專利名稱：并行隔離重疊互補型控制器及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電子線路，具體來說是一種電源輸入/輸出控制裝置。用于離網型風力、光伏太陽能電站輸入控制及對各類負荷實現(xiàn)控壓、限流等功能的電源輸入/輸出控制器及方法。
二、技術背景離網型太陽能電站一般是采用蓄電池組來儲存電能的。電站發(fā)出的電能如不及時使用或儲存不但會造成浪費，而且可能會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。電站輸出的電能應首先供給主負荷使用或將其儲存(主負荷指系統(tǒng)設計時確定的主要目標負荷及儲能蓄電池)。當電站發(fā)出的電能多到主負荷使用不完的程度時，應該由輔助負荷(輔助負荷指系統(tǒng)設計時確定的次要目標負荷及專為消耗電能設置的泄功負荷)將此部分能量加以利用或泄放掉。為保證使輔助負荷不會對主負荷中蓄電池之能量產生泄放，必須在主、輔負荷間形成一定程度的隔離。本控制器及方法即是為達到上述要求而設計的一種功能完善、穩(wěn)定可靠又易于實現(xiàn)的控制方法。
一般控制器采用在直流側串聯(lián)硅元件的方式實現(xiàn)單向隔離。方法如圖3所示(為簡單起見以單相交流電源AC等效電站發(fā)電輸出)。D1-D4用于對發(fā)出的交流電量進行整流，D5負責單方向電量隔離，防止主負荷ZZ部分內所含的蓄電池能量向發(fā)電方向傳輸(稱為反灌)。FZ是簡化后的受控調功器(輔助負荷)，它依據(jù)電站發(fā)電量情況及主負荷ZZ用電量情況自動調整分流泄放能量的多少來保障系統(tǒng)穩(wěn)定工作。因隔離器件D5接于主負荷ZZ與輔助負荷FZ之間且與ZZ能量供給成串聯(lián)關系，稱之為串聯(lián)隔離控制方法(圖1為共負極隔離，圖2為共正極隔離)。
串聯(lián)型隔離控制方法有3方面缺陷①.隔離器件串接于主負荷供電通道并具有近似恒定的壓降特性，會造成額外的能量損失及發(fā)熱。系統(tǒng)額定電壓與隔離器件恒定壓降越接近，相對損耗越高。②.隔離程度較低，主、輔通道互相牽制難以滿足控制指標更高、控制項目更復雜的使用場合。③.單純以分流方式控制對主負荷的輸出，只適合用于輸入電源等效內阻較大，具有明顯恒流特性的小型電站系統(tǒng)。串聯(lián)隔離控制方法的最大優(yōu)點是電路簡單、成本低。

發(fā)明內容
本發(fā)明首先利用二極管的單向導電特性將輸入能量分割成多個并行的隔離通道；對各個通道設置能量控制開關；不斷對各通道實施電壓、電流、溫度等狀態(tài)檢測；根據(jù)檢測結果按預定標準在各通道間進行電能分配轉換。轉換過程中各個能量控制開關的閉合/分斷必須遵守重疊互補的時序原則。
本發(fā)明以并聯(lián)隔離方式替代串聯(lián)隔離方式。如圖4-6所示的是并聯(lián)隔離技術。隔離器件將輸入電量自交流處分隔為并行的主、輔兩部分。采用并聯(lián)隔離具有3點明顯優(yōu)勢。①.隔離損耗為零。②.具有更高的隔離效果，為進行完善精確的控制提供了必要前提。③.系統(tǒng)控制不依賴于供電輸入的恒流特性，能滿足大型電站的控制需求。
本發(fā)明以重疊互補的能量分配控制方法替代單一泄功的控制方法。
控制器以主部分為首要控制對象。具體講，當有電能輸入時，優(yōu)先考慮將其提供給主部分(如蓄電池)，只有主部分不能接受的那部分能量(如蓄電池已經充滿或供電電流超出額定值)才分配給輔助部分(如熱水器、風機、泄功器等)，兩者之間形成優(yōu)先權不同的、相互隔離又相互關聯(lián)的能量分配關系。需要調整分配時，控制器會操縱負荷開關以重疊互補的方式將能量進行合理的分配。
所謂互補是指每次能量只分配給某一個部分的負荷，電路始終保證有一只(只能是一只)負荷開關是開通的，保證電能始終有一條(只有一條)作功通路。主、輔部分交替獲得能量稱為互補。
所謂重疊是指需要進行能量分配變換時，某兩只能量分配開關在閉合/分斷過程中必須保證一定時間的閉合重疊。即是指本次能量分配的結束與行將調整分配的開始(變換動態(tài)過程)在時間上形成一定量的閉合重疊，即在開關轉換瞬間出現(xiàn)兩只開關同時閉合(不允許同時分斷)的短暫過程。
