一種儲能型消磁模塊、消磁電源及充放電控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種儲能型消磁模塊、消磁電源及充放電控制方法，消磁模塊由充電控制單元、儲能單元、后級恒流變換單元、電流換向單元、監(jiān)控單元構(gòu)成。消磁電源由多個消磁模塊并聯(lián)構(gòu)成，多個儲能型消磁模塊共用一個監(jiān)控單元。系統(tǒng)先給儲能單元充電到額定電壓，監(jiān)控單元控制后級恒流變換單元對負(fù)載進行恒流脈沖放電，電流換向單元對電流正反向進行控制，控制系統(tǒng)根據(jù)上一個脈沖放電后儲能單元中的剩余能量及后續(xù)脈沖能量總和進行充電控制，保持儲能系統(tǒng)中有合適的剩余能量與電壓，直到所有脈沖放電完成。
【專利說明】一種儲能型消磁模塊、消磁電源及充放電控制方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于艦船、輪船消磁領(lǐng)域，涉及一種儲能型消磁模塊、消磁電源與控制方法。
[0003]【背景技術(shù)】
[0004]地球是一個巨大的磁體，而鋼鐵是易被磁化的材料，鋼鐵建造的艦船或潛艇、輪船長期處于地球的磁場中，就會被磁化。只要艦船航行在海洋上，被磁化的艦船就必然要產(chǎn)生磁場，如果不消除這個磁場，被磁化的艦船很容易受到磁性水雷、魚雷等武器攻擊，或是成為磁性探測設(shè)備的目標(biāo)。艦船本身有兩個磁場，一個是感應(yīng)磁場，這一磁場靠艦船上自消磁系統(tǒng)抵消；另一個是固定磁場，這一磁場則要靠消磁站或消磁船定期對其進行通電消除。
[0005]在艦船上安裝消磁系統(tǒng)是艦船磁性防護的最有效手段。目的是預(yù)防敵方磁性武器攻擊和磁性探測，提高艦船的生命力，艦船消磁系統(tǒng)主要由艦船內(nèi)消磁繞組、消磁控制設(shè)備和消磁電源部分組成。消磁電源是消磁設(shè)備的功率放大裝置，它按控制器輸出的控制信號向艦船消磁繞組提供直流可控電流，是消磁設(shè)備的重要組成部分。
[0006]當(dāng)前，艦船上的消磁系統(tǒng)往往采用實時電源，經(jīng)過整流后以恒流的方式向消磁線圈提供方向交替變換，幅值逐步衰減的程控電流，其容量根據(jù)需要從幾十到幾百伏特，電流從幾十到幾萬安培，功率瞬間可以達到兆瓦級，這就對實時電源提出了很高的要求，尤其在戰(zhàn)時，如果實時電源不能達到所需的要求，艦船將不能有效消磁，也就容易受到磁性武器的威脅。
[0007]消磁站(船)是艦船消磁必不可少的設(shè)備，艦船要定期回到母港消磁站(船)進行大電流消磁處理，消磁站(船)的消磁瞬時功率可達到幾十個兆瓦以上，對供電電源的要求很高，在特殊場合下，消磁站(船)由大功率柴油發(fā)電機供電，過大的供電功率顯著增加了消磁站(船)的建造成本，甚至造成艦船不能有效消磁。
[0008]針對以上不足，提出一種通用化、系列化、模塊化、數(shù)字化和可并聯(lián)的儲能消磁電源，降低消磁站(船)等供電電源容量要求，同時提高硬件可靠性，甚為必要。
[0009]
【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]技術(shù)問題:本發(fā)明提供一種適合不同功率等級電源系統(tǒng)，可實現(xiàn)系列化、通用化和組合化，便于擴容的儲能型消磁模塊，同時提供了一種采用上述消磁模塊的儲能型消磁電源，以及一種儲能型消磁電源的充放電控制方法。
[0011]技術(shù)方案:本發(fā)明的儲能型消磁模塊，包括充電控制單元、儲能單元、后級恒流變換單元、電流換向單元和監(jiān)控單元，充電控制單元和儲能單元的輸出端同時與后級恒流變換單元的輸入端連接，后級恒流變換單元的輸出端與電流換向單元連接，監(jiān)控單元分別與充電控制單元、儲能單元、后級恒流變換單元和電流換向單元通信連接；后級恒流變換單元包括并聯(lián)電壓變換電路和輸入濾波電容，電壓變換電路為降壓單元或升/降壓單元。
[0012]本發(fā)明儲能型消磁模塊的一種優(yōu)選方案中，電壓變換電路為N路BUCK降壓電路并聯(lián)而成的降壓單元，N路BUCK降壓電路共用一個輸出濾波電容。
