专利名称：并行隔离重叠互补型控制器及方法
技术领域：
本发明涉及一种电子线路，具体来说是一种电源输入/输出控制装置。用于离网型风力、光伏太阳能电站输入控制及对各类负荷实现控压、限流等功能的电源输入/输出控制器及方法。
二、技术背景离网型太阳能电站一般是采用蓄电池组来储存电能的。电站发出的电能如不及时使用或储存不但会造成浪费，而且可能会影响系统的稳定可靠运行。电站输出的电能应首先供给主负荷使用或将其储存(主负荷指系统设计时确定的主要目标负荷及储能蓄电池)。当电站发出的电能多到主负荷使用不完的程度时，应该由辅助负荷(辅助负荷指系统设计时确定的次要目标负荷及专为消耗电能设置的泄功负荷)将此部分能量加以利用或泄放掉。为保证使辅助负荷不会对主负荷中蓄电池之能量产生泄放，必须在主、辅负荷间形成一定程度的隔离。本控制器及方法即是为达到上述要求而设计的一种功能完善、稳定可靠又易于实现的控制方法。
一般控制器采用在直流侧串联硅元件的方式实现单向隔离。方法如图3所示(为简单起见以单相交流电源AC等效电站发电输出)。D1-D4用于对发出的交流电量进行整流，D5负责单方向电量隔离，防止主负荷ZZ部分内所含的蓄电池能量向发电方向传输(称为反灌)。FZ是简化后的受控调功器(辅助负荷)，它依据电站发电量情况及主负荷ZZ用电量情况自动调整分流泄放能量的多少来保障系统稳定工作。因隔离器件D5接于主负荷ZZ与辅助负荷FZ之间且与ZZ能量供给成串联关系，称之为串联隔离控制方法(图1为共负极隔离，图2为共正极隔离)。
串联型隔离控制方法有3方面缺陷①.隔离器件串接于主负荷供电通道并具有近似恒定的压降特性，会造成额外的能量损失及发热。系统额定电压与隔离器件恒定压降越接近，相对损耗越高。②.隔离程度较低，主、辅通道互相牵制难以满足控制指标更高、控制项目更复杂的使用场合。③.单纯以分流方式控制对主负荷的输出，只适合用于输入电源等效内阻较大，具有明显恒流特性的小型电站系统。串联隔离控制方法的最大优点是电路简单、成本低。
发明内容
本发明首先利用二极管的单向导电特性将输入能量分割成多个并行的隔离通道；对各个通道设置能量控制开关；不断对各通道实施电压、电流、温度等状态检测；根据检测结果按预定标准在各通道间进行电能分配转换。转换过程中各个能量控制开关的闭合/分断必须遵守重叠互补的时序原则。
本发明以并联隔离方式替代串联隔离方式。如图4-6所示的是并联隔离技术。隔离器件将输入电量自交流处分隔为并行的主、辅两部分。采用并联隔离具有3点明显优势。①.隔离损耗为零。②.具有更高的隔离效果，为进行完善精确的控制提供了必要前提。③.系统控制不依赖于供电输入的恒流特性，能满足大型电站的控制需求。
本发明以重叠互补的能量分配控制方法替代单一泄功的控制方法。
控制器以主部分为首要控制对象。具体讲，当有电能输入时，优先考虑将其提供给主部分(如蓄电池)，只有主部分不能接受的那部分能量(如蓄电池已经充满或供电电流超出额定值)才分配给辅助部分(如热水器、风机、泄功器等)，两者之间形成优先权不同的、相互隔离又相互关联的能量分配关系。需要调整分配时，控制器会操纵负荷开关以重叠互补的方式将能量进行合理的分配。
所谓互补是指每次能量只分配给某一个部分的负荷，电路始终保证有一只(只能是一只)负荷开关是开通的，保证电能始终有一条(只有一条)作功通路。主、辅部分交替获得能量称为互补。
所谓重叠是指需要进行能量分配变换时，某两只能量分配开关在闭合/分断过程中必须保证一定时间的闭合重叠。即是指本次能量分配的结束与行将调整分配的开始(变换动态过程)在时间上形成一定量的闭合重叠，即在开关转换瞬间出现两只开关同时闭合(不允许同时分断)的短暂过程。
以重叠互补的时序关系对主、辅通道实行供电转换最主要的优点是在对主负荷的技术指标实现全面控制的同时，在电路无缓冲措施的条件下即可有效避免转换造成的各类冲击，保证系统稳定工作，亦不会对主负荷的能量供给效率产生不利影响。