以重疊互補的時序關系對主、輔通道實行供電轉換最主要的優(yōu)點是在對主負荷的技術指標實現(xiàn)全面控制的同時，在電路無緩沖措施的條件下即可有效避免轉換造成的各類沖擊，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，亦不會對主負荷的能量供給效率產生不利影響。
四

圖1為串聯(lián)共負極隔離方式電路原理圖。D1-D4用于對發(fā)出的交流電量進行整流，D5負責單方向電量隔離。
圖2為串聯(lián)共正極隔離方式電路原理圖。D1-D4用于對發(fā)出的交流電量進行整流，D5負責單方向電量隔離。
圖3為串聯(lián)共負極隔離方式系統(tǒng)工作電路原理圖。
圖4為并聯(lián)全隔離方式電路原理圖。圖中DZ1-DZ4為主部分供電通道，DF1-DF4為輔部分供電通道。
圖5為并聯(lián)共負極隔離方式電路原理圖。圖中DZ1、DZ2為主部分正向供電通道，DF1、DF2為輔部分正向供電通道，D3、D4為共用通道。
圖6為并聯(lián)共正極隔離方式電路原理圖。圖中DZ3、DZ4為主部分負向供電通道，DF3、DF4為輔部分負向供電通道，D1、D2為共用通道。
圖7是一具體實施例。是全系統(tǒng)完全共負極電路的電原理圖。
圖8-10是用于進一步說明圖7控制關系的時序邏輯圖。
五具體實施例方式
具體實施例參見圖7。是全系統(tǒng)完全共負極電路的電原理圖。
框A是3相輸入共負極并聯(lián)隔離整流電路，D1-D3為主負荷提供整流后的直流電能，D4-D6為輔助負荷提供整流后的直流電能，D7-D9為共用整流器件。
框B是共負極主負荷及控制開關電路，ZZ是系統(tǒng)內優(yōu)先級最高的主負荷(一般是蓄電池組)，ZQ是主負荷控制開關晶體管。ZK是主負荷開關控制端，當ZK端出現(xiàn)對地導通信號時，ZQ閉合，ZZ獲得電能。ZC是主負荷狀態(tài)測量端，本原理圖測量輸入端ZC簡單表現(xiàn)為電壓測量，但對于復雜的系統(tǒng)，它實際還包含電流、溫度等其他物理量的測量。系統(tǒng)控制器將綜合參考多種輸入量之后確定將電能分配給主負荷還是輔助負荷。
框C是輔助負荷及控制開關電路(對于大型系統(tǒng)它代表1-N路優(yōu)先等級不同的輔助負荷群體，如加熱器、排風機等，同時具有N個負荷、N只控制管、N個控制端、N個測量端。每個輔助負荷與主負荷，單個輔助負荷之間，在進行能量供給轉換時均遵循互補重疊的原則)。FZ是輔助負荷，F(xiàn)Q是控制開關晶體管。FK是輔助負荷開關控制端，當FK端出現(xiàn)一對地導通信號時，F(xiàn)Q閉合，F(xiàn)Z獲得電能。FC是輔助負荷狀態(tài)測量端，本原理圖測量輸入端FC簡單表現(xiàn)為電壓測量，但它實際上因輔助負荷特性不同也可能是開關、電流、溫度等其他物理量。主控制器通過FC線掌握輔助負荷群的工作狀態(tài)并結合主負荷的情況最后決定將電能分配給主負荷或是輔助負荷中的那一路。
框D是系統(tǒng)控制器。簡單的系統(tǒng)控制器可以由線性及邏輯電路組成，功能復雜的控制器一般由傳感器、線性電路、邏輯電路及微型機算計組成。下面將以全系統(tǒng)共負極，只有主(蓄電池)、輔(泄荷電阻)2路負荷、單一對主負荷進行電壓測量的簡單系統(tǒng)說明其工作原理。參照圖7。
3相交流電經D1-D9整流后輸出并行的2路能量加至主、輔負荷開關管ZK、FK，主能量端同時對系統(tǒng)控制器供電。系統(tǒng)控制器通過測量端ZC測量ZZ端電壓(蓄電池電壓)，將可能出現(xiàn)兩種過程
①.當測得蓄電池電壓低于預定標準時，控制電路U由a腳通過R2輸出高電位信號給Q2，Q2導通經ZK、R輸出導通信號使ZQ閉合，主整流通道電能對蓄電池ZZ充電；略經延時(重疊部分)，控制電路U由b腳通過R1輸出低電位信號給Q1，Q1截止經FK、R輸出截止信號使FQ分斷，切斷泄荷通路。
②.當測得蓄電池電壓高于預定標準時，控制電路U由b腳通過R1輸出高電位信號給Q1，Q1導通經FK、R輸出導通信號使FQ閉合，輔助整流通道電能對泄荷負載FZ放電；略經延時(重疊部分)，控制電路U由a腳通過R2輸出低電位信號給Q2，Q2截止經ZK、R輸出截止信號使ZQ分斷，切斷充電通路。
簡單系統(tǒng)一般不需要輔助測量端FC，但要求泄功負荷具有較大的功率余量及可靠性。當有多個輔助負荷時，控制器需要根據(jù)優(yōu)先權的差異及具體負荷反饋回的信號作出相應的分配控制。
