CN114498875A - 一种相控充电控制装置、动态电压恢复器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种相控充电控制装置、动态电压恢复器及其控制方法，涉及供电电路装置技术领域，包括：主控单元、切换开关单元和逆变器；主控单元连接切换开关单元和逆变器，设定充电需求电流和充电截止电压，并以此发送驱动指令至切换开关单元；切换开关单元包括三相可控硅组，根据驱动指令调节三相可控硅组的导通角，以将交流电源的输出电压转换为可控交流电压，再经逆变器反向并联续流二极管的被动整流，将可控交流电压转换为可控直流电压，从而调节充电电流，实现对储能单元的恒流充电，不需要增加充电单元等硬件装置，实时控制且安全高效，实现对动态电压恢复器超级电容的充电实时管理。

Description

一种相控充电控制装置、动态电压恢复器及其控制方法
技术领域
本发明涉及供电电路装置技术领域，特别是涉及一种相控充电控制装置、动态电压恢复器及其控制方法。
背景技术
电压暂降已经成为目前影响供电品质的主要原因，动态电压恢复器（DynamicVoltage Regulator）是解决电压暂降的常用选择。动态电压恢复器主要由储能单元、逆变器、充电单元、切换开关、旁路开关组成。动态电压恢复器以超级电容作为储能单元，超级电容快速大功率放电特性给需要保护的装置提供快速可靠的保护，所以超级电容的充放电管理尤为重要。超级电容初始电压为零，则超级电容相当于短路状态，需要恒流充电或者限流的方式。
常见充电方式都是采用外置的充电单元给超级电容充电，无论采用开关电源技术的充电器进行恒流充电、还是采用整流方式的限流充电，都需要单独的充电回路进行充电，无论从可靠性、智能化都不能满足使用要求，同时需要增加装置的成本。
采用逆变器反向并联续流二极管的被动整流方式，需要靠限流电阻进行限流充电，串联在系统中增加系统的损耗，充电电流受限流电阻的限制不能自动或者受控调节。
综上所述，已有的充电方式不能满足动态电压恢复器对超级电容快速且可控的充电管理需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种相控充电控制装置、动态电压恢复器及其控制方法，通过控制切换开关单元中可控硅的导通角，将交流电源的输出电压转换为可控交流电压，再经过逆变器的被动整流，将可控交流电压转换为可控直流电压，实现对储能单元的恒流充电，不需要增加充电单元等硬件装置，实时控制且安全高效，实现对动态电压恢复器超级电容的充电实时管理。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种相控充电控制装置，包括：主控单元、切换开关单元和逆变器；
所述主控单元连接切换开关单元和逆变器，用于根据储能单元的充电需求设定充电需求电流和充电截止电压，并以此发送驱动指令至切换开关单元；
所述切换开关单元包括三相可控硅组，三相可控硅组的输入侧与交流电源连接，输出侧与逆变器的输入侧连接，逆变器的输出侧与储能单元连接；
所述切换开关单元用于根据驱动指令调节三相可控硅组的导通角，以将交流电源的输出电压转换为可控交流电压，再经逆变器反向并联续流二极管的被动整流，将可控交流电压转换为可控直流电压，从而调节充电电流，完成对储能单元的恒流充电。
作为可选择的实施方式，对三相可控硅组在0～360°内调节导通角，每相可控硅组包括两只反向并联的单向可控硅，每只单向可控硅均独立控制。
作为可选择的实施方式，所述逆变器包括三组并联的绝缘栅双极型晶体管组，每组绝缘栅双极型晶体管组包括两只串联的绝缘栅双极型晶体管，一相可控硅组连接一组绝缘栅双极型晶体管组。
作为可选择的实施方式，所述充电需求包括储能单元的容量和充电时间。
作为可选择的实施方式，所述主控单元获取储能单元的实时充电电流和实时充电电压，根据实时充电电流与充电需求电流的比较结果，发送反馈指令至切换开关单元，以实时调节三相可控硅组的导通角，构成闭环反馈调节，实现恒流充电，直至实时充电电压达到充电截止电压。
