CN106291012A - 可编程直流电源实现***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可编程直流电源实现***和方法，所述***包括整流器、逆变器、回馈开关以及主控制器，且所述回馈开关用于将逆变器的输出端连接到交流电网、所述整流器和逆变器之间的直流母线连接到直流输出端；所述主控制器包括参数接收单元以及模式控制单元，其中：所述参数接收单元，用于接收外部输入的工作参数；所述模式控制单元，用于根据接收的工作参数控制回馈开关、整流器、逆变器的运行状态，使直流电源工作于蓄电池模拟器模式、回馈式直流负载模式或单向直流电源模式。本发明通过将多个功能集中到同一套设备，并根据外部输入的工作参数切换直流电源的工作模式，可满足产品的研发、生产、测试一体化需求，同时节约成本。

Description

可编程直流电源实现***及方法
技术领域
本发明涉及直流电源领域，更具体地说，涉及一种可编程直流电源实现***及方法。
背景技术
为保证蓄电池等直流电源的安全稳定工作，需要对这些电源进行多种参数的测试。但在对电源实体进行测试时，有时会发生不安全事故，因此往往使用模拟器替代真实的电源应用到设备的调试、测试、联试等前期场合。目前国内外在直流电源控制领域出现了一些电池测试***，例如德国迪卡龙(Digatron)公司的电池测试***，瑞士瑞佳通(Regatron)公司的高精度光伏整列电池模拟器电源等。
然而，现有的直流电源控制***普遍存在实现功能单一的问题。例如，德国迪卡龙(Digatron)公司的产品仅可实现蓄电池模拟，并用于替代部分真实电池测试应用场合；瑞士瑞佳通公司的产品仅可用于光伏行业对高精度光伏整列电池模拟器电源的模拟。上述产品均专注于电池方面的模拟，而缺少在能量回馈、高精度单向直流电源输出等方面的功能扩展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述直流电源控制***功能单一的问题，提供一种新的可编程直流电源实现***及方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供
一种可编程直流电源实现***，包括整流器、逆变器、回馈开关以及主控制器，且所述回馈开关用于将逆变器的输出端连接到交流电网、所述整流器和逆变器之间的直流母线连接到直流输出端；所述主控制器包括参数接收单元以及模式控制单元，其中：所述参数接收单元，用于接收外部输入的工作参数；所述模式控制单元，用于根据接收的工作参数控制回馈开关、整流器、逆变器的运行状态，使直流电源工作于蓄电池模拟器模式、回馈式直流负载模式或单向直流电源模式。
在本发明所述的可编程直流电源实现***中，所述参数接收单元接收的工作参数包括工作模式，所述模式控制单元根据接收的工作模式选择对应的一组默认运行参数控制回馈开关、整流器、逆变器的运行状态。
在本发明所述的可编程直流电源实现***中，所述参数接收单元接收的工作参数包括工作模式和运行参数；所述模式控制单元根据接收的运行参数、或接收的运行参数及部分与工作模式对应的默认运行参数控制回馈开关、整流器、逆变器的运行状态。
在本发明所述的可编程直流电源实现***中，在所述参数接收单元接收的工作模式为蓄电池模拟器模式时，所述模式控制单元根据包括充放电曲线、内阻、容量的运行参数使整流器处于工作状态，以通过控制直流母线的电压值、电流值匹配蓄电池的各项参数，并使回馈开关和逆变器处于待机或者运行状态；
在所述参数接收单元接收的工作模式为回馈式直流负载模式时，所述模式控制单元使整流器处于关闭状态，并根据包括直流侧电压范围和回馈功率的运行参数使回馈开关和逆变器将连接到直流输出端的直流输入能量馈至交流电网；
在所述参数接收单元接收的工作模式为单向直流电模式时，所述模式控制单元使逆变器处于关闭状态，并根据包含直流输出V-I特性曲线和内阻的运行参数使整流器向连接到直流输出端的直流负载输出直流电压。
