CN1330067C

CN1330067C - 电源输入输出控制器

Info

Publication number: CN1330067C
Application number: CNB021237212A
Authority: CN
Inventors: 夏秀英
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2022-06-20
Also published as: CN1466256A

Abstract

本发明公开了一种电源输入/输出控制器和控制方法。主要用于离网型风力、光伏太阳能电站输入控制及对各类负荷实现控压、限流等功能。本仪器主要由整流、隔离器件二极管(D)，负荷控制开关(K)，系统控制器(KZQ)组成。首先由二极管(D)以并行隔离方法将输入能量分割为主、辅两部分。之后由系统控制器(KZQ)、操作负荷控制开关(K)也即摘要附图中晶体开关三极管(Q1、Q2、Q3、Q4)组成的控制开关电路，控制能量输出的分配。本控制器以重叠互补的方式(原则)将输入电能在主负荷和辅助负荷之间进行合理的分配。本发明为制造高精度、高稳定、高可靠、低成本、低干扰的离网型太阳能电站输入控制器提供了简捷有效的方法。

Description

电源输入输出控制器

一、技术领域

本发明涉及一种电子线路，具体来说是一种电源输入/输出控制装置。用于离网型风力、光伏太阳能电站输入控制及对各类负荷实现控压、限流等功能的电源输入/输出控制器及方法。

二、技术背景

离网型太阳能电站一般是采用蓄电池组来储存电能的。电站发出的电能如不及时使用或储存不但会造成浪费，而且可能会影响系统的稳定可靠运行。电站输出的电能应首先供给主负荷使用或将其储存(主负荷指系统设计时确定的主要目标负荷及储能蓄电池)。当电站发出的电能到主负荷使用不完的程度时，应该由辅助负荷(辅助负荷指系统设计时确定的次要目标负荷及专为消耗电能设置的泻功负荷)，将此部分能量加以利用或泻放掉。为了保证使辅助负荷不会对主负荷中蓄电池内的能量产生泻放，必须在主、辅负荷间形成能量隔离能力。本控制器及方法即是为达到上述要求而设计的一种功能完善、稳定、可靠又易于实现的控制方法。

目前，控制器一般采取串联隔离方式，即在电路的直流一侧串联硅元件的方法实现能量的单向隔离。图1、图2、图3即为这种技术。图中FZ1、FZ2、FZ3是辅助负荷，也即简化后的受控调功器，它依据电站发电量情况及主负荷用电量情况自动调整、分流、泻放能量的多少，来保障系统稳定工作。D是二极管，BT是蓄电池。

图1为串联隔离共负极电路原理图。图中以单相交流电源AC1等效太阳能电站内风力发电机的发电输出，D1、D2、D3、D4对交流电进行整流，D5串联于正极端负责单方向电量隔离，防止蓄电池BT1通过辅助负荷FZ1形成不应有的放电。

图2为串联隔离共正极原理图。D6、D7、D8、D9对交流电AC2进行整流，D10串接于负极端负责单方向的电量隔离，防止蓄电池BT2通过辅助负荷FZ2形成不应有的放电。

图3为串联全隔离原理图。D11、D12、D13、D14对交流电AC3进行整流，D15、D16分别串于正、负极端负责单方向的电量隔离，防止蓄电池BT3通过辅助负荷FZ3形成不应有的放电。

在上述3个电路中，操纵辅助负荷开关KF1、KF2或KF3，就能实现对输入电量的分流，从而改变蓄电池的储能状态。

串联隔离方式有两方面缺陷：

1、系统效率低。硅元件串于主负荷通道，自身近似恒定的压降特性会对有效电量造成衰减。

2、隔离程度低。难以满足后续较为复杂的控制需求。

三、发明内容

本发明首先利用二极管的单向导电特性，将输入能量分割成多个并行的隔离通道；对各个通道设置能量控制开关；不断对各通道实施电压、电流、温度等状态检测；根据检测结果按预定标准在各个通道间进行电能分配转换。转换过程中各个能量开关的闭合/分断必须遵守重叠互补的时序原则。

