CN105048503A - 并联发电系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种并联发电系统的控制方法。所述控制方法是在传统电压外环、电流内环双闭环的基础上，控制通道中添加限幅单元，电压调节器的输出值经限幅单元处理后为输出电流给定值。从模块限幅单元限幅值为动态调整，主模块正常工作时，从模块限幅单元的限幅值等于主模块限幅单元的输出值，主从模块输出电流给定值保持一致，实现了主从模块的同步操作，达到了均流控制。当主模块出现故障时，把输出电压参考值最低的模块确定为主模块，实现主从切换。

Description

并联发电系统的控制方法

技术领域

本发明涉及一种并联发电系统的控制方法。

背景技术

随着技术的发展，电源供电系统的功率越来越大，面对电流应力、热应力及选择价格昂贵的高功率等级的功率开关器件等问题，传统的单电源供电已经不能满足要求。为满足电气系统的可靠性、效率和功率密度的要求，通常采用多个发电系统并联发电的方式。并联发电系统一般由多个配置相同的模块并联构成，每个模块均由功率电路和控制电路构成，功率电路又叫主电路，用于传输动力系统的功率，控制电路用于控制主电路，各模块只在负载处结合，发出相同的电压。

在并联发电系统中，通常考虑两方面问题，一是为保证系统可靠性，采用冗余结构，另一是各模块的电流分配。由于并联发电系统中各并联模块特性和参数难以一致，会造成模块电流不均，大负载时，输出电流大的模块长期可能工作于重载状态，导致模块故障率提高，因此在并联发电中，需要采取措施保证各个模块同步运行，使系统稳定可靠地工作，充分发挥并联系统的优点。

当前并联发电系统的控制方式一般分为集中式控制、主从控制和无互联信号线独立控制方案，如图1所示，集中式控制带有独立的集中控制器，所有模块接收集中控制器发出的同步PWM信号，然而集中控制器发出的PWM信号与各个模块之间通过线缆传输，可靠性差，集中控制器一旦故障，系统出现瘫痪，无法具有冗余功能，另一方面传输线缆的长短影响PWM信号的同步，所以各模块难以真正实现均流。与集中控制方式比较，主从控制方式具有一定的优点，它没有集中控制器，主从控制方式由若干模块并联而成，并在其中选择一个作为主模块，其余作为从模块跟随主模块工作，所以从模块通过各自的控制通道，使得所有模块分担相同负载电流。但是主从控制方式也有一些不足：主模块一旦出现故障，整个系统将会瘫痪，不适于冗余并联系统。

与前两种控制方式比较，无互联信号线独立控制方式不需要并联系统中各模块之间的控制连接线，各模块独立运行，通过负载有功功率、无功功率的均分实现的均流，但是由于线路阻抗的存在，无功功率将得不到很好的均分，所以均流效果受到一定的限制，而且这种方式实现过程复杂，或占用很高的CPU资源。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术可靠性差，系统无法冗余的缺点，提出一种新的用于并联发电系统的控制方法。本发明是对主从并联控制方式的改进。

本发明在传统电压外环、电流内环双闭环的基础上，无需增加硬件检测电路，也无需复杂的算法，只在电压外环后添加一个限幅单元，通过限幅单元的处理，取得较好的均流效果，使得系统具有冗余功能。

所述的双闭环控制既能控制最终的输出电压，又能控制最大输出电流。电压环、电流环分别采用PI调节器，电压环中给定输出电压参考值，与实际采集的输出电压作差，经过电压调节器后，其输出值作为输出电流给定值；同样的，输出电流给定值与采集的输出电流作差，经过电流调节器后，输出PWM信号，用于驱动主电路。所以，经过双闭环控制，输出电压最后跟踪电压环中给定的输出电压参考值，输出电流跟踪输出电流给定值。