在本发明所述的可编程直流电源实现***中，所述整流器的输入端经由隔离变压器和输入开关连接到交流电网；所述逆变器的输出端经由隔离变压器连接到回馈开关。
本发明还提供一种可编程直流电源实现方法，包括以下步骤：
(a)通过控制器的信号输入端口接收外部输入的工作参数，所述控制器的信号输出端口连接到回馈开关、整流器和逆变器，且所述逆变器的输出端通过回馈开关连接到交流电网，所述整流器和逆变器之间的直流母线连接到直流输出端；
(b)根据接收的工作参数控制回馈开关、整流器、逆变器的运行状态，使直流电源工作于蓄电池模拟器模式、回馈式直流负载模式或单向直流电源模式。
在本发明所述的可编程直流电源实现方法中，所述步骤(a)中接收的工作参数包括工作模式，所述步骤(b)中根据接收的工作模式选择对应的一组默认运行参数控制回馈开关、整流器、逆变器的运行状态。
在本发明所述的可编程直流电源实现方法中，所述步骤(a)中接收的工作参数包括工作模式和运行参数；所述步骤(b)中根据接收的运行参数、或接收的运行参数及部分与工作模式对应的默认运行参数控制回馈开关、整流器、逆变器的运行状态。
在本发明所述的可编程直流电源实现方法中，在所述步骤(a)中接收的工作模式为蓄电池模拟器模式时，所述步骤(b)包括：根据包括充放电曲线、内阻、容量的运行参数使整流器处于工作状态，以通过控制直流母线的电压值、电流值匹配蓄电池的各项参数，并使回馈开关和逆变器处于待机或者运行状态；
在所述步骤(a)中接收的工作模式为回馈式直流负载模式时，所述步骤(b)包括：使整流器处于关闭状态，并根据包括直流侧电压范围和回馈功率的运行参数使回馈开关和逆变器将连接到直流输出端的直流输入能量馈送至交流电网；
在所述步骤(a)中接收的工作模式为单向直流电模式时，所述步骤(b)包括：使逆变器处于关闭状态，并根据包含直流输出V-I特性曲线和内阻的运行参数使整流器向连接到直流输出端的直流负载输出直流电压。
在本发明所述的可编程直流电源实现方法中，在所述步骤(a)中接收的工作模式为蓄电池模拟器模式时，所述步骤(b)包括：根据放电曲线、内阻、容量使整流器输出直流电压，并在直流母线电压不超过预设值时使逆变器处于待机状态、在直流母线电压超过预设值时使逆变器根据放电曲线从直流母线抽取能量后经回馈开关馈送到整流器输入端的交流电网。
本发明的可编程直流电源实现***及方法，通过将多个功能集中到同一套设备，并根据外部输入的工作参数切换直流电源的工作模式，可满足产品的研发、生产、测试一体化需求，同时节约成本。
附图说明
图1是本发明可编程直流电源实现***的电源主回路的***原理示意图。
图2是本发明可编程直流电源实现***中主控制器的实施例的示意图。
图3是本发明可编程直流电源实现方法实施例的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的可编程直流电源实现***采用交流-直流-交流两级变换技术，其电源主回路的***原理图如图1所示，该***包括整流器11、逆变器12、回馈开关13以及主控制器(例如MCU)，回馈开关13具体可采用IGBT、继电器等，用于将逆变器12的输出端连接到交流电网，整流器11和逆变器12之间的直流母线经由直流输出开关17连接到直流输出端。本实施例的可编程直流电源实现***的输入输出还可采用交流开关18、隔离变压器14、15，将直流侧设备和交流电网安全隔离。在隔离变压器14的后端，还可增加输入滤波器16，以提高***的精度。
该***的第一级变换为交流至直流变换，可通过交流至直流变换技术，如三相全桥、PFC整流等整流器11实现对直流母线的精确控制；第二级变换为直流至交流变换，可通过逆变器12等直流至交流变换设备，实现直流至交流侧，也即向交流电网的能量回馈，同时，通过控制参数，可实现交流电网能量回馈至直流母线。
