直流供电并网装置、系统及方法与流程

1.本发明涉及直流电源并网供电领域，具体涉及一种直流供电并网装置、系统及方法。


背景技术：

2.目前供电电网都是采用220v或380v交流供电，但是在八成以上的用电设备会将交流电转化为低压直流电再使用。例如：工业生产线、医疗器械、通信设备、电动车、家电及数码产品、其它使用蓄电池的电子产品都会使用直流电。
3.以通信设备为例，通信设备机房一般会采用48v直流电作为整个机房的供电总线，机房内所有通信设备都采用48v直流供电。机房里配备大功率直流电源将220v交流市电转换为48v直流电，由于机房里面通信设备总功率较大，一个直流电源难以负担机房所有供电，所以通常采用多个直流电源并网为机房供电。
4.当前直流电源输出的直流电压都是稳定不变的，只要负载电流不超过电源额定电流(图1中i0)，电压值固定不变。电源的输出电压和电流关系如图1所示。
5.直流电源输出并网的条件是输出电压必须相等，但即使是同规格同型号的电源，每个电源个体的输出电压也是有偏差的。个体之间的电压微小偏差，会直接导致并网电源负载不均衡，甚至无法正常工作。
6.当前已有的解决方案是电源内部设计均流控制电路。每个电源内部的均流控制电路可以对输出电压微调，从而控制该电源的输出电流达到均分负载的目的。均流控制电路通过采集本电源的输出电流，并以电压的形式反映到均流母线上面。同时也采集母线的电压来控制本电源的输出电压。如图2所示，电源1到电源n并网(+vout和-vout)给负载供电；其中ishare+和ishare-为均流母线，所有电源均流母线并联在一起。工作方式如下：假如电源1输出电流较大(带负载较重)，电源1的ishare+的电压将升高，其它电源感知到母线ishare+电压升高就会将自己的输出电压升高，从而分担电源1的负荷。以此达到均流的目的。
7.但现有方案每个电源需要在输出端设计均流母线，且需要单独将均流母线并联。在实际应用中，电源需要在输出接插件中单独定义均流母线插针，且系统还要设计并联均流母线的连线。在一些复杂系统中，增加了走线的难度；并且该系统必须采用同型号规格电源进行并网，兼容性较差。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种直流供电并网装置、系统及方法，不需要均流母线的设计，简化并网连接方式，让直流供电系统减少布线，并且极大地提高了直流电源并网的兼容性。
9.本发明采取如下技术方案实现上述目的，直流供电并网装置，包括电压采集模块、电流采集模块以及电压调节模块；
10.所述电压采集模块，用于采集直流电源的输出电压，并将采集的电压经过设置的比例分压后输出至电压调节模块；
11.所述电流采集模块，用于采集直流电源的输出电流，并将采集的电流转化为电压，与电压采集模块输出的电压合并后输出至电压调节模块，以及调整电压采集模块的分压比例；
12.所述电压调节模块，用于根据电压采集模块和电流采集模块的电压调整直流电源的电源转换器传输到电压输出端的电能，以此调整直流电源的输出电压。
13.进一步的是，所述电压调节模块包括第一运算放大器、光耦以及电压调整芯片，所述第一运算放大器的反向输入端分别与电压采集模块以及电流采集模块连接，所述第一运算放大器的正向输入端为基准电压端，所述第一运算放大器的输出端与光耦的输入端连接，所述光耦的输出端与电压调整芯片信号输入端连接，电压调整芯片信号输出端与直流电源中的电源转换器连接；
14.所述第一运算放大器用于将电压采集模块和电流采集模块的电压与基准电压进行比较；
15.所述光耦用于根据比较结果调整自身输出端阻抗大小；
16.所述电压调整芯片用于根据光耦输出端阻抗大小调整直流电源的电源转换器传输到电压输出端的电能，以此调整直流电源的输出电压。
