CN116488322B - 并联型低压大电流输出的直流电源装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及电源技术领域，具体涉及一种并联型低压大电流输出的直流电源装置及控制方法，装置包括交流输入EMC模块、AC/DC功率因数校正模块、交流工作模式DC/DC低压输出模块、交流工作模式DC/DC高压输出模块、智能充电模块、电池工作模式DC/DC低压输出模块、电池工作模式DC/DC高压输出模块、高低压输出切换控制器、信号采样处理及控制模块、蓄电池组及直流输出EMC模块。本申请提供的低成本可靠的宽电压范围大电流输出电路，通过软件采集输出电压电流数据控制高低压输出切换电路，在满足负载设备供电需求的同时，可极大的降低并联电源的故障率和成本，提高并联电源的可靠性。

Description

并联型低压大电流输出的直流电源装置及控制方法
技术领域
本申请涉及电源控制领域，特别是一种并联型电压大电流输出的直流电源装置及控制方法。
背景技术
并联型直流***是应用于水力、火力发电厂，各类变电站，主要由并联直流电源、蓄电池组、直流馈线屏、直流电源监测装置等部分组成，并由此形成一个庞大、遍布直流电源供电网络，为继电器保护装置、断路器分合闸、信号***、UPS、通信等各个子***提供安全、可靠的工作电源。直流***是一个独立的电源，它不受发电机、厂用电及***运行方式的影响，并在外部交流电中断的情况下，保证由后备电源蓄电池继续提供直流电源的重要设备。
评价并联电源的指标应该是以安全性、可靠性、功率密度、性价比为第一原则。在电气技术指标满足正常使用要求的条件下，为使电源在恶劣环境及突发故障情况下为断路器分合闸提供安全可靠地工作电源，必须设计足够的输出电流。目前并联电源故障大多数是由于无法承担数倍输出大电流造成的，因为断路器分合闸和故障短路时会使得电源输出电流远远超出额定电流，达到额定电流的数倍，从而导致功率元器件失效，电源故障。
发明内容
基于此，有必要针对上述至少一种技术缺陷，提供一种低成本可靠的并联型低压大电流输出的直流电源装置及控制方法，实现宽范围大电流输出电路的同时，可极大的降低并联电源的故障率和成本，提高并联电源的可靠性。
为解决上述技术问题，本申请实施例提供以下技术方案：
一种并联型低压大电流输出的直流电源装置，所述装置包括交流输入EMC模块、AC/DC功率因数校正模块、交流工作模式DC/DC低压输出模块、交流工作模式DC/DC高压输出模块、智能充电模块、电池工作模式DC/DC低压输出模块、电池工作模式DC/DC高压输出模块、高低压输出切换控制器、信号采样处理及控制模块、蓄电池组及直流输出EMC模块；
交流电通过交流输入EMC模块输入 AC/DC功率因数校正模块，所述AC/DC功率因数校正模块输出连接交流工作模式DC/DC低压输出模块、交流工作模式DC/DC高压输出模块及智能充电模块，所述智能充电模块通过所述蓄电池组连接电池工作模式DC/DC高压输出模块及电池工作模式DC/DC低压输出模块；
所述交流工作模式DC/DC低压输出模块、交流工作模式DC/DC高压输出模块、电池工作模式DC/DC低压输出模块及电池工作模式DC/DC高压输出模块分别与所述高低压输出切换控制器连接，所述高低压输出切换控制器与所述直流输出EMC模块连接进行输出。
在一个实施例中，当无交流输入时，所述蓄电池组经所述电池工作模式DC/DC低压输出模块、电池工作模式DC/DC高压输出模块升压后接入高低压输出切换控制器，并通过直流输出EMC模块输出给负载使用。
在一个实施例中，所述高低压输出切换控制器包括：切换开关K1、K2、K3、K4，二极管D1，功率电阻R1以及电解电容C1，，所述切换开关K1连接交流低压输出，所述切换开关K2连接交流高压输出，所述切换开关K3连接电池低压输出，所述切换开关连接电池高压输出。
在一个实施例中，当通过交流输入EMC模块进行交流输入时，若输出电压大于或等于设定值，开关K2和K4吸合，通过功率电阻R1向大电解电容C1充电，同时向输出负载供电。
在一个实施例中，当通过交流输入EMC模块进行交流输入时，若输出电压小于设定值，则开关K1和K3吸合，通过功率电阻R1给大电解电容C1充电，同时向输出负载供电。
在一个实施例中，所述切换开关K1、K2、K3、K4并联，并联后连接所述二极管D1负极，所述二极管D1正极与大电解电容C1的一端连接，大电解电容C1的另一端与输出端连接，所述功率电阻R1一端连接至二极管D1的正极，所述功率电阻R1的另一端连接至切换开关K3和K4的连接处。
