模塊化多機(jī)并聯(lián)大功率雙向智能電源控制系統(tǒng)和控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及涉及電動(dòng)汽車實(shí)驗(yàn)臺(tái)架用雙向電源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種模塊化多機(jī)并聯(lián)大功率雙向智能電源控制系統(tǒng)和控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球石化能源的日益緊張，以電動(dòng)汽車(Electrical Vehicle)、混合動(dòng)力汽車(Hybird Electrical Vehicle)為代表的新能源汽車技術(shù)蓬勃發(fā)展。各類電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車的數(shù)量不僅迅速增長(zhǎng)，電動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)架的發(fā)展就成了重中之重了。作為實(shí)驗(yàn)臺(tái)架能源供給源的雙向智能電源的運(yùn)行可靠性就成了為實(shí)驗(yàn)?zāi)芊耥樌瓿傻闹匾蛩亍?br>[0003]電動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)架在做實(shí)驗(yàn)時(shí)一般會(huì)做耐久性實(shí)驗(yàn)，就是讓電動(dòng)汽車的電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的滿功率運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間一般是48小時(shí)至72小時(shí)之間。這期間如果電源出現(xiàn)問題，實(shí)驗(yàn)就前功盡棄?，F(xiàn)有技術(shù)中，雙向智能電源的輸出功率受IGBT技術(shù)的限制，因此在大功率電機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)雙向智能電源的多機(jī)并聯(lián)就成了唯一的選擇。為增加雙向智能電源運(yùn)行的可靠性，用戶往往選擇以下兩種方式使用來提高系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的容錯(cuò)性:
一、1+1直接并機(jī)冗余備份:由兩臺(tái)相同功率的雙向智能電源輸出端并聯(lián)起來共同負(fù)擔(dān)向負(fù)載供電，從而形成直接并機(jī)式的冗余供電系統(tǒng)，該方式大大提高了雙向智能電源供電系統(tǒng)的容錯(cuò)性和可靠性。其缺點(diǎn)是:用戶在采購(gòu)初期需要購(gòu)置兩臺(tái)相同容量的雙向智能電源實(shí)現(xiàn)1+1直接并機(jī)冗余備份，而在使用過程中兩臺(tái)相同容量的雙向智能電源又長(zhǎng)期處于輕載的使用狀態(tài)，這樣不僅增加了用戶的采購(gòu)成本，又浪費(fèi)了使用資源。
[0004]二、采用模塊化雙向智能電源功率模塊并聯(lián)冗余可以實(shí)現(xiàn)“1+1”、“Ν+?！ⅰ唉?Χ”并聯(lián)冗余方式，其中一臺(tái)或多臺(tái)功率模塊出現(xiàn)故障退出運(yùn)行，不影響整個(gè)雙向智能電源運(yùn)行。該方法雖然實(shí)現(xiàn)了功率模塊的并聯(lián)冗余，但系統(tǒng)中的其他部件無法做到冗余，當(dāng)系統(tǒng)中的其他部件出現(xiàn)故障有可能出現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)宕機(jī)使用戶負(fù)載供電中斷并且無法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面的停電維修操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種模塊化多機(jī)并聯(lián)大功率雙向智能電源控制系統(tǒng)和控制方法，其解決的技術(shù)問題是(I)傳統(tǒng)由兩臺(tái)相同功率的雙向智能電源輸出端并聯(lián)起來共同負(fù)擔(dān)向負(fù)載供電，在使用過程中兩臺(tái)相同容量的雙向智能電源又長(zhǎng)期處于輕載的使用狀態(tài)，增加了用戶的采購(gòu)成本，又浪費(fèi)了使用資源。(2)傳統(tǒng)采用模塊化雙向智能電源功率模塊實(shí)現(xiàn)并聯(lián)冗余，但系統(tǒng)中的其他部件無法做到冗余，當(dāng)系統(tǒng)中的其他部件出現(xiàn)故障有可能出現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)宕機(jī)使用戶負(fù)載供電中斷并且無法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面的停電維修操作。
[0006]為了解決上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明采用了以下方案:
一種模塊化多機(jī)并聯(lián)大功率雙向智能電源控制系統(tǒng)，包括上層控制器和多機(jī)功率模塊單元，所述功率模塊包括下層控制器、AC/DC變流器和DC/DC變換器；利用上下層數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)方法實(shí)現(xiàn)上層控制器和下層控制器之間的數(shù)據(jù)交換，所述上下層數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)方法包括輸入、輸出功率數(shù)據(jù)的接收和載入；