如图2所示，是本发明可编程直流电源实现***中主控制器20的示意图，该主控制器20的控制信号输出端连接到整流器11、逆变器12以及回馈开关13的控制信号输入端，并通过控制整流器11的运行状态实现交流到直流的精确变换、通过控制逆变器12和回馈开关13的运行状态实现直流侧向交流电网的能量回馈。具体地，上述整流器11可控制直流母线的电压值以及电流值；逆变器12则可调整输出电压和输出电流，通过整流器11与逆变器12的互相匹配，可实现对不同模式的精确模拟。
主控制器20包括参数接收单元21和模式控制单元22，上述参数接收单元21和模式控制单元22可由集成到主控制器20的软件构成，其中参数接收单元21可通过主控制器20的信号输入引脚接收外部输入(例如后台设备、上位机等)的工作参数；模式控制单元22可通过主控制器20的信号输出引脚向回馈开关、整流器、逆变器输出控制信号，以根据接收的工作参数控制回馈开关、整流器、逆变器的运行状态，使直流电源工作于蓄电池模拟器模式、回馈式直流负载模式或单向直流电源模式。
上述可编程直流电源实现***可同时模拟各种类型电池的放电特性、能量回馈电网以及单向直流电源输出三大功能，三大功能可通过参数设置实现灵活切换。通过本发明可方便实现用户多方面需求，满足用户产品的研发、生产、测试一体化需求，同时节约用户成本。
上述主控制器20中存储有至少三组默认运行参数，且蓄电池模拟器模式、回馈式直流负载模式和单向直流电源模式分别对应至少一组默认运行参数。从而在参数接收单元21接收的工作参数为工作模式时，模式控制单元22根据接收的工作模式选择对应的一组默认运行参数控制回馈开关13、整流器11、逆变器12的运行状态，使得可编程直流电源实现***工作于对应的工作模式。
上述参数接收单元21接收的工作参数除了工作模式外，还可包括运行参数。此时，模式控制单元22根据接收的运行参数控制回馈开关13、整流器11、逆变器12的运行状态。如果上述接收的运行参数不完整，则模式控制单元22使用接收的运行参数及部分与工作模式对应的默认运行参数(接收的运行参数中没有的部分)控制回馈开关13、整流器11、逆变器12的运行状态。
在参数接收单元21接收的工作模式为蓄电池模拟器模式时(此时直流输出端口连接直流负载)，模式控制单元22根据充放电曲线、内阻、容量等运行参数使整流器11处于工作状态，以通过控制直流母线的电压值、电流值匹配蓄电池的各项参数，并使回馈开关13和逆变器12处于待机或者运行状态。在该工作模式中，可编程直流电源实现***能够精确模拟各种类型蓄电池的充电和放电特性，此模式主要应用于模拟电动汽车动力***、UPS电源、电力操作电源中的蓄电池组，作为测试设备用于相关企业的研发和生产测试。
例如将上述可编程直流电源实现***应用于电动汽车能量转换测试***，当主控制器20检测到直流侧电压(即直流母线电压或直流输出端口电压)不高于预设值(由用户设置以及电池容量决定)时，则模式控制单元22将逆变器12切换到待机(状态回馈开关13断开)，由整流器11向直流输出端口提供直流负载所需的功率，此时整个可编程直流电源实现***将自动模拟电池的放电特性，整流器11的直流输出电压则根据设定的电池关键参数(默认或输入)随时间和负载自动调整。当主控制器20检测到直流侧电压高于预设值(由用户设置以及电池容量决定)时，模式控制单元22将逆变器12切换到运行模式，并工作于电流源模式，从而根据设定的充电方案从直流侧抽取能量经过逆变后馈送回交流电网。当上述可编程直流电源实现***用于模拟UPS电源以及电力操作电源中的蓄电池组时，工作原理类似。
在参数接收单元21接收的工作模式为回馈式直流负载模式时(此时直流输出端连接储能装置)，模式控制单元22使整流器11处于关闭状态，并根据直流侧电压范围和回馈功率等运行参数使回馈开关13和逆变器12将连接到直流输出端的直流输入能量馈送至交流电网。上述可编程直流电源实现***运行在回馈式直流负载模式时，将根据用户设定的直流侧电压范围和回馈功率等关键参数模拟直流负载，并将直流输出端的输入能量回馈到交流电网。此模式主要应用于蓄电池生产企业作为电池化成充放电放电阶段的可编程回馈负载设备。也可以应用于直流电源、电动汽车充电桩生产企业用于产品的研发测试和生产老化设备。
