CN102281013A - 多模块并联电源装置及其协同控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了多模块并联电源装置及其协同控制方法，多模块并联电源装置包括N个电源模块，以及分别与N个电源模块连接的数字协同控制模块。协同控制方法中，数字协同控制模块根据主电路的电流、电压和温度检测信号，以及负载需要的电流和电压值，分别产生每个电源模块电流环和电压环控制电路的电流基准值和电压基准值。在电流环或电压环控制电路的控制下，电源装置可以向负载提供恒定的电流或电压，同时保证N个电源模块工作于最优状态。本发明根据负载的需求实现电源装置的恒流或恒压功能，并保证多模块并联系统中每个电源模块工作于合理的电流应力和温度环境，具有冗余能力和高可靠性，适合用作多机并联的大功率电源装置的控制系统。
Description
技术领域
本发明涉开关电源装置的控制技术，具体涉及工业用大功率多模块并联电源装置及其协同控制方法。
背景技术
在许多大型工业生产过程中，对大功率电源装置的要求很高，如电镀工艺和阳极的氧化需要恒流和恒压调节；对较特殊碳纤维镀铜，为避免“烧焦”现象产生，需要恒压调节体系控制电压并能在较大范围内选择，来提高镀层质量；对金属“着色”，着色溶液阻抗会随着色时间变化，电源装置必须适应负载的大范围变化；装饰性套铬要求电源装置的稳定精度和纹波系数低于5％。这些特定的电化学工业应用，要求电源装置具备恒流调节和恒压调节功能。
在大型工业生产过程需要的大功率电源装置中，高频开关电源因体积小、重量轻、动态性能好、适应性强、有利于实现工艺过程自动化和智能化控制等功能而逐渐取代晶闸管整流器。但是，高频工业电源由于功率管容量和磁心材料尺寸的限制以及大功率输出造成较大可靠性问题(开关损耗、电磁干扰、热效应)等因素影响，使其功率的输出受到一定程度的制约。因此目前单机容量大于20KW的大功率高频开关电源在国内外极为少见。采用多电源模块并联运行，输出能量可数倍于单机的输出；可以避免“大牛拉小车”的状况，提高电源效率；同时多电源模块并联工作，使系统具有一定的冗余度，单模块损坏不会影响整个系统的正常工作(大功率可控硅整流电源若出现故障得停机待修)，使整个并联系统的可靠性远远超过大功率可控硅整流电源；通过多个模块并联进行扩容，不仅有良好的可维护性和通用性，还可以灵活地组建各种功率容量的系统；而且模块化便于生产的规模化和降低成本，因此其应用前景也越来越广泛。
目前，多模块电源并联一般采用自动均流法，在该方法的控制下，各电源模块均流输出，承担相同的输出功率。但这种技术存在的问题是，如果某个电源模块内部开关管或滤波器、传输线路特性较差而消耗的功率较大，为了输出与其它电源模块同样的功率，该电源模块不得不承担过高的电流应力和温度应力，消耗的功率更大，对该电源模块的损坏更大。而且目前多模块电源并联的控制系统只能实现恒流控制或恒压控制，无法满足大型工业生产过程的复杂需求。
发明内容
本发明针对大型工业加工过程对恒流、恒压电源的需求，以及现有多模块电源并联均流技术的不足，提供了大功率多模块并联电源装置及其协同控制方法。本发明根据负载的需求实现电源装置的恒流或恒压功能，并保证多模块并联系统中每个电源模块工作于合理的电流应力和温度环境，具有冗余能力和高可靠性，适合用作多机并联的大功率电源装置的控制系统。
本发明通过如下技术方案实现：
多模块并联电源装置，包括N个电源模块以及分别与N个电源模块连接的数字协同控制模块，每个电源模块接收数字协同控制模块输出的电流基准信号Irj和电压基准信号Urj，电源模块实时将本模块的移相全桥逆变模块输入电流IDj和移相全桥逆变模块的功率开关管温度Tj、输出直流电流IOj传输给数字协同控制模块。
