阅读说明：本技术 一种应用于电解法压载水处理系统的大功率恒流源系统及其控制方法 (High-power constant current source system applied to electrolytic ballast water treatment system and control method thereof ) 是由 孙前刚 张彦 刘刚 祝新 潘李云 李兵 于 2019-09-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种应用于电解法压载水处理系统的大功率恒流源系统及控制方法。包括：功率输入单元、功率变换单元、功率输出单元和控制单元,其特征在于,所述功率输入单元与电网交流端连接；所述功率变换单元的输入端与功率输入单元的输出端连接,所述功率变换单元由至少两个电源模块组成,所述电源模块之间通过电流信号线和通讯信号线连接；所述功率输出单元与电源模块的输出端连接；所述控制单元通过通讯信号线与电源模块连接。本发明实现了电解法压载水处理系统需要的大功率恒流输出,输出电流稳定且连续可调,具有控制精度高,可靠性高,控制实现简单,运行成本低等优点。(The invention relates to a high-power constant current source system applied to an electrolytic ballast water treatment system and a control method. The method comprises the following steps: the power conversion device comprises a power input unit, a power conversion unit, a power output unit and a control unit, and is characterized in that the power input unit is connected with an alternating current end of a power grid; the input end of the power conversion unit is connected with the output end of the power input unit, the power conversion unit is composed of at least two power supply modules, and the power supply modules are connected with each other through a current signal wire and a communication signal wire; the power output unit is connected with the output end of the power supply module; the control unit is connected with the power module through a communication signal wire. The invention realizes the high-power constant current output required by the ballast water treatment system by the electrolytic method, has stable and continuously adjustable output current, and has the advantages of high control precision, high reliability, simple control realization, low operation cost and the like.)

一种应用于电解法压载水处理系统的大功率恒流源系统及其 控制方法

技术领域

本发明属于电源技术领域，具体涉及一种应用于电解法压载水处理系统的大功率恒流源系统及其控制方法。

背景技术

据国际海事组织(IMO)统计，全球80％以上的商品运输由远洋船舶承担。在航行过程中，船舶压载水用于调节船舶自身姿态，以满足船舶的良好操纵性。全世界每年由船舶转移的压载水有100亿吨之多，给海洋生态环境带来巨大的威胁，生态入侵尤为严重。为解决这一问题，国际海事组织(IMO)要求各国必须强制执行船舶安装符合要求的压载水处理装置，灭杀微生物来避免压载水带来的海洋污染问题。

针对船舶压载水领域的处理方法，主要有机械处理法、物理处理法和化学处理法。

电解法处理压载水技术属于化学处理法，应用电解基理，在阳、阴两极上分别发生氧化和还原反应将有害物质转化为无害物质。该方法可灭杀压载水中绝大多数的水生物、细菌和病原体微生物。

在电解法压载水处理系统应用中，用于生成灭杀微生物的灭活剂的电解槽是系统的关键组成部分。灭活剂的浓度对压载水中的浮游生物、孢子、幼虫及病原体的灭杀效果存在明显差异，为满足系统灭杀效果的同时，还要尽量降低能耗，需电解槽生成的灭活剂浓度需宽范围动态调节，对应的电解电源需与之相匹配。需要设计一种大功率恒流源系统及其控制方法，其产生的高可靠、连续可调的电解电源，从而保证灭活剂的稳定输出和精确调节。

现有电解法压载水处理系统中，电解电源存在如下问题：

(1)采用单闭环反馈控制。现有技术通过采样处理后压载水活性物质浓度信号作为反馈，来改变电解电源的输出电流，因为氧化还原反应的滞后效应，导致了能耗的上升，运行成本的增加。

(2)单电源模块供电。受到功率器件和电力电子技术的限制，单电源模块的输出功率有限，无法满足输出电流需求，会导致活性物质浓度无法达标的结果，且采用单电源模块供电的方式带来系统可靠性低、可维护性低等缺点。