[0013]本發(fā)明儲能型消磁模塊的一種優(yōu)選方案中，電壓變換電路為N路Buck-Boost升/降壓電路并聯(lián)而成的升/降壓單元，N路Buck-Boost升/降壓電路共用一個輸出濾波電容。
[0014]本發(fā)明的儲能型消磁模塊中，電流換向單元包括兩個獨立的電流正反向開關(guān)，其中第一電流正反向開關(guān)設(shè)置在后級恒流變換單元正端與負(fù)載一端之間，第二電流正反向開關(guān)設(shè)置在后級恒流變換單元負(fù)端與負(fù)載另一端之間。
[0015]本發(fā)明的儲能型消磁模塊中，電流正反向開關(guān)采用機械開關(guān)方式或電子開關(guān)方式，在脈沖放電間隔期間進行零電流接通與關(guān)斷。
[0016]本發(fā)明的一種儲能型消磁電源，由多個上述儲能型消磁模塊并聯(lián)而成，多個儲能型消磁模塊共用一個監(jiān)控單元。
[0017]本發(fā)明的儲能型消磁電源的充放電控制方法，包括如下步驟:
I)預(yù)充電階段，充電控制單元向儲能單元充電至額定電壓；
2 )儲能單元經(jīng)后級恒流變換單元變換后，通過電流換向單元向負(fù)載放電，供電電源經(jīng)充電控制單元的控制和后級恒流變換單元變換后，通過電流換向單元向負(fù)載放電，電流換向單元在脈沖放電間隔進行電流方向的切換，形成正負(fù)交替的脈沖電流，供電電源在脈沖放電間隔通過充電控制單元給儲能單元充電；
3)后級恒流變換單元向負(fù)載提供的脈沖電流不斷衰減，當(dāng)儲能單元的當(dāng)前存忙能量大于后續(xù)脈沖能量總和時，在脈沖放電階段，供電電源不再向負(fù)載放電，僅由儲能單元向負(fù)載放電，在脈沖放電間隔，供電電源不再給儲能單元充電。
[0018]本發(fā)明的儲能型消磁電源的充放電控制方法中，步驟3)中的脈沖電流衰減方式為等差衰減或指數(shù)衰減。
[0019]本發(fā)明裝置采用模塊化的設(shè)計思想，利用超級電容能大量儲能的特點，儲能的超級電容組件設(shè)計為相同且獨立的單元，連接成相互并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，模塊化的結(jié)構(gòu)適合不同功率等級的電源系統(tǒng)，可以實現(xiàn)系列化，通用化和組合化，擴容非常方便；充電控制器單元與后級變換單元采用多相多重變換器結(jié)構(gòu)，硬件具有冗余特性；根據(jù)特殊情況下的需求，通過控制系統(tǒng)控制使用的單元數(shù)，以彌補實時供電電源容量不足的缺陷；組合方式容易實現(xiàn)N+M冗余，大大提高系統(tǒng)整體的可靠性。
[0020]有益效果:本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:
(I)本發(fā)明的后級變換器采用多組獨立的多相多重變換器并聯(lián)方式，現(xiàn)有消磁主要是工頻變壓器加可控硅整流方案，裝置體積大，功率因數(shù)低，對電源供電容量要求大，而采用多組獨立的多相多重變換器并聯(lián)方式可有效提高系統(tǒng)可靠性；(2)本發(fā)明的電流換向單元采用機械開關(guān)方式或電子開關(guān)方式，因為脈沖間隔時間比較長，使用開關(guān)可以做到零電流接通與關(guān)斷，如果機械開關(guān)的接觸電阻足夠小，可以提高效率，而其他消磁裝置的電流換向單元普遍采用H橋方案，這種方案雖控制方便，但效率不高，可靠性也較低；(3)本發(fā)明的消磁模塊可并聯(lián)組成各個功率等級的消磁電源，靈活可靠；(4)本發(fā)明的儲能系統(tǒng)采用超級電容為儲能組件，可以充分發(fā)揮超級電容儲能的優(yōu)勢，更為關(guān)鍵的是由于通過超級電容的儲能，可以極大的降低對直流母線的容量要求。對于輸出電流50-4000A連續(xù)可調(diào)、輸出電壓0-600VDC連續(xù)可調(diào)的消磁電源，如果沒有超級電容，全部由直流母線供電方式，峰值功率高達2400kW，而通過超級電容儲能，通過設(shè)計選用一定容量的超級電容，此時對直流母線僅需800kW的容量。