上述多模块并联电源装置中，所述N个电源模块具有相同的结构，均各自包括主电路、电流环控制电路、电压环控制电路、移相全桥逆变模块输入电流的检测模块和移相全桥逆变模块的功率开关管温度的检测模块；所述主电路包括顺次连接的三相整流滤波模块、移相全桥逆变模块、高频变压器和输出整流滤波模块，三相整流滤波模块与三相交流电源连接，输出整流滤波模块与负载连接；所述电流环控制电路包括输出直流电流检测模块、电流运算放大器、环路选择模块、移相脉宽调制模块和隔离驱动模块；所述电压环控制电路包括输出直流电压检测模块、电压运算放大器、环路选择模块、移相脉宽调制模块和隔离驱动模块；所述电流环控制电路和电压环控制电路共用环路选择模块、移相脉宽调制模块和隔离驱动模块；协同控制模块包括DSP处理器和数/模转换器，DSP处理器计算出的每个电源模块的电流基准信号Irj通过数/模转换器转换成模拟信号后输出给所述电流运算放大器的同相输入端；DSP处理器计算出的每个电源模块的电压基准信号Urj通过数/模转换器转换成模拟信号后输出给所述电压运算放大器的同相输入端；输出整流滤波模块分别与输出直流电压检测模块和输出直流电流检测模块的输入端连接，输出直流电压检测模块的输出端与电压运算放大器的反相输入端连接，输出直流电流检测模块的输出端与电流运算放大器的反相输入端连接。
上述多模块并联电源装置中，于所述电流运算放大器输出端与环路选择模块的一输入端连接，所述电压运算放大器输出端与环路选择模块的另一输入端连接；环路选择模块的输出端与移相脉宽调制模块输入端连接，移相脉宽调制模块的输出端与隔离驱动模块输入端连接，隔离驱动模块的输出端与移相全桥逆变模块的功率开关管连接。
上述多模块并联电源装置中，环路选择模块包括两个共阴极的二极管，共阴极端与移相全桥逆变模块连接，一个二极管的阳极与电流运算放大器输出端连接，另一个二极管的阳极与电压运算放大器输出端连接。
上述多模块并联电源装置的协同控制方法，具体是：所述数字协同控制模块根据负载所需的电流基准信号Ir和电压基准信号Ur以及每个电源模块的输出直流电流IOj、移相全桥逆变模块输入电流IDj和移相全桥逆变模块的功率开关管温度Tj检测模块的检测信号，通过协同控制算法计算出每个电源模块的电流基准信号Irj和电压基准信号Urj，电流基准信号Irj与电源模块的输出直流电流IOj通过电流运算放大器比较放大后输出给环路选择模块，电流运算放大器的运算结果经过环路选择模块发给移相脉宽调制模块，使移相脉宽调制模块产生四路PWM信号，并通过隔离驱动模块去驱动移相全桥逆变模块的功率开关管的开通和关断，实现电源模块的恒流输出；电压基准信号Urj与电源模块的输出直流电压UOj通过电压运算放大器比较放大后输出给环路选择模块，电压运算放大器的运算结果经过环路选择模块发给移相脉宽调制模块，使移相脉宽调制模块产生四路PWM信号，并通过隔离驱动模块去驱动移相全桥逆变模块的功率开关管的开通和关断，实现电源模块的恒压输出。
所述协同控制算法为：
Irj＝IrKj+IWOj+IWDj+TWj (1)
Urj＝Ur+IWOj+IWDj+TWj (2)
所述(1)和(2)算法中，
IWOj＝GS(IS-IOj) (3)
IS＝(IO1+IO2+L+ION)/N (4)
IWDj＝SDGD(IDS-IDj) (5)
IDS＝(ID1+ID2+L+IDN)/N (6)
TWj＝STGT(TS-Tj) (7)
TS＝(T1+T2+L+TN)/N (8)
所述(3)～(8)式中，N表示电源模块总数，下标j表示某一个电源模块；式(1)中，Kj表示第j电源模块的电流基准占电源装置总电流基准的比例系数，并且K1+K1+…+KN＝1；GS为输出电流的增益，GD为移相全桥逆变模块输入电流IDj的增益，GT为移相全桥逆变模块功率开关管温度Tj的增益，在所有频率段内，GS的幅值大于GD和GT的幅值，GD的幅值大于GT的幅值；SD的取值为0或1，当所有电源模块的移相全桥逆变模块输入电流IDj小于设定阈值IDM时，SD＝0，当某个电源模块的移相全桥逆变模块输入电流IDj大于设定阈值IDM时，SD＝1；ST的取值为0或1，当所有电源模块的移相全桥逆变模块功率开关管温度Tj小于设定阈值TM时，ST＝0，当某个电源模块的移相全桥逆变模块功率开关管温度Tj大于阈值TM时，ST＝1。
