双均流母线的均流电路及其控制方法.pdf

第 卷第 期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 年 月 双均流母线的均流电路及其控制方法张强，张敬南，姚绪梁，霍虹（哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨）摘 要：多个直流电源并联运行时，需要采用均流控制来提高运行的安全性和可靠性。在现有的诸多均流控制算法中，最大电流均流法被广泛采用，但这种均流法只能实现动态均流，致使输出电流存在低频振荡，输出电压有过电压现象。针对最大电流均流法的缺点而提出的双均流母线均流法，在硬件结构上具有 条独特的均流母线，其上分别为最大输出电流信号和最大输出电流差信号，参与均流控制的每一个直流电源以这 个均流信号为依据，可形成中间电流均流法、最小电流均流法等几种不同的控制策略。仿真分析和实验验证表明，最小电流均流法的均流效果与最大电流均流法类似；而中间电流均流法却可以实现稳态的均流控制，从根本上消除最大电流均流法在均流过程中的电流低频振荡和过电压等问题，进而在确保各个电源安全运行的前提下，提高了供电品质。关键词：双均流母线；均流电路；均流控制；控制策略；直流电源：网络出版地址：中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；收稿日期：网络出版时间：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；哈尔滨市科技创新人才研究专项资金资助项目（）；哈尔滨工程大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（）作者简介：张强（），男，教授，博士通信作者：张强，：当多个直流电源并联运行时，为了充分利用每一个电源的有效容量，同时也为了提高运行的安全性和可靠性，需要通过采用均流技术，来合理地分配每个电源所承担的负载电流。现有的均流控制方法按照电源间是否存在联系可分为有源均流法和下垂均流法。在有源均流法中，并联运行的各个电源通过一条均流母线建立起相互间的联系，根据均流母线与电源的连接方式的不同，有源均流法又可以具体分为主从均流法、外加均流控制器均流法、平均电流均流法和最大电流均流法等多种方法。但是现有的这些有源均流方法都存在有一定的不足：）在主从均流法中，主从电源间必须相互通讯，致使系统结构复杂。）外加均流控制器均流法需要外加一个均流控制器，其缺点与主从均流法近似。）平均电流均流法虽然可以精确地实现均流，但是当均流母线发生短路，或接在均流母线上的一个电源不能工作时，各个电源输出电压将下调，对负载的正常运行带来负面影响。）最大电流均流法由于主从电源总是处于不断的切换中，会导致各个电源的输出电流产生低频振荡，并且会产生过电压现象。上述缺陷的存在，致使有源均流法在实际中的应用范围有限，并且对并联运行的直流电源系统的整体性能也会带来不利影响。为了提升有源均流法的均流效果，以最大电流均流法为依据，通过对其硬件电路进行改进，提出了双均流母线均流电路及其控制方法。双均流母线均流电路多个并联运行的直流电源，采用本文所提出的双均流母线均流电路和控制方法时，其硬件结构框图如图 所示。图 采用双均流母线均流电路的并联直流电源结构框图 图 中每一个直流电源的输出都与直流母线相连，内部的均流控制电路都与均流母线 和均流母线 相连。双均流母线均流电路与现有其他均流电路相比，区别主要体现在其所特有的 条均流母线和均流信号生成电路等几个方面。以其中的一个直流电源为例，实现双均流母线均流控制的具体硬件电路如图 所示。图 所示的电路中，电压传感器 用于检测直流电源的输出电压，并产生电压反馈信号 馈入 转换电路；电流传感器 用于检测输出电流的大小，并产生电流反馈信号，电流反馈信号一方面被送入 转换电路，另一方面被送入均流信号生成电路；均流信号生成电路由二极管、，运算放大器，电阻、构成；运算放大器 和电阻、接成放大电路；二极管 的阳极接电流传感器 的输出，同时通过电阻 接至运算放大器 的负输入端，二极管 的阴极接均流母线，同时通过电阻 接至运算放大器 的正输入端；二极管 的阳极接运算放大器的输出，二极管 的阴极接均流母线。由于并联运行的所有直流电源都将各自电流传感器输出的电流信号通过各自的二极管 与公共的均流母线 连接在一起，根据二极管的工作特性可知，只有输出电流最大的直流电源才能将自己的输出电流信号通过二极管送到均流母线 上，而在其他的直流电源中，二极管 处于反向截止状态，所以均流母线 上的信号始终为最大输出电流信号。二极管两端的电压差通过运算放大器 和二极管 送至均流母线，运算放大器 正常情况下作为跟随器使用，即放大倍数为，但为了提高数据采集精度，也可接成放大器，放大倍数由电阻、的阻值决定，具体计算方法与常规运算放大器相同。