CN114844189B - 一种改善电源系统的电压调制的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改善电源系统的电压调制的方法，属于低压供电系统与大动态负载供电领域，包括步骤：S1，在有源储能模块中设BOOST电路；S2，对主电路的电流检测，且在检测到动态负载大功耗阶段结束时刻电流时，利用数字控制BOOST电路给储能电容充电，并通过控制BOOST电路开通时间来控制充电斜率，使发电机能够响应功率变化；在检测到动态负载处于大功耗阶段过程中时，通过BUCK电路来控制储能电容放电过程。本发明可实现能量高效利用，提升电源系统的效率，减小散热系统压力，达到匹配系统正常供电目的。

Description

一种改善电源系统的电压调制的方法
技术领域
本发明涉及低压供电系统与大动态负载供电领域，更为具体的，涉及一种改善电源系统的电压调制的方法。
背景技术
在发射机的T/R元数较少的情况下，功率较小，若远小于发电机输出功率，或发射机的收发的工作重频较高(≥5KHz)时，就对发电机影响较小。但在电子工作中，必定会遇到发射机收发的工作重频≤5KHz的情况，而且随着装备发展要求，发射功率会越来越大。当大动态变化达到发电机功率的20％左右时，就会对发电机影响很大，引起发电机震荡，产生调制，影响整个供电系统，产生很严重后果。
目前较成熟的方案是采用假负载方案，即在接收时，通过附加假负载，抵消负载变化，降低负载动态变化对电源系统的影响。但假负载方案会产生大量热，增加散热成本，增加系统功耗，同时假负载是基本固定的，不能随着负载变化(不同的射频工作频段，其功率变化很大)进行自动补偿，这样可能出现假负载补偿后功率依然变大或变小。由此可见，假负载方案代价很大，效果却有限。
在一些应用场景中，例如未来战争中无人机和无人车将会大量使用，其目前主要发电系统是DC28V和单相220V/50Hz的发电机。其功率容量一般5KVA～20KVA，而现有发射机负载一般为1KW～12KW，将来对发电机影响很大。由于无人机、无人车等平台性价比和容量因素，都需要解决这个关键的功率匹配问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种改善电源系统的电压调制的方法，可实现能量高效利用，提升电源系统的效率，减小散热系统压力，达到匹配系统正常供电目的等。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种改善电源系统的电压调制的方法，包括步骤：
S1，在有源储能模块中设BOOST电路；
S2，对主电路的电流检测，且在检测到动态负载大功耗阶段结束时刻电流时，利用数字控制BOOST电路给储能电容充电，并通过控制BOOST电路开通时间来控制充电斜率，使发电机能够响应功率变化；在检测到动态负载处于大功耗阶段过程中时，通过BUCK电路来控制储能电容放电过程。
进一步地，所述BOOST电路与BUCK电路互为独立，互不影响。
进一步地，在步骤S2中，所述对主电路的电流检测包括子步骤：设置一路传感器，用于检测主电路的母线电流，作为有源储能模块的数据。
进一步地，在步骤S2中，所述动态负载大功耗阶段为发射机系统的发射T阶段；且当发射机系统的供电系统在发射阵R阶段时，包括如下子步骤：根据发射、接收功率的差值控制充电电流，让充电的功率逐渐下降；如果接收时间长于设定值，则控制BOOST电路逐渐给储能电容充满电后就停止工作；如果接收时间小于设定值，则控制BOOST电路逐渐给储能电容不能充满电，但不影响其充电、放电的功能，让其起到平缓发电机功率缓慢下降作用。
进一步地，在步骤S2中，当所述动态负载大功耗阶段为发射机系统的发射T阶段时，且在BUCK电路工作时包括子步骤：根据发射、接收功率的给定的增长功率，检测供电系统的电流，如果这个电流减小，将控制BUCK电路放电功率，以使供电系统供电缓慢增加功耗，从而匹配供电系统的供电能力。
进一步地，在步骤S2中，所述对主电路的电流检测，还包括用于功率检测。
进一步地，包括步骤:
S3，采用多个设BOOST电路的有源储能模块并联来匹配负载大小，且每个有源储能模块独立设置储能电容和有各自的功率电流限制；当一个有源储能模块损坏时，这个有源储能模块自然退出，不能影响其他有源储能模块和系统工作。
一种改善电源系统的电压调制的控制方法，包括：
步骤一，在主电路供电启动后，直接给储能电容充电；然后在设定的延时时间后，控制启动设有BOOST电路和BUCK电路的有源储能模块，使其处于待机状态；