[0021]消磁電源由N+M個消磁模塊并聯(lián)構(gòu)成，N為正常工作時消磁電源的消磁模塊，M為冗余模塊，根據(jù)消磁電源首脈沖電流大小，計算出容量合適的消磁模塊，可組合成輸出電壓幾千伏，輸出電流幾十萬安培的消磁電源，適合于航空母艦、各類大小艦船、潛艇，商船的消磁系統(tǒng)。
[0022]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的儲能型消磁模塊的連接原理圖；
圖2為本發(fā)明的單個儲能型消磁模塊的原理框圖；
圖3為本發(fā)明的儲能型消磁電源方案示意圖；
圖4為后級恒流變換器采用降壓方式時需求供電功率與電容組數(shù)匹配關(guān)系圖；
圖5為本發(fā)明儲能型消磁模塊的6路BUCK電路交錯并聯(lián)實施例的電路圖；
圖6為典型消磁脈沖波形圖。
[0024]【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的具體說明。
[0026]本發(fā)明的儲能型消磁模塊，包括充電控制單元1、儲能單元2、后級恒流變換單元
3、電流換向單元4、監(jiān)控單元5，充電控制單元I和儲能單元2的輸出端同時與后級恒流變換單元3的輸入端連接，后級恒流變換單元3的輸出端與電流換向單元4連接，監(jiān)控單元5分別與充電控制單元1、儲能單元2、后級恒流變換單元3和電流換向單元4通信連接；后級恒流變換單元3包括并聯(lián)電壓變換電路31和輸入濾波電容Cl，電壓變換電路31為降壓單元或升/降壓單元。電壓變換電路31為N路BUCK降壓電路并聯(lián)而成的降壓單元，N路BUCK降壓電路共用一個輸出濾波電容C2。
[0027]本發(fā)明的另一個實施例中，電壓變換電路31為N路Buck-Boost升/降壓電路并聯(lián)而成的升/降壓單元，N路Buck-Boost升/降壓電路共用一個輸出濾波電容C2。
[0028]本發(fā)明中，電流換向單元4包括兩個獨立的電流正反向開關(guān)，其中第一電流正反向開關(guān)41設(shè)置在后級恒流變換單元3正端與負(fù)載一端之間，第二電流正反向開關(guān)42設(shè)置在后級恒流變換單元3負(fù)端與負(fù)載另一端之間。電流正反向開關(guān)采用機械開關(guān)方式或電子開關(guān)方式，在脈沖放電間隔期間進行零電流接通與關(guān)斷。
[0029]本發(fā)明的儲能型消磁電源，由多個儲能型消磁模塊并聯(lián)而成，多個儲能型消磁模塊共用一個監(jiān)控單元5。
[0030]消磁波形見圖6，總消磁脈沖個數(shù)已知為B個，每個消磁脈沖的電流大小、寬度已知,這樣每個消磁脈沖的能量為已知。[0031]本發(fā)明的儲能型消磁電源的充放電控制方法，包括如下步驟:
I)預(yù)充電階段，充電控制單元向儲能單元充電至額定電壓；
2)儲能單元2經(jīng)后級恒流變換單元3變換后，通過電流換向單元4向負(fù)載放電，供電電源經(jīng)充電控制單元I的控制和后級恒流變換單元3變換后，通過電流換向單元4向負(fù)載放電，電流換向單元4在脈沖放電間隔進行電流方向的切換，形成正負(fù)交替的脈沖電流，供電電源在脈沖放電間隔通過充電控制單元I給儲能單元2充電；
3)后級恒流變換單元3向負(fù)載提供的脈沖電流不斷衰減，通過檢測超級電容上的電壓，可計算出儲能單元2的當(dāng)前存貯能量，至第A個脈沖，儲能單元2的當(dāng)前存貯能量大于后續(xù)脈沖能量總和時，在脈沖放電階段，供電電源不再向負(fù)載放電，僅由儲能單元2向負(fù)載放電，在脈沖放電間隔，供電電源不再給儲能單元2充電。
[0032]步驟3)中，判斷儲能單元2的當(dāng)前存貯能量是否大于后續(xù)脈沖能量總和，是根據(jù)實時計算得到當(dāng)前存貯能量，同時由于消磁脈沖個數(shù)在消磁前已確定，脈沖電流的大小、持續(xù)時間、均已知，這樣每個消磁脈沖的能量是已知的，可以根據(jù)當(dāng)前脈沖的次數(shù)與總消磁脈沖的個數(shù)確定后續(xù)脈沖能量總和，從而判斷比較當(dāng)前存貯能量與后續(xù)脈沖能量總和的大小。
