一种储能型消磁模块、消磁电源及充放电控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种储能型消磁模块、消磁电源及充放电控制方法，消磁模块由充电控制单元、储能单元、后级恒流变换单元、电流换向单元、监控单元构成。消磁电源由多个消磁模块并联构成，多个储能型消磁模块共用一个监控单元。系统先给储能单元充电到额定电压，监控单元控制后级恒流变换单元对负载进行恒流脉冲放电，电流换向单元对电流正反向进行控制，控制系统根据上一个脉冲放电后储能单元中的剩余能量及后续脉冲能量总和进行充电控制，保持储能系统中有合适的剩余能量与电压，直到所有脉冲放电完成。
【专利说明】一种储能型消磁模块、消磁电源及充放电控制方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明属于舰船、轮船消磁领域，涉及一种储能型消磁模块、消磁电源与控制方法。
[0003]【背景技术】
[0004]地球是一个巨大的磁体，而钢铁是易被磁化的材料，钢铁建造的舰船或潜艇、轮船长期处于地球的磁场中，就会被磁化。只要舰船航行在海洋上，被磁化的舰船就必然要产生磁场，如果不消除这个磁场，被磁化的舰船很容易受到磁性水雷、鱼雷等武器攻击，或是成为磁性探测设备的目标。舰船本身有两个磁场，一个是感应磁场，这一磁场靠舰船上自消磁系统抵消；另一个是固定磁场，这一磁场则要靠消磁站或消磁船定期对其进行通电消除。
[0005]在舰船上安装消磁系统是舰船磁性防护的最有效手段。目的是预防敌方磁性武器攻击和磁性探测，提高舰船的生命力，舰船消磁系统主要由舰船内消磁绕组、消磁控制设备和消磁电源部分组成。消磁电源是消磁设备的功率放大装置，它按控制器输出的控制信号向舰船消磁绕组提供直流可控电流，是消磁设备的重要组成部分。
[0006]当前，舰船上的消磁系统往往采用实时电源，经过整流后以恒流的方式向消磁线圈提供方向交替变换，幅值逐步衰减的程控电流，其容量根据需要从几十到几百伏特，电流从几十到几万安培，功率瞬间可以达到兆瓦级，这就对实时电源提出了很高的要求，尤其在战时，如果实时电源不能达到所需的要求，舰船将不能有效消磁，也就容易受到磁性武器的威胁。
[0007]消磁站(船)是舰船消磁必不可少的设备，舰船要定期回到母港消磁站(船)进行大电流消磁处理，消磁站(船)的消磁瞬时功率可达到几十个兆瓦以上，对供电电源的要求很高，在特殊场合下，消磁站(船)由大功率柴油发电机供电，过大的供电功率显著增加了消磁站(船)的建造成本，甚至造成舰船不能有效消磁。
[0008]针对以上不足，提出一种通用化、系列化、模块化、数字化和可并联的储能消磁电源，降低消磁站(船)等供电电源容量要求，同时提高硬件可靠性，甚为必要。
[0009]
【发明内容】
[0010]技术问题:本发明提供一种适合不同功率等级电源系统，可实现系列化、通用化和组合化，便于扩容的储能型消磁模块，同时提供了一种采用上述消磁模块的储能型消磁电源，以及一种储能型消磁电源的充放电控制方法。
[0011]技术方案:本发明的储能型消磁模块，包括充电控制单元、储能单元、后级恒流变换单元、电流换向单元和监控单元，充电控制单元和储能单元的输出端同时与后级恒流变换单元的输入端连接，后级恒流变换单元的输出端与电流换向单元连接，监控单元分别与充电控制单元、储能单元、后级恒流变换单元和电流换向单元通信连接；后级恒流变换单元包括并联电压变换电路和输入滤波电容，电压变换电路为降压单元或升/降压单元。
[0012]本发明储能型消磁模块的一种优选方案中，电压变换电路为N路BUCK降压电路并联而成的降压单元，N路BUCK降压电路共用一个输出滤波电容。
[0013]本发明储能型消磁模块的一种优选方案中，电压变换电路为N路Buck-Boost升/降压电路并联而成的升/降压单元，N路Buck-Boost升/降压电路共用一个输出滤波电容。
[0014]本发明的储能型消磁模块中，电流换向单元包括两个独立的电流正反向开关，其中第一电流正反向开关设置在后级恒流变换单元正端与负载一端之间，第二电流正反向开关设置在后级恒流变换单元负端与负载另一端之间。
[0015]本发明的储能型消磁模块中，电流正反向开关采用机械开关方式或电子开关方式，在脉冲放电间隔期间进行零电流接通与关断。
[0016]本发明的一种储能型消磁电源，由多个上述储能型消磁模块并联而成，多个储能型消磁模块共用一个监控单元。