本申请还提供一种并联型低压大电流输出的直流电源控制方法，该控制方法应用于并联型低压大电流输出的直流电源，所述控制方法包括：
采集当前输出的电压、电流数据，输出电压和电流采样经A/D转换进入高低压输出切换控制器；
判断是否达到高压输出电流限值，若输出电流高于高电压输出时电流设定值，则降低输出电压；若输出电流不高于高电压输出时电流设定值，则维持当前电压输出。
在一个实施例中，判断电压是否到达高低压电路切换点，若输出电压低于高低压电路切换设定值，则切换至低压大电流输出电路。
在一个实施例中，判断是否达到低电压输出时电流限值，若输出电流高于低电压输出时电流设定值，则降低输出电压；若输出电流不高于低电压输出时电流设定值，则维持当前电压输出。
上述所述并联型低压大电流输出的直流电源装置通过在并联电源设备上集成高低压两种输出电路，电路工作自动切换，在保持高压输出功能的同时，极大提升低压输出电流，达到提高并联电源设备供电可靠性的技术效果。通过用高压小电流和低压大电流输出电路结合的方法替代高压宽范围大电流输出电路设计，从而达到大大降低设计难度和节约物料成本的技术效果，极大的降低了电路的设计成本。
并且通过用高压小电流和低压大电流输出电路结合的设计方法替代高压宽范围大电流输出电路设计，从而达到缩小电源体积和提供功率密度的技术效果。
本申请针对现有技术存在的并联电源在断路器分合闸或输出短路时，输出电流远需超出额定电流，达到额定电流的数倍，从而导致功率元器件失效，电源故障。本申请提供的低成本可靠的宽电压范围大电流输出电路，通过软件采集输出电压电流数据控制高低压输出切换电路，在满足负载设备供电需求的同时，可极大的降低并联电源的故障率和成本，提高并联电源的可靠性。
通过实施本发明的技术方案，可在保证并联电源正常输出情况下，通过控制并联电源设备上高低压两种输出电路自动切换，极大提升低压输出电流，达到提高并联电源设备供电可靠性、降低设计难度、节约物料成本及缩小电源体积和提高功率密度的效果。
附图说明
图1是示例的本申请并联型低压大电流输出的直流电源装置示意图；
图2是示例的本申请高低压输出切换控制器的示意图；
图3是示例的本申请并联型低压大电流输出的直流电源控制方法示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。
在本申请实施例中，提及的“第一”“第二”等字样用于对作用和功能基本相同的相同项或相似项进行区分，“至少一个”是指一个或多个，“多个”的含义是指两个或两个以上，例如，多个对象指两个或两个以上的对象。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的信息涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的信息及其等同，并不排除其他信息。在本申请实施例中提及的“和/或”，表示可以存在三种关系，字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
参考图1所示，图1是示例的本申请并联型低压大电流输出的直流电源装置，如图1中，并联型低压大电流输出的直流电源装置，装置包括：
交流输入EMC模块、AC/DC功率因数校正模块、交流工作模式DC/DC低压输出模块、交流工作模式DC/DC高压输出模块、智能充电模块、电池工作模式DC/DC低压输出模块、电池工作模式DC/DC高压输出模块、高低压输出切换控制器、信号采样处理及控制模块、蓄电池组及直流输出EMC模块；
交流电通过交流输入EMC模块输入 AC/DC功率因数校正模块，AC/DC功率因数校正模块输出连接交流工作模式DC/DC低压输出模块、交流工作模式DC/DC高压输出模块及智能充电模块，智能充电模块通过蓄电池组连接电池工作模式DC/DC高压输出模块及电池工作模式DC/DC低压输出模块；
交流工作模式DC/DC低压输出模块、交流工作模式DC/DC高压输出模块、电池工作模式DC/DC低压输出模块及电池工作模式DC/DC高压输出模块分别与高低压输出切换控制器连接，高低压输出切换控制器与直流输出EMC模块连接进行输出。
作为实施例，当无交流输入时，蓄电池组经所述电池工作模式DC/DC低压输出模块、电池工作模式DC/DC高压输出模块升压后接入高低压输出切换控制器，并通过直流输出EMC模块输出给负载使用。
