[发明专利]感应取能式交直流联合供电系统与控制方法

权利要求书

1.一种感应取能式交直流联合供电方法，其特征在于：采用如下所述的感应取能式交直流联合供电系统，并且根据整流母线电压进行分区控制；

所述感应取能式交直流联合供电系统，包括主电路以及电源控制与能量管理系统；

主电路包括交流取电电路、主供电电路、充电电路、后备供电电路与支撑电容C1；所述交流取电电路包括用于从交流线路感应得到交流电流的取电CT，取电CT通过整流桥U1将交流电流转换为直流电流，并对整流母线的支撑电容C1充电以建立合适的直流工作电压，整流桥U1能够通过整流母线将转换后的直流电能输出给中间变换器U2；中间变换器U2再通过主供电电路向负载供电；所述主供电电路通过主开关Q2来切断或导通；充电电路包括串联连接的充电开关Q3与充电拓扑电路U3；后备供电电路包括后备储能装置U4与储能供电支路，所述储能供电支路一端与后备储能装置U4连接，另一端接入主开关Q2与负载之间；所述储能供电支路通过放电开关Q4来切断或导通；中间变换器U2通过充电电路为后备储能装置U4充电；

支撑电容C1正极端与整流母线连接，其负极端接电源系统参考地平面，整流母线电压随着支撑电容C1正极端电压的变化而变化，支撑电容C1正极端电压的变化随着其充放电过程的变化而变化；电源控制与能量管理系统包括整流母线电压采样电路；整流母线电压采样电路用于实时采样整流母线电压并送给电源控制与能量管理系统；所述整流母线电压能够反映取电CT的交流输入功率与负载及供电系统消耗功率的能量平衡关系；

电源控制与能量管理系统还包括采样信号输入模块、驱动信号输出模块与DC-DC主控制器；所述DC-DC主控制器能够通过采样信号输入模块实时获取整流母线电压采样电路采集的整流母线电压，再根据整流母线电压状态判断能量平衡关系，并根据不同的能量平衡关系选择相应的控制策略，同时产生能够满足相应控制策略的控制信号；DC-DC主控制器能够通过驱动信号输出模块分别向主开关Q2、充电开关Q3与放电开关Q4发送控制信号；

还包括设置在整流桥U1与支撑电容C1之间的泄放电路，所述泄放电路包括串联在整流母线上的二极管D1以及并联在二极管D1前端的泄放开关Q1；泄放开关Q1一端连接二极管D1的阳极，另一端与电源系统参考地平面连接，可以使整流桥U1输出的多余电流能够通过泄放开关Q1回流至取电CT，避免因支撑电容C1过充电而造成整流母线过压；

整流母线电压取样电路的取样点位于二极管D1与中间变换器U2之间；

电源控制与能量管理系统还包括AC-DC主控制器，AC-DC主控制器能够通过采样信号输入模块实时获取整流母线电压采样电路采集的整流母线电压；AC-DC主控制器能够判断整流母线电压是否超过安全阈值，并生成相应的PWM控制信号，再通过驱动信号输出模块向泄放开关Q1的门极发送PWM驱动电平；

电源控制与能量管理系统通过1#辅助电源从主供电电路或后备储能装置U4取电；所述充电开关Q3包括与其并联的反向二极管，使得充电开关Q3断开时，后备储能装置U4能够通过充电拓扑电路U3和反向二极管输出反向电流供给1#辅助电源；主供电电路还包括二极管D2与输出变换器U5，二极管D2串联在中间变换器U2与主开关Q2之间，输出变换器U5串联在主开关Q2与负载之间；二极管D2的阳极与中间变换器U2输出端连接，二极管D2的阴极与主开关Q2连接；1#辅助电源中为AC-DC主控制器供电的部分由P1输入端与二极管D2的阳极连接，并只能从主供电电路取电；1#辅助电源中为DC-DC主控制器供电的部分由P2输入端与二极管D2的阴极连接，当主供电电路正常工作时优先供电，而主供电电路不工作时由后备储能装置U4的反向电流供电；

当整流母线电压V_BUS处于1#区间时，表明取电CT的交流输入功率小于或等于负载及供电系统消耗功率之和，DC-DC主控制器执行主开关Q2与放电开关Q4的协调控制，通过切换不同的供电模式以实现对负载的不间断供电；供电模式包括交流供电、直流供电与交替供电；所述交流供电是指闭合主开关Q2并断开放电开关Q4，交流取电电路通过主供电电路向负载供电；所述直流供电是指闭合放电开关Q4并断开主开关Q2，后备供电电路为负载供电；所述交替供电是指交流供电与直流供电进行交替切换运行；

当整流母线电压V_BUS处于2#区间时，表明取电CT的交流输入功率大于负载及供电系统消耗功率，在保持交流供电模式为负载供电的同时，DC-DC主控制器控制充电开关Q3以对后备储能装置U4进行充电过程的控制；

整流母线电压的3#区间为2#区间的子区间，当整流母线电压V_BUS处于3#区间时，表明整流母线电压V_BUS超过整流母线电压安全阈值，在保持交流供电模式为负载供电以及DC-DC主控制器控制充电开关Q3以对后备储能装置U4进行充电过程的控制的同时，AC-DC主控制器控制泄放开关Q1以通过泄放电路对取电CT输出的多余电流进行泄放，从而保证整个电源系统的安全；

1#区间为[0,V_s5off]，并包括以下子区间：中间变换器U2的迟滞区间[V_s2off,V_s2on]与供电模式切换迟滞区间[V_s3off,V_s3on]；中间变换器U2的启动条件为V_BUS≥V_s2on，中间变换器U2的关闭条件为V_BUS≤V_s2off；供电模式切换的交流供电触发条件为V_BUS≥V_s3on，供电模式切换的直流供电触发条件为V_BUS≤V_s3off；并且V_s3off＞V_s2on；

当V_BUS＜V_s2on时，不满足中间变换器U2的启动条件，采用直流供电模式，即由后备供电电路为负载供电，放电开关Q4处于闭合状态且主开关Q2和充电开关Q3处于断开状态，而DC-DC主控制器由后备储能装置U4经充电拓扑电路U3和充电开关Q3的反向并联二极管提供的反向电流供电；

当V_s2on≤V_BUS＜V_s3on时，中间变换器U2正常工作，由于充电开关Q3的反向并联二极管处于截止状态，此时后备储能装置U4不能输出反向电流，而1#辅助电源分别通过P1输入端和P2输入端从主供电电路获取电能向AC-DC主控制器和DC-DC主控制器供电，由于未触发交流供电模式，所以依旧采用直流供电模式为负载供电；

当V_BUS≥V_s3on时，开始触发交流供电模式，此时闭合主开关Q2并断开放电开关Q4，即由主供电电路为负载供电；若交流输入功率不能完全满足负载消耗的需求，则整流母线电压V_BUS呈下降趋势，直到V_BUS≤V_s3off时将触发直流供电模式，并立刻切换为直流供电模式；但是由于交流输入功率对整流母线的支撑电容C1继续充电，整流母线电压将重新回到V_BUS≥V_s3on的状态，并再次触发交流供电模式；因此，若交流输入功率不能完全满足负载消耗的需求，这种供电模式切换会循环进行，相当于取电CT和后备储能装置U4交替为负载供电；而当交流输入功率过低时，由于整流母线电压不能被充电至V_BUS≥V_s3on，所以不能触发交流供电模式而一直保持直流供电模式；当交流输入功率大于等于负载消耗的需求时，整流母线电压将保持稳定在V_BUS≥V_s3off的区间，即可以维持交流供电模式而不触发直流供电模式。