[0033]上述控制方法中，步驟3)中的脈沖電流衰減方式為等差衰減或指數(shù)衰減。
[0034]實際設(shè)計的消磁電源根據(jù)需要達到的主要指標(biāo)有:輸出電流50-4000A連續(xù)可調(diào)；輸出電壓:直流0-600V連續(xù)可調(diào)；輸出電流波形需是脈沖式正負(fù)交替。
[0035]基于以上設(shè)計需求，具體實施例1的方案如圖2所示，
(I)供電電源:由外接電源經(jīng)工頻變壓器后降壓為線電壓680V左右交流電，經(jīng)不可控整流后，變?yōu)?22V左右的直流電(按超級電容864V電壓考慮)，形成直流母線；
(2 )給超級電容充電的充電器并聯(lián)在直流母線上，充電控制器接受指令，進行指定方式的充電:恒流，恒壓，恒功率或組合；
(3)充電控制器。充電控制器的作用有2個，第一是充電作用，首脈沖放電前充電器對超級電容進行充電至預(yù)定電壓，脈沖放電間隔期間對超級電容進行充電；第二，在脈沖放電期間與超級電容共同對負(fù)載放電，形成脈沖電流，這樣可以降低系統(tǒng)對超級電容數(shù)量的要求；
(4 )超級電容。超級電容的作用是貯能，與外接電源(電站)共同形成脈沖放電電流，利用脈沖放電的間歇性特點，降低系統(tǒng)對外接供電電源功率的要求；
(5)后級變換器與電流換向器。它的作用是將超級電容的能量與充電器供電的能量轉(zhuǎn)換為電流恒定、時間可控、電流方向可控的脈沖，后級變換器本質(zhì)是一個直流恒流變換裝置，采用PWM控制方式，電流精度不低于1%，脈沖上升時間與下降時間不大于I秒；
(6)監(jiān)控器。是整個系統(tǒng)的大腦，根據(jù)設(shè)定的脈沖電流大小、脈沖寬度、脈沖間隔時間、電流方向控制后級變換器、電流換向器的開關(guān)動作，控制充電器的充電電流與電容電壓，監(jiān)控器與充電控制器、后級變換器、電流換向器、電容均衡裝置等優(yōu)先使用CAN總線進行通f目。
[0036]整個系統(tǒng)中，有兩個能量源向脈沖放電提供能量，一個是外接電源，一個是超級電容。由于脈沖放電能量總和是不變的，增加超級電容容量，就可以降低外接電源的功率；反之增大外接電源容量就可以降低超級電容的容量。[0037]如圖2所示，每I組并聯(lián)電容組成一個獨立的消磁模塊，每個獨立的消磁模塊配置獨立的充電控制器，獨立的后級變換器，后級變換器并聯(lián)后向負(fù)載提供放電脈沖電流。
[0038]圖3為單臺消磁電源方案圖，針對本實施例，每個消磁模塊的電流按500A設(shè)計，采用10+2個模塊并聯(lián)后，可以提供最大5000A的脈沖電流；由不同數(shù)量的模塊進行并聯(lián)組合，便可以滿足輸出電流50-4000A連續(xù)可調(diào)的要求。
[0039]選用單體耐壓2.7V容量為3000F的超級電容，用320個串聯(lián)組成耐壓864V的單個模組。圖4為后級恒流變換器采用降壓方式時需求供電功率與電容組數(shù)匹配關(guān)系圖，分為電流等差衰減和電流指數(shù)衰減兩種情況。從圖中可以看出，電流等差衰減與指數(shù)衰減在供電功率較大時，電容組數(shù)相差不大，在供電功率較小時，兩者數(shù)量差異很大。
[0040]圖5為6個BUCK電路交錯并聯(lián)電路圖，每組模塊的后級變換器由6個BUCK電路交錯并聯(lián)組成，構(gòu)成6相6重斬波電路，每個開關(guān)管電流100A，這個級別電流的開關(guān)管工作頻率可以較高，6相6重斬波電路進一步降低對濾波電感的要求。
[0041]本系統(tǒng)采用了獨特的補電式均衡，在充電時檢測單體電容最大容量，打開大容量電容相對應(yīng)的通道，進行優(yōu)先補電式充電，在小容量電容充滿的同時，保證大容量電容也能夠同時充滿電量。在放電時對單體容量較小者進行補充電，確保所有單體均能放出最大容量。
[0042]此外，系統(tǒng)中所有通信均采用CAN方式。由于增加系統(tǒng)的冗余或構(gòu)成模塊化的結(jié)構(gòu)，形成大電流脈沖放電需要多個后級變換電路的并聯(lián)，多個后級變換器的并聯(lián)存在一個主要問題就是脈沖前后沿的同步問題。而CAN總線通信具有實時性強、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點。本發(fā)明方案中，加上人機界面主控制器，傳送的數(shù)據(jù)基本只有電流，占空比，啟動與停止等少量數(shù)據(jù)，通信時間的延遲總體時間在毫秒級。