[0017]本发明的储能型消磁电源的充放电控制方法，包括如下步骤:
I)预充电阶段，充电控制单元向储能单元充电至额定电压；
2 )储能单元经后级恒流变换单元变换后，通过电流换向单元向负载放电，供电电源经充电控制单元的控制和后级恒流变换单元变换后，通过电流换向单元向负载放电，电流换向单元在脉冲放电间隔进行电流方向的切换，形成正负交替的脉冲电流，供电电源在脉冲放电间隔通过充电控制单元给储能单元充电；
3)后级恒流变换单元向负载提供的脉冲电流不断衰减，当储能单元的当前存忙能量大于后续脉冲能量总和时，在脉冲放电阶段，供电电源不再向负载放电，仅由储能单元向负载放电，在脉冲放电间隔，供电电源不再给储能单元充电。
[0018]本发明的储能型消磁电源的充放电控制方法中，步骤3)中的脉冲电流衰减方式为等差衰减或指数衰减。
[0019]本发明装置采用模块化的设计思想，利用超级电容能大量储能的特点，储能的超级电容组件设计为相同且独立的单元，连接成相互并联的结构，模块化的结构适合不同功率等级的电源系统，可以实现系列化，通用化和组合化，扩容非常方便；充电控制器单元与后级变换单元采用多相多重变换器结构，硬件具有冗余特性；根据特殊情况下的需求，通过控制系统控制使用的单元数，以弥补实时供电电源容量不足的缺陷；组合方式容易实现N+M冗余，大大提高系统整体的可靠性。
[0020]有益效果:本发明和现有技术相比，具有以下优点:
(I)本发明的后级变换器采用多组独立的多相多重变换器并联方式，现有消磁主要是工频变压器加可控硅整流方案，装置体积大，功率因数低，对电源供电容量要求大，而采用多组独立的多相多重变换器并联方式可有效提高系统可靠性；(2)本发明的电流换向单元采用机械开关方式或电子开关方式，因为脉冲间隔时间比较长，使用开关可以做到零电流接通与关断，如果机械开关的接触电阻足够小，可以提高效率，而其他消磁装置的电流换向单元普遍采用H桥方案，这种方案虽控制方便，但效率不高，可靠性也较低；(3)本发明的消磁模块可并联组成各个功率等级的消磁电源，灵活可靠；(4)本发明的储能系统采用超级电容为储能组件，可以充分发挥超级电容储能的优势，更为关键的是由于通过超级电容的储能，可以极大的降低对直流母线的容量要求。对于输出电流50-4000A连续可调、输出电压0-600VDC连续可调的消磁电源，如果没有超级电容，全部由直流母线供电方式，峰值功率高达2400kW，而通过超级电容储能，通过设计选用一定容量的超级电容，此时对直流母线仅需800kW的容量。
[0021]消磁电源由N+M个消磁模块并联构成，N为正常工作时消磁电源的消磁模块，M为冗余模块，根据消磁电源首脉冲电流大小，计算出容量合适的消磁模块，可组合成输出电压几千伏，输出电流几十万安培的消磁电源，适合于航空母舰、各类大小舰船、潜艇，商船的消磁系统。
[0022]
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明的储能型消磁模块的连接原理图；
图2为本发明的单个储能型消磁模块的原理框图；
图3为本发明的储能型消磁电源方案示意图；
图4为后级恒流变换器采用降压方式时需求供电功率与电容组数匹配关系图；
图5为本发明储能型消磁模块的6路BUCK电路交错并联实施例的电路图；
图6为典型消磁脉冲波形图。
[0024]【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
[0026]本发明的储能型消磁模块，包括充电控制单元1、储能单元2、后级恒流变换单元
3、电流换向单元4、监控单元5，充电控制单元I和储能单元2的输出端同时与后级恒流变换单元3的输入端连接，后级恒流变换单元3的输出端与电流换向单元4连接，监控单元5分别与充电控制单元1、储能单元2、后级恒流变换单元3和电流换向单元4通信连接；后级恒流变换单元3包括并联电压变换电路31和输入滤波电容Cl，电压变换电路31为降压单元或升/降压单元。电压变换电路31为N路BUCK降压电路并联而成的降压单元，N路BUCK降压电路共用一个输出滤波电容C2。
[0027]本发明的另一个实施例中，电压变换电路31为N路Buck-Boost升/降压电路并联而成的升/降压单元，N路Buck-Boost升/降压电路共用一个输出滤波电容C2。
