CN115037023A - 一种冲压涡轮自主发电系统及其能量管理方法 - Google Patents

一种冲压涡轮自主发电系统及其能量管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了适用于冲压涡轮自主发电系统及其能量管理方法，主要由能量管理单元实现整个涡轮发电系统的稳定运行。冲压涡轮发电系统划分为上电过程、发电机承担负载功率、发电机承担部分负载功率、加载过程及卸载过程五种工作模态。这五种模态基本覆盖了冲压涡轮发电系统的所有工况，通过主控制器对发电系统各部分的协同操作，分别对这五种模态的能量流向进行管理，保证了发电系统高效率的同时也提高了系统的稳定性与可靠性。

Description

一种冲压涡轮自主发电系统及其能量管理方法
技术领域
本发明涉及电力电子与电工技术领域，主要涉及一种冲压涡轮自主发电系统及其能量管理方法。
背景技术
冲压涡轮自主发电系统可作为飞机的独立电源，也可用于野外风力发电，其基本原理是让流动的空气通过风门带动涡轮发电机从而产生电能。然而在实际工作中，发电机的工作条件比较复杂，特别是脉冲性负载时，系统的稳定输出是至关重要的。为了稳定发电系统的输出功率，需要一种应对各种可能出现的工作情况的能量管理方法，保证自主发电系统能够适应复杂的工作条件的同时提高系统效率。
为了应对变化的工作条件，保证在输入电压变化或负载变化的情况下也能稳定输出功率，传统方案采用复杂的控制系统，存在控制方式复杂、控制误差较大、反应速度慢等问题。
发明内容
针对上述背景技术中存在的问题，本发明公开了一种冲压涡轮自主发电系统及其能量管理方法，设计了能量管理单元，包括补偿负载、双向变换器、蓄电池超级电容以及主控制器。通过控制器同时对风口大小、补偿负载、蓄电池超级电容进行控制管理，确保各种工作模态下，发电系统均能输出满足要求的电能。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种冲压涡轮自主发电系统，包括依次连接的风门、发电机、发电机控制器、能量管理单元和主控制器，发电机控制器和能量管理单元均连接负载；发电机控制器包括整流桥和直流变换器，用于维持输出电压；能量管理单元包括依次连接的补偿负载、双向变换器和蓄电池；主控制器包括A/D采样模块、ePWM模块、SPI模块以及I2C模块；其中，A/D模块用于采集发电机转速、风门位置、负载的电压电流信息；ePWM模块用于产生PWM信号以驱动双向变换器、
一种采用适用于冲压空气涡轮发电系统的能量管理方法，将发电系统划分为上电过程(模态1)、发电机承担负载功率(模态2)、发电机承担部分负载功率(模态3)、加载过程(模态4)及卸载过程(模态5)五种工作模态。
打开控制器的电源开关，通过蓄电池向主控制器供电；控制器通过AD采样模块通信获得发电机转速、蓄电池容量SOC、负载电流信息，自主发电系统根据需求工作在对应的模态，判断发电机转速与额定转速N之间的关系，并实现相应的控制；相应的控制包括控制风门的风口大小、控制蓄负载供电和蓄电池放电的切换、控制蓄电池充电/放电以及补偿负载的接入。
进一步的，发电系统工作在上电过程时，控制器的电源开关打开，蓄电池向主控制器进行供电。主控制器通过通信获得发电机转速、蓄电池容量SOC、负载电流等信息。在转速低于额定转速N时，打开风门，同时判断蓄电池SOC是否大于A％，若剩余容量大于A％，且接收到发电指令，则向能量管理单元控制器发送发电命令，蓄电池通过双向变换器向负载进行供电。随着风门开度增大，来流速度增加，发电机转速上升，当发电机输出整流电压大于阈值电压V时，整流变换器开始工作，维持输出电压VOUT。此时双向变换器输出的电流逐渐减小，直到降为0。
