CN104518661A - Isop模块化dc-dc变换器的分散式上垂控制方法 - Google Patents

Abstract

ISOP模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制方法，本发明涉及一种基于上垂特性的ISOP模块化DC-DC变换器的双闭环控制方法的研究，属于电力电子领域。通过采样输出侧的电流，对系统进行上垂补偿控制，再经过电压电流双闭环，实现对每个模块的单独控制，同时实现模块间的功率均分。ISOP模块化DC-DC变换器由多个DC-DC变换器构成。采用该方法，不仅能够实现系统的分散式控制，还能很好的实现模块的功率均分，且具有较高的动态响应速度。同时，相对于传统的下垂法，上垂控制方法从机制上实现了系统的稳定。

Description

ISOP模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制方法

技术领域

本发明专利提供一种ISOP(Input-Series-Output-Series，输入串联输出并联)模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制方法，属于电力电子领域的高频开关电源方向。

背景技术

模块化变换器有着冗余操作能力，规范的模块化操作和功率拓展的灵活性等优点。在其中，ISOP模块化系统可以使得额定电压较低的开关管应用于高输入电压和低输出电压大电流场合。为了使得该组合型DC-DC变换器能够正常工作，必须要实现模块间功率的均分(包括输入电压均分和输出电流均分)。

对于ISOP模块化DC-DC变换器，目前主要的控制方法分为以下两大类：(1)集中式控制，(2)分散式控制

对于集中式控制，现在常用的控制方法主要有：①解耦的输入电压均分控制②带有输入电压均分控制环的输出电流均分控制③交叉控制(不带有输入电压均分控制环的输出电流均分控制)④通讯总线控制⑤输入电压总线控制

方法一：IEEE Transactions on Industrial Electronics【电力电子期刊】于2009年发表的“Control strategy for input-series-output-parallel converters”【输入串联输出并联变换器的控制策略】中通过对系统建立等效模型将直流变换器模块实现解耦，从而提出了输入电压均分和输出电流均分的关系，即当实现输出电流均分时，输入电压也能实现均分，反之亦然。该文章中通过将独立的输入电压均分环加入到输出电压环中以实现输入电压均分。方法二：IEEE Transactions on PowerElectronics【电力电子期刊】于2004年发表的“Active input-voltage and load-currentsharing in input-series and output-parallel connected modular DC-DC converters usingdynamic input-voltage reference scheme”【采用动态输入电压参考的输入串联输出并联直流变换器的输入电压和负载电流均分策略】中提出了三环控制，包括独立的输入电压均分环和输出电流均分环以及输出电压环以同时实现输入电压均分和输出电流均分。方法三：IEEE Transactions on Power Electronics【电力电子期刊】于2010年发表的“Cross-feedback output-current-sharing control forinput-series-output-parallel modular DC–DC converters”【采用交叉反馈的输入串联输出并联模块化直流变换器的输出电流均分控制】中采用交叉反馈控制，通过取消独立的输入电压反馈来实现功率的均分，同时该文章中提到，输入电压均分环的取消并不会影响到输出电流实现均分。方法四：IEEE Transactions on PowerElectronics【电力电子期刊】于2008年发表的“Fault tolerant circuit topology andcontrol method for input-series and output-parallel modular DC–DC converters”【输入串联输出并联的模块化直流变换器的容错拓扑电路与控制方法】中取消了集中控制器，取而代之的是通信总线，系统利用通信总线来交换占空比信息，从而实现模块间功率的均分。方法五：IEEE Applied Power Electronics Conference andExposition【电力电子会议】于2011年发表的“A distributed control ofinput-series-output-parallel bidirectional DC–DC converter modules applied for 20kVA solid state transformer”【应用于20KVA固态变压器的双向输入串联输出并联的直流变换器的分布式控制】中通过一个输入电压总线来共享输入电压均分信息。

然而，所有上面提到过的控制策略都有一个共同的特点，就是采用集中式控制。对于前三种方法，均具有集中控制器，这样系统的可靠性降低，一旦集中控制器出现异常，整个系统就会崩溃。此外，系统的功率配置不具有灵活性，无法实现模块的热插拔。对于后两种方法，都用总线来取代了集中控制器，但是依然是集中式控制，只不过是通过总线来进行模块间信息的共享，但是，一旦总线崩溃，系统将无法实现攻略的均分，这降低了系统的可靠性。

