CN104506037A - 一种dc/dc变换器并联外环均流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种直流变换器并联外环均流控制器的DC/DC变换器并联外环均流控制方法。本发明包括：将并联系统转换为小信号传递函数模型形式；根据占空比到输出电压的小信号开环传递函数获得内环电压控制器；求解单个模块的电压闭环输出阻抗；求解均流控制器的传递函数方程；利用H_∞鲁棒控制中的回路成形理论，通过设置不同性能的频域加权函数来构造具有理想期望特性的均流环增益。本发明通过将均流控制器的设计转换为设置频域加权函数的鲁棒回路成形问题来进行处理，可以较方便的获得所期望的均流环路特性，特别是在缺乏各并联直流变换器模型差异及模型参数摄动信息的情况下可获得较好的鲁棒性能。

Description

一种DC/DC变换器并联外环均流控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种直流变换器并联外环均流控制器的DC/DC变换器并联外环均流控制方法。

背景技术

随着对直流电源系统的可靠性、功率容量和性能等指标越来越高的要求，传统的集中式供电方式已经不能满足这些实际的应用。多个电源模块并联，平均分担负载功率，可以降低各个模块中主功率器件的电流应力，有利于功率器件的选择。同时，多模块并联能够增加系统的容量和提高系统的可靠性。另外，多个模块并联，可以灵活构成各种功率等级的电源系统，以模块化取代系列化，提高电源模块的标准化程度，从而缩短开发研制和生产周期，降低成本，提高系统的可维护性和可互换性。

直流变换器分布式并联控制技术是一种独立并联控制方式，除必要的均流母线外不需要其它控制电路，它将均流控制分散在各个并联模块中。一旦某个模块发生故障，该模块就自动退出并联系统，其他模块仍然可以正常工作，提高了并联系统的可靠性。

关于均流环控制器设计方法，艾默生公司申请了一项发明专利(申请号CN02135001.9)针对单相逆变器的环流抑制，中科院电工所申请了一项发明专利(申请号CN200510130610.4)主要消除的为直流环流均没有涉及到本专利所述的均流控制器设计问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种DC/DC变换器并联外环均流控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)将并联系统转换为小信号传递函数模型形式，直流变换器的开环输入阻抗Y_i1、Y_i2，输出电流到输入电流的开环传递函数A_i1、A_i2，占空比到输出电流的开环传递函数G_id1、G_id2，输入电压到输出电压的开环传递函数A_v1、A_v2，开环输出阻抗Z_ol1、Z_ol2，占空比到输出电压的开环传递函数G_ud1、G_ud2，电压调节器H_v1、H_v2，PWM调制器的增益F_m1、F_m2；

(2)根据占空比到输出电压的小信号开环传递函数G_ud1获得内环电压控制器H_v1；

(3)求解单个模块的电压闭环输出阻抗Z_oN，N＝1，2和电压闭环的环路增益T_vN，N＝1，2；单个模块在电压闭环控制下的输出阻抗Z_oN，N＝1，2和T_vN，N＝1，2其表达式分别为：

T_v1＝G_ud1H_v1F_m

T_v2＝G_ud2H_v2F_m

T_v1和T_v2为电压闭环的环路增益；

(4)求解均流控制器H_cs的传递函数方程T_v/Z_o的表达式H_cs1＝H_cs2＝H_cs，电流不均衡度为：

$\frac{\mathrm{\Δ}{i}_o}{i_o}=\frac{Z_{\mathrm{cs}2}-Z_{\mathrm{cs}1}}{Z_{\mathrm{cs}2}+Z_{\mathrm{cs}1}}=\frac{Z_{o2}-Z_{o1}}{Z_{o2}+Z_{o1}}\·\frac{1}{1+T_{\mathrm{cs}}}$

式中Δi_o＝i_o1-i_o2为两模块输出电流的偏差，i_o＝i_o1+i_o2为负载电流，T_cs的表达式为：

$T_{\mathrm{cs}}=\frac{H_{\mathrm{cs}}}{Z_{o1}+Z_{o2}}\·(\frac{T_{v1}}{1+T_{v1}}+\frac{T_{v2}}{1+T_{v2}})$

