CN117614274A - 一种宽输入双路冗余高可靠升降压电路的混合控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽输入双路冗余高可靠升降压电路的混合控制方法，升降压混合电路基于三相整流桥和Buck‑Boost变换器，系统结构简单实用，可输出电压/电流/功率范围广，由于没有变压器，因此装置整体体积也较小，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、恒压和恒功率工作模式外，该电路还加入了限流变化模式、限功率变化模式、限压变化模式，并且可以稳定的实现单模块和双模块的切换，提高了系统的稳定性和可靠性，降低电压/电流突变对半导体器件的应力冲击，增强宽范围多冗余升降压混合电路在不同应用场合中的适应能力。

Description

一种宽输入双路冗余高可靠升降压电路的混合控制方法
技术领域
本发明属于智能化供电设备控制技术领域，具体涉及一种宽输入双路冗余高可靠升降压电路的混合控制方法。
背景技术
随着科技的发展和工业自动化的推进，制造业对电力供应的稳定性和连续性的要求越来越高。在制造业中，直流供电装置可以应用于各种领域，如生产线、机器人、自动化设备等，它能够提供稳定的电力支持，确保生产过程的顺利进行，提高生产效率和质量；这些智能化供电设备需要供电电路进行更加精确和稳定的控制，以实现可靠的运行，电路工作模式的平滑切换以及多模块之间的相互配合工作可以增加功率器件的可靠性和稳定性，同时也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[任喜国,杨承志.超级电容直流电源的研究[J].科学技术与工程,2013,13(19):5642-5648]提出了一种基于恒流充电和恒压充电的充电电路及其控制方法，但只适用于小功率，并且采用稳压输出电源，恒压模式充电效率低并且能量利用率不高。文献[沈承舒,陈小江.超级电容无线恒功率充电系统中充电电路的设计[J].电子世界,2020(16):159-162]采用恒功率充电对超级电容进行充电，但是初始工作时超级电容电压较小，充电电路较大，不利于充电电路安全稳定工作。文献[邢增强,崔文朋,刘瑞等.基于超级电容的太阳能电源管理系统[J].电力电子技术,2021,55(02):101-104]利用了升压电路和降压电路，在恒流充电和恒压充电的基础上增加了充电电路的工作范围。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。综上，针对充电电路多种模式和切换方法的研究是有工程意义的。
在上述现有文献中，多种工作模式的复用可以有效提高电路运行性能，但很少有设计各种模式之间平滑切换的可靠性问题，并且上述文献中主要为单模块充电电路且功率较小，因此研究多冗余大功率的充电电路及其模块切换的可靠性也是有一定意义的。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种宽输入双路冗余高可靠升降压电路的混合控制方法，可以降低电压/电流突变对半导体器件的应力冲击，增强宽范围多冗余输出的升降压混合电路在不同应用场合中的适应能力。
一种宽输入双路冗余高可靠升降压电路的混合控制方法，所述升降压电路包括三相不控整流桥和非反相的Buck-Boost变换器，其中三相不控整流桥用于将电网的交流电转换为直流电，Buck-Boost变换器用于对直流电进行升降压处理后输出给后级储能系统(包括但不限于超级电容、储能电池等)，其输出为多模式宽范围的直流电压、直流电流或恒定功率；所述混合控制方法包括如下步骤：
(1)检测储能系统的储能电压以及Buck-Boost变换器的工作模块数，并以此对充电电流及充电模式进行初始化设置；
(2)根据储能电压控制Buck-Boost变换器进入相应的工作模式；
(3)进入充电循环，每一次采样周期后重新判断当前系统的储能电压以及变换器的工作模块数，当工作模式或工作模块需要进行切换时，通过相应控制策略进行平滑切换。
进一步地，所述步骤(1)中的初始化设置方式如下：
当0＜储能电压＜Vcharge1，若变换器单模块工作时，设置模块的初始电流参考值为Icharge1；若变换器双模块工作时，设置两个模块的初始电流参考值为Icharge1/2；
