CN103312150A - 一种输入串联输出并联组合变换器的均压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输入串联输出并联组合变换器的均压控制方法，包括如下步骤：1）采集组合变换器中每个子模块的输入电压及变换器的总输出电压V _o的采样信号；2）设置参考信号；3）将参考信号V _ref 加入各模块输入电压采样信号中得到各个模块的参考信号，或者将总输出电压的采样信号与输入电压采样信号进行相减，得到调整后的各个模块输出电压信号；4）将v _{ref i}与v _of 进行比较或者将v _{of i}与进行比较，并将比较结果通过输出电压调节器产生PWM波驱动开关器件。本发明中各个模块在仅根据自身输入、输出信息，实现完全独立、对等的控制，真正实现模块化设计，具有很高的系统可靠性。此外，每个模块可以单独设计控制环路参数，方便参数设计。

Description

一种输入串联输出并联组合变换器的均压控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于输出电压上翘特性的输入串联输出并联型组合变换器无互联均压控制方法，属于直流电压变换领域。

背景技术

随着电力电子技术的迅速发展，电力电子装置向着高频化、模块化和集成化的方向发展，将多个标准化变换器模块通过串并联组合方式构成满足不同需求的各种电力电子装置是电力电子系统集成技术的一个研究热点。输入串联输出并联（Input-Series Output-parallel，ISOP）组合变换器作为多模块串并联组合变换器的一种，十分适用于高电压输入、低电压大电流输出应用场合，如轨道交通等行业。

对于ISOP组合变换器来说，其关键问题是保证各个模块在输入侧均压和输出侧均流。目前，针对ISOP组合变换器的均压/均流技术研究已得到了广泛关注。ISOP组合变换器的均压/均流方案有两类：一是通过对变换器拓扑结构和连接方式的改变，在控制上不需要专门的均压环节即可实现各模块自然均压/均流；二是通过加入均压控制环来实现。

第一类自然均压/均流方案，大多采用相同占空比控制策略，该类方案的优点是控制简单，无需专门的均压环节，其不足是没有从模块化角度出发，即针对的是模块化程度不高的变换器，如共用变压器、输出滤波电感和控制环节等。

通过加入均压控制环则可较好的解决自然均压/均流方案存在的问题，但不足之处是各模块仍然共用控制环节，系统可扩展性较差，离真正采用标准化模块直接进行组合还有一定距离。

另外，有学者提出了将控制环节分布到相应功率电路中的方案。这些方案中各变换器模块的功率和控制电路完全相同，模块化程度高，且仅依靠模块之间的控制互联线进行电压或电流信息交换就可实现模块间均衡工作。模块之间的控制互联线是保障系统正常工作的关键。当控制互联线出现故障或受到干扰时，会影响整个系统性能，甚至导致其瘫痪，这在一定程度上降低了系统可靠性。

发明内容

发明目的：提出一种基于输出电压上翘特性的ISOP组合变换器无互联均压控制策略，使ISOP组合变换器各模块控制之间无任何联系，更好地实现模块化设计，提高系统的可靠性。

技术方案：本发明通过如下技术手段加以实现：

一种输入串联输出并联组合变换器的均压控制方法，包括如下步骤：

1）采集组合变换器中每个子模块的输入电压v_ini(i=1,2,...,N)及变换器的总输出电压V_o的采样信号v_of；

2）设置参考信号V_ref；

3）将参考信号V_ref加入输入电压v_ini中得到各个模块的参考信号v_refi(i=1,2,...,N)，或者将总输出电压V_o的采样信号v_of与输入电压v_ini(i=1,2,...,N)进行相减，得到调整后的各个模块输出电压信号v_ofi(i=1,2,...,N)；

4）将v_refi与v_of进行比较或者将v_ofi与V_ref进行比较，并将比较结果通过输出电压调节器产生PWM波驱动开关器件。

步骤1中的每个子模块的输入电压v_ini可替换成每个子模块的输出电流i_oi(i=1,2,...,N)。

在步骤3中，用参考信号V_ref与输出电压V_o的采样信号v_of进行比较，其比较结果经输出电压校正调节器放大后再加入到参考信号V_ref中。

采样各个模块的输出滤波电感电流，将输出电压调节器产生的调节信号与输出滤波电感电流采样信号进行比较，通过输出滤波电感电流调节器，产生PWM波驱动开关器件。

有益效果：本发明中与现有技术相比，其各个模块在仅根据自身输入、输出信息，而不存在任何相互间信息交换的条件下，实现完全独立、对等的控制，真正实现模块化设计，具有很高的系统可靠性。此外，每个模块可以单独设计控制环路参数，方便参数设计。