例如在应用于蓄电池化成工艺时，主控制器20使逆变器12根据设定的放电曲线，将连接到直流输出端的蓄电池的储能逆变为三相交流电馈送回交流电网，实现能量的节能回收。当应用于直流电源、电动汽车充电桩的生产老化设备时，主控制器20使逆变器12根据设定的老化曲线，将直流输出端的输入能量逆变为三相交流电馈送回交流电网，实现能量的节能回收。
在参数接收单元21接收的工作模式为单向直流电模式时，模式控制单元22使逆变器12处于关闭状态，并根据直流输出V-I特性曲线和内阻等运行参数使整流器11向连接到直流输出端的直流负载输出直流电压。上述可编程直流电源实现***运行在回馈式直流负载模式时，将根据设定的直流输出V-I特性曲线和内阻等关键参数，快速精度跟踪设定的特性曲线输出高精度直流电压，该特性可以精度模拟各种类型光伏电池板的V-I特性，用作光伏逆变器、光伏储能***生产企业的研发和生产测试设备；也可以应用于蓄电池生产企业用作电池化成工艺的可编程充电机设备；还可以广泛应用于开关电源、各类型逆变电源生产企业用作高精度可编程直流电源。
例如在应用于蓄电池化成工艺时，主控制器20使整流器11根据设定的充电曲线为连接到直流输出端的蓄电池进行充电，并在充电结束后自动生成充电曲线报表并根据设置选择关机或者自动切换到回馈式直流负载模式执行放电工序。当用于模拟光伏电池阵列时，主控制器20使整流器11根据设定的V-I特性曲线随负载电流的变化而自动调节输出电压。
如图3所示，本发明还提供一种可编程直流电源实现方法，包括以下步骤：
步骤S31：通过控制器的信号输入端口接收外部输入的工作参数，所述控制器的信号输出端口连接到回馈开关、整流器和逆变器，且所述回馈开关的两端分别连接整流器的输入端和逆变器的输出端，所述整流器和逆变器之间的直流母线连接到直流输出端；
步骤S32：根据接收的工作参数控制回馈开关、整流器、逆变器的运行状态，使直流电源工作于蓄电池模拟器模式、回馈式直流负载模式或单向直流电源模式。
上述步骤S31中接收的工作参数可为工作模式，此时步骤S32中根据接收的工作模式选择对应的一组默认运行参数控制回馈开关、整流器、逆变器的运行状态。步骤S31中接收的工作参数还可为工作模式和运行参数，此时步骤S32中根据接收的运行参数、或接收的运行参数及部分与工作模式对应的默认运行参数控制回馈开关、整流器、逆变器的运行状态。
在所述步骤S31中接收的工作模式为蓄电池模拟器模式时，步骤S32包括：根据包括充放电曲线、内阻、容量的运行参数使整流器处于工作状态，以通过控制直流母线的电压值、电流值匹配蓄电池的各项参数，并使回馈开关和逆变器处于待机或者运行状态；在步骤S31中接收的工作模式为回馈式直流负载模式时，步骤S32包括：使整流器处于关闭状态，并根据包括直流侧电压范围和回馈功率的运行参数使回馈开关和逆变器将连接到直流输出端的直流输入能量馈送至交流电网；在步骤S31中接收的工作模式为单向直流电模式时，步骤S32包括：使逆变器处于关闭状态，并根据包含直流输出V-I特性曲线和内阻的运行参数使整流器向连接到直流输出端的直流负载输出直流电压。
特别地，在步骤S31中接收的工作模式为蓄电池模拟器模式时，步骤S32包括：根据放电曲线、内阻、容量使整流器输出直流电压，并在直流母线电压不超过预设值时使逆变器处于待机状态、在直流母线电压超过预设值时使逆变器根据放电曲线从直流母线抽取能量后经回馈开关馈送到整流器输入端的交流电网。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种可编程直流电源实现***，其特征在于：包括整流器、逆变器、回馈开关以及主控制器，且所述回馈开关用于将逆变器的输出端连接到交流电网、所述整流器和逆变器之间的直流母线连接到直流输出端；所述主控制器包括参数接收单元以及模式控制单元，其中：所述参数接收单元，用于接收外部输入的工作参数；所述模式控制单元，用于根据接收的工作参数控制回馈开关、整流器、逆变器的运行状态，使直流电源工作于蓄电池模拟器模式、回馈式直流负载模式或单向直流电源模式。