17.第一运算放大器实现对电压信号进行比较，结构简单；光耦根据第一运算放大器比较后的输出结果调整对应输出脚阻抗，通过光耦实现了输入端与输出端的隔离，抗干扰能力强；电压调整芯片根据光耦输出脚阻抗大小变化对应调整直流电源的电源转换器的输出电能，从而使输出电压稳定。
18.进一步的是，所述电压采集模块包括第五电阻以及第六电阻，所述第五电阻以及第六电阻串联后与直流电源的电压输出端连接，第一运算放大器的反向输入端连接在第五电阻以及第六电阻之间。
19.通过第五电阻以及第六电阻实现对采集的输出电压分压，结构简单。
20.进一步的是，所述电流采集模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻以及第二运算放大器，所述第二运算放大器的正向输入端通过第一电阻与直流电源的电压输出端连接，所述第二运算放大器的反向输入端通过第二电阻与直流电源的电压输出端连接，第三电阻连接在第二运算放大器的反向输入端与输出端之间，所述第二运算放大器的输出端通过第四电阻与第一运算放大器的反向输入端连接；
21.所述第一电阻用于采集直流电源的输出电流；
22.所述第二电阻、第三电阻以及第二运算放大器用于组成放大电路，并将采集的电流转化为电压；
23.所述第二电阻与第三电阻的阻值比例用于设定所述电流转化为电压值的放大倍数；
24.所述第四电阻的阻值大小用于调整第五电阻以及第六电阻的分压比例。
25.直流供电并网系统，包括至少两个直流电源，所述直流电源包括上述所述的直流供电并网装置，各直流电源分别与负载连接；
26.各直流电源中的电压采集模块分别用于采集对应直流电源的输出电压，并将采集
的电压经过设置的比例分压后输出至对应的电压调节模块；
27.各直流电源中的电流采集模块分别用于采集对应直流电源的输出电流，并将采集的电流转化为电压，与对应电压采集模块输出的电压合并后输出至对应的电压调节模块，以及调整对应的电压采集模块的分压比例；
28.各直流电源中的电压调节模块用于根据对应的电压采集模块和电流采集模块的电压调整对应直流电源的电源转换器传输到电压输出端的电能，以此调整直流电源的输出电压，使得各个直流电源的输出电压对齐。
29.当两个及两个以上的直流电源并网时，各个电源输出电压可能存在偏差，这种偏差导致直流电源的输出电流也有差异，直流供电并网装置通过采集直流电源的输出电流、电压对直流电源输出电压进行反馈调节，这样使各直流电源的输出电压对齐，保持温度均衡，实现并网输出。
30.进一步的是，所述各直流电源中的电压调节模块具体作用包括：
31.各电压调节模块中的第一运算放大器将反向输入端接收的电压与基准电压进行比较，若反向输入端接收的电压高于基准电压，则第一运算放大器输出端电压降低；若反向输入端接收的电压低于基准电压，则第一运算放大器输出端电压升高；
32.光耦根据第一运算放大器输出端电压变化调整光耦输出端阻抗大小，若第一运算放大器输出端电压降低，则光耦输出端阻抗变小；若第一运算放大器输出端电压升高，则光耦输出端阻抗变大；
33.电压调整芯片根据光耦输出端阻抗大小变化对应调整直流电源的输出电压，若光耦输出端阻抗变小，则降低对应直流电源的电源转换器传输到电压输出端的电能，以此降低对应直流电源的输出电压；若光耦输出端阻抗变大，则提高对应直流电源的电源转换器传输到电压输出端的电能，以此提高对应直流电源的输出电压。
34.上述电压调节模块结构简单，能够抗干扰能力强，提高了系统的稳定性以及电压反馈调节的效率。
35.直流供电并网方法，应用于上述直流供电并网系统，包括：
36.步骤1、各直流电源中的电压采集模块分别采集对应直流电源的输出电压，并将采集的电压经过设置的比例分压后输出至对应的电压调节模块；
