一种能量流综合测控系统及控制方法与流程

本发明涉及一种能量流综合测控系统及控制方法，属于电机和电力电子技术领域。

背景技术：

电动汽车电机驱动系统、新能源发电系统、微电网系统、混合储能系统、高压电机驱动系统、智能可编程电源等领域的关键技术问题在于能量的传递与控制，而dc-dc变换器则是完成能量转换和传递的核心。

电动汽车电机驱动系统，通常采用动力电池供电或超级电容，或者二者混合组合的储能系统供电，考虑电源电压和电机功率变换器母线电压的大小不同，dc-dc变换器的引入是必须的，多种储能源的接入也需要对dc-dc变换器进行特殊的拓扑组合和综合控制来实现。动力电池具有充放电功能，能量可以双向，因此双向变换器及其控制是实现动力电池充放电控制和测试的关键。

微电网系统与电动汽车类似，多储能源的混合接入、转换和并离网控制都需要对多个dc-dc变换器进行协调分配和控制。

高压电机驱动需要将电池或交流整流滤波后的直流电压进行升压处理，而dc-dc升降压变换器的设计和测试也是实现高压电机驱动控制的关键。

dc-dc拓扑的衍生和研发，也需要响应的外围测试装置，如多功能电子负载、可编程直流电源等则是常用的测试装置。

因此，满足上述应用领域中电机驱动测试、电池充放电测试、多储能源混合输入测试，以及dc-dc变换器拓扑衍生研究、模拟多功能电子负载的实现等诸多技术测试需求，是通过对dc-dc变换器的拓扑结构和控制来实现综合调控的关键。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够同时满足电机驱动测试、电池充放电测试、多储能混合输入测试，以及dc-dc变换器拓扑衍生研究、模拟多功能电子负载实现等诸多技术测试需求的能量流综合测控系统。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种能量流综合测控系统，包括n个电源、n个双向dc-dc变换器模块和n个负载，n≥2；

其中，n个电源、n个双向dc-dc变换器模块、n个负载三者顺序一一对应，各个电源e1i、e2i、…、eni的正极顺序分别经空气开关k11、k22、…、knn、与对应双向dc-dc变换器模块的正极输入端相连接；各个电源e1i、e2i、…、eni的负极彼此相连接，并分别对接各对应双向dc-dc变换器模块的负极输入端；

同时，第一电源e1i的正极分别经空气开关k12、…、k1n、顺序分别对接第二双向dc-dc变换器模块的正极输入端至第n双向dc-dc变换器模块的正极输入端；

各双向dc-dc变换器模块的正极输出端顺序分别经空气开关k01、…、k0n、与对应负载的正极输入端相连接；各双向dc-dc变换器模块的负极输出端分别连接对应负载的负极输入端；

同时，第二双向dc-dc变换器模块的正极输出端至第n双向dc-dc变换器模块的正极输出端顺序分别经空气开关k012、…、k01n、连接第一负载的正极输入端。

作为本发明的一种优选技术方案：所述各个电源分别均包括相互串联的电池与储能源。

作为本发明的一种优选技术方案：所述各双向dc-dc变换器模块分别均包括输入端电解电容、电感、第一开关管、第一二极管、第二开关管、第二二极管、输出端电解电容，其中，双向dc-dc变换器模块的正极输入端、负极输入端分别对接输入端电解电容的正极、负极；同时，双向dc-dc变换器模块的正极输入端连接电感的其中一端，双向dc-dc变换器模块的负极输入端对接其负极输出端；电感的另一端分别连接第一开关管的源极、第一二极管的阳极、第二开关管的漏极、第二二极管的阴极；第一开关管的漏极与第一二极管的阴极相对接，并与双向dc-dc变换器模块的正极输出端相连接；第二开关管的源极与第二二极管的阳极相对接，并与双向dc-dc变换器模块的负极输出端相连接；输出端电解电容的正极、负极分别与双向dc-dc变换器模块的正极输出端、负极输出端相对接。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括分别设置于所述各电源正极、负极之间的电压传感器，分别串联各电源正极的电流传感器，以及分别对接所述各双向dc-dc变换器模块正极输出端、负极输出端之间的电压传感器。