T_cs为均流环增益不均流程度Δi_o/i_o被(1+T_cs)所抑制，T_v1≈T_v2＝T_v，Z_o1≈Z_o2＝Z_o：

$T_{\mathrm{cs}}\≈\frac{T_v}{Z_o}{H}_{\mathrm{cs}}$

T_v/Z_o为单个直流变换器电压环增益与其输出阻抗之比，相当于均流环的开环传递函数。

(5)利用H_∞鲁棒控制中的回路成形理论，通过设置不同性能的频域加权函数W₁和W₂来构造具有理想期望特性的均流环增益T_cs：

(5.1)选择加权函数进行回路成形：将G＝T_v/Z_o成形为期望的开环形状，G＝T_v/Z_o和加权函数W₁，W₂合并成为成形后的受控对象P＝W₂GW₁；

(5.2)形成鲁棒控制器：

(5.2.1)计算ε_max：

${\mathrm{\&epsiv;}}_{\max }={\left(\underset{\mathrm{Stabilize}}{\inf }{\left|\right|\left[\begin{array}{c}I\\ K\end{array}\right]{(I+\mathrm{PK})}^{-1}{\tilde{M}}^{-1}\left|\right|}_{\&infin;}\right)}^{-1}=\sqrt{1-{||\begin{array}{cc}\tilde{N}& \tilde{M}\end{array}||}_H^2}<1;$

式中，和为P正规化分解，即且如果ε_max＞1，则返回步骤(5.1)调整W₁和W₂；

(5.2.2)选择ε＜ε_max，形成鲁棒控制器

${\left|\right|\left[\begin{array}{c}I\\ H_{\mathrm{cs}}^{\&infin;}\end{array}\right]{(I+{\mathrm{PH}}_{\mathrm{cs}}^{\&infin;})}^{-1}{\tilde{M}}^{-1}\left|\right|}_{\&infin;}\&le;{\mathrm{\&epsiv;}}^{-1}$

(5.2.3)组合H_∞控制器和成形函数W₁，W₂，构成最终的均流控制器H_cs：

$H_{\mathrm{cs}}=W_1{H}_{\mathrm{cs}}^{\&infin;}{W}_2;$

(5.2.4)将获得的均流控制器H_cs进行检验，确认其性能是否满足均流要求，若不满足则执行步骤(5.1)。

本发明的有益效果在于：

本发明的有益效果在于：本发明基于分布式并联结构，提供了一种直流变换器并联采用外环均流控制时的均流控制方法，通过将均流控制器的设计转换为设置频域加权函数的鲁棒回路成形问题来进行处理，可以较方便的获得所期望的均流环路特性，特别是在缺乏各并联直流变换器模型差异及模型参数摄动信息的情况下可获得较好的鲁棒性能。

附图说明

图1两个直流变换器模块外环均流控制的拓扑结构示意图；

图2两个直流变换器模块并联外环均流的控制框图；

图3H_∞回路成形设计步骤示意图；

图4按本专利所提方法设计的均流环控制性能与直接并联的实验对比。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述。

结合附图1所示的两模块Buck变换器及其并联系统为例进行说明。在单个Buck变换其中，功率器件VT1(VT2)的集电极与直流电源的正端连接，VT1(VT2)的发射极与分别与二极管D1(D2)的阴极和电感L1(L2)的一端连接。二极管D1(D2)的阳极与直流电源的负端连接，电感L1(L2)的另一端分别连接滤波电容C1(C2)的正端，并且与负载Z的正端连接，滤波电容C1(C2)负端和Z的负端均与直流电源的负端连接在一起。其中L1(L2)和C1(C2)构成典型的LC滤波器。

为了实现所述的均流控制，在主电路中设置了两个传感器，包括测量滤波电容C1(C2)端电压u_o1(u_o2)的霍尔电压传感器SV1(SV2)和测量输出电流i_o1(i_o2)的霍尔电流传感器SC1(SC2)。

附图1中上下两个虚线框中所示部分分别对应两个Buck变换器模块的控制系统。控制系统分别通过AD转换电路AD11(AD21)和AD12(AD22)采样输出电流i_o1(i_o2)和输出电压u_o1(u_o2)。

