
图3为本发明升降压混合电路不同工作模式之间切换状态示意图。
图4为有无限流/限功率控制模式下超级电容电压的波形示意图。
图5为有无限流/限功率控制模式下输出充电电流的波形示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图2所示，本发明基于的升降压混合电路，由一级升压隔离变压器、三相整流桥和Buck电路组成，系统结构简单，可靠性高，成本低。为了适用于不同应用场合，本发明设置了恒流/限流工作模式、恒功率/限功率工作模式和恒压/限压工作模式共六种工作模式，并提出了各模式间的平滑切换控制算法。
如图1所示，本发明宽范围多模式输出的升降压混合电路的运行控制方法，包括以下步骤：
步骤1：设置宽范围多模式输出的升降压混合电路存在六种工作模式，分别为恒流/限流(可变恒流或慢正负斜坡恒流)工作模式、恒功率/限功率(可变恒功率或慢正负斜坡恒功率)工作模式和恒压/限压(可变恒压或慢正负斜坡恒压)工作模式。
步骤2：检测不控整流桥的直流母线电压，若直流母线电压低于充电所需阈值电压则闭锁Buck变换器PWM信号，具体实现如下：
2.1检测直流母线电压，判断直流母线电压是否低于充电所需阈值；
2.2当直流母线电压低于工作所需阈值时，闭锁PWM信号；
2.3当直流母线电压高于工作所需阈值时，检测储能系统电压。
步骤3：当直流母线电压满足工作需求时，根据储能系统实时电压和各模式阈值设定，Buck变换器进入恒流/限流工作模式、恒功率/限功率工作模式或恒压/限压工作模式给储能系统供电，具体实现如下：
首先检测储能系统电压；
当0≤储能系统电压＜Vcharge1，则控制Buck变换器进入恒流工作模式或限流工作模式；
当Vcharge1≤储能系统电压＜Vcharge2，则控制Buck变换器进入恒功率工作模式或限功率工作模式；
当Vcharge2≤储能系统电压＜Vovervoltage，则控制Buck变换器进入恒压工作模式或限压工作模式；
当储能系统电压≥Vovervoltage，则发出储能系统过压警报并闭锁Buck变换器的PWM信号；
其中：Vcharge1、Vcharge2和Vovervoltage均为设定的电压阈值且Vcharge1＜Vcharge2＜Vovervoltage。
步骤4：当电路工作模式需要进行切换时，通过判定当前工作模式和目标工作模式，依据控制算法(根据储能系统电压)进行平滑切换，具体实现如下：
4.1当电路在恒压、恒流、恒功率三种工作模式之间进行切换时，如图3所示，需要通过限压、限流、限功率工作模式以达到平滑切换的效果。限制标准主要考量切换前电路的输出电压、电流及功率和切换后电路输出的电压、电流及功率以及后级储能系统的物理特性、Buck电路变换器的应力限制等等。
4.2当电路在限压、限流、限功率三种工作模式之间进行切换时，可以直接进行切换。
4.3当电路在恒压、恒流或恒功率工作模式下切换至限压、限流、限功率工作模式时，会先切换至恒压、恒流、恒功率工作模式对应的限压、限流、限功率工作模式下，再在限压、限流、限功率模式之间进行切换。
步骤5：当检测到功率器件温度达到阈值温度Tcharge1时，渐进降低电流/功率指令；而当温度达到阈值温度Tcharge2时，对功率器件执行过温保护，兼顾了器件可靠性与使用周期。
以下应用案例为：利用宽范围多模式输出的升降压混合电路为后级的超级电容储能系统供电，由于超级电容充电不宜采用恒压充电模式，因此本实例所述的算法实现过程为恒流/限流和恒功率/限功率等4种工作模式之间的切换。
本实例中宽范围多模式输出的升降压混合电路由升压变压器、三相不控整流桥、Buck电路组成，控制方法通过加入限流/限功率工作模式前后的对比来证明本发明的有效性；整体上，电路的工作模式设定如下：
(1)当超级电容电压值低于20V(即阈值电压Vcharge1)时，采用先限流后恒流的工作模式，降低电路初始充电阶段的冲击电流。
(2)当超级电容电压值达到20V时，电路从恒流模式经过限流模式，限功率模式后切换至恒功率模式，降低工作模式切换对于功率器件的应力冲击。