【權(quán)利要求】
1.一種儲能型消磁模塊，其特征在于，該模塊包括充電控制單元(I)、儲能單元(2)、后級恒流變換單元(3 )、電流換向單元(4 )和監(jiān)控單元(5 )，所述充電控制單元(I)和儲能單元(2)的輸出端同時與后級恒流變換單元(3)的輸入端連接，后級恒流變換單元(3)的輸出端與電流換向單元(4)連接，監(jiān)控單元(5)分別與充電控制單元(I)、儲能單元(2)、后級恒流變換單元(3)和電流換向單元(4)通信連接；所述后級恒流變換單元(3)包括并聯(lián)電壓變換電路(31)和輸入濾波電容(Cl)，所述電壓變換電路(31)為降壓單元或升/降壓單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲能型消磁模塊，其特征在于，所述電壓變換電路(31)為N路BUCK降壓電路并聯(lián)而成的降壓單元，所述N路BUCK降壓電路共用一個輸出濾波電容(C2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲能型消磁模塊，其特征在于，所述電壓變換電路(31)為N路Buck-Boost升/降壓電路并聯(lián)而成的升/降壓單元，所述N路Buck-Boost升/降壓電路共用一個輸出濾波電容(C2 )。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的儲能型消磁模塊，其特征在于，所述電流換向單元(4)包括兩個獨立的電流正反向開關(guān)，其中第一電流正反向開關(guān)(41)設(shè)置在后級恒流變換單元(3)正端與負(fù)載一端之間，第二電流正反向開關(guān)(42)設(shè)置在后級恒流變換單元(3)負(fù)端與負(fù)載另一端之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的儲能型消磁模塊，其特征在于，所述電流正反向開關(guān)采用機械開關(guān)方式或電子開關(guān)方式，在脈沖放電間隔期間進行零電流接通與關(guān)斷。
6.一種儲能型消 磁電源，其特征在于，所述消磁電源由多個權(quán)利要求1、2、3、4或5所述儲能型消磁模塊并聯(lián)而成，多個儲能型消磁模塊共用一個監(jiān)控單元(5)。
7.一種儲能型消磁電源的充放電控制方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: 1)預(yù)充電階段，充電控制單元(I)向儲能單元(2)充電至額定電壓； 2)儲能單元(2)經(jīng)后級恒流變換單元(3)變換后，通過電流換向單元(4)向負(fù)載放電，供電電源經(jīng)充電控制單元(I)的控制和后級恒流變換單元(3)變換后，通過電流換向單元(4)向負(fù)載放電，電流換向單元(4)在脈沖放電間隔進行電流方向的切換，形成正負(fù)交替的脈沖電流，供電電源在脈沖放電間隔通過充電控制單元(I)給儲能單元(2 )充電； 3)后級恒流變換單元(3)向負(fù)載提供的脈沖電流不斷衰減，當(dāng)儲能單元(2)的當(dāng)前存貯能量大于后續(xù)脈沖能量總和時，在脈沖放電階段，供電電源不再向負(fù)載放電，僅由儲能單元(2)向負(fù)載放電，在脈沖放電間隔，供電電源不再給儲能單元(2)充電。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種儲能消磁裝置的充放電控制方法，其特征在于，所述步驟3)中的脈沖電流衰減方式為等差衰減或指數(shù)衰減。
【文檔編號】B63G9/06GK103600823SQ201310576042
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月18日
【發(fā)明者】王念春, 吳曉玉 申請人:東南大學(xué)