2.根据权利要求1所述的可编程直流电源实现***，其特征在于：所述参数接收单元接收的工作参数包括工作模式，所述模式控制单元根据接收的工作模式选择对应的一组默认运行参数控制回馈开关、整流器、逆变器的运行状态。
3.根据权利要求1所述的可编程直流电源实现***，其特征在于：所述参数接收单元接收的工作参数包括工作模式和运行参数；所述模式控制单元根据接收的运行参数、或接收的运行参数及部分与工作模式对应的默认运行参数控制回馈开关、整流器、逆变器的运行状态。
4.根据权利要求2或3所述的可编程直流电源实现***，其特征在于：在所述参数接收单元接收的工作模式为蓄电池模拟器模式时，所述模式控制单元根据包括充放电曲线、内阻、容量的运行参数使整流器处于工作状态，以通过控制直流母线的电压值、电流值匹配蓄电池的各项参数，并使回馈开关和逆变器处于待机或者运行状态；
在所述参数接收单元接收的工作模式为回馈式直流负载模式时，所述模式控制单元使整流器处于关闭状态，并根据包括直流侧电压范围和回馈功率的运行参数使回馈开关和逆变器将连接到直流输出端的直流输入能量馈至交流电网；
在所述参数接收单元接收的工作模式为单向直流电模式时，所述模式控制单元使逆变器处于关闭状态，并根据包含直流输出V-I特性曲线和内阻的运行参数使整流器向连接到直流输出端的直流负载输出直流电压。
5.根据权利要求1所述的可编程直流电源实现***，其特征在于：所述整流器的输入端经由隔离变压器和输入开关连接到交流电网；所述逆变器的输出端经由隔离变压器连接到回馈开关。
6.一种可编程直流电源实现方法，其特征在于：包括以下步骤：
(a)通过控制器的信号输入端口接收外部输入的工作参数，所述控制器的信号输出端口连接到回馈开关、整流器和逆变器，且所述逆变器的输出端通过回馈开关连接到交流电网，所述整流器和逆变器之间的直流母线连接到直流输出端；
(b)根据接收的工作参数控制回馈开关、整流器、逆变器的运行状态，使直流电源工作于蓄电池模拟器模式、回馈式直流负载模式或单向直流电源模式。
7.根据权利要求6所述的可编程直流电源实现方法，其特征在于：所述步骤(a)中接收的工作参数包括工作模式，所述步骤(b)中根据接收的工作模式选择对应的一组默认运行参数控制回馈开关、整流器、逆变器的运行状态。
8.根据权利要求6所述的可编程直流电源实现方法，其特征在于：所述步骤(a)中接收的工作参数包括工作模式和运行参数；所述步骤(b)中根据接收的运行参数、或接收的运行参数及部分与工作模式对应的默认运行参数控制回馈开关、整流器、逆变器的运行状态。
9.根据权利要求7或8所述的可编程直流电源实现方法，其特征在于：在所述步骤(a)中接收的工作模式为蓄电池模拟器模式时，所述步骤(b)包括：根据包括充放电曲线、内阻、容量的运行参数使整流器处于工作状态，以通过控制直流母线的电压值、电流值匹配蓄电池的各项参数，并使回馈开关和逆变器处于待机或者运行状态；
在所述步骤(a)中接收的工作模式为回馈式直流负载模式时，所述步骤(b)包括：使整流器处于关闭状态，并根据包括直流侧电压范围和回馈功率的运行参数使回馈开关和逆变器将连接到直流输出端的直流输入能量馈送至交流电网；
在所述步骤(a)中接收的工作模式为单向直流电模式时，所述步骤(b)包括：使逆变器处于关闭状态，并根据包含直流输出V-I特性曲线和内阻的运行参数使整流器向连接到直流输出端的直流负载输出直流电压。
10.根据权利要求9所述的可编程直流电源实现方法，其特征在于：在所述步骤(a)中接收的工作模式为蓄电池模拟器模式时，所述步骤(b)包括：根据放电曲线、内阻、容量使整流器输出直流电压，并在直流母线电压不超过预设值时使逆变器处于待机状态、在直流母线电压超过预设值时使逆变器根据放电曲线从直流母线抽取能量后经回馈开关馈送到整流器输入端的交流电网。
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