当Vcharge1≤储能电压＜Vcharge2，若变换器单模块工作时，设置模块的初始电流参考值＝设定的恒功率/储能电压；若变换器双模块工作时，设置两个模块的初始电流参考值＝设定的恒功率/两倍储能电压；
当Vcharge2≤储能电压＜Vcharge3，若变换器单模块工作时，调节模块的占空比；若变换器双模块工作时，调节两个模块各自的占空比；
其中：Icharge1为恒流工作模式的充电电流，Vcharge1为恒流工作模式的充电电压最大值，Vcharge2为恒功率工作模式的充电电压最大值，Vcharge3为恒压工作模式的充电电压最大值，且Vcharge1＜Vcharge2＜Vcharge3。
进一步地，所述Buck-Boost变换器具有三种稳定工作模式和三种缓冲工作模式，三种稳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变化模式、限功率变化模式以及限压变化模式，以适用于不同应用场合。
进一步地，所述步骤(2)中控制Buck-Boost变换器进入相应工作模式的具体标准如下：
当0＜储能电压＜Vcharge1，若模块的电流参考值在切换工作状态时跳变较大，则控制变换器进入限流变化模式；若模块的电流参考值变化逐渐稳定，则控制变换器进入恒流工作模式；
当Vcharge1≤储能电压＜Vcharge2，若模块的电流参考值在切换工作状态时跳变较大，则控制变换器进入限功率变化模式；若模块的电流参考值变化逐渐稳定，则控制变换器进入恒功率工作模式；
当Vcharge2≤储能电压＜Vcharge3，若模块的电流参考值在切换工作状态时跳变较大，则控制变换器进入限压变化模式；当若模块的电流参考值变化逐渐稳定，则控制变换器进入恒压工作模式；
当储能电压≥Vcharge3，则发出系统过压警报并闭锁变换器的开关控制信号；其中：Vcharge1为恒流工作模式的充电电压最大值，Vcharge2为恒功率工作模式的充电电压最大值，Vcharge3为恒压工作模式的充电电压最大值，且Vcharge1＜Vcharge2＜Vcharge3。
进一步地，所述步骤(3)中工作模块切换分以下三种情况：
①人为手动切换：当人为手动切换单/双模块后，在进入下一个采样周期判断到工作模块数目发生改变，则重新对模块的电流参考值进行设置，进而通过平滑的PI控制直至模块电流保持稳定；
②功率器件过温：当检测到功率器件温度超过设定阈值，判断变换器是否工作在单模块运行状态，若是，则将其工作模式切换为双模块运行，并重新对两个模块的电流参考值进行设置以及平滑控制；
③单模块功率器件损坏：当检测到变换器某一模块的功率器件损坏时，则使用另一模块进行补偿，检测故障之前储能装置的充电电流参考值，将其设置作为健全模块的电流参考值，并闭锁故障模块的开关控制信号。
进一步地，所述步骤(3)中工作模式切换所采用的控制策略如下：
缓冲工作模式之间可直接进行切换，任一稳定工作模式可直接切换至任一缓冲工作模式；
若当前工作模式为某一种稳定工作模式A，目标工作模式为另一种稳定工作模式情况B，在进行切换时需将当前工作模式先切换至稳定工作模式B所对应的缓冲工作模式b，最后再将缓冲工作模式b切换至稳定工作模式B下；其中恒流工作模式对应的缓冲工作模式为限流变化模式，恒功率工作模式对应的缓冲工作模式为限功率变化模式，恒压工作模式对应的缓冲工作模式为限压变化模式；
若当前工作模式为缓冲工作模式a，目标工作模式为稳定工作模式B，在进行切换时需将当前工作模式切换至稳定工作模式B所对应的缓冲工作模式b，然后再将缓冲工作模式b切换至稳定工作模式B下。
进一步地，当Buck/Boost变换器处于相应的工作模式下，进一步检测变换器中功率器件的温度，若Tcharge1≤功率器件温度＜Tcharge2且为单模块运行，则将变换器切换至双模块运行。
进一步地，检测Buck-Boost变换器中功率器件的温度，若Tcharge2≤功率器件温度＜Tcharge3且变换器工作在恒流、限流变化、恒功率或限功率变化的工作模式下，则渐进降低储能系统的充电电流参考值或充电功率参考值。