四
图1为串联共负极隔离方式电路原理图。D1-D4用于对发出的交流电量进行整流，D5负责单方向电量隔离。
图2为串联共正极隔离方式电路原理图。D1-D4用于对发出的交流电量进行整流，D5负责单方向电量隔离。
图3为串联共负极隔离方式系统工作电路原理图。
图4为并联全隔离方式电路原理图。图中DZ1-DZ4为主部分供电通道，DF1-DF4为辅部分供电通道。
图5为并联共负极隔离方式电路原理图。图中DZ1、DZ2为主部分正向供电通道，DF1、DF2为辅部分正向供电通道，D3、D4为共用通道。
图6为并联共正极隔离方式电路原理图。图中DZ3、DZ4为主部分负向供电通道，DF3、DF4为辅部分负向供电通道，D1、D2为共用通道。
图7是一具体实施例。是全系统完全共负极电路的电原理图。
图8-10是用于进一步说明图7控制关系的时序逻辑图。
五具体实施例方式
具体实施例参见图7。是全系统完全共负极电路的电原理图。
框A是3相输入共负极并联隔离整流电路，D1-D3为主负荷提供整流后的直流电能，D4-D6为辅助负荷提供整流后的直流电能，D7-D9为共用整流器件。
框B是共负极主负荷及控制开关电路，ZZ是系统内优先级最高的主负荷(一般是蓄电池组)，ZQ是主负荷控制开关晶体管。ZK是主负荷开关控制端，当ZK端出现对地导通信号时，ZQ闭合，ZZ获得电能。ZC是主负荷状态测量端，本原理图测量输入端ZC简单表现为电压测量，但对于复杂的系统，它实际还包含电流、温度等其他物理量的测量。系统控制器将综合参考多种输入量之后确定将电能分配给主负荷还是辅助负荷。
框C是辅助负荷及控制开关电路(对于大型系统它代表1-N路优先等级不同的辅助负荷群体，如加热器、排风机等，同时具有N个负荷、N只控制管、N个控制端、N个测量端。每个辅助负荷与主负荷，单个辅助负荷之间，在进行能量供给转换时均遵循互补重叠的原则)。FZ是辅助负荷，FQ是控制开关晶体管。FK是辅助负荷开关控制端，当FK端出现一对地导通信号时，FQ闭合，FZ获得电能。FC是辅助负荷状态测量端，本原理图测量输入端FC简单表现为电压测量，但它实际上因辅助负荷特性不同也可能是开关、电流、温度等其他物理量。主控制器通过FC线掌握辅助负荷群的工作状态并结合主负荷的情况最后决定将电能分配给主负荷或是辅助负荷中的那一路。
框D是系统控制器。简单的系统控制器可以由线性及逻辑电路组成，功能复杂的控制器一般由传感器、线性电路、逻辑电路及微型机算计组成。下面将以全系统共负极，只有主(蓄电池)、辅(泄荷电阻)2路负荷、单一对主负荷进行电压测量的简单系统说明其工作原理。参照图7。
3相交流电经D1-D9整流后输出并行的2路能量加至主、辅负荷开关管ZK、FK，主能量端同时对系统控制器供电。系统控制器通过测量端ZC测量ZZ端电压(蓄电池电压)，将可能出现两种过程
①.当测得蓄电池电压低于预定标准时，控制电路U由a脚通过R2输出高电位信号给Q2，Q2导通经ZK、R输出导通信号使ZQ闭合，主整流通道电能对蓄电池ZZ充电；略经延时(重叠部分)，控制电路U由b脚通过R1输出低电位信号给Q1，Q1截止经FK、R输出截止信号使FQ分断，切断泄荷通路。
②.当测得蓄电池电压高于预定标准时，控制电路U由b脚通过R1输出高电位信号给Q1，Q1导通经FK、R输出导通信号使FQ闭合，辅助整流通道电能对泄荷负载FZ放电；略经延时(重叠部分)，控制电路U由a脚通过R2输出低电位信号给Q2，Q2截止经ZK、R输出截止信号使ZQ分断，切断充电通路。
简单系统一般不需要辅助测量端FC，但要求泄功负荷具有较大的功率余量及可靠性。当有多个辅助负荷时，控制器需要根据优先权的差异及具体负荷反馈回的信号作出相应的分配控制。
