基于软件可配置电源模块的智能直流电源管理系统

罗 真

（国能浙江宁海发电有限公司）

0 引言

智能直流电源管理系统基于软件可配置电源模块，通过自动化管理和控制，提高了直流电源的效率和可靠性。它在各种领域都具有广泛的应用前景，并能够为用户带来更加便捷和高效的工作体验。传统的直流电源管理系统通常需要手动调整电源参数，这样就需要人工进行频繁的调整和监控。这不仅极大地浪费了人力资源，而且可能导致出错或延误操作。因此，研发一种智能直流电源管理系统是十分必要的［1-2］。

本文提出了一种智能直流电源管理系统，通过使用连接到同一直流总线的相同数字控制、编程可配置的电源模块，将各种负载和电源集成在一起。此方法体现了灵活性、易用性及改进的可靠性，同时通过对每个模块进行编程重新配置，最大限度地利用能源。使用相同的模块减少了开发时间和成本，并简化了系统的操作。本文提出的目标系统基于5kW 功率模块，该模块使用两相双向降压-升压功率级和220V直流总线构建，本文中描述的设计和操作原理可以应用于不同的功率电压。

1 直流电源管理系统概述

直流电源管理系统是一种用于管理、控制和保护直流电源的系统。它包括直流电源、电源管理单元（PMU）、电源控制器、电源监测器和保护装置。直流电源是提供直流电能的设备，可将交流电转换为直流电，以供电子设备使用。它通常由一个或多个电源模块组成，每个模块包含一个或多个电源单元，用于提供稳定的输出电压和电流。电源管理单元（PMU）是直流电源管理系统的核心部分，负责监测和控制电源模块的工作状态和输出电压。它可以实时监测电源模块的输出电压、电流和温度，并通过反馈控制回路调整电源模块的工作参数，确保稳定和可靠的电源输出。保护装置用于保护直流电源以及连接的电子设备免受故障或异常电压的影响。它可以包括过压保护电路、过流保护电路、过温保护电路等，通过监测和控制电源的工作参数，确保稳定和可靠的电源输出［3-5］。

该系统可以根据被调节的电气变量对每个模块的不同操作模式进行简单分类：设备配置模式。在此操作模式中，模块电压或模块电流被调节。总线配置模式。在此操作模式中，总线电压通过下垂调节进行控制。每个模块相对于其总线和设备端口的行为，具体取决于操作模式。总线配置的模块实现了的下垂控制，以确保多个模块可安全自主地在同一条总线上运行，而无需中央控制器的干预。在总线配置模式中，转换器的设备端口表现为恒定功率端口，根据操作条件吸收或提供能量。

1.1 静态分析

设计直流电源管理系统，其中K＝N＋M个模块在同一直流总线中运行，其中M个设备配置模块和N个总线配置模块。所有设备配置的模块组合成等效功率P0，简单的等效源表示所有总线配置的模块。如果设备配置的模块向总线供电，则观察P0可能为负值。可以针对直流总线电压求解电路：

其中，Pmax是N个总线配置模块的理论最大功率输出；U0为母线总电压；Pmax的值超出电力管理系统的最大预期负载。将U0归一化为参考电压Uref，可以得出，总线电压的任何变化都保持着P0小于Pmax。根据单个5kW 模块的总线电压作为总线功率需求的函数，对于多个电阻下垂Rd值。可用于根据所需的最大直流母线电压变化找到Rd的上限。直流电源模块电路的参数值，即每个模块的单个静态操作参数如下：

式中，Rdi，Urefi分别为软件编程配置的电阻下垂值，直流参考电压值。公式（1） ～（5）完全定义了电源管理系统的直流工作点。

1.2 模块控制系统

模块控制系统必须执行的任务如下所示：（1）与中央控制器的通信；（2）操作参数的重新配置；（3）设备总线电气变量的调节；（4）针对故障条件的保护。

通信和重新配置无需及时性，而调节和保护机制需要转换器的即时响应，从而实现高频率下工作。此设计将控制器架构组织在两个不同的层级中，此两个层级具有专门针对其需求定制的要求：控制层通过优化的硬接线实现为转换器的调节和保护提供快速、实时的响应；监督层是在微控制器核心上实现的软件编程，专用于在更长的时间尺度上进行算法决策。此外，为了将两层级嵌入到单个可编程器件中，现场可编程门阵列（FPGA）被用作硬接线控制器和微控制器核心的数字平台。监管层专用于与中央控制单元通信，监督层实施监测任务，使用可嵌入FPGA的标准微控制器核心实现。使用了FPGA供应商提供的内核，具备可以插入该核心的各种通信块，极大地简化了设计过程。此外，基于C高级语言的编程工具进一步简化了监督层的开发。控制层可重新配置数字控制器，该层完全用硬件描述语言实现，以确保适当的实时操作。控制层的主要任务如下： （1）数据采样；（2）保护特征；（3）产生用于功率级开关的控制脉冲；（4）功率变换器的反馈控制。

