基于軟件可配置電源模塊的智能直流電源管理系統

羅 真

（國能浙江寧海發電有限公司）

0 引言

智能直流電源管理系統基于軟件可配置電源模塊，通過自動化管理和控制，提高了直流電源的效率和可靠性。它在各種領域都具有廣泛的應用前景，并能夠為用戶帶來更加便捷和高效的工作體驗。傳統的直流電源管理系統通常需要手動調整電源參數，這樣就需要人工進行頻繁的調整和監控。這不僅極大地浪費了人力資源，而且可能導致出錯或延誤操作。因此，研發一種智能直流電源管理系統是十分必要的［1-2］。

本文提出了一種智能直流電源管理系統，通過使用連接到同一直流總線的相同數字控制、編程可配置的電源模塊，將各種負載和電源集成在一起。此方法體現了靈活性、易用性及改進的可靠性，同時通過對每個模塊進行編程重新配置，最大限度地利用能源。使用相同的模塊減少了開發時間和成本，并簡化了系統的操作。本文提出的目標系統基于5kW 功率模塊，該模塊使用兩相雙向降壓-升壓功率級和220V直流總線構建，本文中描述的設計和操作原理可以應用于不同的功率電壓。

1 直流電源管理系統概述

直流電源管理系統是一種用于管理、控制和保護直流電源的系統。它包括直流電源、電源管理單元（PMU）、電源控制器、電源監測器和保護裝置。直流電源是提供直流電能的設備，可將交流電轉換為直流電，以供電子設備使用。它通常由一個或多個電源模塊組成，每個模塊包含一個或多個電源單元，用于提供穩定的輸出電壓和電流。電源管理單元（PMU）是直流電源管理系統的核心部分，負責監測和控制電源模塊的工作狀態和輸出電壓。它可以實時監測電源模塊的輸出電壓、電流和溫度，并通過反饋控制回路調整電源模塊的工作參數，確保穩定和可靠的電源輸出。保護裝置用于保護直流電源以及連接的電子設備免受故障或異常電壓的影響。它可以包括過壓保護電路、過流保護電路、過溫保護電路等，通過監測和控制電源的工作參數，確保穩定和可靠的電源輸出［3-5］。

該系統可以根據被調節的電氣變量對每個模塊的不同操作模式進行簡單分類：設備配置模式。在此操作模式中，模塊電壓或模塊電流被調節。總線配置模式。在此操作模式中，總線電壓通過下垂調節進行控制。每個模塊相對于其總線和設備端口的行為，具體取決于操作模式。總線配置的模塊實現了的下垂控制，以確保多個模塊可安全自主地在同一條總線上運行，而無需中央控制器的干預。在總線配置模式中，轉換器的設備端口表現為恒定功率端口，根據操作條件吸收或提供能量。

1.1 靜態分析

設計直流電源管理系統，其中K＝N＋M個模塊在同一直流總線中運行，其中M個設備配置模塊和N個總線配置模塊。所有設備配置的模塊組合成等效功率P0，簡單的等效源表示所有總線配置的模塊。如果設備配置的模塊向總線供電，則觀察P0可能為負值。可以針對直流總線電壓求解電路：

其中，Pmax是N個總線配置模塊的理論最大功率輸出；U0為母線總電壓；Pmax的值超出電力管理系統的最大預期負載。將U0歸一化為參考電壓Uref，可以得出，總線電壓的任何變化都保持著P0小于Pmax。根據單個5kW 模塊的總線電壓作為總線功率需求的函數，對于多個電阻下垂Rd值。可用于根據所需的最大直流母線電壓變化找到Rd的上限。直流電源模塊電路的參數值，即每個模塊的單個靜態操作參數如下：

式中，Rdi，Urefi分別為軟件編程配置的電阻下垂值，直流參考電壓值。公式（1） ～（5）完全定義了電源管理系統的直流工作點。

1.2 模塊控制系統

模塊控制系統必須執行的任務如下所示：（1）與中央控制器的通信；（2）操作參數的重新配置；（3）設備總線電氣變量的調節；（4）針對故障條件的保護。

通信和重新配置無需及時性，而調節和保護機制需要轉換器的即時響應，從而實現高頻率下工作。此設計將控制器架構組織在兩個不同的層級中，此兩個層級具有專門針對其需求定制的要求：控制層通過優化的硬接線實現為轉換器的調節和保護提供快速、實時的響應；監督層是在微控制器核心上實現的軟件編程，專用于在更長的時間尺度上進行算法決策。此外，為了將兩層級嵌入到單個可編程器件中，現場可編程門陣列（FPGA）被用作硬接線控制器和微控制器核心的數字平臺。監管層專用于與中央控制單元通信，監督層實施監測任務，使用可嵌入FPGA的標準微控制器核心實現。使用了FPGA供應商提供的內核，具備可以插入該核心的各種通信塊，極大地簡化了設計過程。此外，基于C高級語言的編程工具進一步簡化了監督層的開發。控制層可重新配置數字控制器，該層完全用硬件描述語言實現，以確保適當的實時操作。控制層的主要任務如下： （1）數據采樣；（2）保護特征；（3）產生用于功率級開關的控制脈沖；（4）功率變換器的反饋控制。