37.步骤2、各直流电源中的电流采集模块分别采集对应直流电源的输出电流，并将采集的电流转化为电压值，与对应电压采集模块输出的电压合并后输出至对应的电压调节模块，以及调整对应的电压采集模块的分压比例；
38.步骤3、各直流电源中的电压调节模块根据对应的电压采集模块和电流采集模块的电压调整对应直流电源的电源转换器传输到电压输出端的电能，以此调整直流电源的输出电压，使得各个直流电源的输出电压对齐。
39.进一步的是，步骤3中，所述各直流电源中的电压调节模块根据对应的电压采集模块和电流采集模块的电压调整对应直流电源的电源转换器传输到电压输出端的电能具体包括：
40.各电压调节模块中的第一运算放大器将反向输入端接收的电压与基准电压进行比较，若反向输入端接收的电压高于基准电压，则第一运算放大器输出端电压降低；若反向输入端接收的电压低于基准电压，则第一运算放大器输出端电压升高；
41.光耦根据第一运算放大器输出端电压变化调整光耦输出端阻抗大小，若第一运算放大器输出端电压降低，则光耦输出端阻抗变小；若第一运算放大器输出端电压升高，则光耦输出端阻抗变大；
42.电压调整芯片根据光耦输出端阻抗大小变化对应调整直流电源的输出电压，若光耦输出端阻抗变小，则降低对应直流电源的电源转换器传输到电压输出端的电能，以此降低对应直流电源的输出电压；若光耦输出端阻抗变大，则提高对应直流电源的电源转换器传输到电压输出端的电能。
43.本发明的有益效果为：
44.本发明通过直流供电并网装置简化了并网连接方式，不需要均流母线的设计，让直流供电系统减少布线。
45.本发明通过对直流电源输出电压电流的采集，并反馈到电压调节模块，电压调节模块根据反馈的信号调节输出电压的大小，便于让不同型号和功率的电源并网，提高了并网的兼容性。
附图说明
46.图1为现有方案中普通电源输出的电压与电流特性示意图；
47.图2为现有方案中直流电源并网的结构示意图；
48.图3为本发明提供的直流电源输出的电压与电流特性示意图；
49.图4为本发明实施例提供的一种直流电源的结构框图；
50.图5为本发明实施例提供的一种直流电源的电路图；
51.图6为本发明实施例提供的直流供电并网系统的结构框图。
52.附图中，u2a为第一运算放大器，u2b为第二运算放大器，r1为第一电阻，r2为第二电阻，r3为第三电阻，r4为第四电阻，r5为第五电阻，r6为第六电阻，r7为第七电阻，r8为第八电阻，r9为第九电阻，r10为第十电阻，r11为第十一电阻，r12为第十二电阻。
具体实施方式
53.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
54.图4为本发明实施例提供的一种直流电源的结构框图，该直流电源包括电压采集模块、电流采集模块、电压调节模块以及电源转换器；
55.所述电压采集模块，用于采集直流电源的输出电压，并将采集的电压经过设置的比例分压后输出至电压调节模块；
56.所述电流采集模块，用于采集直流电源的输出电流，并将采集的电流转化为电压，与电压采集模块输出的电压合并后输出至电压调节模块，以及调整电压采集模块的分压比例；
57.所述电压调节模块，用于根据电压采集模块和电流采集模块的电压调整电源转换器传输到电压输出端的电能，以此调整直流电源的输出电压。
58.本实施例中，电源转换器通常采用变压器来实现。
59.图5为本发明实施例提供的一种直流电源的电路图，如图所示，
60.电压采集模块包括第五电阻r5以及第六电阻r6，所述第五电阻r5以及第六电阻r6串联后与直流电源的电压输出端outputvcc连接，第一运算放大器u2a的反向输入端2连接在第五电阻r5以及第六电阻r6之间。