[0028]本发明中，电流换向单元4包括两个独立的电流正反向开关，其中第一电流正反向开关41设置在后级恒流变换单元3正端与负载一端之间，第二电流正反向开关42设置在后级恒流变换单元3负端与负载另一端之间。电流正反向开关采用机械开关方式或电子开关方式，在脉冲放电间隔期间进行零电流接通与关断。
[0029]本发明的储能型消磁电源，由多个储能型消磁模块并联而成，多个储能型消磁模块共用一个监控单元5。
[0030]消磁波形见图6，总消磁脉冲个数已知为B个，每个消磁脉冲的电流大小、宽度已知,这样每个消磁脉冲的能量为已知。[0031]本发明的储能型消磁电源的充放电控制方法，包括如下步骤:
I)预充电阶段，充电控制单元向储能单元充电至额定电压；
2)储能单元2经后级恒流变换单元3变换后，通过电流换向单元4向负载放电，供电电源经充电控制单元I的控制和后级恒流变换单元3变换后，通过电流换向单元4向负载放电，电流换向单元4在脉冲放电间隔进行电流方向的切换，形成正负交替的脉冲电流，供电电源在脉冲放电间隔通过充电控制单元I给储能单元2充电；
3)后级恒流变换单元3向负载提供的脉冲电流不断衰减，通过检测超级电容上的电压，可计算出储能单元2的当前存贮能量，至第A个脉冲，储能单元2的当前存贮能量大于后续脉冲能量总和时，在脉冲放电阶段，供电电源不再向负载放电，仅由储能单元2向负载放电，在脉冲放电间隔，供电电源不再给储能单元2充电。
[0032]步骤3)中，判断储能单元2的当前存贮能量是否大于后续脉冲能量总和，是根据实时计算得到当前存贮能量，同时由于消磁脉冲个数在消磁前已确定，脉冲电流的大小、持续时间、均已知，这样每个消磁脉冲的能量是已知的，可以根据当前脉冲的次数与总消磁脉冲的个数确定后续脉冲能量总和，从而判断比较当前存贮能量与后续脉冲能量总和的大小。
[0033]上述控制方法中，步骤3)中的脉冲电流衰减方式为等差衰减或指数衰减。
[0034]实际设计的消磁电源根据需要达到的主要指标有:输出电流50-4000A连续可调；输出电压:直流0-600V连续可调；输出电流波形需是脉冲式正负交替。
[0035]基于以上设计需求，具体实施例1的方案如图2所示，
(I)供电电源:由外接电源经工频变压器后降压为线电压680V左右交流电，经不可控整流后，变为922V左右的直流电(按超级电容864V电压考虑)，形成直流母线；
(2 )给超级电容充电的充电器并联在直流母线上，充电控制器接受指令，进行指定方式的充电:恒流，恒压，恒功率或组合；
(3)充电控制器。充电控制器的作用有2个，第一是充电作用，首脉冲放电前充电器对超级电容进行充电至预定电压，脉冲放电间隔期间对超级电容进行充电；第二，在脉冲放电期间与超级电容共同对负载放电，形成脉冲电流，这样可以降低系统对超级电容数量的要求；
(4 )超级电容。超级电容的作用是贮能，与外接电源(电站)共同形成脉冲放电电流，利用脉冲放电的间歇性特点，降低系统对外接供电电源功率的要求；
(5)后级变换器与电流换向器。它的作用是将超级电容的能量与充电器供电的能量转换为电流恒定、时间可控、电流方向可控的脉冲，后级变换器本质是一个直流恒流变换装置，采用PWM控制方式，电流精度不低于1%，脉冲上升时间与下降时间不大于I秒；
(6)监控器。是整个系统的大脑，根据设定的脉冲电流大小、脉冲宽度、脉冲间隔时间、电流方向控制后级变换器、电流换向器的开关动作，控制充电器的充电电流与电容电压，监控器与充电控制器、后级变换器、电流换向器、电容均衡装置等优先使用CAN总线进行通f目。
[0036]整个系统中，有两个能量源向脉冲放电提供能量，一个是外接电源，一个是超级电容。由于脉冲放电能量总和是不变的，增加超级电容容量，就可以降低外接电源的功率；反之增大外接电源容量就可以降低超级电容的容量。[0037]如图2所示，每I组并联电容组成一个独立的消磁模块，每个独立的消磁模块配置独立的充电控制器，独立的后级变换器，后级变换器并联后向负载提供放电脉冲电流。
[0038]图3为单台消磁电源方案图，针对本实施例，每个消磁模块的电流按500A设计，采用10+2个模块并联后，可以提供最大5000A的脉冲电流；由不同数量的模块进行并联组合，便可以满足输出电流50-4000A连续可调的要求。