对于分散式控制方法，针对由DC-DC变换器构成的ISOP系统，传统的下垂控制方法应用较为广泛。如IEEE Transactions on Industry Applications【电力电子期刊】于2014年发表的“Wireless input-voltage-sharing control strategy forinput-series output-parallel(ISOP)system based on positive output-voltage gradientmethod”【基于正输出电压斜度法的输入串联输出并联系统的无线输入电压均分控制策略】中没有用到通信总线，取消了集中控制器，采用传统的下垂法实现分散式控制，使得模块之间独立，实现真正意义上的模块化，容易实现热插拔。然而，对于每个模块而言，必须要采样自身的输入电压，系统没有采样输出电流，系统的动态性能受到影响。同时增加了额外的输入电压传感器。并且输出电压会受到输入电压的影响，输出调节特性也受到每个模块输入电压的影响，尤其是当总输入电压调节范围很广时，输出电压幅度波动范围大。此外，传统的下垂控制对ISOP变换器并不稳定。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述已有技术的不足，提出了一种适用于ISOP系统的分散式上垂控制方法。

本发明的核心思想是，介于传统的下垂法对于ISOP系统具有不稳定机制，而其不稳定机制的来源在于电流反馈的极性为负，所以，本发明将输出电流的反馈极性由负变正，从而实现该方法对于ISOP系统的稳定调节。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种ISOP模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制方法，该控制方法基于由多个DC-DC变换器拓扑组成的ISOP系统。

ISOP模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制方法的具体控制步骤如下：

步骤一：利用电流传感器采样每个模块的输出电流i_Lfi(i＝1,2…n)，计算电压给定值V_ref与k_c*i_Lfi的和，k_c为上垂系数。将该值作为模块#i(i＝1,2…n)的电压给定值。

步骤二：通过电压传感器采样输出电压v_o，计算模块#i(i＝1,2…n)的电压给定值v_refi(i＝1,2…n)与v_o的差值，该差值作为电压外环PI调节器的输入，电压外环PI调节器的输出作为电流内环的给定i_refi(i＝1,2…n)。

步骤三：计算电流内环的给定i_refi(i＝1,2…n)与输出电流i_Lfi(i＝1,2…n)的差值，作为电流内环PI调节器的输入，电流内环PI调节器的输出作为模块#i(i＝1,2…n)的调制波d_i(i＝1,2…n)。

步骤四：通过数字运算控制器(DSP)或者模拟电路，生成基准载波V_ci(i＝1,2…n)，由于模块间为分散式控制，所以每个模块载波的相位没有联系。

步骤五：将模块#i(i＝1,2…n)的调制波d_i(i＝1,2…n)与模块#i(i＝1,2…n)的载波V_ci(i＝1,2…n)比较，生成模块#i(i＝1,2…n)开关管的PWM信号。

步骤六：将步骤五得到的PWM信号作为模块#i(i＝1,2…n)中开关管的驱动信号。

步骤七：变换器上电后，控制器开始工作，并生成PWM(脉冲宽度调制)信号，按照步骤一至步骤六调节开关管占空比，控制每个模块的输出电压与输出电流，实现模块间功率均分。

ISOP模块化DC-DC变换器系统的连接关系如下所述：

输入直流电压通过n个撕裂电容进行分压。每个撕裂电容上的电压作为每个直流变换器的输入电压，从而实现每个直流变换器输入侧串联的关系。然后将所有的直流变换器的输出端正电压端连接，所有的负电压端连接，分别接到输出稳压电容的正负极，之后再连接至负载。

上述提到的DC-DC变换器并不只针对某个或某几个拓扑，本发明提出的控制策略适用于所有由DC-DC变换器构成的ISOP系统。只不过，对于Buck型拓扑，输出电流采样的是输出侧电感上的电流，而对于Boost型拓扑，由于输出侧没有电感，其输出电流波动较大，而输入电感上的电流在平均值上与输出电流的平均值成比例关系，所以可以采样输入电感上的电流，同时乘以一定的系数，作为输出电流。