上述情況是以完全共負極的電路作出的單一控制循環(huán)描述，實際電路可以是完全共正極電路，也可以是隔離共正(或共負)、控制共負(或共正)等形態(tài)，并且是以周期方式無限循環(huán)下去的。無論何種形態(tài)，必須保證主、輔負荷間能量分配控制變換過程中的互補重疊關系。
圖8-10進一步說明圖7控制關系的邏輯時序。
當發(fā)電量低于主負荷用電量時，控制電路U之a點始終為高電位，b點始終為低電位，全部能量都分配給主負荷ZZ。
圖8顯示當發(fā)電量略高于主負荷用電量時，控制電路U之a、b兩點交替出現(xiàn)高電位，a長b短，大部分能量供給主負荷ZZ，小部分能量供給輔助負荷ZF。
圖9顯示當發(fā)電量中等高于主負荷用電量時，控制電路U之a、b兩點交替出現(xiàn)高電位，a、b近乎等長，能量近乎均勻供給主負荷ZZ和輔助負荷ZF。
圖10顯示當發(fā)電量大大高于主負荷用電量時，控制電路之a、b兩點交替出現(xiàn)高電位，a短b長，小部分能量供給主負荷ZZ，大部分能量供給輔助負荷ZF。
如果發(fā)電量繼續(xù)增加或主負荷已不可再吸取能量，就可能出現(xiàn)b點始終為高電位，a點始終為低電位的情況，全部能量都分配給輔助負荷FZ。
實際控制過程中，a、b兩路控制信號是以0-100％占空比的脈寬調制(PWM)形式出現(xiàn)的。時序圖中a、b點高電位的重疊部分(虛線內面積)即表示了互補變化過程中重疊的那一部分。
權利要求
1.一種電源輸入輸出控制裝置，它是由整流/隔離(對交流而言既整流又隔離，對直流而言單做隔離)器件D，主負荷控制開關ZK，輔助負荷控制開關組FK(FK0-FKN)及系統(tǒng)控制器U(可以是模擬、邏輯電路組成的簡單功能電路，也可以是加入微型機算計機組成的復雜功能電路)組成。其特征是先將輸入隔離劃分出多個并行的電能傳輸通道；再按負載性質區(qū)分、排列出主負荷、輔助負荷及控制標準及形式；由系統(tǒng)控制器決定在何時將能量分配給哪個負荷。能量分配及分配變換過程遵循互補、重疊兩項原則。
2.如權利要求1所述控制裝置輸入采用的并行整流/隔離方式不限于輸入電量之電壓、電流、頻率(交流、直流)、波形。
3.如權利要求1所述控制裝置輸入采用的并行整流/隔離方式不限于隔離出的通道數(shù)量。
4.如權利要求1所述控制裝置輸入采用的并行整流/隔離方式不限于共正、共負或完全隔離。
5.如權利要求1所述控制裝置對各輸出通道進行能量分配及分配變換時在時間順序上遵循的互補、重疊兩項原則是以多路重疊互補的調寬脈沖(PWM)實現(xiàn)的，PWM脈沖占空比范圍為0-100％，且其頻率不受確定值限制。
6.如權利要求5所述用于通道控制的PWM脈沖組之間重疊部分的多少是依具體通道之負荷的性質確定的，重疊時間的大小不受確定值限制。
7.如權利要求1所述控制裝置對各輸出通道之控制開關不限于是機械繼電器觸點還是有源器件組成的電子開關；不限于開關動作的周期、速度。
8.如權利要求7所述之控制開關不限于采用正極或負極控制。
9.如權利要求1所述控制裝置全系統(tǒng)不限于采用共負、共正或全隔離形式；不限于共負、共正或全隔離形式在系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)間的獨立靈活使用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電源輸入/輸出控制裝置和控制方法。主要用于離網型風力、光伏太陽能電站輸入控制及對各類負荷實現(xiàn)控壓、限流等功能。本裝置主要由整流、隔離器件D(D1－DN)，負荷控制開關K(ZK、FK1－FKN)，系統(tǒng)控制器U組成。首先由器件D以并行隔離方法將輸入能量分割為主、輔兩部分。之后由系統(tǒng)控制器U操作負荷控制開關K控制能量輸出的分配。本裝置以重疊互補的方式(原則)將輸入電能在多個負荷間進行合理的分配。本發(fā)明為制造高精度、高穩(wěn)定、高可靠、低成本、低干擾之離網型太陽能電站輸入控制器提供了簡便有效的方法。
文檔編號H02J7/35GK1466256SQ0212372
公開日2004年1月7日 申請日期2002年6月20日 優(yōu)先權日2002年6月20日
發(fā)明者夏秀英 申請人:夏秀英, 嵇陶