作为可选择的实施方式，所述相控充电控制装置还包括保护模块，当实时充电电流和实时充电电压异常时，所述主控单元反馈异常信号至保护模块，所述保护模块接收异常信号，用于封锁驱动指令。
作为可选择的实施方式，所述主控单元根据输入电压和充电需求电流进行PI调节，以产生驱动指令，并计算驱动所需的幅值和时间，同时根据储能单元的实时充电电流和实时充电电压，对驱动所需的幅值和时间进行修正，以此对三相可控硅组的导通角进行调节，实现充电电流的可控充电。
第二方面，本发明提供一种动态电压恢复器，包括第一方面所述的相控充电控制装置。
作为可选择的实施方式，所述切换开关单元的输入侧通过输入断路器与交流电源连接，输出侧通过输出断路器连接负载，以给负载供电；切换开关单元设有故障自动旁路交流接触器，当切换开关单元故障时，故障自动旁路交流接触器将切换开关单元旁路。
第三方面，本发明提供一种第二方面所述的动态电压恢复器的相控充电控制方法，包括：
根据储能单元的充电需求设定充电需求电流和充电截止电压，并以此得到驱动指令；
接收交流电源的输出电压，根据驱动指令调节三相可控硅组的导通角，以将交流电源的输出电压转换为可控交流电压；
将可控交流电压经逆变器反向并联续流二极管的被动整流后，转换为可控直流电压，从而调节充电电流，完成对储能单元的恒流充电。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出一种相控充电控制装置、动态电压恢复器及其控制方法，通过控制切换开关单元中可控硅的导通角，将交流电源的输出电压转换为可控交流电压，再经过逆变器的反向续流二极管进行被动整流，将可控交流电压转换为可控直流电压，根据不同储能单元的需求进行充放电管理，实现对储能单元的恒流充电，不需要增加充电单元等硬件装置，无需单独的充电单元，利用现有切换单元、逆变器等进行充电，实时控制且安全高效，实现对动态电压恢复器超级电容的充电实时管理。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的相控充电控制装置系统图；
图2为本发明实施例1提供的相控充电控制装置拓扑图；
图3为本发明实施例1提供的切换开关单元拓扑图；
图4为本发明实施例2提供的动态电压恢复器系统图；
图5为本发明实施例3提供的相控充电控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
本实施例提供一种相控充电控制装置，包括：切换开关单元、逆变器和主控单元；
所述主控单元连接切换开关单元和逆变器，用于根据储能单元的充电需求设定充电需求电流和充电截止电压，并以此发送驱动指令至切换开关单元；
所述切换开关单元包括三相可控硅组，三相可控硅组的输入侧与交流电源连接，输出侧与逆变器的输入侧连接，逆变器的输出侧与储能单元连接；
所述切换开关单元用于根据驱动指令调节三相可控硅组的导通角，以将交流电源的输出电压转换为可控交流电压，再经逆变器反向并联续流二极管的被动整流，将可控交流电压转换为可控直流电压，从而调节充电电流，完成对储能单元的恒流充电。
本实施例的储能单元以超级电容为例，切换开关单元以静态切换开关（STS）单元为例，如图1-2所示，下面对相控充电控制装置进行详细阐述。
所述STS单元包括三相可控硅组，每相可控硅组包括两只反向并联的单向可控硅，三相可控硅组的六只单向可控硅均可独立控制，通过对单向可控硅的驱动触发，实现对单向可控硅导通角的调节，从而调节充电电流，完成对超级电容的恒流充电。
具体地，如图3所示，STS单元包括A相、B相、C相的三相可控硅组TR1～TR3，以A相可控硅组TR1为例，在0～180°控制阴极A1-K1和控制极A1-G1的驱动信号的开关，控制其开通时间；在180°～360°控制阴极A2-K2和控制极A2-G2的驱动信号的开关，控制其开通时间；由此实现在0～360°内控制A相可控硅组TR1的导通角，在换向时，可控硅过零自动关断，以确保换向控制的可靠。