与上述相对应，本发明所要解决的技术问题是提供一种能量流综合测控系统的控制方法，能够同时满足电机驱动测试、电池充放电测试、多储能混合输入测试，以及dc-dc变换器拓扑衍生研究、模拟多功能电子负载的实现等诸多技术测试需求。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种能量流综合测控系统的控制方法，包括单电源输入、多负载输出控制方法，该控制方法包括：

控制空气开关k22、…、knn全部处于常开状态，并控制空气开关k11、k12、…、k1n全闭合，使得第一电源e1i作为第一双向dc-dc变换器模块至第n双向dc-dc变换器模块的共同输入电源；

同时，控制空气开关k012、…、k01n全部处于常开状态，并控制空气开关k01、…、k0n全闭合，使得第一dc-dc变换器模块至第ndc-dc变换器模块顺序、分别对接第一负载至第n负载。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括多电源输入、单负载输出控制方法，该控制方法包括：

控制空气开关k12、…、k1n全部处于常开状态，并控制空气开关k11、k22、…、knn全闭合，使得第一电源e1i至第n电源eni顺序、分别作为第一dc-dc变换器模块至第ndc-dc变换器模块的输入电源；

同时，控制空气开关k02、…、k0n全部处于常开状态，并控制空气开关k01、k012、…、k01n全闭合，使得第一负载作为第一dc-dc变换器模块至第ndc-dc变换器模块的共同负载。

本发明所述一种能量流综合测控系统及控制方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明所述一种能量流综合测控系统，能够针对多个双向dc-dc变换器模块与多个负载实现控制应用，并基于该系统，具体设计控制方法，包括单电源输入、多负载输出控制方法，以及多电源输入、单负载输出控制方法，能够实现两种控制方法的灵活切换控制，同时满足电机驱动测试、电池充放电测试、多储能源混合输入测试、dc-dc变换器拓扑衍生研究、模拟多功能电子负载和可编程电源的实现等诸多电机和电力电子技术测试需求，在电动汽车驱动系统测试、新能源并网发电、微网系统控制、混合能量存储等诸多能源应用领域具有重要的应用前景。此外，作为一种通用性综合测控系统，还可以制作为通用仪器设备、教学科研装备等为企业和科研院所提供实验装备支持。

附图说明

图1是本发明所设计能量流综合测控系统的示意图；

图2是本发明所设计单电源输入、多负载输出的能量流测控系统示意图；

图3是本发明所设计多电源输入、单负载输出的能量流测控系统示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明设计了一种能量流综合测控系统，如图1所示，包括n个电源、n个双向dc-dc变换器模块和n个负载，n≥2。

其中，n个电源、n个双向dc-dc变换器模块、n个负载三者顺序一一对应，各个电源分别均为相互串联的电池与储能源；各个电源e1i、e2i、…、eni的正极顺序分别经空气开关k11、k22、…、knn、与对应双向dc-dc变换器模块的正极输入端相连接；各个电源e1i、e2i、…、eni的负极彼此相连接，并分别对接各对应双向dc-dc变换器模块的负极输入端。

同时，第一电源e1i的正极分别经空气开关k12、…、k1n、顺序分别对接第二双向dc-dc变换器模块的正极输入端至第n双向dc-dc变换器模块的正极输入端。

各双向dc-dc变换器模块的正极输出端顺序分别经空气开关k01、…、k0n、与对应负载的正极输入端相连接；各双向dc-dc变换器模块的负极输出端分别连接对应负载的负极输入端。

同时，第二双向dc-dc变换器模块的正极输出端至第n双向dc-dc变换器模块的正极输出端顺序分别经空气开关k012、…、k01n、连接第一负载的正极输入端。

所述负载，可以是电阻负载和电池，或通过变频器控制电机、或通过并网逆变器接入电网。

双向dc-dc变换器模块为boost/buck双向变换器或其它各类双向dc-dc变换器，本发明设计中，具体给出具体双向dc-dc变换器模块的结构，各双向dc-dc变换器模块分别均包括输入端电解电容、电感、第一开关管、第一二极管、第二开关管、第二二极管、输出端电解电容，其中，双向dc-dc变换器模块的正极输入端、负极输入端分别对接输入端电解电容的正极、负极；同时，双向dc-dc变换器模块的正极输入端连接电感的其中一端，双向dc-dc变换器模块的负极输入端对接其负极输出端；电感的另一端分别连接第一开关管的源极、第一二极管的阳极、第二开关管的漏极、第二二极管的阴极；第一开关管的漏极与第一二极管的阴极相对接，并与双向dc-dc变换器模块的正极输出端相连接；第二开关管的源极与第二二极管的阳极相对接，并与双向dc-dc变换器模块的负极输出端相连接；输出端电解电容的正极、负极分别与双向dc-dc变换器模块的正极输出端、负极输出端相对接。