进一步地，检测Buck-Boost变换器中功率器件的温度，若功率器件温度≥Tcharge3，则发出器件过温警报并闭锁变换器的开关控制信号，其中Tcharge1、Tcharge2、Tcharge3均为设定的温度阈值且Tcharge1＜Tcharge2＜Tcharge3。
本发明中的宽范围多冗余升降压混合电路基于三相整流桥和Buck-Boost变换器，系统结构简单实用，可输出电压/电流/功率范围广，由于没有变压器，因此装置整体体积也较小，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、恒压和恒功率工作模式外，该电路还加入了限流变化模式、限功率变化模式、限压变化模式，并且可以稳定的实现单模块和双模块的切换，提高了系统的稳定性和可靠性，降低电压/电流突变对半导体器件的应力冲击，增强宽范围多冗余升降压混合电路在不同应用场合中的适应能力。
附图说明
图1为本发明升降压混合电路的运行控制方法实施流程示意图。
图2为本发明实施例中宽范围多冗余升降压混合电路的结构示意图。
图3为本发明升降压混合电路不同工作模式之间的切换状态示意图。
图4为本发明升降压混合电路不同模式之间与不同模块之间平滑切换的实现方式示意图。
图5为本发明实施例在有无限流/限功率控制模式下的超级电容电压波形示意图。
图6为本发明实施例在有无限流/限功率控制模式下的充电电流波形示意图。
图7为本发明实施例在单模块切换到双模块下的充电电流波形示意图。
图8为本发明实施例在双模块切换到单模块下的充电电流波形示意图。
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，本实施例基于宽范围多冗余的升降压混合电路，其由三相整流桥和Buck-Boost电路组成，系统结构简单，可靠性高，成本较低，体积小；为了适用于不同应用场合，本发明设置了恒流模式、恒功率模式、恒压/限流模式、限电流变化模式、限功率变化模式、限电压变化/限流模式，并提出了各模式间的平滑切换控制算法。
如图1所示，本发明宽范围多冗余升降压混合电路的运行控制方法，包括以下步骤：
步骤1：检测储能系统的电压和设定的工作模块数，来对各模块充电电流参考值进行初始化：
①0V≤储能电压＜Vcharge1，单模块工作时，设置电流参考值为Icharge1；双模块工作时，设置两个模块初始电流参考值为Icharge1/2。
②Vcharge1≤储能电压＜Vcharge2，单模块工作时，设置电流参考值为(设定恒功率/储能电压)；双模块工作时，设置两个模块初始电流参考值为(设定恒功率/(2×储能电压))。
③Vcharge2≤储能电压＜Vcharge3，单模块工作时，调节单模块Buck-Boost变换器的对应占空比；双模块工作时，调节双模块Buck/Boost变换器的对应占空比。
④Vcharge3≤储能电压，发出储能装置过压警告，并封锁Buck-Boost电路的PWM信号。
其中：Vcharge1、Vcharge2、Vcharge3均为设定的电压阈值，且Vcharge1＜Vcharge2＜Vcharge3。
步骤2：根据目前的储能电压来进入对应的电路工作状态：
当0≤储能系统电压＜Vcharge1，则控制Buck-Boost变换器进入恒流工作模式或限电流变化工作模式；
当Vcharge1≤储能系统电压＜Vcharge2，则控制Buck-Boost变换器进入恒功率工作模式或限功率变化工作模式；
当Vcharge2≤储能系统电压＜Vcharge3，则控制Buck-Boost变换器进入恒压/限流工作模式或限电压变化/限流工作模式；
当储能系统电压≥Vcharge3，则发出储能系统过压警报并闭锁Buck-Boost变换器的PWM信号。
步骤3：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：
当电路处于恒压/限流、恒流、恒功率三种工作模式之间进行切换时，如图3所示，需要通过限电流变化、限功率变化、限电压变化/限流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-Boost变换器的应力限制等等，如图4所示为不同模式之间与不同模块之间的平滑切换实现方式；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。
