超低频变频脉冲负载的混合供电系统及其容量配置和功率控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种超低频变频脉冲负载的混合供电系统及其容量配置和功率控制方法，混合供电系统包括电池、电容器、DC/DC变换器和超低频变频脉冲负载。超低频变频脉冲负载直接连接电池输出端，电容器通过DC/DC变换器后并联接在电池输出端，共同为超低频变频脉冲负载供电。本发明专利技术通过建立系统体积与电池和电容器承担脉冲功率占比的关系，给出了电池和电容器容量优化匹配设计方法，可保证混合供电系统的总体积最小；在此基础上提出的混合供电系统功率控制方法，保证了输出电流i

【技术实现步骤摘要】
超低频变频脉冲负载的混合供电系统及其容量配置和功率控制方法


[0001]本专利技术涉及脉冲负载供电、混合供电及特种电源
，特别涉及一种适用于含超低频变频脉冲负载的混合供电系统的容量优化配置及控制方法。

技术介绍

[0002]随着多源混合供电技术越来越多的应用到大型交通工具中，例如飞机、轮船、火箭等领域中。这些系统中有较多的低频脉冲负荷，如固态雷达、电磁炮等，其所需功率特性将严重影响系统的供电质量和供电可靠性。如何对变频低频大功率脉冲负载进行可靠供电，并减小其对供电系统的冲击，是保证供电系统可靠运行的关键问题。
[0003]提高系统供电容量和增加具有快速响应特性储能单元被广泛应用于含脉冲负载的供电系统中，使得混合供电系统的母线电压在脉冲负载冲击时的跌落在容许的范围内。由于提高系统供电容量会显著提升供电系统的总体积，这种方法通常应用于地面系统中，例如雷达站。而在大型电气化交通工具中，通常利用储能单元吸收脉冲功率，从而减小系统体积，例如采用电池、电容、飞轮储能等。对于大功率脉冲负载，若仅采用电池去吸收脉冲功率，由于长时间大电流放电，会显著减小电池寿命，并且电池的容量会随放电电流的增加而显著增加。若采用电容直接挂接在母线上，由于母线电压容许的跌落范围较小，为了应对大功率脉冲负载对母线电压的冲击，电容的容量通常取得较大。为了减小脉冲功率吸收模块的体积，有人提出利用变换器增加电容电压的波动范围，使得相同容量下释放的能量更多，从而减小电容的体积，使得供电系统总体积最小。这对系统体积重量要求严格的含脉冲负载的微电网系统具有重要意义，例如飞机和火箭等。
[0004]目前，为了解决脉冲负载供电系统的小型化问题，已有多篇学术论文和专利进行了研究并提出了相应的解决方法，例如：
[0005]1、Xinze.Huang等人发表“A Pulsed Power Supply Adopting Active Capacitor Converter for Low
‑
Voltage and Low
‑
Frequency Pulsed Loads”《IEEE Transactions on Power Electronics》，2018：9219
‑
9230，该文章通过引入有源电容变换器，显著增加了电容电压的变化范围，使得在吸收相同脉冲功率下电容容量显著降低，供电系统的功率密度显著提升。其控制方法在传统的双闭环控制基础上增加了前馈控制，使得母线电压的跌落进一步降低。但其所采用的双向Buck
‑
Boost变换器需保证电容电压时刻高于母线电压才能正常工作，并且其控制方法需要利用滤波器产生控制基准，对于超低频宽频(如0.5Hz——200Hz)且变频的脉冲负载，该方法并不适用。会导致低通滤波器难以设计，畸变较大，响应速度慢。
[0006]杨平等人在发表的“一种用于抑制母线电流尖峰的大功率脉冲负载电源”专利中，增加了两条结构相同的反向并联的第一电感支路和第二电感之路，解决了脉冲负载电源轻/重载时因电感电流方向不同且不能突变带来母线电流尖峰的问题，可适应脉冲功率和频率任意变化。其提出的控制方法同样是采用滤波器产生控制基准，不适用于超低频变频
脉冲负载。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种适用于超低频变频脉冲负载的混合供电系统容量配置及控制方法，以解决对变频低频大功率脉冲负载进行可靠供电，减小超低频变频脉冲负载对供电系统的冲击，保证供电系统可靠运行以及减小混合供电系统体积的技术问题。
[0008]本专利技术超低频变频脉冲负载的混合供电系统，包括电池和与电池输出端连接的超低频变频脉冲负载；
[0009]本专利技术超低频变频脉冲负载的混合供电系统还包括电容器，所述电容器通过DC/DC变换器并联到电池输出端；
[0010]本专利技术超低频变频脉冲负载的混合供电系统还包括电流基准产生单元，所述电流基准产生单元用于检测超低频变频脉冲负载的电流i
load
及电容器的电压V
C
，并结合功率流动需求以及电容器应承担的脉冲功率占比后，产生DC/DC变换器的输出电流参考信号i
oref
；
[0011]本专利技术超低频变频脉冲负载的混合供电系统还包括PI调节器，所述PI调节器用于调节DC/DC变换器的输出电流参考信号i
oref
与DC/DC变换器输出电流i
o
的差；
[0012]本专利技术超低频变频脉冲负载的混合供电系统还包括PWM及驱动电路，所述PWM及驱动电路用于根据PI调节器的输出信号生成控制DC/DC变换器的驱动信号，用以保证DC/DC变换器输出电流i