61.电流采集模块包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4以及第二运算放大器u2b，所述第二运算放大器u2b的正向输入端5通过第一电阻r1与直流电源的电压输出端outputgnd连接，所述第二运算放大器u2b的反向输入端6通过第二电阻r2与直流电源的电压输出端outputgnd连接，第三电阻r3连接在第二运算放大器u2b的反向输入端6与输出端7之间，所述第二运算放大器u2b的输出端7通过第四电阻r4与第一运算放大器u2a的反向输入端2连接；
62.通过第一电阻r1采集直流电源的输出电流；第二电阻r2、第三电阻r3以及第二运算放大器u2b组成放大电路，并将采集的电流转化为电压；通过第二电阻r2与第三电阻r3的阻值比例来设定电流转化为电压值的放大倍数；通过第四电阻r4的阻值大小调整第五电阻r5以及第六电阻r6的分压比例。
63.当输出电流为0时，即第一电阻r1无电流流过，第二运算放大器u2b的输出端7脚的电压最低，则电源输出电压outputvcc输出电压最高。当输出电流最大(满载)时，即第一电阻r1电阻流过电流最大，第二运算放大器u2b的输出端7脚电压最高，则电源输出电压outputvcc输出电压最低。以此方式，电源输出电压将达到如图3所示的电压与电流特性，即本发明电源输出电压随输出负载电流变化而变化，当输出电流为零时，输出电压为u0，当输出电流为额定电流i0时，输出电压为u0’，即在输出u0基础上降低δu之后为u0’。
64.电压调节模块包括第一运算放大器u2a、光耦u3以及电压调整芯片u1，第一运算放大器u2a的正向输入端2为基准电压vref，基准电压vref通过基准电压源tl431产生；第一运算放大器u2a的输出端1与光耦u3的输入端2连接；第一运算放大器u2a将反向输入端2接收的电压与基准电压vref进行比较，若反向输入端2接收的电压高于基准电压vref，则第一运算放大器u2a输出端电压降低；若反向输入端2接收的电压低于基准电压vref，则第一运算放大器u2a输出端电压升高。
65.光耦u3的输入端1通过电阻r8与电压输出端outputvcc连接，光耦u3的输出端4通过电阻r9与电压调整芯片u1的信号输入端3连接，光耦u3的输出端3接地；光耦u3根据第一运算放大器u2a输出端1电压变化调整光耦输出端3、4的阻抗大小，若第一运算放大器u2a输出端1电压降低，则光耦u3输入端1、2电流变大，光耦u3输出端3、4阻抗变小；若第一运算放大器u2a输出端1电压升高，则光耦u3输出端3、4阻抗变大；
66.电压调整芯片u1的供电端1通过电阻r10与电源输入端inputvcc连接，电源输入端inputvcc通过电阻r11与二极管d1的阴极连接，二极管d1的阳极与电压调整芯片u1的信号输出端4连接，电压调整芯片u1的信号输出端4还与变压器t1的主线圈连接，电压调整芯片u1的接地端2接地；电源输入端inputvcc还与变压器t1的主线圈连接，副线圈与直流电源的电压输出端outputvcc连接；
67.电压调整芯片u1根据光耦u3输出端3、4阻抗大小变化对应调整变压器t1的电能输出，若光耦输出端3、4阻抗变小，则对应降低变压器t1的电能输出；若光耦u3输出端3、4阻抗
变大，则对应提高变压器t1的电能输出。
68.电压调整芯片u1采用pwm(即脉宽调制)控制电源芯片的信号输出。具体调节时，若光耦u3输出端3、4阻抗变小，则将u1的输出端4输出的波形宽度调窄(相当于开关电源的开关管，开通时间短，关断时间长)，从而变压器t1传输到电压输出端outputvcc的电能减少，使得电源输出电压降低；
69.若光耦u3输出端3、4阻抗变大，则将u1的输出端4输出的波形宽度调宽(相当于开关电源的开关管，开通时间长，关断时间短)，从而变压器t1传输到电压输出端outputvcc的电能增加，使得电源输出电压升高。
