一种高压直流电源装置的协同控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电力电子系统控制的技术领域，具体涉及一种高压直流电源装置的协同控制系统及方法。

背景技术

随着工业生产的发展和各个行业技术的进步及国防事业的发展，高压直流电源得到了广泛的关注与应用，具有广阔的市场需求。高压直流电源可广泛应用于工业生产特种供电、直流电解、跨海通信、远距离电能传输、海底观测网络供电等领域。

采用基于二极管整流的中高压直流电源输出电压不可控，电压波动大，受电网电压波动影响，难以满足工业和生活应用的需求；基于晶闸管整流的中高压直流电源，结构简单，可以调节输出电压，但其调节速度慢，动态调节时间长，且输出电压波动大；采用一种高压直流电源装置，能够实现从市电到高压直流电压的转换，可以得到精确的直流电压，并具有很好的动态性能，但在实际应用中会出现高压直流电压的输出范围窄、电压输出不稳定、限流模式下功率分配不均，出现故障情况停机等，针对上述问题，现有技术中缺乏一种高压直流电源装置的协同控制系统，提高高压直流电源装置的可靠性。现有专利文献CN110752743 A公开了一种用于海底观测网的高压直流电源模块系统，通过采用的输入滤波器，使得高压电源工作在稳定状态，通过采用高耐压参数IGBT，在单模块出现故障时，直接切断，不影响整体系统的运行，均通过选用特殊的元器件来增强电源系统的稳定性，并不是通过协同控制方法来稳定电源模块系统的稳定性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的旨在提供一种高压直流电源装置的协同控制系统及方法，使得高压直流电源装置拓宽高压直流电压的输出范围、实现限流模式下功率分配均衡、故障情况下无停机旁路功能，最大限度保证装置宽输出范围和高可靠运行。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高压直流电源装置的协同控制系统，包括：

装置启动控制模块、输出电压控制模块、功率均衡控制模块、故障旁路控制模块，

所述装置启动控制模块用于当高压直流电源装置启动时，确定高压直流电源装置中需要使能的功率单元数量M

输出电压控制模块用于当需要重新调整高压直流电源装置的输出电压时，根据已使能的功率单元的数量和高压直流电源装置的输出电压新值，重新确定需要使能的功率单元及其输出电压；

所述功率均衡控制模块用于实现各功率单元的输出电压和功率均衡；

所述故障旁路控制模块用于保证功率单元故障后高压直流电源装置不停机继续运行。

进一步地，所述高压直流电源装置分别与装置启动控制模块、输出电压控制模块、功率均衡控制模块和故障旁路控制模块连接。

进一步地，所述装置启动控制模块包括：

第一设定单元：用于当高压直流电源装置启动时，设定功率单元的最小输出电压U

计算单元：用于计算M

第一输出单元：控制需要使能的功率单元按照电压均值u

进一步地，所述输出电压控制模块包括：

第二设定单元：用于设定U

第一判断单元，用于根据U

第二输出单元，将已使能的功率单元按照调整后的电压均值u

第二判断单元，用于判断M

第三输出单元：停止使能需要减少的功率单元，其它已使能的功率单元按照u

第三判断单元：判断调整后的电压均值u

第四输出单元：用于将新使能的功率单元和已使能的功率单元按照u

第五输出单元：用于将新使能的功率单元按照（U

进一步地，所述功率均衡控制模块包括：

第一检测单元：用于检测功率单元输出电压和输出电流；

第四判断单元：用于判断该功率单元是否进入限流模式；

第五判断单元：用于判断限流模式是否超过设定时间；

第六判断单元：用于判断限流模式是否超过设定的次数；

第六输出单元：使各功率单元按照限流模式下电压均值输出电压。

进一步地，所述故障旁路控制模块包括：

第二检测单元：用于检测功率单元是否故障；

封锁单元：用于当功率单元故障时，封锁该故障的功率单元，限制该故障的功率单元输出；

第七判断单元：判断封锁后的功率单元输出电压是否低于设定电压，如果低于设定电压，则转入旁路单元；否则继续等待；

旁路单元：闭合故障的功率单元的旁路开关，使得该功率单元输出短路。

一种所述协同控制系统的装置启动控制模块的装置启动控制方法,包括以下步骤：

S01、设定U

U

S02、判断U

S03、计算高压直流电源装置中需要使能的功率单元数量M

S04、判断M

S05、使能M

一种所述协同控制系统的输出电压控制模块的输出电压控制方法，包括以下步骤：

S11、重新设定U

S12、根据U

S13、判断M

S14、判断调整后的电压均值u

S15、将新使能的功率单元按照将新使能的功率单元按照（U

一种所述协同控制系统的功率均衡控制模块的功率均衡控制方法，包括以下步骤：

S21、检测功率单元输出电压和输出电流，判断功率单元是否进入限流模式，如果是，则使功率单元进入限流次数加1，启动计时器，进入步骤S22；如果否，则执行步骤S21；