步骤二，等待系统对T/R组件的收发信号，此收发信号给有源储能模块控制端子后，同时给出频率信息和工作的单元数，同时主电路的电流传感器将主电路的电流信息给BOOST电路的控制单元；
步骤三，当T/R组件工作模式由发射模式切换为接收模式时，有源储能模块则同步切换至对应的储能工作模式；当T/R组件工作模式由接收模式切换为发射模式时，有源储能模块则同步切换至释能工作模式；
当T/R组件处于发射模式时，根据步骤二中的信息，得到需求的大功率，此时控制BUCK电路工作输出功率，储能电容电压
到供电的电压后稳压，将储存在储能电容上的能量释放给负载；在释放能量过程中检测到主功率电流上升速率，当检测到主功率电流上升速率高于设定值，将在安全的保护区间内加大有源储能模块输出功率，反之检测到主功率电流上升速率低于设定值，将减小有源储能模块输出功率；
当T/R组件处于接收模式时，控制有源储能模块输入功率，将能量储存在储能电容，在储能能量过程中检测到储能电容电压过压时，有源储能模块进行打嗝保护，保证储能电容电压使有源储能模块正常运行，同时为储能电容补充由于电路寄生参数导致的能量消耗。
本发明的有益效果包括：
本发明实施例通过电容与电力电子变换器完成有源储能，以平滑能量，减小发电系统侧的功率脉动，改善电源系统的电压调制问题。相较现有技术，可实现能量高效利用，提升电源系统的效率，减小散热系统压力。
本发明实施例中基于复杂电子装备，在使用无人机、无人车等平台给T/R发射机供电时，减少对DC28V和单相220V/50Hz的发电机(整流为DC270V)等供电系统的电流变化率，达到匹配系统正常供电目的。
本发明实施中有源储能模块进行并联，以适应不同的功率；有源储能模块可以设置自检功能，检测有故障时进行通信报警，同时有源储能模块可以自动退出，不影响原来供电系统工作，也不影响其他模块工作，还可以检测系统的供电状态，实现了更为丰富、灵活的功能，提高了效率。
本发明实施例中利用BOOST升压变换方法等，提升了储能电容有源储能，提高了效率，不仅实现发射、接收功率变化时对发射机的匹配，而且还可与电力电子变换器输出侧相连达到匹配效果。
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作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中有源储能模块控制框图；
图2为本发明实施例中在28V电源系统场景中的补偿电路结构示意图；
图3为没有应用本发明实施例方法即无补偿的仿真波形；
图4为应用本发明实施例方法即补偿后的仿真波形。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
下面根据附图1～图4，对本发明的技术构思、解决的技术问题、工作原理、工作过程和有益效果作进一步详细、充分地说明。
本发明在解决背景技术问题的过程中，还发现了如下技术问题：有源储能模块在有的高压场合采用了BUCK储能方法，但由于输入电压较低，采用这个方法会使储能电容的电压很低。在实际应用中，对于DC28V供电系统，其储能电容只能到16V，由于存储能量与存储电压平方成正比，这样储能很低，只能靠加大电容方法；另外电压低后，电流很大，对于1～2KW系统，电流可到60～120A以上，线路损耗很大；同时这样大的电流，会造成MOS管和续流二极管损耗也很大。
故在本发明的技术构思中，采用了BOOST变换进行储能等来解决上述技术问题。在具体应用中，其设计思想为：通过BOOST电路对储能电容升压充电，其好处是随着第3代半导体应用发展，可将电压值升高，储存能量更多，而且其储能电压值对于DC28V供电系统非常适用，例如可实现设置到48V左右；对于DC270V供电系统，例如可设置到500V左右。这样的方案可以使充电的能量和功率设置更灵活，同时由于高电压工作，相应工作电流较小，这样就减小了开关器件的电流，提高了效率。
在本发明的具体实施例中，具体实现方法包含如下过程：通过利用电流传感器对主电路的电流检测，可以检测到动态负载大功耗阶段(在发射机系统场景下，一般为发射T阶段)结束时刻电流，然后开始对BOOST充电电路通过数字控制给后端的储能电容充电。在发射机系统场景下，当供电系统在发射阵R阶段时，实现其供电功率基本保持原来的电流，然后根据系统发射、接收功率差值，通过系统控制模块来控制充电电流，这样让充电的功率逐渐下降。如果接收时间较长(可以根据实际情况设置参考值)，则控制BOOST电路逐渐给储能电容充满电后就停止工作；如果接收时间不长，则控制BOOST电路逐渐给储能电容不能充满电，但不影响其充电、放电的功能，这样依然可以起到平缓发电机功率缓慢下降作用。本发明通过BOOST电路开通时间控制，实现充电斜率可控，从而使前端的发电机能够实现足够响应这个功率缓慢下降的变化。