进一步的，当所述发电机转速在额定转速N±ΔN1时，发电机承担负载功率，主控制器将保持风门不变。发电机整流变换器在发电机整流控制器的调节下输出电压VOUT。当蓄电池的SOC小于B％时，主控制器发命令给能量管理单元控制器，对蓄电池进行充电。若SOC大于C％，则主控制器发命令给能量管理单元控制器，停止充电。
进一步的，当所述发电机转速低于转速N(1-ΔN1)时，其中N为设定的额定转速，ΔN1为设定的转速调节量，发电机和蓄电池共同承担负载功率，此时发电机输出功率比负载功率小。主控制器将调大风门，增大涡轮功率。同时，主控制器发命令给能量管理单元控制器，控制双向变换器，使得蓄电池向负载提供电能。
进一步的，当所述发电系统工作在加载过程时，发电机转速下降，发电机转速低于转速N(1-ΔN1)时，其中N为设定的额定转速，ΔN1为设定的转速调节量，主控制器将调大风门，主控制器检测负载电流与发电机转速的变化，增大涡轮功率。同时，主控制器发命令给能量管理单元控制器，控制双向变换器，使得蓄电池向负载提供电能。发电机转速将逐步上升，当发电机转速大于转速N(1-ΔN1)时，其中N为设定的额定转速，ΔN1为设定的转速调节量，主控制器将调小风门，双向变换器的输出电流小于Imin时，主控制器发命令给能量管理单元控制器，蓄电池停止供电。
进一步的，当所述发电系统工作在卸载过程时，发电机转速上升，发电机转速高于转速N(1+ΔN1)时，其中N为设定的额定转速，ΔN1为设定的转速调节量，主控制器将调小风门，主控制器检测负载电流与发电机转速的变化，减小涡轮功率。若发电机转速高于转速N(1+ΔN2)，其中N为设定的额定转速，ΔN2为设定的转速调节量，主控制器将调小风门，主控制器还要命令能量管理单元控制器，接上补偿负载，使得发电机负载转矩增加，发电机转速将逐步下降，直到系统达到稳定。
进一步的，所述的适用于冲压空气涡轮自发电系统的能量管理方法，需要通过对主控制器编程，预先设置好蓄电池低容量值A％，蓄电池高容量值B％，蓄电池充电判断容量C％，额定转速N、转速调节量ΔN1、ΔN2以及输出最小电流Imin。五种工作模态均能保证输出功率和输出电压不变。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)通过补偿负载消耗多余的输出功率，使得输出功率能够快速恢复到设计指标，提高系统调节速度和稳定性。
(2)采用DSP芯片作为主控制器，作为发电系统和能量管理的协调枢纽，能够对所有可能遇到的工作情况及时响应，对所有相关设备进行同步控制。
(3)将发电系统所有的工作情况划分为五种具体的工作模态，简化了控制系统的复杂度，降低了软件的实现难度。
附图说明
图1是本发明提供的冲压涡轮自主发电系统示意图；
图2是本发明提供的冲压涡轮自主发电系统能量管理方法流程图；
图3是本发明实施例中模态1时冲压空气涡轮发电系统电能流向图；
图4是本发明实施例中模态2时冲压空气涡轮发电系统电能流向图；
图5是本发明实施例中模态3时冲压空气涡轮发电系统电能流向图；
图6是本发明实施例中模态4时冲压空气涡轮发电系统电能流向图；
图7是本发明实施例中模态5时冲压空气涡轮发电系统电能流向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的冲压涡轮自主发电系统如图1所示，包括依次连接的风门、发电机、发电机控制器、能量管理单元和主控制器，发电机控制器和能量管理单元均连接负载。其中发电机为永磁发电机；发电机控制器包括整流桥和直流变换器，用于维持输出电压；能量管理单元包括依次连接的补偿负载、双向变换器以及蓄电池超级电容，其中双向变换器为基于Buck-boost的双向DCDC变换器，用于实现负载供电和电池放电的切换；主控制器包括A/D采样模块、ePWM模块、SPI模块、I2C模块以及GPIO模块，其中，A/D模块用于采集发电机转速、风门位置、负载的电压电流信息；ePWM模块用于产生PWM信号以驱动双向变换器，对Buck电路工作模式进行控制；SPI模块用于与蓄电池的电池芯片通信；GPIO模块用于对补偿负载；I2C模块用于存储运行故障信息。