状态机结构管理不同的操作模式，并根据需要配置不同的块。从监督层接收所需的操作参数，包括目标设备调节电压、允许的最大电流、最小总线电压等，并定期报告模块的状态。主要的变量为设备电压和电流、总线电压和两个电感器电流。在每个转换器开关周期内采集一次，并进行监测，以确保它们在配置的工作范围内。双边缘数字脉宽调制器能够直接采样平均电感电流，上述功能可使用传统的数字设计技术来实现。

2 实验分析

图1显示了实验结构图，其中五个模块连接到同一总线。模块1和2被配置为向它们各自的负载提供大约1500W 的总初始功率，模块3和4被配置为调节总线电压，并连接到同一直流电源，模块5连接到电池，并且还配置了总线；为了增强系统的自主性，嵌入式微控制器包括了基于总线电压作为可用功率指标的电池管理任务。每当U0高于某个编程设定值时，模块使用多余的总线功率为电池充电，在蓄电池充电过程中，下降控制无效。

图1 可重构直流电源管理系统的体系结构

图2显示了24h测试期间的几个主要的变量。发生了事件，并监测了系统对该情况的反应。数据每5min收集一次，尽管图2中使用了30min的采样时间。P0是模块1和2从总线所需的功率；而Pd和Pb是指提供给总线的功率，其中Pd代表模块3和4提供的组合功率；而Pb则是模块5提供的功率。模块3和4被配置为具有相同的Uref，并被设定为处理与预期大致相同的功率：图2中显示了组合的供电功率，并显示出了U0和电池电压Ub。

图2 实验结果

（1）t在0→480min：整个总线功率需求由模块3和4提供。电池已充满电，模块5未处理任何电能。（2）t在480→535min：在480min时，从系统中移除连接到模块3和4的直流电源，模拟交流失电等故障造成的功率下降。此事件导致总线电压突然下降，可用功率较低。因此，作为智能负载的模块1关闭，将总线所需的功率降低到750W。一旦达到其配置的Uref，模块5也检测到总线电压下降，此刻，模块5返回到传统的总线配置操作并开始向总线供电，防止了总线电压的过度下降，以避免设备配置的模块失去电源，导致的系统完全断电。（3）t在535→1200min：在535min时，总线功率需求再次增加到1000W，模拟特定负载的预编程开启。从Ub可以看出，电池继续为整个总线供电。 （4）t在1200→1400min：在1200min时，连接到模块3和4的直流电源被重新激活，此刻两个模块接管总线，由于它们的Uref远高于模块5的Uref，总线电压相应地增加，并且由于总线功率需求的减少，达到了预先编程的U0＝242V的极限。然后，模块5检测到多余的总线功率并开始对电池充电，如Ub曲线。由于电池充电过程引起的额外电力需求，总线电压再次下降。实验结果表明，许多模块可以在同一直流总线中安全自主地运行，同时最大限度地利用多余的能源，并允许对各种负载进行智能电源管理。

3 结束语

智能直流电源管理系统基于软件可配置电源模块的设计，为用户提供了更高效、便捷和可靠的电源管理和控制方案。同时，系统还具有远程监控和控制功能，用户可以通过网络实时了解和控制电源的工作情况，提高了工作的灵活性。本文提出了一种基于直流母线的电力系统，该系统基于相同的、软件可编程的电力模块，可以管理不同电源和负载之间的相互作用，实现非灵活性、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的数字控制的设计和实现，任意数量的模块的操作都可通过下垂控制方法实现。使用传统的阻抗比分析了整个系统的稳定性，并提供了设计下垂补偿器的工具来保证系统的稳定性。使用从220V直流总线操作的多个双向5kW 模块，证明了所提出系统可行性的结果。基于软件可配置电源模块的智能直流电源管理系统是一种创新的解决方案，为用户提供了更加便捷、高效和可靠的电源管理和控制体验。它具有广泛的应用前景，能够满足不同领域的需求，并为用户带来更好的工作体验。