步骤4：当电路模块数需要进行切换时，如果是人为切换模式或检测到一定温度阈值后切换，则会进行模块电流参考值渐进变化的平滑切换，如果是某一模块功率器件的损坏，则会立刻改变另一模块对应的电流参考值进行补偿，达到快速切换。
步骤5：当检测到功率器件温度达到阈值温度Tcharge1时，判断是否为单模块工作并依照判断结果进行工作模块数切换；当温度达到阈值温度Tcharge2时，渐进降低电流/功率指令；而当温度达到阈值温度Tcharge3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：利用宽范围多冗余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，因此本实例算法实现过程为恒流模式、恒功率模式、限电流变化模式、限功率变化模式4种工作模式之间的切换和单双模块的切换。
本实例中宽范围多冗余输出的升降压混合电路由三相不控整流桥、Buck/Boost电路组成，控制方法通过加入限流变化/限功率变化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Vcharge1时，电路从恒流模式经过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电流应力冲击。
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5和图6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。
在单模块切换到双模块下和双模块切换到单模块下得到电感电流波形，分别如图7和图8所示；可以看出，再加入限流后，单双模块切换平滑，电感电流无明显过冲并且能够达到电流的补偿，实现了模块之间的平滑切换。
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 (9)

1.一种宽输入双路冗余高可靠升降压电路的混合控制方法，所述升降压电路包括三相不控整流桥和非反相的Buck-Boost变换器，其中三相不控整流桥用于将电网的交流电转换为直流电，Buck-Boost变换器用于对直流电进行升降压处理后输出给后级储能系统，其输出为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，所述混合控制方法包括如下步骤：
(1)检测储能系统的储能电压以及Buck-Boost变换器的工作模块数，并以此对充电电流及充电模式进行初始化设置；
(2)根据储能电压控制Buck-Boost变换器进入相应的工作模式；
(3)进入充电循环，每一次采样周期后重新判断当前系统的储能电压以及变换器的工作模块数，当工作模式或工作模块需要进行切换时，通过相应控制策略进行平滑切换。
2.根据权利要求1所述的混合控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中的初始化设置方式如下：
当0＜储能电压＜Vcharge1，若变换器单模块工作时，设置模块的初始电流参考值为Icharge1；若变换器双模块工作时，设置两个模块的初始电流参考值为Icharge1/2；
当Vcharge1≤储能电压＜Vcharge2，若变换器单模块工作时，设置模块的初始电流参考值＝设定的恒功率/储能电压；若变换器双模块工作时，设置两个模块的初始电流参考值＝设定的恒功率/两倍储能电压；
当Vcharge2≤储能电压＜Vcharge3，若变换器单模块工作时，调节模块的占空比；若变换器双模块工作时，调节两个模块各自的占空比；
其中：Icharge1为恒流工作模式的充电电流，Vcharge1为恒流工作模式的充电电压最大值，Vcharge2为恒功率工作模式的充电电压最大值，Vcharge3为恒压工作模式的充电电压最大值，且Vcharge1＜Vcharge2＜Vcharge3。