在本实施例中，STS单元的输入侧通过输入断路器QF1与交流电源连接，输出侧与逆变器的输入侧相连，所述逆变器包括三组并联的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）组，每组绝缘栅双极型晶体管组包括两只串联的绝缘栅双极型晶体管，共六只绝缘栅双极型晶体管Q1-Q6；
一相可控硅组连接一组绝缘栅双极型晶体管组；具体地，由Q1和Q2构成一组IGBT组连接A相可控硅，由Q3和Q4构成一组IGBT组连接B相可控硅，由Q5和Q6构成一组IGBT组连接C相可控硅；
所述逆变器的输出侧连接超级电容，用于给超级电容充电。
所述主控单元根据超级电容的容量和充电时间，设定充电需求电流和充电截止电压，并以此发送驱动指令至STS单元；STS单元根据驱动指令调节三相可控硅组的导通角，以进行充电电流的控制。
在充电时，STS单元根据主控单元下发的驱动指令，分别调节三相可控硅组内各个单相可控硅的导通角，用于将交流电源的输出电压转换为可控的交流电压，以调节交流电源的交流电压；
逆变器中的绝缘栅双极型晶体管反向并联续流二极管，将STS单元相控调节后的交流电压经逆变器反向并联续流二极管的被动整流后，转换成直流电压，即实现将可控的交流电压转换成为可控的直流电压，从而调节充电电流，实现对超级电容的恒流充电，同样实现根据不同超级电容的充电需求进行充放电。
在本实施例中，在逆变器的输出侧连接电流互感器CT1，通过电流互感器CT1实时检测超级电容的充电电流，同时还获取实时充电电压，将实时充电电流和实时充电电压反馈给主控单元，主控单元根据实时充电电流与充电需求电流的比较结果，发送反馈指令给STS单元，以实时调整导通角，形成闭环反馈调节，实现恒流充电，直至实时充电电压达到设定的充电截止电压，停止充电。
在本实施例中，通过设定超级电容充电所需的充电需求电流和充电截止电压，根据当前输入电压和充电需求电流进行PI调节，调整PI输出参数以产生驱动指令，计算驱动所需的幅值和时间，以此对可控硅进行导通角的控制；
同时，根据超级电容输出侧的电流瞬时值和电压瞬时值，对驱动所需的幅值和时间进行修正，实现充电电流的可控充电；
当电压瞬时值达到充电截止电压时，停止充电，实现安全可控的充电管理。
在本实施例中，还包括保护模块，当实时充电电流和实时充电电压异常时，所述主控单元反馈异常信号至保护模块，所述保护模块接收异常信号，用于封锁驱动指令。
在本实施例中，通过相控充电装置进行初次充电时，超级电容的电压由0V升至逆变器的被动整流电压，然后转换至逆变器主动充电，直至达到充电截止电压；超级电容放电时，设定有下限截止电压，当电压下降至下限截止电压时，再次通过逆变器主动充电，直至达到充电截止电压；整个充电过程不需要增加硬件成本，实现以恒流充电方式的充电管理。
实施例2
本实施例提供一种动态电压恢复器，包括，实施例1所述的相控充电控制装置。
如图4所示，STS单元的输入侧通过输入断路器QF1与交流电源AC连接，输出侧通过输出断路器QF2连接负载，以给负载供电；在动态电压恢复器工作时，交流电源的交流电压通过输入断路器QF1经过STS单元，再通过输出断路器QF2给负载供电；同时，通过输入断路器QF1、STS单元和逆变器给超级电容充电。
在本实施例中，STS单元设有故障自动旁路交流接触器KM1，当STS单元故障时，故障自动旁路交流接触器KM1将STS单元旁路，通过断路器QF3（即旁路开关）将动态电压恢复器脱离供电系统。
实施例3
本实施例提供一种实施例2所述的动态电压恢复器的相控充电控制方法，包括：
根据储能单元的充电需求设定充电需求电流和充电截止电压，并以此得到驱动指令；
接收交流电源的输出电压，根据驱动指令调节三相可控硅组的导通角，以将交流电源的输出电压转换为可控交流电压；