基于上述冲压涡轮自主发电系统的能量管理方法，具体原理如图2所示，分为上电过程、发电机承担负载功率、发电机承担部分负载功率、加载过程和卸载过程五种工作模态。这五种模态基本覆盖了冲压涡轮发电系统的所有工况，通过主控制器对发电系统各部分的协同操作，分别对这五种模态的能量流向进行管理，保证了发电系统高效率的同时也提高了系统的稳定性与可靠性。
当发电系统工作在上电过程时(模态1)，控制器的电源开关打开，蓄电池向主控制器进行供电。主控制器通过通信获得发电机转速、蓄电池容量SOC、负载电流等信息。在转速低于额定转速N时，打开风门，同时基于SPI模块判断蓄电池SOC是否大于A％，本实施例中选择A％＝20％，若剩余容量大于20％，判断是否接收到发电指令，若判断为接收到发电指令，则向能量管理单元控制器发送发电命令，蓄电池通过双向变换器向负载进行供电。随着风门开度增大，来流速度增加，发电机转速上升，当发电机输出整流电压大于阈值电压V时，整流变换器开始工作，维持输出电压VOUT。此时双向变换器输出的电流逐渐减小，直到降为0。如图3所示。
当发电机承担负载功率时(模态2)，发电机转速在转速N(1±ΔN1)，其中N是设定的额定转速，ΔN1为设定的转速调节量，本实施例选取ΔN1＝5％，发电机转速在此区间内时，主控制器保持风门不变。发电机在发电机控制器的调节下输出电压VOUT。当蓄电池的SOC小于B％时，本实施例选取B％＝75％，主控制器控制双向变换器对蓄电池进行充电。此时进一步判断SOC是否大于C％，本实施例选取C％＝95％，若SOC大于95％，则主控制器发命令给能量管理单元控制器，停止充电。如图4所示。
当发电机承担部分负载功率时(模态3)，此时发电机输出功率小于负载功率，发电机和蓄电池共同承担负载功率。若发电机转速低于额定转速N-N×5％，判断为风门过小，主控制器将调大风门，增大涡轮功率。同时，主控制器发命令给能量管理单元控制器，控制双向变换器，使得蓄电池向负载提供电能。如图5所示。
当发电系统工作在加载过程时(模态4)，发电机转速下降，发电机转速低于转速N-N×5％时，主控制器检测到负载电流与发电机转速的变化，将开大风门，增大涡轮功率。同时，主控制器发命令给能量管理单元控制器，控制双向变换器，使得蓄电池向负载提供电能。发电机转速将逐步上升，当发电机转速大于转速N-N×5％时，双向变换器的输出电流小于输出最小电流Imin时，本实施例取Imin＝1A，判断为大负载工作状态，主控制器发命令给能量管理单元控制器，蓄电池停止供电。如图6所示。
当发电系统工作在卸载过程时(模态5)，发电机转速上升，发电机转速高于额定转速N+N×5％时，N是设定的额定转速，5％是设定的转速调节量，主控制器检测到负载电流与发电机转速的变化，将关小风门，减小涡轮功率。若发电机转速高于额定转速N+N×ΔN2，ΔN2是设定的转速调节量，本实施例选ΔN2＝10％，主控制器基于GPIO模块控制能量管理单元控制器，接上补偿负载，使得发电机负载转矩增加，发电机转速将逐步下降，直到系统达到稳定。如图7所示。
本发明提出的冲压涡轮自主发电系统及能量管理方法，依靠主控制器对能量管理单元及其他器件的协同操作，在发电系统面临不同的工作条件依然能保持稳定的输出功率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种冲压涡轮自主发电系统，其特征在于，包括依次连接的风门、发电机、发电机控制器、能量管理单元和主控制器，发电机控制器和能量管理单元均连接负载；
所述发电机控制器包括整流桥和直流变换器，用于维持输出电压；
所述能量管理单元包括依次连接的补偿负载、双向变换器和蓄电池；