1、并行隔离。本发明以并行隔离取代串行隔离。

本发明以并联隔离方式替代串联隔离方式。如图4、图5、图6所示的是并联隔离技术。图中D为硅元件、整流二极管兼作并行隔离。隔离二极管D将输入电量自交流处AC4、AC5、AC6的单相交流输入分割为并行的主、辅两部分。采用并联隔离有3点明显优势。①隔离损耗小。②具有更高的隔离效果，为进行完善精确的控制提供了必要的前提。③系统控制不依赖于供电输入的恒流特性，能满足大型电站的控制需求。

图4为共负极整流隔离电路。D17、D18向主负荷蓄电池BT4提供电能，D17、D18、D21、D22为整流隔离二极管。D19、D20向辅助负荷FZ4提供电能，D19、D20、D21、D22为整流隔离二极管。D21、D22为主、辅负荷共用硅元件。D17、D18共负极连接，D19、D20共负极连接，D21、D22共正极连接，D21、D22正极接地，D2 1负极与D17、D19正极相接，D22负极与D18、D20正极相接。组成单相整流隔离电路，并联于主负荷电池BT4和辅助负荷FZ4之间，它和主负荷电池BT4、辅助负荷FZ4并联，组成并联共负极隔离电路。单相交流电AC4自交流处输入，经过整流隔离，并行隔离输出/输入。

图5为共正极整流隔离电路。D25、D26向主负荷蓄电池BT5提供电能，D25、D26、D23、D24为整流隔离二极管。D27、D28向辅助负荷FZ5提供电能，D27、D28、D23、D24为整流隔离二极管。D23、D24为主、辅负荷共用硅元件。D25、D26共正极连接，D27、D28共正极连接，D23、D24共负极连接，D23正极与D25、D27负极相接，D24正极与D26、D28负极相接。组成单相整流隔离电路，并联于主负荷电池BT5和辅助负荷FZ5之间，它和主负荷电池BT5、辅助负荷FZ5并联，组成并联共正极隔离电路。单相交流电AC5自交流处输入，经过整流隔离，并行隔离输出/输入。

图6为整流全隔离电路。D29、D30、D33、D34向主负荷蓄电池BT6提供电能，D31、D32、D35、D36向辅助负荷FZ6提供电能。D29、D30共负极连接，D31、D32共负极连接，D33、D34正极连接，D35、D36共正极连接，D29、D30、D33、D34，D31、D32、D35、D36组成整流隔离电路并联于主负荷电池BT6和辅助负荷FZ6之间，它和主负荷电池BT6、辅助负荷FZ6并联，组成并联全隔离电路。单相交流电AC6自交流处输入，经过整流隔离，并行隔离输出/输入。

利用二极管的单向导电特性，按规则连接可以起到即整流又隔离的良好效果。

由于在输入侧经过整流和隔离二极管组成的电路，先行隔离区分出主、辅两条电能负荷，并使两者处于并行的隔离状态，故称为并行隔离。并行隔离不但具有更好的隔离效果和更高的能量分配效率，并为进行更多等级的负荷区分及控制提供出清晰有效的组织方案。

2、重叠互补。本发明在并行隔离的系统中，对主、辅负荷分别设置独立的开关K进行控制，图4、5、6中的KF4、KF5、KF6为各自的辅助负荷开关，KB4、KB5、KB6为各自的主负荷开关。