附图说明

图1为本发明均压控制策略框图；

图2为本发明另一种均压控制策略框图；

图3为本发明第三种均压控制策略框图；

图4为本发明第四种均压控制策略框图；

图4为本发明第四种均压控制策略框图；

图5为本发明第五种均压控制策略框图；

图6为本发明第六种均压控制策略框图；

图7为本发明第七种均压控制策略框图；

图8为本发明第八种均压控制策略框图；

图9为两个模块的ISOP组合变换器示意图；

图10为输出电压上翘调整特性示意图；

图11两个模块输出电压上翘调整特性曲线图；

图12为负载突变时的ISOP组合变换器实验波形图；

图13为输入电压突变时的ISOP组合变换器实验波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的阐述：

本发明涉及一种输入串联输出并联组合变换器的均压控制方法，包括至少2个拓扑模块组成的输入串联输出并联电路，各个模块均有各自独立相同的控制电路，并且各个控制电路之间无任何信息的交换（无互联）。下面举出具体的实施例：

每个模块的控制电路相同，采用的是基于输出电压上翘特性的控制方法。在本发明的控制方法中模块输出电压调节控制中，将每个模块的输入电压v_ini(i=1,2,...,N)进行采样，加上参考信号V_ref，得到各个模块的参考信号v_refi(i=1,2,...,N)，再和输出电压V_o的采样信号v_of进行比较，通过输出电压调节器，产生PWM波驱动开关器件，控制策略如图1所示。

在本发明的控制方法中模块输出电压调节控制中，还可以将每个模块的输入电压v_ini(i=1,2,...,N)进行采样，将输出电压V_o的采样信号v_of与v_ini(i=1,2,...,N)进行相减，得到调整后的各个模块输出电压信号v_ofi(i=1,2,...,N)，再和参考信号V_ref进行比较，通过输出电压调节器，产生PWM波驱动开关器件，控制策略如图2所示。

每个模块的控制电路的控制方法中，还可以将每个模块的输出电流i_oi(i=1,2,...,N)进行采样，加上参考信号V_ref，得到各个模块参考信号v_refi(i=1,2,...,N)，再和输出电压V_o的采样信号v_of进行比较，通过输出电压调节器，产生PWM波驱动开关器件，控制策略如图3所示。

每个模块的控制电路的控制方法中，还可以将每个模块的输出电流i_oi(i=1,2,...,N)进行采样，将输出电压V_o的采样信号v_of与i_oi(i=1,2,...,N)进行相减，得到调整后的各个模块输出电压信号v_ofi(i=1,2,...,N)，再和参考信号V_ref进行比较，通过输出电压调节器，产生PWM波驱动开关器件，控制策略如图4所示。

在本发明的控制方法中模块输出电压调节控制中，将每个模块的输入电压v_ini(i=1,2,...,N)进行采样，加上参考信号V_ref，再将参考信号V_ref与输出电压V_o的采样信号v_of进行比较，其比较结果经输出电压校正调节器放大后再加入到参考信号V_ref中，得到各个模块的参考信号v_refi(i=1,2,...,N)，再和输出电压V_o的采样信号v_of进行比较，通过输出电压调节器，产生PWM波驱动开关器件，控制策略如图5所示。

在本发明的控制方法中模块输出电压调节控制中，将参考信号V_ref与输出电压V_o的采样信号v_of进行比较，其比较结果经输出电压校正调节器放大后再加入到参考信号V_ref中，将每个模块的输入电压v_ini(i=1,2,...,N)进行采样，将输出电压V_o的采样信号v_of与v_ini(i=1,2,...,N)进行相减，得到调整后的各个模块输出电压信号v_ofi(i=1,2,...,N)，再和参考信号V_ref以及进行输出电压校正调节器的输出信号v_cfi(i=1,2,...,N)比较，通过输出电压调节器，产生PWM波驱动开关器件，控制策略如图6所示。

在本发明的控制方法中模块输出电压调节控制中，将每个模块的输出电流i_oi(i=1,2,...,N)进行采样，加上参考信号V_ref，再将参考信号V_ref与输出电压V_o的采样信号v_of进行比较，其比较结果经输出电压校正调节器放大后再加入到参考信号V_ref中，得到各个模块的参考信号v_refi(i=1,2,...,N)，再和输出电压V_o的采样信号v_of进行比较，通过输出电压调节器，产生PWM波驱动开关器件，控制策略如图7所示。