S22、判断功率单元进入限流模式时间是否达到设定时间t，如果是，则执行步骤S23；如果否，则检测功率单元输出电压和输出电流，并执行步骤S24；

S23、判断功率单元进入限流模式次数是否达到设定次数n，如果是，使各功率单元按照限流模式下电压均值u

S24、判断功率单元是否进入限流模式，如果是，则使功率单元进入限流次数加1，并执行步骤S22；如果否，则直接执行步骤S22；

S25、复位计算器，设置功率单元进入限流状态次数为0，并重新执行步骤S21。

一种所述协同控制系统的故障旁路控制模块的故障旁路控制方法，包括以下步骤：

S31、检测功率单元故障状态；

S32、封锁故障功率单元，限制故障功率单元输出电压；

S33、判断故障功率单元输出电压是否低于设定值，如果是，则执行步骤S34，如果否，则重新执行本步骤；

S34、闭合故障功率单元旁路开关。

本发明的有益效果在于：

提供一种高压直流电源装置的协同控制系统及方法，使得高压直流电源装置能拓宽高压直流电压的输出范围、实现限流模式下功率分配均衡，故障情况下无扰动旁路功能，最大限度保证装置宽输出范围和高可靠运行。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明提供的一种高压直流电源装置的协同控制系统的结构示意图；

图1-1本发明提供的一种高压直流电源装置的协同控制系统中装置启动控制模块的结构示意图；

图1-2本发明提供的一种高压直流电源装置的协同控制系统中输出电压控制模块的结构示意图；

图1-3本发明提供的一种高压直流电源装置的协同控制系统中功率均衡控制模块的结构示意图；

图1-4本发明提供的一种高压直流电源装置的协同控制系统中故障旁路控制模块的结构示意图；

图2是本发明提供的一种高压直流电源装置的协同控制系统中高压直流电源装置结构示意图；

图3是本发明提供的一种高压直流电源装置的协同控制系统中高压直流电源装置的功率单元结构示意图；

图4是本发明提供的一种高压直流电源装置的协同控制方法中装置启动控制方法的流程示意图；

图5是本发明提供的一种高压直流电源装置的协同控制方法中输出电压控制方法的流程示意图；

图6是本发明提供的一种高压直流电源装置的协同控制方法中功率均衡控制方法的流程示意图；

图7是本发明提供的一种高压直流电源装置的协同控制方法中故障旁路控制方法的流程示意图。

附图标记：1、装置启动控制模块；2、输出电压控制模块；3、功率均衡控制模块；4、故障旁路控制模块；5、高压直流电源装置；101、第一设定单元；102、计算单元；103、第一输出单元；201、第二设定单元；202、第一判断单元；203、第二输出单元；204、第二判断单元；205、第三输出单元；206、第三判断单元；207、第四输出单元；208、第五输出单元；301、第一检测单元；302、第四判断单元；303、第五判断单元；304、第六判断单元；305、第六输出单元；401、第二检测单元；402、封锁单元；403、第七判断单元；404、旁路单元。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、"第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括“和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程，方法，系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图2所示，图2是本实施例提供的高压直流电源装置结构示意图。高压直流电源装置包括：多绕组移相变压器和多个功率单元。功率单元为直流调压电路，可以是非隔离型的直流变换电路，如Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路等，也可以是隔离型的直流变换电路如双管正激直流变换电路、移相全桥直流变换电路、隔离型谐振式直流变换电路等。在实际应用中，使用高压直流电源结构时，会出现以下问题：输出电压范围窄；由于功率单元参数不一致性，会导致装置处于限流时功率单元电压发散和功率不均衡现象；当功率单元故障后，会导致整个装置停机。