狀態機結構管理不同的操作模式，并根據需要配置不同的塊。從監督層接收所需的操作參數，包括目標設備調節電壓、允許的最大電流、最小總線電壓等，并定期報告模塊的狀態。主要的變量為設備電壓和電流、總線電壓和兩個電感器電流。在每個轉換器開關周期內采集一次，并進行監測，以確保它們在配置的工作范圍內。雙邊緣數字脈寬調制器能夠直接采樣平均電感電流，上述功能可使用傳統的數字設計技術來實現。

2 實驗分析

圖1顯示了實驗結構圖，其中五個模塊連接到同一總線。模塊1和2被配置為向它們各自的負載提供大約1500W 的總初始功率，模塊3和4被配置為調節總線電壓，并連接到同一直流電源，模塊5連接到電池，并且還配置了總線；為了增強系統的自主性，嵌入式微控制器包括了基于總線電壓作為可用功率指標的電池管理任務。每當U0高于某個編程設定值時，模塊使用多余的總線功率為電池充電，在蓄電池充電過程中，下降控制無效。

圖1 可重構直流電源管理系統的體系結構

圖2顯示了24h測試期間的幾個主要的變量。發生了事件，并監測了系統對該情況的反應。數據每5min收集一次，盡管圖2中使用了30min的采樣時間。P0是模塊1和2從總線所需的功率；而Pd和Pb是指提供給總線的功率，其中Pd代表模塊3和4提供的組合功率；而Pb則是模塊5提供的功率。模塊3和4被配置為具有相同的Uref，并被設定為處理與預期大致相同的功率：圖2中顯示了組合的供電功率，并顯示出了U0和電池電壓Ub。

圖2 實驗結果

（1）t在0→480min：整個總線功率需求由模塊3和4提供。電池已充滿電，模塊5未處理任何電能。（2）t在480→535min：在480min時，從系統中移除連接到模塊3和4的直流電源，模擬交流失電等故障造成的功率下降。此事件導致總線電壓突然下降，可用功率較低。因此，作為智能負載的模塊1關閉，將總線所需的功率降低到750W。一旦達到其配置的Uref，模塊5也檢測到總線電壓下降，此刻，模塊5返回到傳統的總線配置操作并開始向總線供電，防止了總線電壓的過度下降，以避免設備配置的模塊失去電源，導致的系統完全斷電。（3）t在535→1200min：在535min時，總線功率需求再次增加到1000W，模擬特定負載的預編程開啟。從Ub可以看出，電池繼續為整個總線供電。 （4）t在1200→1400min：在1200min時，連接到模塊3和4的直流電源被重新激活，此刻兩個模塊接管總線，由于它們的Uref遠高于模塊5的Uref，總線電壓相應地增加，并且由于總線功率需求的減少，達到了預先編程的U0＝242V的極限。然后，模塊5檢測到多余的總線功率并開始對電池充電，如Ub曲線。由于電池充電過程引起的額外電力需求，總線電壓再次下降。實驗結果表明，許多模塊可以在同一直流總線中安全自主地運行，同時最大限度地利用多余的能源，并允許對各種負載進行智能電源管理。

3 結束語

智能直流電源管理系統基于軟件可配置電源模塊的設計，為用戶提供了更高效、便捷和可靠的電源管理和控制方案。同時，系統還具有遠程監控和控制功能，用戶可以通過網絡實時了解和控制電源的工作情況，提高了工作的靈活性。本文提出了一種基于直流母線的電力系統，該系統基于相同的、軟件可編程的電力模塊，可以管理不同電源和負載之間的相互作用，實現非靈活性、多功能性和可用能源的最大效率。并研究了所提方法的基于FPGA的數字控制的設計和實現，任意數量的模塊的操作都可通過下垂控制方法實現。使用傳統的阻抗比分析了整個系統的穩定性，并提供了設計下垂補償器的工具來保證系統的穩定性。使用從220V直流總線操作的多個雙向5kW 模塊，證明了所提出系統可行性的結果。基于軟件可配置電源模塊的智能直流電源管理系統是一種創新的解決方案，為用戶提供了更加便捷、高效和可靠的電源管理和控制體驗。它具有廣泛的應用前景，能夠滿足不同領域的需求，并為用戶帶來更好的工作體驗。