[0039]选用单体耐压2.7V容量为3000F的超级电容，用320个串联组成耐压864V的单个模组。图4为后级恒流变换器采用降压方式时需求供电功率与电容组数匹配关系图，分为电流等差衰减和电流指数衰减两种情况。从图中可以看出，电流等差衰减与指数衰减在供电功率较大时，电容组数相差不大，在供电功率较小时，两者数量差异很大。
[0040]图5为6个BUCK电路交错并联电路图，每组模块的后级变换器由6个BUCK电路交错并联组成，构成6相6重斩波电路，每个开关管电流100A，这个级别电流的开关管工作频率可以较高，6相6重斩波电路进一步降低对滤波电感的要求。
[0041]本系统采用了独特的补电式均衡，在充电时检测单体电容最大容量，打开大容量电容相对应的通道，进行优先补电式充电，在小容量电容充满的同时，保证大容量电容也能够同时充满电量。在放电时对单体容量较小者进行补充电，确保所有单体均能放出最大容量。
[0042]此外，系统中所有通信均采用CAN方式。由于增加系统的冗余或构成模块化的结构，形成大电流脉冲放电需要多个后级变换电路的并联，多个后级变换器的并联存在一个主要问题就是脉冲前后沿的同步问题。而CAN总线通信具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强等优点。本发明方案中，加上人机界面主控制器，传送的数据基本只有电流，占空比，启动与停止等少量数据，通信时间的延迟总体时间在毫秒级。
【权利要求】
1.一种储能型消磁模块，其特征在于，该模块包括充电控制单元(I)、储能单元(2)、后级恒流变换单元(3 )、电流换向单元(4 )和监控单元(5 )，所述充电控制单元(I)和储能单元(2)的输出端同时与后级恒流变换单元(3)的输入端连接，后级恒流变换单元(3)的输出端与电流换向单元(4)连接，监控单元(5)分别与充电控制单元(I)、储能单元(2)、后级恒流变换单元(3)和电流换向单元(4)通信连接；所述后级恒流变换单元(3)包括并联电压变换电路(31)和输入滤波电容(Cl)，所述电压变换电路(31)为降压单元或升/降压单元。
2.根据权利要求1所述的储能型消磁模块，其特征在于，所述电压变换电路(31)为N路BUCK降压电路并联而成的降压单元，所述N路BUCK降压电路共用一个输出滤波电容(C2)。
3.根据权利要求1所述的储能型消磁模块，其特征在于，所述电压变换电路(31)为N路Buck-Boost升/降压电路并联而成的升/降压单元，所述N路Buck-Boost升/降压电路共用一个输出滤波电容(C2 )。
4.根据权利要求1、2或3所述的储能型消磁模块，其特征在于，所述电流换向单元(4)包括两个独立的电流正反向开关，其中第一电流正反向开关(41)设置在后级恒流变换单元(3)正端与负载一端之间，第二电流正反向开关(42)设置在后级恒流变换单元(3)负端与负载另一端之间。
5.根据权利要求4所述的储能型消磁模块，其特征在于，所述电流正反向开关采用机械开关方式或电子开关方式，在脉冲放电间隔期间进行零电流接通与关断。
6.一种储能型消 磁电源，其特征在于，所述消磁电源由多个权利要求1、2、3、4或5所述储能型消磁模块并联而成，多个储能型消磁模块共用一个监控单元(5)。
7.一种储能型消磁电源的充放电控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: 1)预充电阶段，充电控制单元(I)向储能单元(2)充电至额定电压； 2)储能单元(2)经后级恒流变换单元(3)变换后，通过电流换向单元(4)向负载放电，供电电源经充电控制单元(I)的控制和后级恒流变换单元(3)变换后，通过电流换向单元(4)向负载放电，电流换向单元(4)在脉冲放电间隔进行电流方向的切换，形成正负交替的脉冲电流，供电电源在脉冲放电间隔通过充电控制单元(I)给储能单元(2 )充电； 3)后级恒流变换单元(3)向负载提供的脉冲电流不断衰减，当储能单元(2)的当前存贮能量大于后续脉冲能量总和时，在脉冲放电阶段，供电电源不再向负载放电，仅由储能单元(2)向负载放电，在脉冲放电间隔，供电电源不再给储能单元(2)充电。
8.根据权利要求7所述的一种储能消磁装置的充放电控制方法，其特征在于，所述步骤3)中的脉冲电流衰减方式为等差衰减或指数衰减。
【文档编号】B63G9/06GK103600823SQ201310576042
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】王念春, 吴晓玉 申请人:东南大学