o
对输出电流参考信号i
oref
进行快速良好的跟踪。
[0013]本专利技术基于超低频变频脉冲负载的混合供电系统的容量配置方法，其包括：
[0014]设脉冲功率在电容器和电池间的功率分配比率分别为λ
CC
和λ
BAT
，两者满足λ
BAT
+λ
CC
＝1，λ
BAT
∈(0，1)，λ
CC
∈(0，1)，当超低频变频脉冲负载在一个脉冲周期内从混合供电系统吸收的能量为W时，电容器的最小容量确定为：
[0015][0016]其中V
Cmax
为电容器的电压上限，V
Cmin
为电容器的电压下限，当电容器的电压上限V
Cmax
确定后，电容器的体积Vol
CC
与电容容量Q
C
满足Vol
CC
＝k
CC
Q
C
，其中k
CC
是一个常系数，与电容器的型号相关；
[0017]设混合供电系统在整个工作时间段消耗的能量为W
total
，无脉冲负载时的额定电流为i
n
，则电池的最小容量确定为：
[0018]Q
BAT
＝max{Q
BAT1min
,Q
BAT2min
,Q
BAT3min
,Q
BAT4min
}
[0019]其中Q
BAT1min
满足：
[0020][0021]其中V
BAT
为电池的平台电压，即Q
BAT1min
能保证提供整个工作时间段消耗的能量；
[0022]Q
BAT2min
满足：
[0023][0024]其中k
r
为与电池内阻相关的常数，ΔV
max
为母线电压的最大容许跌落值，Q
BAT2min
能保证在额定电流i
n
情况下输出电压不低于V
bus
‑
ΔV
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.超低频变频脉冲负载的混合供电系统，包括电池和与电池输出端连接的超低频变频脉冲负载，其特征在于：还包括电容器，所述电容器通过DC/DC变换器并联到电池输出端；还包括电流基准产生单元，所述电流基准产生单元用于检测超低频变频脉冲负载的电流i
load
及电容器的电压V
C
，并结合功率流动需求以及电容器应承担的脉冲功率占比后，产生DC/DC变换器的输出电流参考信号i
oref
；还包括PI调节器，所述PI调节器用于调节DC/DC变换器的输出电流参考信号i
oref
与DC/DC变换器输出电流i
o
的差；还包括PWM及驱动电路，所述PWM及驱动电路用于根据PI调节器的输出信号生成控制DC/DC变换器的驱动信号，用以保证DC/DC变换器输出电流i
o
对输出电流参考信号i
oref
进行快速良好的跟踪。2.一种权利要求1所述超低频变频脉冲负载的混合供电系统的容量配置方法，其特征在于：设脉冲功率在电容器和电池间的功率分配比率分别为λ
CC
和λ
BAT
，两者满足λ
BAT
+λ
CC
＝1，λ
BAT
∈(0，1)，λ
CC
∈(0，1)，当超低频变频脉冲负载在一个脉冲周期内从混合供电系统吸收的能量为W时，电容器的最小容量确定为：其中V
Cmax
为电容器的电压上限，V
Cmin
为电容器的电压下限，当电容器的电压上限V
Cmax
确定后，电容器的体积Vol
CC
与电容器容量Q
C
满足Vol
CC
＝k
CC
Q
C
，其中k
CC
是一个常系数，与电容器的型号相关；设混合供电系统在整个工作时间段消耗的能量为W
total
，无脉冲负载时的额定电流为i
n
，则电池的最小容量确定为：Q
BAT
＝max{Q
BAT1min
,Q
BAT2min
,Q
BAT3min
,Q
BAT4min
}其中Q
BAT1min
满足：其中V
BAT
为电池的平台电压，即Q
BAT1min
能保证提供整个工作时间段消耗的能量；Q
BAT2min
满足：其中k
r
为与电池内阻相关的常数，ΔV
max
为母线电压的最大容许跌落值，Q
BAT2min
能保证在额定电流i
n
情况下输出电压不低于V
bus
‑
ΔV
max
，其中V
bus
为母线电压，即i
n
r
BAT
≤ΔV
max
,r
BAT
为电池的内阻；k
r
与r
BAT
、容量Q
BAT
、输出电压V
BAT
满足以下关系式：Q
BAT3min
满足：
其中t
p
为脉冲宽度，Q
BAT3min
能保证电池提供λ
BAT
倍脉冲电流，即i
p
V
bus
t
p
＝Wλ
BAT
＝W(1
‑
λ
CC
)，其中i
p
为此时电池输出电流，并且在提供λ
BAT
倍脉冲电流时能保证输出电压不低于V
bus
‑
ΔV
max
，即i
p
r
BAT
≤ΔV
max
；Q
BAT4min
满足：其中t
i
为脉冲负载最小间隔时间，Q
BAT4min
能保证电池能在t
i
时间内将电容器充电至V
Cmax
，即i
ch
t
i
≥Q
C
(V
Cmax
‑
V
Cmin
)，其中i
ch
为电容器的充电电流，同时要保证输出电压不低于V
bus
‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：敖文杰，陈家伟，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：