本发明以重叠互补的能量分配控制方法，替代单一泻功的控制方法。

控制器以主部分为首要控制对象。具体讲，当有电能输入时，优先考虑将其提供给主部分(如蓄电池)，只有主部分不能接受的那部分能量(如蓄电池已经充满或供电电流超出额定值)才分配给辅助部分(如热水器、风机、泻功器等)，两者之间形成优先权不同的、相互隔离又相互关联的能量分配关系。需要调整分配时，控制器会操纵负荷开关以重叠互补的方式将能量进行合理的分配。对于大型系统它代表1-N路优先等级不同的辅助负荷群体，如加热器、排风机等，同时具有N个负荷、N只控制管、N个控制端、N个测量端。每个辅助负荷与主负荷、单个辅助负荷之间，在进行能量供给转换时，均遵循互补重叠的原则。本发明中的主负荷和辅助负荷的能量分配由系统控制器KZQ，开关晶体管Q2、Q1、Q4、Q3完成。KZQ2脚是主负荷采样输入(即主负荷状态测量)端，本原理图测量输入端简单表现为电压测量，但对于复杂的系统，它实际还包含电流、温度等其他物理量的测量。系统控制器将综合参考多种输入量之后确定将电能分配给主负荷还是辅助负荷。KZQ6脚是辅助负荷状态测量输入端，简单表现为电压测量，但它实际上因辅助负荷特性不同，也可能是开关、电流、温度等其他物理量。系统控制器通过辅助负荷状态测量端掌握辅助负荷群的工作状态，并结合主负荷的情况最后决定将电能分配给主负荷或是辅助负荷中的哪一路。KZQ3脚是辅助负荷控制输出端。KZQ4脚是主负荷控制输出端。BT7是主负荷蓄电池，FZ7是辅助负荷。

所谓互补是指每次能量只分配给某一个部分的负荷，主辅负荷开关静态的通、断状况必须是交替互补的。主负荷开关接通时，辅助负荷开关必须关断；反之，主负荷开关关断时，辅助负荷必须接通。以此保障输入能量在各负荷间的不间断分配。电路始终保证有一只(只能是一只)负荷开关是开通的，保证电能始终有一条(只有一条)作功通路。主辅部分交替获得能量称为互补。

所谓重叠是指需要进行能量分配变换时，主、辅负荷开关动态的通、断转换期间必须出现一定程度的接通重叠。即是指本次能量分配的结束与行将调整分配的开始(变换动态过程)在时间上形成一定量的闭合重叠，主、辅负荷开关在通、断状态变换期间，必须有一瞬间时段两者都处在接通状态。重叠的含义专指互补开关在转换期间接通状态的瞬间重叠。即在开关转换瞬间出现两个开关同时闭合(不允许同时分断)的短暂过程。

互补的能量分配方式和分配转换动作中的重叠接通要求简称为重叠互补。图7中，系统控制器KZQ，控制开关晶体管Q2、Q1、Q4、Q3用适当的时序关系控制电源输入/输出。

以重叠互补的时序关系对主辅通道实行供电转换最主要的优点是在对主负荷的技术指标实现全面控制的同时，在电路无缓冲措施的条件下，即可有效避免转换造成的各类冲击，保证系统稳定工作，也不会对主负荷的能量供给效率产生不利影响。

四、附图说明

图1、图2、图3是现有技术的电源控制器原理图。

图1是串联共负极隔离电路电原理图。

图2是串联共正极隔离电路电原理图。

图3是串联全隔离电路电原理图。

图4是本发明的并联共负极整流隔离方式电路原理图。

图5是本发明的并联共正极整流隔离方式电路原理图。

图6是本发明的并联全隔离整流方式电路原理图。

图7是本发明的一具体实施例。是全系统完全共负极整流隔离电路的电原理图。

图8是为进一步说明图7控制关系的时序关系图。

五、具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

风力发电机发出的三相交流电A、B、C、首先输入到硅元件、整流二极管组成的三相交流输入整流并联隔离电路。原理如图4、图5、图6，它们是单相交流输入整流隔离。附图7是具体实施例，D37、D38、D39负极输出通过晶体开关三极管Q3向蓄电池BT7提供整流后的直流电能，D40、D41、D42负极输出通过Q1晶体开关三极管向辅助负荷FZ7提供整流后的直流电能量，D43、D44、D45是共用整流器件，正极为系统共地端。本发明图中的整流二极管在整流的同时兼作并行隔离，D37、D38、D39共负极连接，D40、D41、D42共负极连接，D43负极与D37、D40正极相接，D44负极与D38、D41正极相接，D45负极与D39、D42正极相接，D43、D44、D45正极相接，组成共负极整流隔离电路，它和主负荷电池BT7、辅助负荷FZ7并联。三相交流电A、B、C自交流处输入，经过整流隔离和并联电路并行隔离输入/输出。晶体开关三极管Q3连接电阻R2再与晶体开关三极管Q4相连接，其中晶体管开关三极管Q3与主负荷电池BT7连接，控制其输入、输出。组成了主负荷控制开关。晶体开关三极管Q1连接电阻R1再与晶体开关三极管Q2相连接，其中晶体开关三极管Q1与辅助负荷FZ7连接，控制其输入、输出。组成了辅助负荷控制开关。在主负荷BT7控制开关中，晶体开关三极管Q4的基极连接至系统控制器KZQ的第四管脚4，晶体开关三极管Q3的集电极连接至系统控制器KZQ的第二管脚2；在辅助负荷FZ7控制开关中，晶体开关三极管Q2的基极连接至系统控制器KZQ的第三管脚3，晶体开关三极管Q1的集电极连接至系统控制器KZQ的第六管脚6，由此组成重叠互补型控制电路，实施重叠互补型能量控制。晶体开关三极管Q1、Q2、Q3、Q4，驱动电阻R1、R2、，主负荷电池BT7，辅助负荷FZ7，系统控制器KZQ组成重叠互补型控制电路，实施主负荷BT7和辅助负荷FZ7的输入/输出控制。