其中，交流电进入H1交流输入EMC模块，出EMC模块后进入H2 AC/DC功率因数校正模块，功率因数校正输出一部分进入H3交流工作模式DC/DC高低压模块，经过高低压输出切换控制器后进入H11直流输出EMC，最后输出给负载使用；另一部分进入H5智能充电，经智能充电后给H6蓄电池组进行智能充电。其中各模块的主要功能示例性的如下：
H1 ：交流输入EMC。该部分实现交流输入滤波、防雷及抗干扰等功能。
H2 ：AC/DC功率因数校正。该部分实现功率因数校正功能，可选的，输出370V直流母线电压，给交流工作模式DC/DC高低压输出电路和智能充电部分提供电能，受H10处理器控制。
H3 ：交流工作模式DC/DC高压输出。把来自功率因数校正部分370V直流母线电压转换成输出所需要的高电压，示例性的，可以是50V以上的电压，受H10处理器控制。
H4 ：交流工作模式DC/DC低压输出。把来自功率因数校正部分370V直流母线电压转换成输出所需要的高电压，示例性的，可以是50V以下的电压，受H10处理器控制。
H5 ：智能充电。把来自功率因数校正部分370V直流母线电压变成蓄电池充电所需电压，给蓄电池充电，受H10处理器控制。
H6 ：蓄电池。储存能量。
H7 ：电池工作模式DC/DC高压输出。把来蓄电池电压转换成输出所需要的高电压，示例性的，可以是50V以上的电压，受H10处理器控制。
H8 ：电池工作模式DC/DC低压输出。把来自蓄电池电压转换成输出所需要的低电压，示例性的，可以是50V以下的电压，受H10处理器控制。
H9 ：高低压输出切换控制器。对交流工作模式DC/DC高低压输出及电池工作模式DC/DC高低压输出的进行选择输出，受H10处理器控制。
H10 ：信号采样处理及控制。对功率因数校正模块，DC/DC功率转换模块，智能充电及蓄电池组相关信息进行采样，处理及控制。
H11 ：直流输出EMC。该部分实现直流输出滤波及防雷等功能。
参考图2所示，作为实施例，图2是一个示例的高低压输出切换控制器，如图2中，高低压输出切换控制器包括：切换开关K1、K2、K3、K4，二极管D1，功率电阻R1以及电解电容C1，切换开关K1连接交流低压输出，所述切换开关K2连接交流高压输出，切换开关K3连接电池低压输出，所述切换开关连接电池高压输出。
作为实施例，当通过交流输入EMC模块进行交流输入时，若输出电压大于或等于设定值，开关K2和K4吸合，通过功率电阻R1向大电解电容C1充电，同时向输出负载供电。
作为实施例，当通过交流输入EMC模块进行交流输入时，若输出电压小于设定值，则开关K1和K3吸合，通过功率电阻R1给大电解电容C1充电，同时向输出负载供电。
作为实施例，切换开关K1、K2、K3、K4并联，并联后连接所述二极管D1负极，所述二极管D1正极与大电解电容C1的一端连接，大电解电容C1的另一端与输出端连接，所述功率电阻R1一端连接至二极管D1的正极，所述功率电阻R1的另一端连接至切换开关K3和K4的连接处。
上述实施例中，当交流正常时，处理器根据实际输出电压控制切换开关K1、K2、K3、K4，如实际输出电压大于等于50V，则K2和K4吸合，通过功率电阻R1给大电解电容C1充电，同时向输出负载供电；如实际输出电压小于50V，则K1和K3吸合，通过功率电阻R1给大电解电容C1充电，同时向输出负载供电。交流模式工作时，如果电池也正常，则实际高低压输出电流可以达到额定输出电流的2倍，交流工作模式和电池工作模式都能提供输出电流，同时大电解电容C1可以在某一支路短路时提供瞬间冲击电流，满足断路器脱扣所需电流，确保电源模块可以给其他支路负载继续供电。当交流异常时，处理器根据实际输出电压控制切换开关K1、K2、K3、K4，如实际输出电压大于等于50V，则K2断开K4吸合，如实际输出电压小于50V，则K1断开K3吸合。电解电容C1起到滤波、短暂电压支撑及提供短路跳闸电流的作用。
参考图3所示，作为实施例，图3是一个示例的本申请并联型低压大电流输出的直流电源控制方法示意图。
上述实施例中，所述控制方法包括：
采集当前输出的电压、电流数据，输出电压和电流采样经A/D转换进入高低压输出切换控制器；
判断是否达到高压输出电流限值，若输出电流高于高电压输出时电流设定值，则降低输出电压；若输出电流不高于高电压输出时电流设定值，则维持当前电压输出。
作为实施例，控制方法还包括：