在本实施例中提供了一种高压直流电源装置的协同控制系统，如图1所示，该系统包括：装置启动控制模块1、输出电压控制模块2、功率均衡控制模块3、故障旁路控制模块4，高压直流电源装置5分别与装置启动控制模块1、输出电压控制模块2、功率均衡控制模块3和故障旁路控制模块4连接。

使能某个功率单元是指启用某个功率单元，如图2所示，高压直流电源装置5包括多个功率单元，多个功率单元串联设置在高压直流电源装置5的输入端，高压直流电源装置5通过功率单元输出电压。在高压直流电源装置5运行过程中，功率单元包括已使能的功率单元和未使能的功率单元，未使能的功率单元通常作为备用功率单元，所有已使能的功率单元的输出电压的总和等于高压直流电源装置5的输出电压。

如图3所示，图3中功率单元为已使能的功率单元，该功率单元的旁路开关为断开状态，功率单元投入使用，输出电压；未使能的功率单元，其旁路开关为闭合状态，功率单元被短路，没有电压输出。

在本实施例中，装置启动控制模块1用于当高压直流电源装置5启动时，确定高压直流电源装置5中需要使能的功率单元数量M

装置启动控制模块1包括：

第一设定单元101：用于当高压直流电源装置5启动时，设定功率单元的最小输出电压U

计算单元102：用于计算M

第一输出单元103：控制需要使能的功率单元按照电压均值u

如图4所示，装置启动控制方法的流程如下：

S01、设定的最小输出电压U

S02、判断高压直流电源装置5的输出电压U

S03、计算高压直流电源装置5中需要使能的功率单元数量M

S04、判断M

S05、使能M

该装置启动控制模块1的技术效果为，实现高压直流电源装置5的输出电压范围可达到U

在高压直流电源装置5运行过程中，由于高压直流电源装置5的不稳定等因素，需要调整高压直流电源装置5的输出电压。输出电压控制模块2是在用于当需要重新调整高压直流电源装置5的输出电压时，根据已使能功率单元的数量M

输出电压控制模块2包括：

本实施例中，为方便表述，设定调整前高压直流电源装置5的输出电压为U

第二设定单元201：用于设定高压直流电源装置5的输出电压新值U

第一判断单元202，用于根据高压直流电源装置5输出电压的新值U

第二输出单元203，将已使能的功率单元按照调整后的电压均值u

第二判断单元204，用于判断重新计算需要使能的功率单元的数量M

第三输出单元205：停止使能需要减少的功率单元，其它已使能的功率单元按照高压直流电源装置5的输出电压新值U

第三判断单元206：用于按照所增加的使能功率单元的数量计算，判断调整后的电压均值为u

第四输出单元207：用于将新使能的功率单元和已使能的功率单元按照调整后的电压均值u

第五输出单元208：用于按照新使能的功率单元数量，新使能功率单元按照新设定高压直流电源装置5输出电压与当下高压直流电源装置5装置输出电压差的均值输出，直到高压直流电源装置输出电压达到新设定的电压，然后，新使能的功率单元和已使能的功率单元按照高压直流电源装置5输出电压的平均值调整，保持输出电压不突变。

即用于将新使能的功率单元按照高压直流电源装置5的输出电压新值U

如图5所示，输出电压控制方法流程如下：

S11、重新设定高压直流电源装置5的输出电压新值U

S12、判断功率单元使能数量是否有变化，先按照装置启动控制方法得出调整后的功率单元需要使能的数量M

S121、设定的最小输出电压U

S122、判断高压直流电源装置5的输出电压U

S123、计算高压直流电源装置5中需要使能的功率单元数量M

S124、判断M

S125、判断M

S13、判断功率单元使能数量是否增加，即判断M

S14、判断使能功率单元设定输出电压是否低于当前输出电压，即判断调整后的电压均值为u

S15、按照调整后的功率单元需要使能的数量M

该输出电压控制模块的技术效益为：在装置重新设定新输出电压时，可以获得比较平滑的电压输出。

在本实施例中，当负载电压超过高压直流电源装置的电压容量时，高压直流电源装置5处于限流情况下，由于功率单元的电路参数存在不一致性，电流采样也会存在误差，会导致各功率单元并没有同步进入限流状态，已进入限流状态的功率单元的电压降低，而没进入限流状态的功率单元的电压保持在原来较高的电压状态，导致各功率单元的电压、功率不均衡。