所述上層控制器根據(jù)人機(jī)交互模塊發(fā)送的工作模式信息和負(fù)載側(cè)功率信號(hào)形成輸入、輸出功率指令，并下發(fā)至各功率模塊的下層控制器，對(duì)各個(gè)功率模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)與投切控制，具體包括根據(jù)負(fù)載需求對(duì)需要投入的功率模塊的數(shù)量進(jìn)行運(yùn)算和監(jiān)測(cè)、對(duì)功率模塊進(jìn)行編號(hào)和應(yīng)用時(shí)鐘同步技術(shù)對(duì)模塊間環(huán)流電流大小進(jìn)行抑制；
所述下層控制器接收來自上層控制器的功率指令以及接收上層控制器發(fā)出的同步信號(hào)，生成PWM脈沖，并向上層控制器反饋所屬功率模塊的狀態(tài)信息，所述功率模塊的狀態(tài)信息包括輸入、輸出電流有效值、直流母線電壓值、輸出側(cè)直流電壓電流值和故障狀態(tài)信息。
[0007]進(jìn)一步，所述上層控制器包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)下發(fā)模塊、協(xié)調(diào)控制模塊、投切控制模塊、上下層數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)模塊和人機(jī)交互模塊，其中:
所述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)下發(fā)模塊，用于向下層控制器發(fā)送指令、同步各功率模塊的時(shí)鐘；
所述協(xié)調(diào)控制模塊，用于根據(jù)負(fù)載需求對(duì)需要投入的功率模塊的數(shù)量進(jìn)行運(yùn)算、監(jiān)測(cè)以及編號(hào)，并向每組功率模塊發(fā)送同步觸發(fā)信號(hào)；
所述投切控制模塊，用于對(duì)所述控制系統(tǒng)進(jìn)行投切控制；
所述上下層數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)模塊，用于協(xié)調(diào)上層控制器和下層控制器間的數(shù)據(jù)交換；
所述人機(jī)交互模塊，用于人為向所述控制系統(tǒng)發(fā)出指令或顯示該控制系統(tǒng)狀態(tài)；進(jìn)一步，所述下層控制器包括直流母線電壓閉環(huán)控制模塊、電流閉環(huán)控制模塊、直流輸出電壓閉環(huán)控制模塊、SVPWM調(diào)制模塊、過壓過流保護(hù)模塊、故障保護(hù)模塊和狀態(tài)回饋模塊，其中:
所述直流母線電壓閉環(huán)控制模塊，用于閉環(huán)控制直流母線電壓值；
所述電流閉環(huán)控制模塊，用于比較功率指令電流和橋臂電流以生成占空比；
所述直流輸出電壓閉環(huán)控制模塊，用于按上層發(fā)送的輸出直流電壓指令值輸出相應(yīng)的直流電壓；
所述SVPWM調(diào)制模塊，根據(jù)所述占空比發(fā)出脈沖信號(hào)，使PWM整流器生成功率電流；所述過流過壓保護(hù)模塊，用于監(jiān)測(cè)功率模塊的直流母線電壓、橋臂電流峰值和功率電流有效值不超過閾值；
所述故障保護(hù)模塊，用于監(jiān)測(cè)功率模塊中功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)的故障信號(hào)；
所述狀態(tài)回饋模塊，用于將功率模塊的狀態(tài)信息反饋給上層控制器，所述功率模塊的狀態(tài)信息包括功率電流有效值、直流母線電壓值和故障狀態(tài)信息。
[0008]下層控制器分別進(jìn)行以下四種電流值的采集:直流電流采集、交流電流采集、網(wǎng)側(cè)電壓采集和負(fù)載電流采集。其中，直流電流采集是用來測(cè)定個(gè)功率模塊自己輸出的直流電流值；交流電流采集是采集各個(gè)功率模塊自己的交流電流輸入值；網(wǎng)側(cè)電壓采集是用來采集電網(wǎng)交流電壓值；負(fù)載電流采集是用來采集負(fù)載的總電流值。
[0009]進(jìn)一步，下層控制器和上層控制器之間通過光纖連接。
[0010]進(jìn)一步，每個(gè)功率模塊用兩根光纖與上層控制器相連，任一臺(tái)功率模塊與前后編號(hào)的功率模塊各用一根光纖互聯(lián)，起到同步的作用，大大減小了上層控制器的負(fù)擔(dān)。
[0011]一種模塊化多機(jī)并聯(lián)大功率雙向智能電源的控制方法，包括以下步驟:
步驟1、根據(jù)負(fù)載需求對(duì)需要投入的功率模塊的數(shù)量進(jìn)行運(yùn)算與監(jiān)測(cè):設(shè)負(fù)載電流為ILh，每臺(tái)功率模塊的額定補(bǔ)償電流為IS，選取需要投入的功率模塊的數(shù)量為k，使得1.5ILh ( kis ( 2ILh ；
當(dāng)負(fù)載需求發(fā)生變化或下層控制器故障切機(jī)時(shí)，上層控制器實(shí)時(shí)更新IS值，并重新計(jì)算上式得出對(duì)應(yīng)的K值；
步驟2、對(duì)功率模塊進(jìn)行編號(hào):對(duì)需要投入運(yùn)行的功率模塊進(jìn)行編號(hào)，不需要投入運(yùn)行的功率模塊編號(hào)統(tǒng)一為O ;向各功率模塊下發(fā)編號(hào)和投入命令，收到投入命令的、編號(hào)不為O的功率模塊啟動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)；
步驟3、投切控制，包括投運(yùn)策略和/或切機(jī)策略。
[0012]進(jìn)一步，所述投運(yùn)策略包含以下步驟:
步驟31、某個(gè)功率模塊需要投入運(yùn)行時(shí)，都必須向上層控制器發(fā)出請(qǐng)求，只有得到許可，該功率模塊才能投入運(yùn)行，此時(shí)上層控制器需要對(duì)各臺(tái)功率模塊重新編號(hào)和更新均流系數(shù)；
步驟32、功率模塊收到許可信號(hào)之后，需要首先閉合功率模塊中的交流接觸器，整流升壓至額定值，然后向上層控制器發(fā)出就緒信號(hào)，上層控制器按接收到的就緒信號(hào)后，再發(fā)送功率模塊中的直流接觸器吸合指令，使功率模塊輸出設(shè)定的直流電壓和電流；
步驟33、當(dāng)所有指定的功率