将有无限流/限功率控制模式的电压、电流波形进行对比，得到超级电容电压、电感电流波形，分别如图4和图5所示，虚线波形为未加入限流/限功率控制模式的超级电容电压和充电电流波形，实线波形为加入限流/限功率控制模式的超级电容电压和充电电流波形，可以看出，在加入限流/限功率控制模式后，超级电容电压波形和充电电流的冲击都被消除了，实现了恒流/恒功率之间的平滑切换。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种宽范围多模式输出的升降压混合电路的控制方法，所述升降压混合电路包括升压隔离变压器、三相不控整流桥以及Buck变换器，其中所述升压隔离变压器用于对电网电压进行升压，三相不控整流桥用于将升压后的交流电转换为直流电，Buck变换器用于对直流电进行降压后输出给后级储能系统，该升降压混合电路在输入侧为三相电网电压的情况下，可输出多模式宽范围的直流电压、直流电流或恒定功率；其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
首先，检测三相不控整流桥的直流母线电压，若直流母线电压低于充电所需的电压阈值，则闭锁Buck变换器的PWM信号；若直流母线电压高于充电所需的电压阈值，则进一步检测储能系统的电压；
然后，根据储能系统电压控制Buck变换器进入相应的工作模式；当工作模式需要进行切换时，需根据当前工作模式和目标工作模式依据相应控制策略进行平滑切换；所述Buck变换器包含有三种恒定工作模式和三种缓冲工作模式，三种恒定工作模式分别为恒流工作模式、恒功率工作模式以及恒压工作模式，三种缓冲工作模式分别为限流工作模式、限功率工作模式以及限压工作模式；
根据储能系统电压控制Buck变换器进入相应工作模式的具体标准如下：
当0≤储能系统电压＜Vcharge1，则控制Buck变换器进入恒流工作模式或限流工作模式；
当Vcharge1≤储能系统电压＜Vcharge2，则控制Buck变换器进入恒功率工作模式或限功率工作模式；
当Vcharge2≤储能系统电压＜Vovervoltage，则控制Buck变换器进入恒压工作模式或限压工作模式；
当储能系统电压≥Vovervoltage，则发出储能系统过压警报并闭锁Buck变换器的PWM信号；
其中：Vcharge1、Vcharge2和Vovervoltage均为设定的电压阈值且Vcharge1＜Vcharge2＜Vovervoltage；
当工作模式需要切换时所采用的控制策略如下：
限流工作模式、限功率工作模式以及限压工作模式相互之间可直接进行切换；
恒流工作模式与限流工作模式之间可直接进行切换；
恒功率工作模式与限功率工作模式之间可直接进行切换；
恒压工作模式与限压工作模式之间可直接进行切换；
因此，若当前工作模式为某一种恒定工作模式A，目标工作模式为另一种恒定工作模式情况B，在进行切换时需将当前工作模式先切换至对应的缓冲工作模式a，然后再将该缓冲工作模式a切换至恒定工作模式B所对应的缓冲工作模式b，最后再将缓冲工作模式b切换至恒定工作模式B下；
同样，若当前工作模式为恒定工作模式A，目标工作模式为缓冲工作模式c，在进行切换时需将当前工作模式先切换至对应的缓冲工作模式a，然后再将该缓冲工作模式a切换至切换至缓冲工作模式c下；
反之，若当前工作模式为缓冲工作模式c，目标工作模式为恒定工作模式A，在进行切换时需将当前工作模式切换至恒定工作模式A所对应的缓冲工作模式a，然后再将缓冲工作模式a切换至恒定工作模式A下；
当Buck变换器处于恒流工作模式、恒功率工作模式、限流工作模式或限功率工作模式下，进一步检测Buck变换器中功率器件的温度，若Tcharge1≤功率器件温度＜Tcharge2，则渐进降低电流指令值或功率指令值，其中Tcharge1和Tcharge2均为设定的温度阈值且Tcharge1＜Tcharge2；
检测Buck变换器中功率器件的温度，若功率器件温度≥Tcharge2，则发出功率器件过温故障警报并闭锁Buck变换器的PWM信号。
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