有益效果

1、本发明的ISOP模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制策略，相对于集中式控制，只需要采样每个模块自身的输出电压和输出电流，模块之间没有任何通信，能够实现真正意义上的分散式控制，实现了系统的模块化，避免了由于控制器工作异常或者通信总线崩溃而造成系统瘫痪的危险，极大的提高了整个系统的可靠性，同时也提高了系统随时改变功率等级的灵活性。

2、本发明的ISOP模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制策略，通过采样每个模块自身的输出电流，乘以上垂系数k_c，对每个模块的输出电压给定进行补偿，使得每个模块能够实现功率均分。同时，本发明提出的上垂控制策略能够克服传统的下垂法应用于ISOP系统中的不稳定机制，真正的实现了系统机制上的稳定。

3、本发明的ISOP模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制策略，采用的是电压外环和电流内环的双闭环控制环路，相对于单电压环的控制，引入了电流内环，提高了系统的动态性能。

附图说明

图1为ISOP模块化DC-DC变换器；

图2为本发明的分散式上垂控制方法的原理框图；

图3为本发明下垂法的调节特性图；

图4为本发明上垂法的调节特性图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

本发明为一种ISOP模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制方法。

对于ISOP模块化DC-DC变换器系统，由n个DC-DC变换器构成，如图1所示，v_in为总输入电压，v_ini(i＝1,2…n)为模块#i(i＝1,2…n)的输入电压，i_in为总输入电流，i_ini(i＝1,2…n)为模块#i(i＝1,2…n)的输入电流，i_Lfi(i＝1,2…n)为为模块#i(i＝1,2…n)的输出电流，i_Lf为ISOP系统的总输出电流，v_o为ISOP系统的总输出电压。ISOP模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制方法原理图如图2所示。

本发明所提方法及其电路拓扑工作过程如下：

变换器上电开始工作后，将传感器采样输出电流i_Lfi(i＝1,2…n)和输出电压v_o作为反馈。v_ref为输出电压给定，将v_ref+k_c*i_oi(i＝1,2…n)的值作为模块#i(i＝1,2…n)的输出电压给定值，再将其与输出电压相减，经过PI调节器和限幅器，输出值作为电流内环的给定，再将其与采样的输出电流i_Lfi(i＝1,2…n)相减，误差值经过PI调节器和限幅器作为模块i(i＝1,2…n)的调制波d_i(i＝1,2…n)。将根据变换器开关频率设定的载波V_ci(i＝1,2…n)与d_i(i＝1,2…n)比较，得到开关管的PWM控制信号。

在系统稳态下，输入电压和输出电压的关系可以被表达为：

V_in1f(D₁)＝V_in2f(D₂)＝...＝V_innf(D_n)＝V_o  (1)

V_ini(i＝1,2…n)为v_ini(i＝1,2…n)的稳态值，V_o为v_o的稳态值，D_i为模块i#稳态下的占空比，f(D_i)为模块#i的电压增益。

同时，输入电流和输出电流的关系可以表达为：

I_Lf1f(D₁)＝I_Lf2f(D₂)＝...＝I_Lfnf(D_n)＝I_in  (2)

I_Lfi(i＝1,2…n)为i_Lfi(i＝1,2…n)的稳态值，I_o为i_o的稳态值。

而根据功率平衡，可以得到

V_inI_in＝V_oI_Lf  (3)

I_in为i_in的稳态值，V_in为v_in的稳态值。

根据式(1)可以得出

$V_{\mathrm{in}}=V_{\mathrm{in}1}+V_{\mathrm{in}2}+...+V_{\mathrm{inn}}=V_o(\frac{1}{f\left(D_1\right)}+\frac{1}{f\left(D_2\right)}+...+\frac{1}{f\left(D_n\right)})---\left(4\right)$

再将式(2)(3)带入式(4)中

$M_i=\frac{I_{\mathrm{Lfi}}}{I_{\mathrm{Lf}}}=\frac{1}{1+f\left(D_i\right)\underset{j=1,j\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{f\left(D_j\right)}}---\left(5\right)$

可以看出，M_i相对于f(D_i)为单调递减函数。而通常，采用占空比控制下的变换器，f(D_i)相对于d_i为递增函数，也就意味着，M_i相对d_i为单调递减函数。有了这个关系，就可以开始分析本发明提出的控制策略的工作原理了。