所述主控制器包括A/D采样模块、ePWM模块、SPI模块以及I2C模块；其中，A/D模块用于采集发电机转速、风门位置、负载的电压电流信息；ePWM模块用于产生PWM信号以驱动双向变换器。
2.根据权利要求1所述的冲压涡轮自主发电系统的能量管理方法，其特征在于，打开控制器的电源开关，通过蓄电池向主控制器供电；控制器通过AD采样模块通信获得发电机转速、蓄电池容量SOC、负载电流信息，自主发电系统根据需求工作在对应的模态，判断发电机转速与额定转速N之间的关系，并实现相应的控制；所述模态包括第一至第五模态，分别为第一模态上电过程、第二模态发电机承担负载功率、第三模态发电机承担部分负载功率、第四模态加载过程和第五模态卸载过程；相应的控制包括控制风门的风口大小、控制蓄负载供电和蓄电池放电的切换、控制蓄电池充电/放电以及补偿负载的接入。
3.根据权利要求2所述的冲压涡轮自主发电系统的能量管理方法，其特征在于，发电系统工作在第一模态上电过程时，转速为额定转速N，蓄电池向系统供电；在转速低于额定转速N时打开风门，同时判断蓄电池SOC是否大于A％，若剩余容量大于A％，判断是否接收到发电指令，若判断为是则向能量管理单元发送发电命令，蓄电池通过双向变换器向负载供电，否则结束第一模态上电过程；随着风门开度增大，来流速度增加，发电机转速上升，当发电机输出整流电压大于阈值电压V时，整流变换器开始工作，维持输出电压VOUT；此时双向变换器输出的电流逐渐减小，直到降为0。
4.根据权利要求3所述的冲压涡轮自主发电系统的能量管理方法，其特征在于，发电系统工作在第二模态发电机承担负载功率时，发电机转速在转速N(1±ΔN1)，其中N为设定的额定转速，ΔN1为设定的转速调节量，此时，主控制器保持风门不变；发电机在发电机控制器的调节下输出电压VOUT；当蓄电池的SOC小于B％时，主控制器控制双向变换器对蓄电池进行充电；进一步判断SOC是否大于C％，其中C＞B，判断为是时主控制器控制能量管理单元停止充电。
5.根据权利要求4所述的冲压涡轮自主发电系统的能量管理方法，其特征在于，发电系统工作在第三模态发电机承担部分负载功率时，发电机转速低于转速N(1-ΔN1)，此时发电机和蓄电池共同承担负载功率；发电机输出功率小于负载功率，主控制器控制风门调大，增大涡轮功率；同时，主控制器控制能量管理单元的双向变换器工作，使得蓄电池向负载提供电能。
6.根据权利要求5所述的冲压涡轮自主发电系统的能量管理方法，其特征在于，当发电系统工作在第四模态加载过程时，发电机转速下降，发电机转速低于转速N(1-ΔN1)时，主控制器调大风门，增大涡轮功率；同时，主控制器控制能量管理单元的双向变换器工作，使得蓄电池向负载提供电能；发电机转速逐步上升，当发电机转速高于转速N(1-ΔN1)时，主控制器调小风门，当双向变换器的输出电流小于输出最小电流Imin时，主控制器控制能量管理单元，停止蓄电池向负载供电。
7.根据权利要求6所述的冲压涡轮自主发电系统的能量管理方法，其特征在于，当发电系统工作在第五模态卸载过程时，发电机转速上升，当发电机转速高于转速N(1+ΔN1)时，主控制器调小风门，减小涡轮功率；若发电机转速高于转速N(1+ΔN2)，其中ΔN2为设定的第二转速调节量，主控制器将调小风门，主控制器还要命令能量管理单元控制器，接上补偿负载，使得发电机负载转矩增加，发电机转速将逐步下降，直到系统达到稳定。
8.根据权利要求7所述的适用于冲压空气涡轮自发电系统的能量管理方法，其特征在于，通过对主控制器编程，预先设置好蓄电池低容量值A％，蓄电池高容量值B％，蓄电池充电判断容量C％，额定转速N、转速调节量ΔN1、ΔN2以及输出最小电流Imin，五种工作模态均能保证输出功率和输出电压不变。
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