模块化多机并联大功率双向智能电源控制系统和控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及涉及电动汽车实验台架用双向电源技术领域，具体涉及一种模块化多机并联大功率双向智能电源控制系统和控制方法。
【背景技术】
[0002]随着全球石化能源的日益紧张，以电动汽车(Electrical Vehicle)、混合动力汽车(Hybird Electrical Vehicle)为代表的新能源汽车技术蓬勃发展。各类电动汽车、混合动力汽车的数量不仅迅速增长，电动机的试验台架的发展就成了重中之重了。作为实验台架能源供给源的双向智能电源的运行可靠性就成了为实验能否顺利完成的重要因素。
[0003]电动机的试验台架在做实验时一般会做耐久性实验，就是让电动汽车的电机长时间的满功率运行，运行时间一般是48小时至72小时之间。这期间如果电源出现问题，实验就前功尽弃。现有技术中，双向智能电源的输出功率受IGBT技术的限制，因此在大功率电机实验时双向智能电源的多机并联就成了唯一的选择。为增加双向智能电源运行的可靠性，用户往往选择以下两种方式使用来提高系统运行时的容错性:
一、1+1直接并机冗余备份:由两台相同功率的双向智能电源输出端并联起来共同负担向负载供电，从而形成直接并机式的冗余供电系统，该方式大大提高了双向智能电源供电系统的容错性和可靠性。其缺点是:用户在采购初期需要购置两台相同容量的双向智能电源实现1+1直接并机冗余备份，而在使用过程中两台相同容量的双向智能电源又长期处于轻载的使用状态，这样不仅增加了用户的采购成本，又浪费了使用资源。
[0004]二、采用模块化双向智能电源功率模块并联冗余可以实现“1+1”、“Ν+Γ’、“Ν+Χ”并联冗余方式，其中一台或多台功率模块出现故障退出运行，不影响整个双向智能电源运行。该方法虽然实现了功率模块的并联冗余，但系统中的其他部件无法做到冗余，当系统中的其他部件出现故障有可能出现整个系统宕机使用户负载供电中断并且无法对整个系统进行全面的停电维修操作。
【发明内容】
[0005]本发明设计了一种模块化多机并联大功率双向智能电源控制系统和控制方法，其解决的技术问题是(I)传统由两台相同功率的双向智能电源输出端并联起来共同负担向负载供电，在使用过程中两台相同容量的双向智能电源又长期处于轻载的使用状态，增加了用户的采购成本，又浪费了使用资源。(2)传统采用模块化双向智能电源功率模块实现并联冗余，但系统中的其他部件无法做到冗余，当系统中的其他部件出现故障有可能出现整个系统宕机使用户负载供电中断并且无法对整个系统进行全面的停电维修操作。
[0006]为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案:
一种模块化多机并联大功率双向智能电源控制系统，包括上层控制器和多机功率模块单元，所述功率模块包括下层控制器、AC/DC变流器和DC/DC变换器；利用上下层数据协调方法实现上层控制器和下层控制器之间的数据交换，所述上下层数据协调方法包括输入、输出功率数据的接收和载入；
所述上层控制器根据人机交互模块发送的工作模式信息和负载侧功率信号形成输入、输出功率指令，并下发至各功率模块的下层控制器，对各个功率模块进行协调与投切控制，具体包括根据负载需求对需要投入的功率模块的数量进行运算和监测、对功率模块进行编号和应用时钟同步技术对模块间环流电流大小进行抑制；
所述下层控制器接收来自上层控制器的功率指令以及接收上层控制器发出的同步信号，生成PWM脉冲，并向上层控制器反馈所属功率模块的状态信息，所述功率模块的状态信息包括输入、输出电流有效值、直流母线电压值、输出侧直流电压电流值和故障状态信息。
[0007]进一步，所述上层控制器包括实时数据下发模块、协调控制模块、投切控制模块、上下层数据协调模块和人机交互模块，其中:
所述实时数据下发模块，用于向下层控制器发送指令、同步各功率模块的时钟；
所述协调控制模块，用于根据负载需求对需要投入的功率模块的数量进行运算、监测以及编号，并向每组功率模块发送同步触发信号；
所述投切控制模块，用于对所述控制系统进行投切控制；
所述上下层数据协调模块，用于协调上层控制器和下层控制器间的数据交换；
所述人机交互模块，用于人为向所述控制系统发出指令或显示该控制系统状态；进一步，所述下层控制器包括直流母线电压闭环控制模块、电流闭环控制模块、直流输出电压闭环控制模块、SVPWM调制模块、过压过流保护模块、故障保护模块和状态回馈模块，其中:
所述直流母线电压闭环控制模块，用于闭环控制直流母线电压值；
所述电流闭环控制模块，用于比较功率指令电流和桥臂电流以生成占空比；
所述直流输出电压闭环控制模块，用于按上层发送的输出直流电压指令值输出相应的直流电压；
所述SVPWM调制模块，根据所述占空比发出脉冲信号，使PWM整流器生成功率电流；所述过流过压保护模块，用于监测功率模块的直流母线电压、桥臂电流峰值和功率电流有效值不超过阈值；
所述故障保护模块，用于监测功率模块中功率半导体驱动的故障信号；
所述状态回馈模块，用于将功率模块的状态信息反馈给上层控制器，所述功率模块的状态信息包括功率电流有效值、直流母线电压值和故障状态信息。
[0008]下层控制器分别进行以下四种电流值的采集:直流电流采集、交流电流采集、网侧电压采集和负载电流采集。其中，直流电流采集是用来测定个功率模块自己输出的直流电流值；交流电流采集是采集各个功率模块自己的交流电流输入值；网侧电压采集是用来采集电网交流电压值；负载电流采集是用来采集负载的总电流值。
[0009]进一步，下层控制器和上层控制器之间通过光纤连接。
[0010]进一步，每个功率模块用两根光纤与上层控制器相连，任一台功率模块与前后编号的功率模块各用一根光纤互联，起到同步的作用，大大减小了上层控制器的负担。
[0011]一种模块化多机并联大功率双向智能电源的控制方法，包括以下步骤:
步骤1、根据负载需求对需要投入的功率模块的数量进行运算与监测:设负载电流为ILh，每台功率模块的额定补偿电流为IS，选取需要投入的功率模块的数量为k，使得1.5ILh ( kis ( 2ILh ；
当负载需求发生变化或下层控制器故障切机时，上层控制器实时更新IS值，并重新计算上式得出对应的K值；
步骤2、对功率模块进行编号:对需要投入运行的功率模块进行编号，不需要投入运行的功率模块编号统一为O ;向各功率模块下发编号和投入命令，收到投入命令的、编号不为O的功率模块启动运行状态；
步骤3、投切控制，包括投运策略和/或切机策略。
[0012]进一步，所述投运策略包含以下步骤:
步骤31、某个功率模块需要投入运行时，都必须向上层控制器发出请求，只有得到许可，该功率模块才能投入运行，此时上层控制器需要对各台功率模块重新编号和更新均流系数；
步骤32、功率模块收到许可信号之后，需要首先闭合功率模块中的交流接触器，整流升压至额定值，然后向上层控制器发出就绪信号，上层控制器按接收到的就绪信号后，再发送功率模块中的直流接触器吸合指令，使功率模块输出设定的直流电压和电流；
步骤33、当所有指定的功率