判断电压是否到达高低压电路切换点，若输出电压低于高低压电路切换设定值，则切换至低压大电流输出电路。
作为实施例，控制方法还包括：
判断是否达到低电压输出时电流限值，若输出电流高于低电压输出时电流设定值，则降低输出电压；若输出电流不高于低电压输出时电流设定值，则维持当前电压输出。
示例性的，控制方法可以包括如下步骤：
S1 ：开始，数据初始化。并联电源设备上电后对PFC控制、充电控制、交流模式DC/DC高低压输出控制、电池模式DC/DC高低压输出控制、交流电压采样、电池电压采样、输出电压采样、输出电流采样、电池温度等数据进行初始化，设备进行自检。
S2 ：采集当前输出电压、电流数据。输出电压和电流采样经A/D转换进入控制器。
S3 ：判断是否达到高压输出电流限值。若输出电流高于高电压输出时电流设定值，则执行步骤S4；若否，既输出电流不高于高电压输出时电流设定值，则执行步骤S6。以220V 4A额定输出并联电源为例，高电压输出电流限值可设置为6A。
S4 ：降低输出电压。在输出负荷不变的情况下，调节输出高电压控制回路，降低输出电压，以达到降低输出电流，保护的目的。以220V输出电压等级为例，一般高电压最小调节步进为10mV。
S5 ：判断电压是否到达高低压电路切换点。若输出电压低于高低压电路切换设定值，则执行步骤S7；若否，即输出电压不低于高低压电路切换设定值，则执行步骤S2。以220V4A额定输出为例，高低压电路切换设定值可设置为50V。
S6 ：维持当前高电压输出。当输出电流不高于高电压输出时的电流设定值，维持当前电压输出，接着执行步骤S2。
S7 ：切换到低压大电流输出电路。当输出电压低于高低压电路切换设定值时，通过高低压输出切换控制器切换到低压大电流输出电路，接着执行步骤S8。
S8 ：判断是否达到低电压输出时电流限值。若输出电流高于低电压输出时电流设定值，则执行步骤S9；若否，既输出电流不高于低电压输出时电流设定值，则执行步骤S10。以220V 4A额定输出为例，低电压输出电流限值可设置24A。
S9 ：降低输出电压。在输出负荷不变的情况下，调节输出低电压控制回路，降低输出电压，以达到降低输出电流的目的。以220V输出电压等级为例，一般低电压最小调节步进为2mV。
S10 ：维持当前低电压输出。当输出电流不高于低电压输出时的电流设定值，维持当前电压输出，接着执行步骤S2，进入下一个循环。
本申请提供的低成本可靠的宽电压范围大电流输出电路，通过软件采集输出电压电流数据控制高低压输出切换电路，在满足负载设备供电需求的同时，可极大的降低并联电源的故障率和成本，提高并联电源的可靠性。
通过实施本发明的技术方案，可在保证并联电源正常输出情况下，通过控制并联电源设备上高低压两种输出电路自动切换，极大提升低压输出电流，达到提高并联电源设备供电可靠性、降低设计难度、节约物料成本及缩小电源体积和提高功率密度的效果。
通过在并联电源设备上集成高低压两种输出电路，电路工作自动切换，在保持高压输出功能的同时，极大提升低压输出电流，达到提高并联电源设备供电可靠性的技术效果。
通过用高压小电流和低压大电流输出电路结合的方法替代高压宽范围大电流输出电路设计，从而达到大大降低设计难度和节约物料成本的技术效果，以及缩小电源体积和提供功率密度的技术效果。
另外需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本申请提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过专用硬件包括专用集成电路、专用CPU、专用存储器、专用元器件等来实现。一般情况下，凡由计算机程序完成的功能都可以很容易地用相应的硬件来实现，而且，用来实现同一功能的具体硬件结构也可以是多种多样的，例如模拟电路、数字电路或专用电路等。但是，对本申请而言更多情况下软件程序实现是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘、U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，训练设备，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的方法。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。