同理，当动态负载大功耗(T阶段)时，通过储能电路的BUCK电路将储能电容能量释放。在DC28V供电系统的场景中，前端的储能电容只能放到母电压DC28V。发射机收发系统根据发射、接收功率的给定的增长功率，检测供电系统的电流，如果这个电流减小，将控制BUCK电路放电功率，这样供电系统供电也是缓慢增加功耗，从而实现匹配供电系统中脉冲负载的能力。
在上述技术方案中，本发明实施例实际采用了两级变换，可以做到互不影响，这样的优点在于充电功率和放电功率调节很灵活。在具体实施过程中，检测主电流时可以只需要1路传感器，就可准确检测主路的母线电流，不需要计算，这样反应快和准确。同时，采集的电流作为储能电路的数据，通过改变供电系统的电流变化，可以控制有源储能模块的储能和释放起始点和充放电功率，对供电系统母线分担功率方法，对其没有影响，从而达到使供电系统稳定的效果。
在上述技术方案中，主电路的电流传感器完成主电流检测的同时，附带完成了对系统功率检测，这有助于实现系统化的智能检测功能。
在具体的应用过程中，由于负载功率不同，根据本发明实施例的上述技术方案，可采用多个有源储能模块自然并联来匹配负载大小。由于每个有源储能模块独立存储电容，有各自的功率电流限制，这样无需增加专门的并联级联和控制电路，就可以起到自然并联目的。当一个有源储能模块损坏时，这个有源储能模块可以实现自然退出，不影响其他有源储能模块和系统工作。为了防止了MOS管短路，可以加入保险丝进行保护。
本发明实施例提供的方法，基于BOOST升压变换控制和Buck电路等，提升了储能电容有源储能，提高了效率，实现发射、接收功率变化时对发射机的匹配，也可与电力电子变换器输出侧相连。
系统开机后，当主电路开始供电工作，这时自动与有源储能模块的储能电容Ccharge充电到供电电压(例如28V)。有源储能模块延迟300ms(躲开系统的冲击电流，对发电机减下开电冲击影响)启动，然后进行缓启动开机，缓启动时间可设置到300ms，充满到额定值后，处于待机状态；这时有源储能模块的BOOST的控制电路也处于待机状态。
等待系统对接收、发射(T/R)组件的收发信号，此信号给有源储能模块的控制端子后，同时给出频率信息(给出频率信息目的是不同的发射频率，发射机输出功率不同，其波动范围有20％以上)和工作的单元数，此信息也决定(T/R)的不同发射功率；同时主电路的电流传感器将主电路的电流信息给BOOST的控制电路。
当T/R组件处于发射模式时，根据以上的信息，得到需求的大功率，此时控制有源储能模块的BUCK电路的工作输出功率，这时BUCK电路设置一个启动时间(大约100us左右)，启动时间短对发电机无影响；储能电容电压到供电电压后稳压，将储存在储能电容Ccharge上的能量释放给负载，在释放能量过程中检测到主功率电流上升速率(其上升速率主要决定发电机响应时间，可以调整)，当检测到主功率电流上升速率过快(可以根据实际情况设定参考值)，将加大有源储能模块输出功率(在安全的保护区间)，反之检测到主功率电流上升速率过慢(可以根据实际情况设定参考值)，将减小有源储能模块输出功率(可以适当放宽)，一直到存储的电容能量释放完毕停止工作，若没有释放能量完毕，对整个储能也没有影响。
当T/R组件工作模式由发射模式切换为接收模式时，有源储能模块可以同步切换至储能工作模式。当T/R组件处于接收模式时，需求的功率小，此时控制有源储能模块输入功率，将能量储存在储能电容Ccharge，在储能能量过程中检测到储能电容Ccharge电压过压时，有源储能模块设置打嗝保护，用于保证储能电容Ccharge电压维持于安全范围，同时可以为储能电容Cs补充由于电路寄生参数导致的能量消耗，当T/R组件工作模式由接收模式切换为发射模式时，有源储能模块则可以同步切换至释能工作模式。
实施例1
本发明实施例见图2所示，图2中理想电压源，0.0035欧姆源内阻与0.5uH源电感模拟28V发电系统。补偿电路为本发明实施例的电路。脉冲负载0至4060W变化。发电系统输出28V，形成28V母线。图2中isource表示源电流，iload表示负载电流，28Vin为28V母线电压，vcharge为储能电容电压，icomp+为补偿电路升压输入电流，icomp-为补偿电路降压输出电流，仿真中储能电容为30mF。
图3为无补偿仿真波形，图3中储能电容电压、补偿电路升压输入电流及补偿电路降压输出电流为0，表示补偿电路不工作，为无补偿状态。在无补偿情况下，发电机输出电压脉动为1.25V。