上述情况是以完全共负极的电路作出的单一控制循环描述，实际电路可以是完全共正极电路，也可以是隔离共正(或共负)、控制共负(或共正)等形态，并且是以周期方式无限循环下去的。无论何种形态，必须保证主、辅负荷间能量分配控制变换过程中的互补重叠关系。
图8-10进一步说明图7控制关系的逻辑时序。
当发电量低于主负荷用电量时，控制电路U之a点始终为高电位，b点始终为低电位，全部能量都分配给主负荷ZZ。
图8显示当发电量略高于主负荷用电量时，控制电路U之a、b两点交替出现高电位，a长b短，大部分能量供给主负荷ZZ，小部分能量供给辅助负荷ZF。
图9显示当发电量中等高于主负荷用电量时，控制电路U之a、b两点交替出现高电位，a、b近乎等长，能量近乎均匀供给主负荷ZZ和辅助负荷ZF。
图10显示当发电量大大高于主负荷用电量时，控制电路之a、b两点交替出现高电位，a短b长，小部分能量供给主负荷ZZ，大部分能量供给辅助负荷ZF。
如果发电量继续增加或主负荷已不可再吸取能量，就可能出现b点始终为高电位，a点始终为低电位的情况，全部能量都分配给辅助负荷FZ。
实际控制过程中，a、b两路控制信号是以0-100％占空比的脉宽调制(PWM)形式出现的。时序图中a、b点高电位的重叠部分(虚线内面积)即表示了互补变化过程中重叠的那一部分。
权利要求
1.一种电源输入输出控制装置，它是由整流/隔离(对交流而言既整流又隔离，对直流而言单做隔离)器件D，主负荷控制开关ZK，辅助负荷控制开关组FK(FK0-FKN)及系统控制器U(可以是模拟、逻辑电路组成的简单功能电路，也可以是加入微型机算计机组成的复杂功能电路)组成。其特征是先将输入隔离划分出多个并行的电能传输通道；再按负载性质区分、排列出主负荷、辅助负荷及控制标准及形式；由系统控制器决定在何时将能量分配给哪个负荷。能量分配及分配变换过程遵循互补、重叠两项原则。
2.如权利要求1所述控制装置输入采用的并行整流/隔离方式不限于输入电量之电压、电流、频率(交流、直流)、波形。
3.如权利要求1所述控制装置输入采用的并行整流/隔离方式不限于隔离出的通道数量。
4.如权利要求1所述控制装置输入采用的并行整流/隔离方式不限于共正、共负或完全隔离。
5.如权利要求1所述控制装置对各输出通道进行能量分配及分配变换时在时间顺序上遵循的互补、重叠两项原则是以多路重叠互补的调宽脉冲(PWM)实现的，PWM脉冲占空比范围为0-100％，且其频率不受确定值限制。
6.如权利要求5所述用于通道控制的PWM脉冲组之间重叠部分的多少是依具体通道之负荷的性质确定的，重叠时间的大小不受确定值限制。
7.如权利要求1所述控制装置对各输出通道之控制开关不限于是机械继电器触点还是有源器件组成的电子开关；不限于开关动作的周期、速度。
8.如权利要求7所述之控制开关不限于采用正极或负极控制。
9.如权利要求1所述控制装置全系统不限于采用共负、共正或全隔离形式；不限于共负、共正或全隔离形式在系统各环节上，系统各环节间的独立灵活使用。
全文摘要
本发明公开了一种电源输入/输出控制装置和控制方法。主要用于离网型风力、光伏太阳能电站输入控制及对各类负荷实现控压、限流等功能。本装置主要由整流、隔离器件D(D1－DN)，负荷控制开关K(ZK、FK1－FKN)，系统控制器U组成。首先由器件D以并行隔离方法将输入能量分割为主、辅两部分。之后由系统控制器U操作负荷控制开关K控制能量输出的分配。本装置以重叠互补的方式(原则)将输入电能在多个负荷间进行合理的分配。本发明为制造高精度、高稳定、高可靠、低成本、低干扰之离网型太阳能电站输入控制器提供了简便有效的方法。
文档编号H02J7/35GK1466256SQ0212372
公开日2004年1月7日 申请日期2002年6月20日 优先权日2002年6月20日
发明者夏秀英 申请人:夏秀英, 嵇陶