并联系统正常工作时，分别来自两个模块的AD转换电路AD11和AD21的电流信号被送至两个控制系统的AVG1和AVG2环节。AVG1和AVG2环节分别为两个控制系统中的电流平均环节，对应附图1，其结果是i_cs1＝i_cs2＝(i_cs1+i_cs1)/2，即使得两模块的控制系统外环具有相同的实时电流参考值。i_cs1(i_cs2)与i_o1(i_o2)之差Δi₁(Δi₂)被送入均流控制器H_cs1(H_cs2)。均流控制器H_cs1(H_cs2)的输出信号Δu_cs1(Δu_cs1)被叠加在电压环指令信号u_ref1(u_ref2)上，形成复合信号(通常有u_ref1＝u_ref2)，该复合信号与来自AD转换电路AD12(AD22)的输出电压反馈信号作差，所得的偏差信号Δu₁(Δu₂)被输入到电压控制器H_v1(H_v2)中。电压控制器H_v1(H_v2)的输出u_c1(u_c2)被送至PWM环节，最终形成占空比可调的VT1(VT2)通断控制脉冲信号。

直流变换器的均流控制方法是建立在基于分布式的外环均流并联结构下的，通过建立直流变换器不均流度、均流环增益和直流变换器电压闭环控制输出阻抗之间的关系，即(T_v为直流变换器电压环路增益，Z_o为电压闭环输出阻抗，H_cs为均流环控制器)并据此提出将均流控制器设计转换为回路成形设计问题的设计方案。

将T_vH_cs/Z_o作为均流控制环的环路增益替代T_cs，将对均流控制器的设计转换为典型的H_∞鲁棒控制回路成形问题进行设计。根据期望的均流环频域控制特性，通过设置特定的性能加权函数W₁和W₂，用W₁(T_v/Z_o)W₂来指定期望的回路形状(特性)。借助通用的计算工具(如Matlab仿真计算软件)可方便的解算出满足频域加权特性W₁(T_v/Z_o)W₂的控制器K_∞，即可获得具有期望特性的均流环控制器H_cs＝W₁K_∞W₂。

在附图1所示的并联结构中，前端的直流电源可为二极管整流电源、晶闸管可控整流电源或PWM高频整流电源等。根据需要，在前端直流电源允许的前提下可连接多个模块。

针对单个DC/DC变换器模块的均流控制器分析和设计的方法如下。

1、将附图1所示的并联系统转换为小信号传递函数模型形式。如附图2所示。附图2中Y_i1(Y_i2)直流变换器的开环输入阻抗，A_i1(A_i2)为输出电流到输入电流的开环传递函数，G_id1(G_id2)为占空比到输出电流的开环传递函数，A_v1(A_v2)为输入电压到输出电压的开环传递函数，Z_ol1(Z_ol2)为开环输出阻抗，G_ud1(G_ud2)为占空比到输出电压的开环传递函数，H_v1(H_v2)为电压调节器，F_m1(F_m2)为PWM调制器的增益。

2、根据占空比到输出电压的小信号开环传递函数G_ud1设计内环电压控制器H_v1。例如，可将其设计为PID调节器，或采用零极点配置的设计方法。对于此类控制器的设计方法比较成熟，在此不再赘述。

3、求解单个模块的电压闭环输出阻抗Z_oN(N＝1，2)和电压闭环的环路增益T_vN(N＝1，2)。单个模块在电压闭环控制下的输出阻抗Z_oN(N＝1，2)和T_vN(N＝1，2)可以根据附图来求解，其表达式分别为：

T_v1＝G_ud1H_v1F_m   (1)

T_v2＝G_ud2H_v2F_m   (2)

T_v1和T_v2通常被称为电压闭环的环路增益。

4、求解用于本专利所述的均流控制器H_cs设计所需的传递函数方程T_v/Z_o的表达式。一般情况下在分布式并联系统中，由于参与并联的各模块参数及特性差异并不大，且具有较好的一致性，因此各模块可具有相同结构和参数的均流控制器，即有H_cs1＝H_cs2＝H_cs。则根据附图2可得在此条件下的电流不均衡度为：

$\frac{\mathrm{\&Delta;}{i}_o}{i_o}=\frac{Z_{\mathrm{cs}2}-Z_{\mathrm{cs}1}}{Z_{\mathrm{cs}2}+Z_{\mathrm{cs}1}}=\frac{Z_{o2}-Z_{o1}}{Z_{o2}+Z_{o1}}\&CenterDot;\frac{1}{1+T_{\mathrm{cs}}}---\left(3\right)$

式中Δi_o＝i_o1-i_o2为两模块输出电流的偏差，i_o＝i_o1+i_o2为负载电流。T_cs的表达式为：

$T_{\mathrm{cs}}=\frac{H_{\mathrm{cs}}}{Z_{o1}+Z_{o2}}\&CenterDot;(\frac{T_{v1}}{1+T_{v1}}+\frac{T_{v2}}{1+T_{v2}})---\left(4\right)$