上述基于协同控制的多模块并联电源装置中，所述数字协同控制模块根据负载所需的电流基准信号Ir和电压基准信号Ur，以及每个电源模块的输出直流电流IOj、移相全桥逆变模块输入电流IDj、移相全桥逆变模块功率开关管温度Tj检测模块检测的信号，通过协同控制算法计算出每个电源模块的电流基准信号Irj和电压基准信号Urj；所述电流基准信号Irj和电压基准信号Urj分别作为电流环控制电路和电压环控制电路的电流基准和电压基准；通过电流环控制电路或电压环控制电路实现电源装置的恒流或恒压输出；而且，电流基准信号Irj和电压基准信号Urj由主电路的输出直流电流IOj、移相全桥逆变模块输入电流IDj和移相全桥逆变模块功率开关管温度Tj，以及负载需求的电流和电压决定，因此每个电源模块的电流基准信号Irj或电压基准信号Urj可能不相等，电源模块输出电流不一定均流，而是根据电源模块内部的器件特性输出不同的功率，以保证电源模块工作于最优的环境下，从而提高电源装置的可靠性。
与现有技术相比本发明具有如下优点：
1、电源装置根据负载要求，可以工作于恒流模式和恒压模式，在运行过程中，可以根据负载的变迁而自动切换恒流和恒压工作模式。
2、多模块并联系统中，电源模块可以工作于均流状态，或根据各个电源模块的电流应力和功率开关管的温度，自动调节输出的功率，以控制电源模块的电流应力和温度在合理的范围内，从而保证电源模块工作于最优状态。
3、多模块并联系统中，可以通过协同控制系统设置每个电源模块的输出电流，各电源模块的输出电流可以不均等。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中基于协同控制的多模块并联电源装置的结构图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的具体实施作进一步描述，但本发明的实施和保护范围不限于此。
本发明中的j表示1，2，……N(N表示电源模块数)参考图1，本发明所述的基于协同控制的多模块并联电源装置，包括N个电源模块，以及分别与N个电源模块连接的数字协同控制模块。N个电源模块具有相同的结构，均包括主电路，检测模块，以及电流环控制电路和电压环控制电路。主电路由依次连接的三相整流滤波模块101、移相全桥逆变模块102、高频变压器103和输出整流滤波模块104构成，三相整流滤波模块101与三相交流电源116连接，输出整流滤波模块104与负载117连接；检测模块包括输出直流电流IOj检测模块110、输出直流电压UOj检测模块111、移相全桥逆变模块输入电流IDj检测模块112、移相全桥逆变模块的功率开关管温度Tj检测模块113。电流环控制电路包括输出直流电流IOj检测模块110、电流运算放大器108、环路选择模块107、移相脉宽调制模块106和隔离驱动模块105。电压环控制电路包括输出直流电压UOj检测模块111、电压运算放大器109、环路选择模块107、移相脉宽调制模块106和隔离驱动模块105；电流环控制电路和电压环控制电路共用环路选择模块107、移相脉宽调制模块106和隔离驱动模块105。数字协同控制模块主要由DSP处理器114和多个数/模转换器组成。直流电流IOj检测模块110、移相全桥逆变模块输入电流IDj检测模块112、移相全桥逆变模块功率开关管温度Tj检测模块113的检测信号都传送给数字协同控制模块的DSP处理器114。负载所需的电流基准信号Ir和电压基准信号Ur由外部输入DSP处理器114。数字协同控制模块根据电流基准信号Ir和电压基准信号Ur，以及每个电源模块的输出直流电流IOj、移相全桥逆变模块输入电流IDj、移相全桥逆变模块功率开关管温度Tj检测模块检测的信号，通过协同控制算法计算出每个电源模块的电流基准信号Irj和电压基准信号Urj。电流基准信号Irj和电压基准信号Urj通过数/模转换器转换成模拟信号，并分别传送到电流运算放大器108的同相输入端作为电流环的基准信号，和传送到电压运算放大器109的同相输入端作为电压环的基准信号。输出直流电流IOj检测模块110的检查信号传送到电流运算放大器108的反相输入端，电流运算放大器108输出端与环路选择模块107连接，电流运算放大器108的运算结果经过环路选择模块107发给移相脉宽调制模块106，使移相脉宽调制模块产生四路PWM信号，并通过隔离驱动模块105去驱动移相全桥逆变模块102的功率开关管的开通和关断，实现电源模块的恒流输出。输出直流电压UOj检测模块111的检查信号传送到电压运算放大器109的反相输入端，电压运算放大器109输出端与环路选择模块107连接，电压运算放大器109的运算结果经过环路选择模块107发给移相脉宽调制模块106，使移相脉宽调制模块产生四路PWM信号，并通过隔离驱动模块105去驱动移相全桥逆变模块102的功率开关管的开通和关断，实现电源模块的恒压输出。