3.根据权利要求1所述的混合控制方法，其特征在于：所述Buck-Boost变换器具有三种稳定工作模式和三种缓冲工作模式，三种稳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变化模式、限功率变化模式以及限压变化模式，以适用于不同应用场合。
4.根据权利要求3所述的混合控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中控制Buck-Boost变换器进入相应工作模式的具体标准如下：
当0＜储能电压＜Vcharge1，若模块的电流参考值在切换工作状态时跳变较大，则控制变换器进入限流变化模式；若模块的电流参考值变化逐渐稳定，则控制变换器进入恒流工作模式；
当Vcharge1≤储能电压＜Vcharge2，若模块的电流参考值在切换工作状态时跳变较大，则控制变换器进入限功率变化模式；若模块的电流参考值变化逐渐稳定，则控制变换器进入恒功率工作模式；
当Vcharge2≤储能电压＜Vcharge3，若模块的电流参考值在切换工作状态时跳变较大，则控制变换器进入限压变化模式；当若模块的电流参考值变化逐渐稳定，则控制变换器进入恒压工作模式；
当储能电压≥Vcharge3，则发出系统过压警报并闭锁变换器的开关控制信号；其中：Vcharge1为恒流工作模式的充电电压最大值，Vcharge2为恒功率工作模式的充电电压最大值，Vcharge3为恒压工作模式的充电电压最大值，且Vcharge1＜Vcharge2＜Vcharge3。
5.根据权利要求1所述的混合控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中工作模块切换分以下三种情况：
①人为手动切换：当人为手动切换单/双模块后，在进入下一个采样周期判断到工作模块数目发生改变，则重新对模块的电流参考值进行设置，进而通过平滑的PI控制直至模块电流保持稳定；
②功率器件过温：当检测到功率器件温度超过设定阈值，判断变换器是否工作在单模块运行状态，若是，则将其工作模式切换为双模块运行，并重新对两个模块的电流参考值进行设置以及平滑控制；
③单模块功率器件损坏：当检测到变换器某一模块的功率器件损坏时，则使用另一模块进行补偿，检测故障之前储能装置的充电电流参考值，将其设置作为健全模块的电流参考值，并闭锁故障模块的开关控制信号。
6.根据权利要求3所述的混合控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中工作模式切换所采用的控制策略如下：
缓冲工作模式之间可直接进行切换，任一稳定工作模式可直接切换至任一缓冲工作模式；
若当前工作模式为某一种稳定工作模式A，目标工作模式为另一种稳定工作模式情况B，在进行切换时需将当前工作模式先切换至稳定工作模式B所对应的缓冲工作模式b，最后再将缓冲工作模式b切换至稳定工作模式B下；其中恒流工作模式对应的缓冲工作模式为限流变化模式，恒功率工作模式对应的缓冲工作模式为限功率变化模式，恒压工作模式对应的缓冲工作模式为限压变化模式；
若当前工作模式为缓冲工作模式a，目标工作模式为稳定工作模式B，在进行切换时需将当前工作模式切换至稳定工作模式B所对应的缓冲工作模式b，然后再将缓冲工作模式b切换至稳定工作模式B下。
7.根据权利要求1所述的混合控制方法，其特征在于：当Buck/Boost变换器处于相应的工作模式下，进一步检测变换器中功率器件的温度，若Tcharge1≤功率器件温度＜Tcharge2且为单模块运行，则将变换器切换至双模块运行。
8.根据权利要求3所述的混合控制方法，其特征在于：检测Buck-Boost变换器中功率器件的温度，若Tcharge2≤功率器件温度＜Tcharge3且变换器工作在恒流、限流变化、恒功率或限功率变化的工作模式下，则渐进降低储能系统的充电电流参考值或充电功率参考值。
9.根据权利要求1所述的混合控制方法，其特征在于：检测Buck-Boost变换器中功率器件的温度，若功率器件温度≥Tcharge3，则发出器件过温警报并闭锁变换器的开关控制信号，其中Tcharge1、Tcharge2、Tcharge3均为设定的温度阈值且Tcharge1＜Tcharge2＜Tcharge3。
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