因为所有直流电源都将各自二极管 两端的电压差信号通过各自的运算放大器和二极管 送至公共的均流母线，所以只有最大电压差信号才能送至均流母线 上。由于二极管 的一端为最大电流信号，另一端为自身的输出电流信号，因此其 端的电压差表明了自身输出电流与当前最大输出电流的差值，即均流母线 上的信号始终为并联运行的直流电源中输出电流最大值与输出电流最小值的差值。均流母线 上的最大电流信号 和均流母线 上的最大电流差信号 被共同送入 转换电路。转换电路将输出电压信号、输出电流信号、最大电流信号 和最大电流差信号转 换 成 数 字 信 号 后，传 送 至 中 央 处 理 器（）。根据这些数据，按照一定的均流控制方法控制 生成电路产生 信号。信号用于驱动直流电源中的电力电子器件，通过控制电力电子器件的开关状态，最终在输出电压满足直流电压母线需求的前提下，使自身的输出电流与其他直流电源输出电流近似相等，当误差满足均流精第 期 张强，等：双均流母线的均流电路及其控制方法度要求，即实现了均流控制。图 双均流母线均流电路硬件电路图 均流算法针对如何利用输出电压信号、输出电流信号、最大电流信号 和最大电流差信号 来实现高精度的均流控制进行了深入的研究，提出了以下 种具体的均流控制策略。）最小电流均流控制方法。在这种均流控制方法中，控制电路中的 根据 转换电路传送来的均流母线 和均流母线 上的信号，即最大电流值 和最大电流差值，可以计算出在并联运行的所有直流电源中的输出电流最小值，即 ，并以该电流最小值 作为输出电流的基准值，来调节输出电流的大小。由于所有并联运行的直流电源都以 为输出电流基值，除实际输出电流值等于最小值的直流电源外，其他直流电源的输出电流都要向下调节，在动态调节过程中，输出电流最小值 是不断变化的，但是随着调节过程的持续，所有直流电源的输出电流都会最终趋近于某一个逐渐稳定的电流最小值。当每一个直流电源的输出电流 与 的误差都满足均流精度要求时，即实现了并联运行的直流电源间的均流控制。）中间电流均流控制方法。在中间电流均流控制方法中，每个直流电源的 根据最大电流值和最大电流差值 计算出一个中间电流值，并以 作为电流基准值，来调节输出电流的大小。输出电流大于中间电流值的直流电源会减小其输出电流，而输出电流小于中间电流值 的直流电源会增加其输出电流。随着调节过程的持续，最大电流值 和最大电流差值 不断减小，电流中间值 也不断变化，但变化幅度逐渐减小，各个直流电源输出电流与 的差值也逐渐减小，当差值满足均流精度要求时，即实现了均流控制。仿真验证利用仿真软件对双均流母线均流电路及控制策略进行了仿真验证，并与现有的最大电流均流法在均流效果上进行了比较、分析。在仿真过程中，采用 个直流电源并联运行，直流电源电路为 电路，器件参数和控制算法完全相同，通过改变电源内部线路阻抗参数的方法，验证均流控制效果。直流电源额定输出电压为 ，负载等效电阻为 。图 所示为没有采用均流控制时，并联运行的 个直流电源输出电流的仿真波形。仿真结果表明，不采用均流控制时，个电源输出电流波形的幅值存在明显的差异。图 没有均流控制的 个直流电源输出电流仿真波形 图 和图 分别为现有的最大电流均流法控制框图和仿真结果。图 及后续图中的 为输出电压给定值，即 ，为 电路中的电感电流，图中略去了各控制环中的限幅环节。图 和图 分别为本文提出的最小电流均流法控制框图和仿真结果。图 中的控制环节“”的作用是利用最大电流信号 和最大电流差信号计算出一个最小电流信号。图 最大电流均流法控制框图 图 和图 分别为本文提出的中间电流均流法哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第 卷控制框图和仿真结果。图 中的控制环节“”的作用是利用最大电流信号 和最大电流差信号计算出一个中间电流信号。（）直流电源 的输出电流仿真波形（）直流电源 的输出电流仿真波形（）直流母线电压仿真波形图 最大电流均流法仿真结果 图 最小电流均流法控制框图 （）直流电源 的输出电流波形（）直流电源 的输出电流波形（）直流母线电压波形图 最小电流均流法仿真结果 图 中间电流均流法控制框图 ）在最大电流均流法控制过程中，由于每一个直流电源的输出电流 总是小于或等于最大电流，因此均流环只能设计成为比例控制环，致使该均流方法只能实现动态均流，均流过程中直流母线电压和直流电源的输出电流的幅值波动较大，其中直流母线电压的变化范围为 ，个直流电源输出电流的变化范围均在 。）最小电流均流法与最大电流均流法一样，在均流环节只能采取比例控制，致使该均流方法也只能实现动态均流，直流母线电压的变化范围为 ，平均值低于最大电流均流法时的直流母线电压值。个直流电源输出电流的变化范围主要在，均流效果略好于最大电流均流法，但是均流过程中的电流最大和最小值仍能分别达到 和 左右。