环路选择模块107由两个共阴极的二极管构成，共阴极端与移相全桥逆变模块106连接，一个二极管的阳极与电流运算放大器108的输出端连接，另一个二极管的阳极与电压运算放大器109的输出端连接。当电流运算放大器108的输出信号大于电压运算放大器109的输出信号时，电流运算放大器108的输出信号通过环路选择模块107传送到移相脉宽调制模块106，从而实现恒流控制；当电压运算放大器109的输出信号大于电流运算放大器108的输出信号时，电压运算放大器109的输出信号通过环路选择模块107传送到移相脉宽调制模块106，从而实现恒压控制。
在本发明所述的基于协同控制的多模块并联电源装置中，数字协同控制模块的协同控制算法为：
Irj＝IrKj+IWOj+IWDj+TWj (1)
Urj＝Ur+IWOj+IWDj+TWj (2)
所述(1)和(2)算法中，
IWOj＝GS(IS-IOj) (3)
IS＝(IO1+IO2+L+ION)/N (4)
IWDj＝SDGD(IDS-IDj) (5)
IDS＝(ID1+ID2+L+IDN)/N (6)
TWj＝STGT(TS-Tj) (7)
TS＝(T1+T2+L+TN)/N (8)
所述(3)～(8)式中，N表示电源模块总数，下标j表示某一个电源模块，并且j＝1，2，……，N；所述(1)算法中，Kj表示第j电源模块的电流基准占电源装置总电流基准的比例系数，并且K1+K1+…+KN＝1，通过外部设置Kj值，则可以设定每个电源模块的输出电流，但电源装置的总输出电流仍等于电流基准值Ir；GS为输出电流的增益，GD为移相全桥逆变模块输入电流IDj的增益，GT为移相全桥逆变模块功率开关管温度Tj的增益，在所有频率段内，GS的幅值大于GD和GT的幅值，GD的幅值大于GT的幅值，使得输出电流主要跟踪电流基准值IrKj；SD的取值为0或1，当所有电源模块的移相全桥逆变模块输入电流IDj小于设定阈值IDM时，SD＝0，当某个电源模块的移相全桥逆变模块输入电流IDj大于设定阈值IDM时，SD＝1；ST的取值为0或1，当所有电源模块的移相全桥逆变模块功率开关管温度Tj小于设定阈值TM时，ST＝0，当某个电源模块的移相全桥逆变模块功率开关管温度Tj大于阈值TM时，ST＝1。
当SD＝0，ST＝0时，电流环和电压环控制与移相全桥逆变模块输入电流IDj、移相全桥逆变模块功率开关管温度Tj的检测信号无关，若K1＝K2＝…＝KN，则并联电源模块实现均流输出。当SD＝1，ST＝1时，移相全桥逆变模块输入电流IDj、移相全桥逆变模块功率开关管温度Tj的检测信号参与电流环和电压环控制，移相全桥逆变模块输入电流IDj或移相全桥逆变模块功率开关管温度Tj较高的电源模块的电流基准信号Irj和电压基准信号Urj被拉低，降低其功率的输出，从而拉低移相全桥逆变模块输入电流IDj和移相全桥逆变模块功率开关管温度Tj，以使电源模块的电流应力和温度低于安全阈值IDM和TM。
在相同总输出功率情况下，对无协同控制系统和使用本发明协同控制系统的5台电源模块并联的电源装置进行实验，实验测试结果显示：无协同控制系统的电源装置，各个电源模块的IGBT功率器件温度差异较大，个别电源模块的温度高于80℃，而且电流不平衡度达2.6％。而使用本发明的协同控制系统后，各个电源模块的IGBT功率器件温度分布较均匀，均低于75℃，IGBT的循环次数和可靠性得到极大提高，而且电流不平衡度仅有0.8％，比无协同控制系统时的低很多，均流效果更好。
Claims (6)
1.多模块并联电源装置，其特征在于包括N个电源模块以及分别与N个电源模块连接的数字协同控制模块，每个电源模块接收数字协同控制模块输出的电流基准信号Irj和电压基准信号Urj，电源模块实时将本模块的移相全桥逆变模块输入电流IDj和移相全桥逆变模块的功率开关管温度Tj、输出直流电流IOj传输给数字协同控制模块。
