一种移动式大功率高压电源的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种移动式大功率高压电源的控制方法（目标充电电压在1KV及W上），特别适用于电火花震源车的充电应用。
【背景技术】
[0002] 电火花震源是通过高压电容器放电对地质情况进行勘探的装置，其中高压电容器 电压设及的电压范围为1KV及W上，需要高压电源对其进行充电。最初采用的方法是将 220V或380V电网电压经工频变压器升压、整流后形成高压电源给高压电容器充电，后来发 展为采用高频开关变换技术，目的是减小工频变压器的体积。充电电源的初级能源一般是 电网电能、柴油发电机，但在山区，W上两种初级能源均受到限制。随着超级电容器技术的 发展，由超级电容器提供初始能源的方式成为可能，而且超级电容器可W分为小体积和重 量的模块，通过人力背到车辆难W到达的地区，使电火花震源在山区的应用成为可能。
[0003] 超级电容器组作为初始能源的充电系统有两种方式，一是超级电容器组与高频充 电电源组成充电系统，超级电容器组提供低压大电流，经高频充电电源变换成高压小电流 后给电容器充电；一种是由超级电容器组采用级联拓扑串联起来，直接输出高压给电容器 充电。在超级电容器组采用级联拓扑串联的充电系统中，当高压电容器容量较大时，则需要 加入很大电感量的限流电感才能将充电电流限制在高压电容器允许的充电电流之内。较 大的限流电感不仅引起损耗增加，且在工程实现上难度较大，体积也很大。为了避免该种情 况，简单的方法是将大容量高压电容器分成多组，分别进行充电，但该一方法须在每组高压 电容器输出端串联高压大电流开关，同样使得系统体积、成本增加，故障率增高。
[0004] 中国专利201010185126. 2公开了一种级联型逆变器的控制系统，重点是主控系 统的实现方式，未设及级联电路控制时序的控制方法。中国专利201210259287.0公开了 一种线性放大器高压级联装置及方法，重点是级联电路拓扑，未设及具体的控制控制方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是在基于超级电容器组的高压直流电源中，通过特定的控制方法， 使充电电源中的限流电感值减小，同时避免对高压电容器进行分组，W进一步缩小充电系 统体积和成本，提高充电电压精度，实现移动式应用。本发明可使使超级电容器级联高压电 源适合大容量高压电容器充电。
[0006] 本发明所基于的超级电容器级联高压充电电源包括5个组成部分；超级电容器组 级联系统、控制系统、限流电感和高压电容器；超级电容器组级联系统的高压输出端与限流 电感串联，限流电感的另一端连接高压电容器的高压极，高压电容器的低压极连接超级电 容器级联系统低压输出端。控制系统主要完成3个功能，一是输出超级电容器组级联系统 的控制信号，其输出的控制信号的数量与超级电容器级联系统的级数相同，控制系统输出 的控制信号端分别与超级电容器级联系统中的控制开关驱动端连接；二是通过高压分压器 实时监测高压电容器两端电压，高压分压器接在高压电容器的两端；=是通过电流互感器 实时监测充电电源输出的充电电流，电流互感器套在充电回路中。
[0007]本发明所述控制方法将超级电容器组级联电源的输出能量过程t分为N个周期， 即在充电时W能量包的形式分N次向高压电容器充电，N为大于等于1的整数。在每个周 期内，超级电容器组级联电源的输出电压与负载电压差保持不变，确保每个周期内能量包 的能量相同，高压电容器的电压W台阶方式上升。为了保证每级超级电容器组输出能量相 近，超级电容器组的级数设置为2N-1，控制系统对充电过程可分别进行正向和反向时序控 审IJ。超级电容器组级联电源的输出能量的N个周期、N次向高压电容器充电和超级电容器 组的级数设置2N-1中N的取值均相同。