功率均衡控制模块用于在高压直流电源装置处于限流情况下，由于功率单元参数不一致性，会导致功率单元电压发散和功率不均衡现象，采用功率平衡控制策略，使得各功率单元输出电压和功率均衡。

本实施例中，为方便表达，设定高压直流电源装置在限流模式下的输出电压U

功率均衡控制模块3包括：

第一检测单元301：用于检测功率单元输出电压和输出电流；

第四判断单元302，用于判断该功率单元是否进入限流模式；

第五判断单元303：用于判断限流模式是否超过设定时间；

第六判断单元304：用于判断限流模式是否超过设定的次数；

第六输出单元305：按照输出电压的均值，调整各功率单元的输出电压按设定值输出，即使各功率单元按照限流模式下电压均值u

功率均衡控制模块的原理是：通过检测每个功率单元的输出电压和输出电流，判断功率单元是否进入限流模式，若有功率单元输出电压和输出电流低于一定值时，则可以初步判定该功率单元进入限流模式，为避免出现误判，进一步判断该功率模块进入限流模式是否超过设定时间和设定次数，如果均超过，则可以判断该功率单元进入限流模式。最后，使所有功率单元都进入限流模式，维持各功率单元输出单元的一致性，具体方法为：获得高压直流电源装置限流模式下的输出电压U

如图6所示，功率均衡控制方法的具体流程如下：

S21、检测功率单元输出电压和输出电流，判断功率单元是否进入限流模式，如果是，则使功率单元进入限流次数加1，启动计时器，进入步骤S22；如果否，则执行步骤S21；

S22、判断功率单元进入限流模式时间是否达到设定时间t，如果是，则执行步骤S23；如果否，则检测功率单元输出电压和输出电流，并执行步骤S24；

S23、判断功率单元进入限流模式次数是否达到设定次数n，如果是，则使各功率单元按照输出电压平均值输出，即使各功率单元按照限流模式下电压均值u

S24、判断功率单元是否进入限流模式，如果是，则使功率单元进入限流次数加1，并执行步骤S22；如果否，则直接执行步骤S22；

S25、复位计算器，设置功率单元进入限流状态次数为0，并重新执行步骤S21。

该模块有益效果：在高压直流电源装置处于限流情况下，由于功率单元参数不一致性，会导致功率单元电压发散和功率不均衡现象，采用功率平衡控制策略，使得各功率单元输出电压和功率均衡。

在高压直流电源装置5运行过程中，当功率单元故障后，可能会导致整个高压直流电源装置5停机，故障旁路控制模块4则用于保证功率单元故障后高压直流电源装置5不停机继续运行。

本实施例中，旁路开关为旁路继电器。故障旁路控制模块用于当功率单元故障停机后，利用功率单元内部二极管自然续流，同时闭合旁路继电器，该模块有效保证功率单元故障后，装置不停机，继续保持输出。

故障旁路控制模块4包括：

第二检测单元401：用于检测功率单元是否故障；

封锁单元402：用于当功率单元故障时，封锁该故障单元，限制该功率单元输出；

第七判断单元403：判断封锁后的功率单元输出电压是否低于设定电压，如果低于设定电压，则转入旁路单元；否则继续等待；

旁路单元404：闭合故障单元的旁路继电器，使得该故障功率单元输出短路。

如图7所示，故障旁路控制方法的流程具体如下：

S31、检测功率单元故障状态；

S32、封锁故障功率单元，限制该功率单元输出电压；

S33、判断该故障功率单元输出电压是否低于设定值，如果是，则执行步骤S34，如果否，则重新执行本步骤；

S34、闭合故障功率单元旁路继电器。

当检测出该功率单元处于故障状态时，功率故障单元仍处于高电压状态，如果此时直接闭合旁路继电器，会有较大的电流经过旁路继电器，导致旁路继电器短路，损坏旁路单元的元器件，通过封锁故障功率单元，降低功率单元输出电压到设定值后，再闭合故障功率单元，能够有效避免旁路继电器短路，导致高压直流电源装置5停机。

该故障旁路控制模块的有益效果为：当功率单元故障停机后，利用功率单元内部二极管自然续流，同时闭合旁路开关，该模块有效保证功率单元故障后装置不停机运行。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。