2.根据权利要求1的多模块并联电源装置，其特征在于所述N个电源模块具有相同的结构，均各自包括主电路、电流环控制电路、电压环控制电路、移相全桥逆变模块输入电流的检测模块和移相全桥逆变模块的功率开关管温度的检测模块；所述主电路包括顺次连接的三相整流滤波模块、移相全桥逆变模块、高频变压器和输出整流滤波模块，三相整流滤波模块与三相交流电源连接，输出整流滤波模块与负载连接；所述电流环控制电路包括输出直流电流检测模块、电流运算放大器、环路选择模块、移相脉宽调制模块和隔离驱动模块；所述电压环控制电路包括输出直流电压检测模块、电压运算放大器、环路选择模块、移相脉宽调制模块和隔离驱动模块；所述电流环控制电路和电压环控制电路共用环路选择模块、移相脉宽调制模块和隔离驱动模块；数字协同控制模块包括DSP处理器和数/模转换器，DSP处理器计算出的每个电源模块的电流基准信号Irj通过数/模转换器转换成模拟信号后输出给所述电流运算放大器的同相输入端；DSP处理器计算出的每个电源模块的电压基准信号Urj通过数/模转换器转换成模拟信号后输出给所述电压运算放大器的同相输入端；输出整流滤波模块分别与输出直流电压检测模块和输出直流电流检测模块的输入端连接，输出直流电压检测模块的输出端与电压运算放大器的反相输入端连接，输出直流电流检测模块的输出端与电流运算放大器的反相输入端连接。
3.根据权利要求2的多模块并联电源装置，其特征在于所述电流运算放大器输出端与环路选择模块的一输入端连接，所述电压运算放大器输出端与环路选择模块的另一输入端连接；环路选择模块的输出端与移相脉宽调制模块输入端连接，移相脉宽调制模块的输出端与隔离驱动模块输入端连接，隔离驱动模块的输出端与移相全桥逆变模块的功率开关管连接。
4.根据权利要求2所述的多模块并联电源装置，其特征在于：环路选择模块包括两个共阴极的二极管，共阴极端与移相全桥逆变模块连接，一个二极管的阳极与电流运算放大器输出端连接，另一个二极管的阳极与电压运算放大器输出端连接。
5.权利要求1～4任一项所述多模块并联电源装置的协同控制方法，其特征在于：所述数字协同控制模块根据负载所需的电流基准信号Ir和电压基准信号Ur以及每个电源模块的输出直流电流IOj、移相全桥逆变模块输入电流IDj和移相全桥逆变模块的功率开关管温度Tj检测模块的检测信号，通过协同控制算法计算出每个电源模块的电流基准信号Irj和电压基准信号Urj，电流基准信号Irj与电源模块的输出直流电流IOj通过电流运算放大器比较放大后输出给环路选择模块，电流运算放大器的运算结果经过环路选择模块发给移相脉宽调制模块，使移相脉宽调制模块产生四路PWM信号，并通过隔离驱动模块去驱动移相全桥逆变模块的功率开关管的开通和关断，实现电源模块的恒流输出；电压基准信号Urj与电源模块的输出直流电压UOj通过电压运算放大器比较放大后输出给环路选择模块，电压运算放大器的运算结果经过环路选择模块发给移相脉宽调制模块，使移相脉宽调制模块产生四路PWM信号，并通过隔离驱动模块去驱动移相全桥逆变模块的功率开关管的开通和关断，实现电源模块的恒压输出。
6.根据权利要求5所述的协同控制方法，其特征在于所述协同控制算法为：
Irj＝IrKj+IWOj+IWDj+TWj (1)
Urj＝Ur+IWOj+IWDj+TWj (2)
所述(1)和(2)算法中，
IWOj＝GS(IS-IOj) (3)
IS＝(IO1+IO2+L+ION)/N (4)
IWDj＝SDGD(IDS-IDj) (5)
IDS＝(ID1+ID2+L+IDN)/N (6)
TWj＝STGT(TS-Tj) (7)
TS＝(T1+T2+L+TN)/N (8)
所述(3)～(8)式中，N表示电源模块总数，下标j表示某一个电源模块；式(1)中，Kj表示第j电源模块的电流基准占电源装置总电流基准的比例系数，并且K1+K1+…+KN＝1；GS为输出电流的增益，GD为移相全桥逆变模块输入电流IDj的增益，GT为移相全桥逆变模块功率开关管温度Tj的增益，在所有频率段内，GS的幅值大于GD和GT的幅值，GD的幅值大于GT的幅值；SD的取值为0或1，当所有电源模块的移相全桥逆变模块输入电流IDj小于设定阈值|DM时，SD＝0，当某个电源模块的移相全桥逆变模块输入电流IDj大于设定阈值|DM时，SD＝1；ST的取值为0或1，当所有电源模块的移相全桥逆变模块功率开关管温度Tj小于设定阈值TM时，ST＝0，当某个电源模块的移相全桥逆变模块功率开关管温度Tj大于阈值TM时，ST＝1。
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