(3)风冷散热形式。电源设备体积大、噪音高、环境适应性差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种应用于电解法压载水处理系统的大功率恒流源系统及其控制方法，本发明的大功率恒流源系统及其控制方法采用前馈-反馈串级控制技术、数字总线控制技术及水冷散热技术，实现了电解法压载水处理系统需要的大功率恒流输出，具有控制精度高，可靠性高，控制实现简单，运行成本低等优点。

本发明通过如下技术方案实现：一种应用于电解法压载水处理系统的大功率恒流源系统，包括控制单元、功率变换单元、功率输入单元和功率输出单元；

控制单元用于计算恒流源系统的总输出电流设定值以及向功率变换单元下发控制指令、各电源模块输出电流基准值，同时监测功率变换单元的状态参数；所述功率变换单元由至少两个电源模块并联组成，根据总输出电流设定值输出相应的电流；所述功率输入单元用于实现功率变换单元中各电源模块输入端并联；所述功率输出单元用于实现功率变换单元中各电源模块输出端并联。

较佳地，控制单元完成以下工作：

采样待处理压载水微生物量检测信号，根据微生物灭杀效果最佳曲线，进行分段线性化运算处理，获得恒流源系统总输出电流粗调基准；

采样处理后压载水管路活性物质浓度信号，计算其与活性物质浓度设定值的差值，并进行PID运算，对恒流源系统总输出电流粗调基准进行实时微调，获得总输出电流设定值；

向功率变换单元中各电源模块下发上电命令，各电源模块收到上电命令后即启动，电源模块处于待机但不输出状态；

每间隔一定时间循环向各电源模块发送状态查询命令，收到所述状态查询命令的电源模块向控制单元反馈自身状态参数；

根据状态参数统计出当前在线正常工作的电源模块数量；

根据当前在线正常工作的电源模块数量和总输出电流设定值分配各电源模块的输出电流基准值，电源模块则根据输出电流基准值输出电流；各电源模块的输出电流基准值为总输出电流设定值除以当前在线正常工作的电源模块个数获得的值。

较佳地，所述控制单元包括数据处理电路、电网电压采样电路、总输出电流采样电路、输出电压采样电路和通讯电路；

数据处理采样电路用于计算恒流源系统的总输出电流的设定值和功率变换单元中各电源模块的输出电流基准值；电网电压采样电路用于实时监测功率输入单元的输入电压；总输出电流采样电路用于对功率输出单元的输出电流进行采样；输出电压采样电路用于对功率输出单元的输出电压进行采样；通讯电路包括控制单元与功率变换单元之间的CAN总线通讯、控制单元与压载水管理系统控制器PLC的MODBUS通讯两个部分；控制单元与功率变换单元的CAN总线通讯实现电源模块控制指令、输出电流基准值的下发以及监测电源模块的状态参数；控制单元与压载水管理系统控制器PLC的MODBUS通讯实现对大功率恒流源系统的远程监测和控制。

较佳地，控制单元与电源模块的通讯信号线具有广播模式，用于控制单元下发电源模块的输出电流基准、控制命令以及电源模块反馈自身状态参数。

较佳地，控制单元与各个电源模块轮询通讯，实时监测各电源模块的状态参数；电源模块报故障或者通讯失去连接时，认为电源模块故障，根据该判定，统计出目前在线正常工作的电源模块个数；根据当前工作的电源模块数量和总输出电流设定值分配各电源模块的输出电流基准值，各电源模块的输出电流基准值为总输出电流设定值除以当前在线正常工作的电源模块个数获得的值。

较佳地，所述大功率恒流源系统采用水冷散热形式，循环水从进水口输入，通过水分配模块分配到每个电源模块，电源模块采用水冷板方式散热，通过快速水接头实现水冷板的输入口与循环水连接，电源模块水冷板的输出口汇总到水分配模块后输出到出水口。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)基于前馈-反馈串级控制结构，引入待处理压载水微生物量快速检测信号，作为电解电源的前馈控制信号，依据微生物的灭杀最佳效果曲线，进行分段线性化运算处理，为电源提供粗调的电流基准，结合处理后压载水活性物质浓度信号，计算其与设定值的相差值，并进行PID运算，对电源电流粗调基准进行实时微调，可以提高系统对压载水管路中活性物质浓度的控制精度，且能够降低能耗，节约运行成本；