[000引本发明的原理如下；首先定义充电电压电源将高压电容器电压提升至目标电压称 为完成一次充电任务。将超级电容器组级联电源的输出能量过程t，即高压电容器充满至 额定电压所规定的时间平均分为N个周期，根据t/N该一时间和高压电容器电容量，按照 去=刃VZT，良Pt/N等于半个串联i皆振周期计算限流电感数值，其中，L为限流电感值，C为 高压电容气的电容量；根据计算出的限流电感和电容器容量即可确定回路特征阻抗Z= (L/C)°^5;若电容器负载最高电压为U，则每级超级电容器组电压为^，用V表示，超级电 容器组输出电流峰值能力不小于;超级电容器组级联系统分为2N-1级，编号分 别为1、2、3……2N-1。按照编号顺序采取正向时序控制，分N次投入超级电容器组，每次投 入时，确保超级电容器组输出电压与高压电容器电压差为V。按照该一原理，假如第一个时 序投入超级电容器1组超级电容器，其输出电压为V，则根据串联谐振原理，在t/N时刻，高 压电容器上电压为2V，此时，第二次投入的超级电容器端电压需为2V，才能保证超级电容 器组输出电压与高压电容器电压差为V，即在t/N的第二个时序时刻，超级电容器组需再投 入第2、3组超级电容器组，此时，超级电容器组输出总的端电压为3V，与高压电容器的电压 差仍为V。依此类推，直至高压电容器电压达到目标电压，则完成本次充电任务。但是，由于 超级电容器组依次投入使用，先投入的超级电容器组工作时间长，所需容量大，后投入的超 级电容器组工作时间短，所需容量小，造成了超级电容器容量的不均衡，因此在给高压电容 器进行第二次充电任务时，可采用反向时序控制，即第一时序投入第2N-1个超级电容器组 输出电压，第二时序投入第2N-2和第2N-3个超级电容器组，依此类推，直到高压电容器电 压达到目标电压，则完成本次充电任务。通过上述两次的充电任务，超级电容器组的输出容 量相近。无论正向时序还是反向时序，超级电容器组投入的间隔时间均为t/N。
[0009]本发明控制方法如下：将超级电容器组级联系统的超级电容器分级，且每级超级 电容器电压相等；确定超级电容器分级后，控制系统控制第一级超级电容器输出电压，即相 当于由第一级超级电容器组形成的电压源在谐振状态对高压电容器充电，充电电流经过半 个谐振周期后变为0,此时高压电容器上电压为为单级超级电容器组电压的2倍；控制系统 控制第二级和第=级超级电容器组同时输出电压，此时超级电容器组级联系统输出总电压 为3倍的单级超级电容器组电压，与高压电容器电压之差仍为单级超级电容器组电压；在 相同的电压差下，充电电流峰值不变，重复上一次的充电过程。经过半个谐振周期后，高压 电容器上电压为为4倍单级超级电容器组电压，此时投入第四级和第五级超级电容器组， 超级电容器组级联系统输出总电压为5倍单级超级电容器组电压，与高压电容器电压差仍 然为单级超级电容器组电压，依此顺序重复，最终高压电容器达到目标充电电压，停止充 电，完成一次充电任务。在高压电容器放电完毕后的第二次对高压电容器的充电任务中，控 制系统控制最后一级超级电容器组输出电压，经过半个谐振周期后，高压电容器上电压为2 倍单级超级电容器组电压，此时控制倒数第二级和倒数第=级超级电容器组输出电压，依 此类推。
[0010] 本发明的积极效果是：
[0011] 1.该控制方法所需系统元器件少，故障率低。
[0012] 2.该控制方式下超级电容器组级联系统开关工作在零电流断开状态，即在充电电 流变为0后，超级电容器组级联系统开关才断开，有效降低开关两端电压尖峰和电磁干扰。
[0013] 3.在该控制方式下，限流电感的设计与超级电容器组输出电流能力、高压电容器 的容量、谐振周期有关，其中谐振周期可由设计者确定，使电感量的大小有了调整空间。
[0014] 4.该控制方式采用超级电容器组级联系统依次顺序投入的方式降低了超级电容 器组级联高压电源与高压电容器间的电压差，降低了充电电流，减小了超级电容器组输出 电流的压力，使参数设计更加符合目前超级电容器组技术发展水平。
[0015] 5.该控制方式下，大容量高压电容器不用分组进行充电，节省电容器分组中隔离 控制开关的体积和费用，使得充电系统性价比更高。
[0016] 6.该方法采用超级电容器组级联的构成直流源，实现了超大容量、超长使