在本发明的控制方法中模块输出电压调节控制中，将参考信号V_ref与输出电压V_o的采样信号v_of进行比较，其比较结果经输出电压校正调节器放大后再加入到参考信号V_ref中，将每个模块的输出电流i_oi(i=1,2,...,N)进行采样，将输出电压V_o的采样信号v_of与i_oi(i=1,2,...,N)进行相减，得到调整后的各个模块输出电压信号v_ofi(i=1,2,...,N)，再和参考信号V_ref以及进行输出电压校正调节器的输出信号v_cfi(i=1,2,...,N)比较，通过输出电压调节器，产生PWM波驱动开关器件，控制策略如图8所示。

另外，采样各个模块的输出滤波电感电流，将输出电压调节器产生的调节信号与输出滤波电感电流采样信号进行比较，通过输出滤波电感电流调节器，产生PWM波驱动开关器件。

下面通过一个具体的例子来具体阐述本发明技术方案：

本实施例中采用如图1所示的控制方法。为了便于解释基于输出电压上翘特性的无互联均压控制策略的工作原理，下面对由两个模块构成的ISOP组合变换器进行分析，如图9所示，且两个模块具有相同的输出电压调整特性，如图10所示。稳态时两个模块都工作于O点，两个模块输入均压，输出电压为V_oO，假设两个模块的输入电压受到扰动，比如V_in1下降，V_in2上升，即V_in1<V_in/2<V_in2，则根据输出电压上翘曲线，1#模块的理论输出电压是V_oA，2#模块的理伦输出电压是V_oB，且有V_oA<V_oO<V_oB，而实际情况是两个模块有共同的输出电压V_oO。于是1#模块的控制电路认为输出电压高于其给定基准电压，将调节其占空比以减小输入功率，则I_in1减小，I_cd1增大，则1#模块输入电压增加，工作点由A点向上移动；而2#模块的控制电路认为输出电压低于其给定基准电压，将调节其占空比以增加输入功率，则I_in2增大，I_cd2减小，相应地其输入电压降低，工作点由B点向下移动，最终使ISOP组合变换器重新回到稳态。

实施例中采用两个正激变换器模块组成的ISOP组合变换器，对单台正激变换器，其输入电压范围为100～150V，设定的最低输出电压为50V，功率为250W。两个模块实际的输出电压上翘调整特性曲线如图11所示。理论上这两条曲线是相同的，但在实验中，由于基准、采样和运放等环节的差异导致两个模块的输入电压在整个范围内都相差4V左右。

图12给出了负载电流在5A和10A之间突变时两个模块的输入电压、组合变换器输出电压和输出电流波形，可以看出，稳态和负载突变时，ISOP组合变换器都能很好地实现各模块的输入均压，从而实现输出均流。图13给出了输入电压在200V和300V之间突变时两个模块的输入电压、组合变换器输出电压和输出电流波形，可以看出，当组合变换器输入电压升高时，输出电压和输出电流都有所升高，符合其输出电压上翘调整特性，且在稳态和输入电压突变时，ISOP组合变换器都能较好地实现各模块的输入均压（有4V左右偏差）。由此可见，本发明提出的方法系统稳定且具有很高的可靠性。

Claims (4)

1.一种输入串联输出并联组合变换器的均压控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）采集组合变换器中每个子模块的输入电压v_ini(i=1,2,...,N)及变换器的总输出电压V_o的采样信号v_of；

2）设置参考信号V_ref；

3）将参考信号V_ref加入输入电压vini中得到各个模块的参考信号v_refi(i=1,2,...,N)，或者将总输出电压V_o的采样信号v_of与输入电压v_ini(i=1,2,...,N)进行相减，得到调整后的各个模块输出电压信号v_ofi(i=1,2,...,N)；

4）将v_refi与v_of进行比较或者将v_ofi与V_ref进行比较，并将比较结果通过输出电压调节器产生PWM波驱动开关器件。

2.根据权利要求1所述的均压控制方法，其特征在于：步骤1中的每个子模块的输入电压v_ini可替换成每个子模块的输出电流i_oi(i=1,2,...,N)。

3.根据权利要求1所述的均压控制方法，其特征在于：在步骤3中，用参考信号V_ref与输出电压V_o的采样信号v_of进行比较，其比较结果经输出电压校正调节器放大后再加入到参考信号V_ref中。

4.根据权利要求1所述的均压控制方法，其特征在于：采样各个模块的输出滤波电感电流，将输出电压调节器产生的调节信号与输出滤波电感电流采样信号进行比较，通过输出滤波电感电流调节器，产生PWM波驱动开关器件。

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