(2)采用多模块并联技术方案构成大功率恒流源系统，保证了压载水处理系统的处理效果，同时提高了系统的可靠性和可维护性；

(3)采用数字总线控制，控制简单灵活，属无均流母线并联方式，减少均流电路和均流控制器，节约制造成本，同时布线工艺简；

(4)采用水冷散热形式，电源模块功率密度高、体积小、适装性提高；同时电解电源设备采用密闭式机柜，环境适应性大幅提升。

附图说明

图1是本发明的应用于电解法压载水处理系统的大功率恒流源的系统框图。

图2是本发明的应用于电解法压载水处理系统的大功率恒流源系统的电路框图。

图3是本发明的应用于电解法压载水处理系统的大功率恒流源系统控制单元的原理框图。

图4是本发明的应用于电解法压载水处理系统的大功率恒流源系统控制方法的逻辑流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

图1为本发明应用于电解法压载水处理系统的大功率恒流源的系统框图，其组成及连接关系。本发明所述大功率恒流源系统，包括控制单元1、功率变换单元2、功率输入单元3和功率输出单元4。所述功率变换单元2将输入的交流电变换成电解槽所需要的直流电。

控制单元1用于计算恒流源系统的总输出电流设定值以及通过CAN总线向功率变换单元2下发控制指令、各电源模块输出电流基准值并监测功率变换单元2的状态参数；所述功率变换单元2由至少两个电源模块并联组成，根据CAN总线上传送的总输出电流设定值输出相应的电流；所述功率输入单元3用于实现功率变换单元2中各电源模块输入端并联；所述功率输出单元4用于实现功率变换单元2中各电源模块输出端并联。

如图2所示，为实施方式中应用于电解法压载水处理系统的大功率恒流源系统的电路框图，所述控制单元1通过CAN总线连接功率变换单元2，所述功率输入单元3的输入端与电网交流端连接，所述功率变换单元2的输入端与功率输入单元3输出端连接，功率变换单元2中各电源模块的输入端并联，输出端并联，各电源模块之间通过CAN通讯总线连接，具体讲所述电源模块之间通过电流信号线和通讯信号线连接；所述功率输出单元4的输入端与功率变换单元2输入出连接，所述功率输出单元4的输出端与后端电解槽连接。

控制单元1是所述大功率恒流源系统的控制和管理中心，结构框图如图3所示，包括数据处理电路10、电网电压采样电路11、总输出电流采样电路12、输出电压采样电路13和通讯电路14。

工作过程和原理：数据处理采样电路10用于计算恒流源系统的总输出电流的设定值和功率变换单元中各电源模块的输出电流基准值；电网电压采样电路11用于实时监测功率输入单元3的输入电压；总输出电流采样电路12用于对功率输出单元4的输出电流进行采样；输出电压采样电路13用于对功率输出单元4的输出电压进行采样；通讯电路14包括控制单元1与功率变换单元2之间的CAN总线通讯、控制单元1与压载水管理系统控制器PLC的MODBUS通讯两个部分。控制单元1与功率变换单元2的CAN总线通讯实现电源模块控制指令，输出电流基准值的下发和监测电源模块的状态参数，状态参数包括各电源模块的电压、电流、故障、过压以及过流等。控制单元1与压载水管理系统控制器PLC的MODBUS通讯实现对大功率恒流源系统的远程监测和控制。作为优选方式，控制单元与电源模块的通讯信号线具有广播模式，用于控制单元下发电源模块输出电流基准、控制命令以及电源模块反馈自身状态参数。

针对不同水质和不同灭活剂浓度的灭杀效果曲线，选取微生物灭杀效果最佳的曲线输入控制，由控制单元1的数据处理电路10进行分段线性化运算处理，对水质微生物种类和浓度的大幅度变化进行跟踪控制，使得灭活剂浓度生成量有了基本保证，从而使待处理压载水水质有了基本保证。分段线性化运算处理使得控制单元能够根据水质微生物种类和浓度调节灭活剂生成量(恒流源系统总输出电流)区间，降低能耗，节约运行成本。