本专利中将T_cs称之为均流环增益。由式(3)可知不均流程度Δi_o/i_o被(1+T_cs)所抑制。由于在实际DC/DC变换器并联系统的设计中，参与并联的各DC/DC变换器的参数一般具有较好的一致性，因此可以认为在式(4)中T_v1≈T_v2＝T_v，Z_o1≈Z_o2＝Z_o，则式(4)可简化为：

$T_{\mathrm{cs}}\&ap;\frac{T_v}{Z_o}{H}_{\mathrm{cs}}---\left(5\right)$

式(5)中T_v/Z_o为单个直流变换器电压环增益与其输出阻抗之比，其在形式上相当于均流环的开环传递函数。因此，通过设计H_cs来修正T_v/Z_o的频谱特性，使T_cs在整个并联系统工作频带范围内都具有较为理想的幅频增益特性，可有效地抑制各并联间的电流不均衡度。

5、根据4中的阐述，将T_v/Z_o用于均流控制器H_cs的设计是本专利的主要贡献。利用H_∞鲁棒控制中的回路成形理论，通过设置不同性能的频域加权函数W₁和W₂来构造具有理想期望特性的均流环增益T_cs。根据H_∞回路成形理论，均流控制器的设计过程包括以下几个步骤：

STEP1：选择加权函数进行回路成形。对照附图3，设计性能加权函数W₁和W₂(对于本专利所述的单输入单输出(SISO)系统，可令W₁和W₂之一为1，即只需确定一个性能加权函数以简化设计过程。关于该加权函数的选择有较为成熟的设计方法，此处不再赘述)，用于将G＝T_v/Z_o成形为期望的开环形状。G＝T_v/Z_o和加权函数W₁，W₂合并成为成形后的受控对象P＝W₂GW₁。

STEP2：鲁棒控制器的设计。

(Ⅰ)计算ε_max：

${\mathrm{\&epsiv;}}_{\max }={\left(\underset{\mathrm{Stabilize}}{\inf }{\left|\right|\left[\begin{array}{c}I\\ K\end{array}\right]{(I+\mathrm{PK})}^{-1}{\tilde{M}}^{-1}\left|\right|}_{\&infin;}\right)}^{-1}=\sqrt{1-{||\begin{array}{cc}\tilde{N}& \tilde{M}\end{array}||}_H^2}<1---\left(6\right)$

式中，和为P正规化分解，即且如果ε_max＞1，则返回STEP1调整W₁和W₂。

(Ⅱ)选择ε＜ε_max，设计鲁棒控制器使得下式成立：

${\left|\right|\left[\begin{array}{c}I\\ H_{\mathrm{cs}}^{\&infin;}\end{array}\right]{(I+{\mathrm{PH}}_{\mathrm{cs}}^{\&infin;})}^{-1}{\tilde{M}}^{-1}\left|\right|}_{\&infin;}\&le;{\mathrm{\&epsiv;}}^{-1}---\left(7\right)$

STEP3：组合H_∞控制器和成形函数W₁，W₂，构成最终的均流控制器H_cs：

$H_{\mathrm{cs}}=W_1{H}_{\mathrm{cs}}^{\&infin;}{W}_2---\left(8\right)$

STEP4：将所获得的H_cs代入MATLAB仿真模型或者硬件系统进行检验，确认其性能是否满足均流设计的要求，若不满足则可返回STEP1或者STEP2中的(2)，直到满足要求为止。

需要说明的是，在保证系统稳定的前提下，通过确定合适的加权函数W₁或W₂及鲁棒性能指标参数ε，上述设计应使H_cs具有较高的直流增益，并使设计出的T_cs的带宽覆盖Z_o1和Z_o2在频域上具有较明显差异的频带，这样才能保证在稳态和动态过程中具有良好的均流性能。

Claims (1)

1.一种DC/DC变换器并联外环均流控制方法，其特征在于：

(1)将并联系统转换为小信号传递函数模型形式，直流变换器的开环输入阻抗Y_i1、Y_i2，输出电流到输入电流的开环传递函数A_i1、A_i2，占空比到输出电流的开环传递函数G_id1、G_id2，输入电压到输出电压的开环传递函数A_v1、A_v2，开环输出阻抗Z_ol1、Z_ol2，占空比到输出电压的开环传递函数G_ud1、G_ud2，电压调节器H_v1、H_v2，PWM调制器的增益F_m1、F_m2；