先分析直流变换器的工作原理及其稳定性。

当输出电压v_o小于给定值v_ref时，v_ref-v_o为正值，经过PI调节器的积分作用与限幅器的限幅，其输出值为限幅器最大值，即电流给定为最大值。此时i_refi-i_Lfi(i＝1,2…n)为正值，同理，调节器输出d_i(i＝1,2…n)为正的最大值，根据式(5)可知，f(D_i)为最大值，输出电压升高。

当输出电压高于电压给定v_ref时，v_ref-v_o为负值，经过PI调节器的积分作用与限幅器的限幅，其输出值为限幅器最小值，即电流给定为最小值0。此时i_refi-i_oi(i＝1,2…n)为负值，同理，等到的调节器输出d_i(i＝1,2…n)为最小值，根据式(5)可知，f(D_i)为最小值，输出电压降低。

再从模块间的角度对上垂控制方法的稳定性进行分析。

先来分析传统的下垂控制方法的调节特性，如图3所示。

以模块#1为例，v_ref1为模块#1的输出电压给定，k_droop为下垂系数，假设所有模块具有相同的输出电压调节特性，模块#1工作在“O”稳态点。假设一个扰动使得工作点移动到点“A”，i_Lf1增加。由于电流反馈极性为负，所以输出电压给定v_ref1将减小，这个偏差将被调节器放大，从而使得d₁减小，根据(5)模块#1将分担更多的输出电流，i_Lf1将增加，扰动被放大，并造成失控。

本发明提出的上垂控制方法的调节特性如图4。

与传统的下垂法不同，输出电流的反馈极性为正。假设模块#1工作在稳态“O”点，由于扰动，工作点变换到点“A”，在这种情况下，电流i_Lf1同样增加，输出电压的给定将由于上垂法而增加，此偏差将通过调节器被放大，从而使得d₁增加。根据式(5)，i_Lf1将减小，最终，工作稳态将再次回到稳态点“O”，从而消除扰动。

综上，本发明提出了一种针对ISOP模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制策略。在上垂环中，仅需采样每个模块的输出电压和输出电流，输出调节特性并不受输入电压的影响。每个模块是独立的，既不需要通讯总线也不需要监控器。因此，本发明实现了系统的模块化，同时提高了系统的可靠性和灵活性。此外，从工作原理方面比较了传统的下垂法和提出的上垂法，充分暴露了传统下垂法的不稳定机制和上垂法的稳定机制。

Claims (1)

1.一种ISOP模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制方法，该控制方法基于由多个DC-DC变换器拓扑组成的ISOP系统，其特征在于具体控制步骤包括：

步骤一、利用电流传感器采样每个模块的输出电流i_Lfi(i＝1,2…n)，计算电压给定值V_ref与k_c*i_Lfi的和，k_c为上垂系数；将该值作为模块#i(i＝1,2…n)的电压给定值；

步骤二、通过电压传感器采样输出电压v_o，计算模块#i(i＝1,2…n)的电压给定值v_refi(i＝1,2…n)与v_o的差值，该差值作为电压外环PI(比例积分)调节器的输入，电压外环PI调节器的输出作为电流内环的给定i_refi(i＝1,2…n)；

步骤三、计算电流内环的给定i_refi(i＝1,2…n)与输出电流i_Lfi(i＝1,2…n)的差值，作为电流内环PI调节器的输入，电流内环PI调节器的输出作为模块#i(i＝1,2…n)的调制波d_i(i＝1,2…n)；

步骤四、通过数字运算控制器(DSP)或者模拟电路，生成基准载波V_ci(i＝1,2…n)，由于模块间为分散式控制，所以每个模块载波的相位没有联系；

步骤五、将模块#i(i＝1,2…n)的调制波d_i(i＝1,2…n)与模块#i(i＝1,2…n)的载波V_ci(i＝1,2…n)比较，生成模块#i(i＝1,2…n)开关管的PWM信号；

步骤六：将步骤五得到的PWM(脉冲宽度调制)信号作为模块#i(i＝1,2…n)中开关管的驱动信号；

步骤七、变换器上电后，控制器开始工作，并生成PWM信号，按照步骤一至步骤六调节开关管占空比，控制每个模块的输出电压与输出电流，实现模块间功率均分。