图4为含有本发明实施例补偿电路的仿真波形。图4中补偿电路储能电容电压、补偿电路升压输入电流及补偿电路跟随输出电流变化，表示补偿电路处于工作状态，采用所提补偿状态。在补偿情况下，发电机输出电压脉动为0.55V。相对于无补偿状态，发电机输出电压脉动减小56％。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种改善电源系统的电压调制的方法，其特征在于，包括步骤：
S1，在有源储能模块中设BOOST电路和BUCK电路，其中，BOOST电路的输入正极端连接至二极管V3的阳极，BOOST电路的输入负极端连接电源系统负极端，BOOST电路的输出负极端连接至电源系统回线；BUCK电路的输入正极端连接至Boost储能输出正端，BUCK电路的输出正极端连接在二极管V3的阴极，BUCK电路的输出负极端连接在电源系统负极端；二极管V3阳极连接至电源系统正极端；
S2，对主电路的电流检测，且在检测到动态负载大功耗阶段结束时刻电流时，利用数字控制BOOST电路给储能电容充电，并通过控制BOOST电路开通时间来控制充电斜率，使发电机能够响应功率变化；在检测到动态负载处于大功耗阶段过程中时，通过BUCK电路来控制储能电容放电过程；所述对主电路的电流检测包括子步骤：设置一路传感器，用于检测主电路的母线电流，作为有源储能模块的数据；所述动态负载大功耗阶段为发射机系统的发射T阶段；且当发射机系统的供电系统在发射阵R阶段时，包括如下子步骤：根据发射、接收功率的差值控制充电电流，让充电的功率逐渐下降；如果接收时间长于设定值，则控制BOOST电路逐渐给储能电容充满电后就停止工作；如果接收时间小于设定值，则控制BOOST电路逐渐给储能电容不能充满电，但不影响其充电、放电的功能，让其起到平缓发电机功率缓慢下降作用；当所述动态负载大功耗阶段为发射机系统的发射T阶段时，且在BUCK电路工作时包括子步骤：根据发射、接收功率的给定的增长功率，检测供电系统的电流，如果这个电流减小，将控制BUCK电路放电功率，以使供电系统供电缓慢增加功耗，从而匹配供电系统的供电能力。
2.根据权利要求1所述的改善电源系统的电压调制的方法，其特征在于，所述BOOST电路与BUCK电路互为独立，互不影响。
3.根据权利要求1所述的改善电源系统的电压调制的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述对主电路的电流检测，还包括用于功率检测。
4.根据权利要求1所述的改善电源系统的电压调制的方法，其特征在于，包括步骤:
S3，采用多个设BOOST电路的有源储能模块并联来匹配负载大小，且每个有源储能模块独立设置储能电容和有各自的功率电流限制；当一个有源储能模块损坏时，这个有源储能模块自然退出，不能影响其他有源储能模块和系统工作。
5.一种改善电源系统的电压调制的控制方法，其特征在于，在有源储能模块中设BOOST电路和BUCK电路，其中，BOOST电路的输入正极端连接至二极管V3的阳极，BOOST电路的输入负极端连接电源系统负极端，BOOST电路的输出负极端连接至电源系统回线；BUCK电路的输入正极端连接至Boost储能输出正端，BUCK电路的输出正极端连接在二极管V3的阴极，BUCK电路的输出负极端连接在电源系统负极端；二极管V3阳极连接至电源系统正极端；还包括：
步骤一，在主电路供电启动后，直接给储能电容充电；然后在设定的延时时间后，控制启动设有BOOST电路和BUCK电路的有源储能模块，使其处于待机状态；
步骤二，等待系统对T/R组件的收发信号，此收发信号给有源储能模块控制端子后，同时给出频率信息和工作的单元数，同时主电路的电流传感器将主电路的电流信息给BOOST电路的控制单元；
步骤三，当T/R组件工作模式由发射模式切换为接收模式时，有源储能模块则同步切换至对应的储能工作模式；当T/R组件工作模式由接收模式切换为发射模式时，有源储能模块则同步切换至释能工作模式；
当T/R组件处于发射模式时，根据步骤二中的信息，得到需求的大功率，此时控制BUCK电路工作输出功率，输出电压到供电的电压后稳压，将储存在储能电容上的能量释放给负载；在释放能量过程中检测到主功率电流上升速率，当检测到主功率电流上升速率高于设定值，将在安全的保护区间内加大有源储能模块输出功率，反之检测到主功率电流上升速率低于设定值，将减小有源储能模块输出功率；
当T/R组件处于接收模式时，控制有源储能模块BOOST电路输入功率，将能量储存在储能电容，在储能能量过程中检测到储能电容电压过压时，有源储能模块进行打嗝保护，保证储能电容电压使有源储能模块正常运行，同时为储能电容补充由于电路寄生参数导致的能量消耗。
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