所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、训练设备或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、训练设备或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存储的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的训练设备、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘(Solid State Disk，SSD))等。
以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种并联型低压大电流输出的直流电源装置，所述装置包括交流输入EMC模块、AC/DC功率因数校正模块、交流工作模式DC/DC低压输出模块、交流工作模式DC/DC高压输出模块、智能充电模块、电池工作模式DC/DC低压输出模块、电池工作模式DC/DC高压输出模块、高低压输出切换控制器、信号采样处理及控制模块、蓄电池组及直流输出EMC模块；
交流电通过交流输入EMC模块输入 AC/DC功率因数校正模块，所述AC/DC功率因数校正模块输出连接交流工作模式DC/DC低压输出模块、交流工作模式DC/DC高压输出模块及智能充电模块，所述智能充电模块通过所述蓄电池组连接电池工作模式DC/DC高压输出模块及电池工作模式DC/DC低压输出模块；
所述交流工作模式DC/DC低压输出模块、交流工作模式DC/DC高压输出模块、电池工作模式DC/DC低压输出模块及电池工作模式DC/DC高压输出模块分别与所述高低压输出切换控制器连接，所述高低压输出切换控制器与所述直流输出EMC模块连接进行输出；
所述高低压输出切换控制器包括：切换开关K1、K2、K3、K4，二极管D1，功率电阻R1以及电解电容C1，所述切换开关K1连接所述交流工作模式DC/DC低压输出模块，所述切换开关K2连接所述交流工作模式DC/DC高压输出模块，所述切换开关K3连接所述电池工作模式DC/DC低压输出模块，所述切换开关K4连接电池工作模式DC/DC高压输出模块；
采集当前输出的电压、电流数据，输出电压和电流采样经A/D转换进入高低压输出切换控制器；
判断输出电流是否达到高压输出电流限值，若输出电流高于高电压输出时电流设定值，则降低输出电压；
当通过交流输入EMC模块进行交流输入时，若输出电压大于或等于设定值，开关K2和K4吸合，通过功率电阻R1向电解电容C1充电，同时向输出负载供电；
当通过交流输入EMC模块进行交流输入时，若输出电压小于设定值，则开关K1和K3吸合，通过功率电阻R1给电解电容C1充电，同时向输出负载供电。
2.根据权利要求1所述的并联型低压大电流输出的直流电源装置，当无交流输入时，所述蓄电池组经所述电池工作模式DC/DC低压输出模块、电池工作模式DC/DC高压输出模块升压后接入高低压输出切换控制器，并通过直流输出EMC模块输出给负载使用。
3.根据权利要求1-2任一项所述的并联型低压大电流输出的直流电源装置，所述切换开关K1、K2、K3、K4并联，并联后连接所述二极管D1负极，所述二极管D1正极与电解电容C1的一端连接，电解电容C1的另一端与输出端连接，所述功率电阻R1一端连接至二极管D1的正极，所述功率电阻R1的另一端连接至切换开关K3和K4的连接处。
4.一种并联型低压大电流输出的直流电源控制方法，所述控制方法应用于权利要求1-3任一权利要求所述的并联型低压大电流输出的直流电源装置，所述控制方法包括：
采集当前输出的电压、电流数据，输出电压和电流采样经A/D转换进入高低压输出切换控制器；
判断输出电流是否达到高压输出电流限值，若输出电流高于高电压输出时电流设定值，则降低输出电压；
若输出电流不高于高电压输出时电流设定值，则维持当前电压输出；
判断电压是否到达高低压电路切换设定值，若输出电压低于高低压电路切换设定值，则切换至低压大电流输出电路。
5.根据权利要求4所述的并联型低压大电流输出的直流电源控制方法，所述控制方法还包括：
判断是否达到低电压输出时电流设定值，若输出电流高于低电压输出时电流设定值，则降低输出电压；若输出电流不高于低电压输出时电流设定值，则维持当前电压输出。
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