将可控交流电压经逆变器反向并联续流二极管的被动整流后，转换为可控直流电压，从而调节充电电流，完成对储能单元的恒流充电。
具体地，如图5所示，首先设定两个参数，即充电需求电流和充电截止电压；根据输入电压和充电需求电流进行PI调节，调整PI输出参数，计算驱动所需的幅值；同时，获取超级电容输出侧的电流瞬时值和电压瞬时值，对驱动所需的幅值进行修正，以驱动控制可控硅的导通角；再者，电流瞬时值和电压瞬时值异常时，反馈至保护模块，直至电压瞬时值达到充电截止电压时，停止充电，实现安全可控的充电管理。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种相控充电控制装置，其特征在于，包括：主控单元、切换开关单元和逆变器；
所述主控单元连接切换开关单元和逆变器，用于根据储能单元的充电需求设定充电需求电流和充电截止电压，并以此发送驱动指令至切换开关单元；
所述切换开关单元包括三相可控硅组，三相可控硅组的输入侧与交流电源连接，输出侧与逆变器的输入侧连接，逆变器的输出侧与储能单元连接；
所述切换开关单元用于根据驱动指令调节三相可控硅组的导通角，以将交流电源的输出电压转换为可控交流电压，再经逆变器反向并联续流二极管的被动整流，将可控交流电压转换为可控直流电压，从而调节充电电流，完成对储能单元的恒流充电。
2.如权利要求1所述的一种相控充电控制装置，其特征在于，对三相可控硅组在0～360°内调节导通角，每相可控硅组包括两只反向并联的单向可控硅，每只单向可控硅均独立控制。
3.如权利要求1所述的一种相控充电控制装置，其特征在于，所述逆变器包括三组并联的绝缘栅双极型晶体管组，每组绝缘栅双极型晶体管组包括两只串联的绝缘栅双极型晶体管，一相可控硅组连接一组绝缘栅双极型晶体管组。
4.如权利要求1所述的一种相控充电控制装置，其特征在于，所述充电需求包括储能单元的容量和充电时间。
5.如权利要求1所述的一种相控充电控制装置，其特征在于，所述主控单元获取储能单元的实时充电电流和实时充电电压，根据实时充电电流与充电需求电流的比较结果，发送反馈指令至切换开关单元，以实时调节三相可控硅组的导通角，构成闭环反馈调节，实现恒流充电，直至实时充电电压达到充电截止电压。
6.如权利要求5所述的一种相控充电控制装置，其特征在于，所述相控充电控制装置还包括保护模块，当实时充电电流和实时充电电压异常时，所述主控单元反馈异常信号至保护模块，所述保护模块接收异常信号，用于封锁驱动指令。
7.如权利要求1所述的一种相控充电控制装置，其特征在于，所述主控单元根据输入电压和充电需求电流进行PI调节，以产生驱动指令，并计算驱动所需的幅值和时间，同时根据储能单元的实时充电电流和实时充电电压，对驱动所需的幅值和时间进行修正，以此对三相可控硅组的导通角进行调节，实现充电电流的可控充电。
8.一种动态电压恢复器，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的相控充电控制装置。
9.如权利要求8所述的一种动态电压恢复器，其特征在于，所述切换开关单元的输入侧通过输入断路器与交流电源连接，输出侧通过输出断路器连接负载，以给负载供电；切换开关单元设有故障自动旁路交流接触器，当切换开关单元故障时，故障自动旁路交流接触器将切换开关单元旁路。
10.一种权利要求8-9任一项所述的动态电压恢复器的相控充电控制方法，其特征在于，包括：
根据储能单元的充电需求设定充电需求电流和充电截止电压，并以此得到驱动指令；
接收交流电源的输出电压，根据驱动指令调节三相可控硅组的导通角，以将交流电源的输出电压转换为可控交流电压；
将可控交流电压经逆变器反向并联续流二极管的被动整流后，转换为可控直流电压，从而调节充电电流，完成对储能单元的恒流充电。
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