70.图6为本发明实施例提供的直流供电并网系统的结构框图，如图所示，该并网系统包括至少两个直流电源，各直流电源均包括本发明所述的直流供电并网装置，各直流电源分别与负载连接；
71.各直流电源中的电压采集模块分别用于采集对应直流电源的输出电压，并将采集的电压经过设置的比例分压后输出至对应的电压调节模块；
72.各直流电源中的电流采集模块分别用于采集对应直流电源的输出电流，并将采集的电流转化为电压，与对应电压采集模块输出的电压合并后输出至对应的电压调节模块，以及调整对应的电压采集模块的分压比例；
73.各直流电源中的电压调节模块用于根据对应的电压采集模块和电流采集模块的电压调整对应直流电源的变压器传输到电压输出端的电能，以此调整直流电源的输出电压，使得各个直流电源的输出电压对齐，保持均衡。
74.其中，各直流电源中的电压调节模块具体作用包括：
75.各电压调节模块中的第一运算放大器将反向输入端接收的电压与基准电压进行比较，若反向输入端接收的电压高于基准电压，则第一运算放大器输出端电压降低；若反向输入端接收的电压低于基准电压，则第一运算放大器输出端电压升高；
76.光耦根据第一运算放大器输出端电压变化调整光耦输出端阻抗大小，若第一运算放大器输出端电压降低，则光耦输出端阻抗变小；若第一运算放大器输出端电压升高，则光耦输出端阻抗变大；
77.电压调整芯片根据光耦输出端阻抗大小变化对应调整直流电源的输出电压，若光耦输出端阻抗变小，则降低对应直流电源变压器传输到电压输出端的电能，以此降低对应直流电源的输出电压；若光耦输出端阻抗变大，则提高对应直流电源变压器传输到电压输出端的电能，以此提高对应直流电源的输出电压。
78.根据本发明直流供电并网系统，本发明还提供了直流供电并网方法，包括：
79.步骤1、各直流电源中的电压采集模块分别采集对应直流电源的输出电压，并将采集的电压经过设置的比例分压后输出至对应的电压调节模块；
80.步骤2、各直流电源中的电流采集模块分别采集对应直流电源的输出电流，并将采集的电流转化为电压值，与对应电压采集模块输出的电压合并后输出至对应的电压调节模块，以及调整对应的电压采集模块的分压比例；
81.步骤3、各直流电源中的电压调节模块根据对应的电压采集模块和电流采集模块的电压调整对应直流电源的变压器传输到电压输出端的电能，以此调整直流电源的输出电压，使得各个直流电源的输出电压对齐。
82.其中，步骤3中，所述各直流电源中的电压调节模块根据对应的电压采集模块和电流采集模块的电压调整对应直流电源的变压器传输到电压输出端的电能，具体包括：
83.各电压调节模块中的第一运算放大器将反向输入端接收的电压与基准电压进行比较，若反向输入端接收的电压高于基准电压，则第一运算放大器输出端电压降低；若反向输入端接收的电压低于基准电压，则第一运算放大器输出端电压升高；
84.光耦根据第一运算放大器输出端电压变化调整光耦输出端阻抗大小，若第一运算放大器输出端电压降低，则光耦输出端阻抗变小；若第一运算放大器输出端电压升高，则光耦输出端阻抗变大；
85.电压调整芯片根据光耦输出端阻抗大小变化对应调整直流电源的输出电压，若光耦输出端阻抗变小，则降低对应直流电源变压器传输到电压输出端的电能，以此降低对应直流电源的输出电压；若光耦输出端阻抗变大，则提高对应直流电源变压器传输到电压输出端的电能。
86.本发明直流供电并网的原理为：当两个及两个以上的直流电源并网时，各个直流电源输出电压可能存在偏差，这种偏差导致直流电源并网接入负载后，输出电流可能存在差异。因此本发明直流供电并网装置通过采集直流电源的输出电流、电压对直流电源输出电压进行反馈实时调节，这样使各直流电源的输出电压对齐，保持输出均衡，实现稳定的并网输出。
87.综上所述，本发明不再采用均流母线的设计，简化并网连接方式，让直流供电系统减少布线，并且极大地提高了并网的兼容性，能够让不同型号和功率的电源并网更加容易。