考虑到为了便于和最大电流均流法进行比较，在最大、最小电流均流法的仿真过程中，均流环的比例系数、电压和电流环的比例、积分系数取值均完全相同。）在中间电流均流法控制过程中，由于每一个第 期 张强，等：双均流母线的均流电路及其控制方法直流电源的输出电流 与中间电流 的差值可正、负变化，因此均流环可以设计成为比例积分控制环节，即该均流方法能够实现稳态均流。均流仿真过程中直流母线电压的波动范围为，个直流电源输出电流的最大变化范围主要在 ，均流效果明显好于最大电流均流法和最小电流均流法。（）直流电源 的输出电流波形（）直流电源 的输出电流波形（）直流母线电压波形图 中间电流均流法仿真结果 实验验证以 为控制核心，搭建了 个结构相同的 型直流电源，对最大电流均流法和双母线均流法进行了实验验证。主电路中开关器件选用的是，其型号为，电路中的电感 ，电容 ，额定输出电压为 ，负载等效阻值为 。其中双均流母线均流控制采用的是中间电流值均流法。图（）为最大电流均流法控制过程中，通过电流传感器采集到的 路输出电流波形（电流传感器输出的电压信号），可以看出在均流控制下，个电源输出电流的波形包络线基本重合，即实现了均流控制，但是在均流过程中，电流幅值变化较大。图（）为最大电流均流法控制过程中直流母线电压波形。由于受到均流控制的影响，直流母线电压平均值为 ，高于额定值 ，且电压波形中存在有较多的“毛刺”。图 （）为双均流母线均流法控制过程中，通过电流传感器采集到的 个电源输出电流波形（电流传感器输出的电压信号），可以看出采用双均流母线均流法后，个直流电源的输出电流波形基本重合，且不存在明显的波动。实现了稳态无误差均流。图 （）为双均流母线均流法控制过程中直流母线电压波形，电压波形平稳，没有明显的波动，幅值的平均值为 ，与额定电压 之间的误差为。（）输出电流实验波形（）直流母线电压实验波形图 最大电流均流法实验验证波形 （）输出电流实验波形哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第 卷（）直流母线电压实验波形图 双均流母线均流法实验验证波形 结论仿真分析和实验验证表明，提出的“双均流母线均流电路及其控制方法”，具有以下特点和创新性：）双均流母线结构，不仅为控制电路中的 提供了所有并联运行直流电源输出电流中的最大电流值，而且还提供了现有各种均流控制硬件电路所无法提供的最大电流差信号，从而使 可以更好地了解当前系统的运行状况，为均流控制方法的制定提供了更为精准的依据。）与现有的最大电流均流法相比，在最小电流均流法中，并联运行的各个直流电源是以最小输出电流为基准来调节自身的输出电流，即通过降低输出电压来减小输出电流。在各控制环节的、参数选取适当的前提下，均流过程中，各直流电源的输出电压应不大于额定电压，可避免出现最大电流均流法中的过电压现象，因而有利于提高直流电源系统和负载的可靠性和安全性。仿真结果中出现了过电压现象，是为了与最大电流均流法进行比较，故而没有对、参数予以优化。）采用中间电流均流法时，各个直流电源的输出电压都不会出现类似于最大电流均流法产生的过电压现象，都稳定在额定电压附近，从而有效提高了直流母线电压的精度和稳定性。）在最大电流均流法控制过程中，由于均流误差信号始终为正值，因此均流环只能采用比例控制，致使最大电流均流法只能实现动态均流，每一个电源输出的电流值总在一定范围内波动，波动范围的大小与均流环的比例系数有关。而在中间电流均流法控制过程中，均流误差信号正负变化，因此均流环可采用比例积分控制，进而实现了稳态均流控制，从根本上消除了输出电流的低频振荡，确保了每个电源的输出电流值都基本相等。参考文献：李明，戴栋，马西奎，等自主均流控制的并联 变换器稳定性分析中国电机工程学报，（）：，（）：刘学超，张波，丘东元，等直流变换器并联系统动态均流的非线性控制中国电机工程学报，（）：，（）：张军明，谢小高，吴新科，等 模块有源均流技术研究中国电机工程学报，（）：，（）：，：，：，：，：张亮，陈渊睿平均电流法均流在数字 电源中的应用电源技术，（）：，（）：，周伟成，周永忠，张海军，等最大电流均流技术及应用电力电子技术，（）：，（）：张强，姚绪梁，张敬南大功率直流电源并联运行的均流控制电力电子技术，（）：，（）：第 期 张强，等：双均流母线的均流电路及其控制方法双均流母线的均流电路及其控制方法双均流母线的均流电路及其控制方法作者：张强，张敬南，姚绪梁，霍虹，ZHANG Qiang，ZHANG Jingnan，YAO Xuliang，HUOHong作者单位：哈尔滨工程大学 自动化学院,黑龙江 哈尔滨,150001刊名：哈尔滨工程大学学报英文刊名：Journal of Harbin Engineering University年，卷(期)：2014(2)本文链接：http:/