晶体开关三极管Q1、Q2、Q3、Q4受控于系统器KZQ。KZQ与外部电路相关的6只引脚的控制原理及关系如下：

1脚为电源输入。由此向KZQ控制器提供工作电源。

2脚为主负荷状态测量端，由此采样蓄电池电压数值，经KZQ内部分析后实行相应的控制输出。

3脚为辅助负荷控制输出。此脚输出高位时将使Q2导通，进而使Q1导通，隔离整流器D40、D41、D42输出向辅助负荷FZ7提供能量。R1是Q1与Q2的驱动电阻。

4脚为主负荷控制输出。此脚输出高电位时将使Q4导通，进而使Q3导通，隔离整流器D37、D38、D39输出向主负荷蓄电池BT7输出能量。R2是Q3与Q4的驱动电阻。

5脚为系统共地端。

6脚为辅助负荷状态测量端，由此采样辅助负荷电压(电流、温度)数值。

系统控制器KZQ通过2脚测量主负荷蓄电池的端电压，由于不同的充放电状况，会出现两种典型的控制变换过程。

(1)当测得蓄电池电压低于预定标准时，控制器KZQ立即由4脚输出高电位使Q3开关导通，对蓄电池BT7充电，略经延时，形成导通重叠后，由3脚输出低电位使Q1截止，禁止向辅助负荷FZ7提供能量。

(2)当测得蓄电池电压高于预定标准时，控制器KZQ立即由3脚输出高电位使Q1开关导通，对辅助负荷FZ7提供能量，略经延时，形成导通重叠后，由4脚输出低电位使Q3截止，禁止对蓄电池BT7充电。

控制器KZQ框图内的组成可以是一般电路，即线性电路和逻辑电路。也可以是智能电路。简单系统一般不需要辅助负荷测量端(KZQ6脚)，但要求泻功负荷具有较大的功率余量和可靠性。当有多个辅助负荷时，控制器需要根据优先权的差异及具体负荷反馈回的信号作出相应的分配控制。

上述情况是以共负极的电路作出的单一控制循环描述，实际电路可以是共正极电路，也可以是隔离共正(或共负)，控制共负(或共正)等形态，并且是以周期方式无限循环下去的。无论何种形态，必须保证主、辅负荷间能量分配控制变换过程中的互补重叠关系。

与本发明相关的“重叠互补”控制方式体现在KZQ框上3脚与4脚的电位逻辑关系，以时序波形图8做进一步描述。

图8垂直轴U4表示控制器4脚电位，U3表示控制器3脚电位。

水平轴上的T1时段描述第(1)节“当测得蓄电池电压低于预定标准时”的控制变换过程。

水平轴上的T2时段描述第(2)节“当测得蓄电池电压高于预定标准时”的控制变换过程。

将U3、U4两部分电位波形进行比较，控制的静态过程反映在高电位主体部分(空白区域)，U3、U4的高电位状态是交替出现的，体现出“互补”的概念；控制的动态过程反映在高电位边缘部分(斜线区域)，U3、U4间在电位变化过程中会出现交错着的高电位(斜线区域)，时序图中U3、U4的高电位重叠部分即表示了互补变化过程中重叠的那一部分。实际控制过程中，U3、U4两路控制信号是以脉宽调制(PWM)形式出现的。调整占空比称为PWM，占空比(开关维持时间)是0-100％。