(2)根据占空比到输出电压的小信号开环传递函数G_ud1获得内环电压控制器H_v1；

(3)求解单个模块的电压闭环输出阻抗Z_oN，N＝1，2和电压闭环的环路增益T_vN，N＝1，2；单个模块在电压闭环控制下的输出阻抗Z_oN，N＝1，2和T_vN，N＝1，2其表达式分别为：

$Z_{o1}=\frac{Z_{\mathrm{ol}1}}{1+T_{v1}},T_{v1}=G_{\mathrm{ud}1}{H}_{v1}{F}_m$

$Z_{o2}=\frac{Z_{\mathrm{ol}2}}{1+T_{v2}},T_{v2}=G_{\mathrm{ud}2}{H}_{v2}{F}_m$

T_v1和T_v2为电压闭环的环路增益；

(4)求解均流控制器H_cs的传递函数方程T_v/Z_o的表达式H_cs1＝H_cs2＝H_cs，电流不均衡度为：

$\frac{\mathrm{\&Delta;}{i}_o}{i_o}=\frac{Z_{\mathrm{cs}2}-Z_{\mathrm{cs}1}}{Z_{\mathrm{cs}2}+Z_{\mathrm{cs}1}}=\frac{Z_{o2}-Z_{o1}}{Z_{o2}+Z_{o1}}\&CenterDot;\frac{1}{1+T_{\mathrm{cs}}}$

式中Δi_o＝i_o1-i_o2为两模块输出电流的偏差，i_o＝i_o1+i_o2为负载电流，T_cs的表达式为：

$T_{\mathrm{cs}}=\frac{H_{\mathrm{cs}}}{Z_{o1}+Z_{o2}}\&CenterDot;(\frac{T_{v1}}{1+T_{v1}}+\frac{T_{v2}}{1+T_{v2}})$

T_cs为均流环增益不均流程度Δi_o/i_o被(1+T_cs)所抑制，T_v1≈T_v2＝T_v，Z_o1≈Z_o2＝Z_o：

$T_{\mathrm{cs}}\&ap;\frac{T_v}{Z_o}{H}_{\mathrm{cs}}$

T_v/Z_o为单个直流变换器电压环增益与其输出阻抗之比，相当于均流环的开环传递函数。

(5)利用H_∞鲁棒控制中的回路成形理论，通过设置不同性能的频域加权函数W₁和W₂来构造具有理想期望特性的均流环增益T_cs：

(5.1)选择加权函数进行回路成形：将G＝T_v/Z_o成形为期望的开环形状，G＝T_v/Z_o和加权函数W₁，W₂合并成为成形后的受控对象P＝W₂GW₁；

(5.2)形成鲁棒控制器：

(5.2.1)计算ε_max：

${\mathrm{\&epsiv;}}_{\max }=\left(\underset{\mathrm{Stabilize}}{\inf }\right||\left[\begin{array}{c}I\\ K\end{array}\right]{(I+\mathrm{PK})}^{-1}{\tilde{M}}^{-1}{\left|\right|}_{\&infin;}{)}^{-1}=\sqrt{1-\left|\right|\begin{array}{cc}\tilde{N}& \tilde{M}\end{array}{\left|\right|}_H^2}<1;$

式中，和为P正规化分解，即 $P={\tilde{M}}^{-1}\tilde{N},$ 且 $\tilde{M}{\tilde{M}}^{~}+\tilde{N}{\tilde{N}}^{~}=I,$ 如果ε_max＞1，则返回步骤(5.1)调整W₁和W₂；

(5.2.2)选择ε＜ε_max，形成鲁棒控制器

$\left|\right|\left[\begin{array}{c}I\\ H_{\mathrm{cs}}^{\&infin;}\end{array}\right]{(I+{\mathrm{PH}}_{\mathrm{cs}}^{\&infin;})}^{-1}{\tilde{M}}^{-1}{\left|\right|}_{\&infin;}\&le;{\mathrm{\&epsiv;}}^{-1}$

(5.2.3)组合H_∞控制器和成形函数W₁，W₂，构成最终的均流控制器H_cs：

$H_{\mathrm{cs}}=W_1{H}_{\mathrm{cs}}^{\&infin;}{W}_2;$

(5.2.4)将获得的均流控制器H_cs进行检验，确认其性能是否满足均流要求，若不满足则执行步骤(5.1)。