控制单元1计算出处理后压载水管路活性物质浓度信号与活性物质浓度设定值的相差值，并进行PID运算，得出相应的控制增量，根据控制增量去控制灭活剂生成量，使得实测的处理后压载水管路活性物质浓度始终逼近设定值，保证压载水水质的稳定。若处理后压载水管路活性物质浓度信号实测值高于设定值，则减少灭活剂生成量，即减小恒流源系统总输出电流，若处理后压载水管路活性物质浓度信号实测值低于设定值，则增加灭活剂生成量，即增大恒流源系统输出电流。控制单元采集处理后压载水管路活性物质浓度信号，自动调整PID回路控制，对灭活剂生成量(恒流源系统总输出电流)进行微调，得出恒流源系统总输出电流的设定值。

控制单元通过采样待处理压载水微生物量快速检测信号、处理后压载水管路活性物质浓度信号，根据微生物的灭杀效果最佳曲线和活性物质浓度设定的范围，实时更新恒流源系统总输出电流设定值；控制单元与各个电源模块轮询通讯，实时监测电源模块的状态参数；电源模块报故障或者通讯失去连接时，认为电源模块故障，根据该判定，统计出目前在线正常工作的电源模块个数；根据当前工作的电源模块数量和总输出电流设定值分配各电源模块的输出电流基准值，各电源模块的输出电流基准值为总输出电流设定值除以当前在线正常工作的电源模块个数获得。

控制单元通过总线广播下发电源模块输出电流基准；电源模块根据输出电流设定值输出相应的电流。

如图4所示，为本发明的应用于电解法压载水处理系统的大功率恒流源系统控制方法的逻辑流程图：

步骤S101：控制单元1通过采样待处理压载水微生物量快速检测信号，根据微生物灭杀效果最佳曲线，控制单元1进行分段线性化运算处理，得出恒流源系统总输出电流粗调基准；

步骤S102：控制单元1通过采样处理后压载水管路活性物质浓度信号，计算其与活性物质浓度设定值的差值，并进行PID运算，对恒流源系统总输出电流粗调基准进行实时微调，获得总输出电流设定值；

步骤S103：控制单元1通过CAN总线向功率变换单元2的电源模块下发上电命令，N个电源模块收到上电命令后即启动，电源模块处于待机不输出状态；

步骤S104：控制单元1每10ms循环向CAN总线发送电源模块状态查询命令，收到电源模块状态查询命令的电源模块向控制单元反馈自身状态参数的报文；

步骤S105：控制单元1根据状态参数报文统计出当前在线正常工作的电源模块数量；

步骤S106：控制单元1根据当前工作的电源模块数量和总输出电流设定值分配各电源模块的输出电流基准值，电源模块则根据输出电流基准值输出电流，实现恒流源系统的大功率输出。各电源模块的输出电流基准值为总输出电流设定值除以当前在线正常工作的电源模块个数获得。

本发明所述大功率恒流源系统采用水冷散热形式，循环水从进水口输入，通过水分配模块分配到每个电源模块，电源模块采用水冷板方式散热，通过快速水接头实现水冷板的输入口与循环水连接，电源模块水冷板的输出口汇总到水分配模块后输出到出水口。

本发明引入处理前压载水微生物量快速检测信号，作为电解电源的前馈控制信号，为电源提供粗调的电流基准，结合处理后压载水活性物质浓度采样信号，可以提高系统对压载水管路中活性物质浓度的控制精度，且能够降低能耗，节约运行成本；采用多模块并联技术构成大功率恒流源系统，输出额定电流达1500A，保证了压载水处理系统的处理效果，同时提高了系统的可靠性和可维护性；采用数字总线控制，属于无均流母线并联方式，控制简单灵活；电源模块采用不带有均流母线的方式并联，减少均流电路和均流控制器，节约制造成本，同时布线工艺简单。采用水冷散热形式，电源设备功率密度高、占地面积小、环境适应性大幅提升。