Claims

1、一种电源输入输出控制器，包括整流和隔离二极管，主负荷电池，辅助负荷，主负荷控制开关，辅助负荷控制开关，其特征是所述的整流和隔离二极管第37二极管(D37)、第38二极管(D38)、第39二极管(D39)共负极连接，第40二极管(D40)、第41二极管(D41)、第42二极管(D42)共负极连接，第43二极管(D43)负极与第37二极管(D37)、第40二极管(D40)正极相接，第44二极管(D44)负极与第38二极管(D38)、第41二极管(D41)正极相接，第45二极管(D45)负极与第39二极管(D39)、第42二极管(D42)正极相接，第43二极管(D43)、第44二极管(D44)、第45二极管(D45)正极相接，组成共负极整流和隔离电路，它和主负荷电池(BT7)，辅助负荷(FZ7)并联，连接成并行隔离电路；所述主负荷控制开关是由第三晶体开关三极管(Q3)连接第二电阻(R2)，再与第四晶体开关三极管(Q4)连接组成的控制开关，其中第三晶体开关三极管(Q3)与主负荷电池(BT7)连接，控制其输入输出，所述辅助负荷控制开关，是由第一晶体开关三极管(Q1)连接第一电阻(R1)，再与第二晶体开关三极管(Q2)连接组成的控制开关，其中第一晶体开关三极管(Q1)与辅助负荷(FZ7)连接，控制其输入输出；在主负荷(BT7)控制开关中，第四晶体开关三极管(Q4)的基极连接至系统控制器(KZQ)的第四管脚(4)，第三晶体开关三极管(Q3)的集电极连接至系统控制器(KZQ)的第二管脚(2)；在辅助负荷(FZ7)控制开关中，第二晶体开关三极管(Q2)的基极连接至系统控制器(KZQ)的第三管脚(3)，第一晶体开关三极管(Q1)的集电极连接至系统控制器(KZQ)的第六管脚(6)；由此组成重叠互补型控制电路，实施重叠互补型能量控制。

2、如权利要求1所述的电源输入输出控制器，其特征是所述的重叠互补型控制电路其中的主负荷电池(BT7)控制开关、辅助负荷(FZ7)控制开关，开关静态的通断状况必须是交替互补的，开关动态的通断转换期间必须出现一定程度的接通重叠。

3、一种电源输入输出控制器，包括并行隔离电路其特征是所述的并行隔离电路，是由整流和隔离二极管第17(D17)、第18二极管(D18)共负极连接，第19二极管(D19)、第20二极管(D20)共负极连接，第21二极管(D21)、第22二极管(D22)共正极连接，第21二极管(D21)负极与第17二极管(D17)、第19二极管(D19)正极相接，第22二极管(D22)负极与第18二极管(D18)、第20二极管(D20)正极相接，组成的单相整流隔离电路再和主负荷电池(BT4)，辅助负荷(FZ4)并联，组成的并联共负极隔离电路；或者是由整流和隔离二极管第25二极管(D25)、第26二极管(D26)共正极连接，第27二极管(D27)、第28二极管(D28)共正极连接，第23二极管(D23)、第24二极管(D24)共负极连接，第23二极管(D23)正极与第25二极管(D25)、第27二极管(D27)负极相接，第24二极管(D24)正极与第26二极管(D26)、第28二极管(D28)负极相接，组成的单相整流隔离电路，再和主负荷电池(BT5)、辅助负荷(FZ5)并联，组成的并联共正极隔离电路；或者是由整流和隔离二极管第29二极管(D29)、第30二极管(D30)共负极连接，第31二极管(D31)、第32二极管(D32)共负极连接，第33二极管(D33)、第34二极管(D34)共正极连接，第35二极管(D35)、第36二极管(D36)共正极连接，组成的单相整流隔离电路，再和主负荷电池(BT6)，辅助负荷(FZ6)并联，组成的并联全隔离电路。