基于上述所设计能量流综合测控系统的基础上，还进一步设计包括分别设置于所述各电源正极、负极之间的电压传感器，分别串联各电源正极的电流传感器，以及分别对接所述各双向dc-dc变换器模块正极输出端、负极输出端之间的电压传感器；如此，整个能量流综合测控系统的输入端并联接入电压传感器u1i～uni检测输入端电压，串联接入电流传感器i1～in检测输入端电流，其输出端接入电压传感器u1o～uno进行输出端压检测。

基于上述所设计能量流综合测控系统，本发明进一步设计针对该能量流综合测控系统的控制方法，包括单电源输入、多负载输出控制方法，以及多电源输入、单负载输出控制方法，其中，如图2所示，单电源输入、多负载输出控制方法包括如下：

控制空气开关k22、…、knn全部处于常开状态，并控制空气开关k11、k12、…、k1n全闭合，使得第一电源e1i作为第一双向dc-dc变换器模块至第n双向dc-dc变换器模块的共同输入电源；

同时，控制空气开关k012、…、k01n全部处于常开状态，并控制空气开关k01、…、k0n全闭合，使得第一dc-dc变换器模块至第ndc-dc变换器模块顺序、分别对接第一负载至第n负载。

单电源输入、多负载输出的能量流测控系统能实现的测试功能，由相同输入电源通过n路并联的dc-dc变换器模块可以构成多路可调电源，可以单独作为多路可编程直流电源；负载端可以多样化，纯电阻负载可以用于单相dc-dc的测试；电池做负载可用于测试电池的充放电性能及控制方法；负载为变频器加电机，可组成电动汽车电机驱动控制系统，用与测试电动汽车各类运行工况下的电机驱动控制算法和性能，同时可以用高压电机的驱动控制；负载为并网逆变器可以测试并网逆变器控制策略、测试新能源并网控制方法、测试电动汽车与电网互动(v2g)功能，还可以用于插电式电动汽车的车载充电测试；各路dc-dc变换器于负载端的结合，均可视为独立可控的电子负载，可以实现恒功率、恒电阻、恒电流、恒电压控制。

如图3所示，多电源输入、单负载输出控制方法包括如下：

控制空气开关k12、…、k1n全部处于常开状态，并控制空气开关k11、k22、…、knn全闭合，使得第一电源e1i至第n电源eni顺序、分别作为第一dc-dc变换器模块至第ndc-dc变换器模块的输入电源；

同时，控制空气开关k02、…、k0n全部处于常开状态，并控制空气开关k01、k012、…、k01n全闭合，使得第一负载作为第一dc-dc变换器模块至第ndc-dc变换器模块的共同负载。

多电源输入、单负载输出的能量流测控系统实现的测试功能，可以实现混合储能源的接入控制方法测试，混合储能源可以视为多组分布式电源，通过多路dc-dc变换器模块实现共同接入至直流母线端给负载供电；负载为变频器加电机时，可以模拟混合动力电动汽车电机驱动系统测试装置，实现混合动力电动汽车各类运行工况下的控制算法和性能测试；负载为并网逆变器接电网，可以模拟新能源分布式发电的微网运行和并网运行，实现各运行模式下的控制算法和性能测试。

上述所设计能量流综合测控系统及控制方法，通过对dc-dc变换器的拓扑结构和控制方法进行综合调控，以同时满足电机驱动测试、电池充放电测试、多储能源混合输入测试、dc-dc变换器拓扑衍生研究、模拟多功能电子负载和可编程电源的实现等诸多电机和电力电子技术测试需求，在电动汽车驱动系统测试、新能源并网发电、微网系统控制、混合能量存储等诸多能源应用领域具有重要的应用前景；还可以制作为通用仪器设备、教学科研装备等为企业和科研院所提供实验装备支持。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。