本发明基于传统电压外环、电流内环双闭环控制，在电压外环后添加了限幅单元。应用本发明的并联发电系统中，每个模块都有独立的控制通道，控制通道包含电压调节器G₁、限幅单元、电流调节器G₂、PWM发生器、采样模块和用于输入输出信号的同步信号模块。在控制通道中，信号的传输方向为：在电压调节器G₁中给定输出电压参考值，电压调节器G₁将给定的输出电压参考值与实际采集的输出电压作差，经过电压调节器G₁后，电压调节器G₁的输出值经限幅单元限幅处理，限幅单元的输出值为输出电流给定值。同理，电流调节器G₂将输出电流给定值与采集的输出电流作差，最后输出PWM信号，用于驱动主电路。

并联发电系统各模块限幅单元的固定限幅值是设定的。并联发电系统各模块将自身限幅单元的输出值，即输出电流给定值送到通讯总线，并通过通讯总线接收其他模块的限幅单元输出值，将其他模块的限幅单元输出值与自身的固定限幅值比较，选择其中的最小值作为自身的限幅单元的限幅值。比较的结果使得从模块以主模块限幅单元的输出值作为其自身限幅单元的限幅值；对从模块来说，其输出电流给定值与主模块的输出电流给定值保持一致，经过电流调节器后，各模块输出电流跟踪主模块的输出电流给定值，实现了均流输出。当主模块出现故障，并联发电系统根据从模块输出电压参考值的高低，选择输出电压参考值最低的模块为下一个主模块，同时切换该从模块的输出电压参考值为原主模块的输出电压参考值，其余模块都成为新的从模块，保证了主从模块的平滑切换，使得系统具有冗余功能。

本发明控制方法如下：

应用本发明的并联发电系统由主模块和第一从模块、第二从模块、第三从模块……构成。本发明对并联发电系统采用主从控制模式。

本发明设定输出电压参考值最低的模块为主模块，其余模块为从模块，从模块按照输出电压参考值从小到大排列，主模块、第一从模块、第二从模块、第三从模块，……，的输出电压参考值依次递增。同时,按照输出电压参考值从小到大的主模块、第一从模块、第二从模块、第三从模块，……，的排列顺序，设定主模块和从模块的限幅单元固定限幅值，使主模块、第一从模块、第二从模块、第三从模块，……，的限幅单元固定限幅值也依次递增。

各个模块将其自身的限幅单元的输出值，即输出电流给定值送到通讯总线，并通过通讯总线接收其他模块的限幅单元输出值，即输出电流给定值。第一从模块将自身的固定限幅值和通讯总线上的主模块限幅单元输出值比较，选择其中的最小值作为其限幅单元的限幅值；第二从模块将自身的固定限幅值和通讯总线上的主模块限幅单元输出值，以及第一从模块的限幅单元输出值比较，选择其中的最小值作为其限幅单元的限幅值；第三从模块将其自身的固定限幅值和通讯总线上的主模块限幅单元输出值、第一从模块限幅单元输出值，以及第二从模块限幅单元输出值比较，选择其中的最小值作为其自身的限幅单元的限幅值……,以此类推，即所有的从模块限幅单元限幅值是动态调整的，而且比较的结果，所有从模块均以主模块的限幅单元输出值作为其限幅单元的限幅值。

由于从模块的输出电压参考值大于主模块的输出电压参考值，所以从模块的电压调节器工作在饱和限幅状态。从模块限幅单元的限幅值为主模块限幅单元的输出值，对从模块来说，其输出电流给定值始终与主模块的输出电流给定值相同，所以主模块和从模块经过电流调节器后，发出同步的PWM信号，各模块实现均流输出。一旦主模块有故障，根据从模块输出电压参考值的高低，选择输出电压参考值最低的模块为下一个主模块，原主模块关闭通讯，同时切换该从模块的输出电压参考值为主模块输出电压参考值，通过对模块内调节器控制实现稳态跟踪，其余模块都成为新的从模块，保证了主从模块的平滑切换，避免了系统瘫痪，实现了并联发电系统的冗余功能。

与现有技术相比，本发明使得各从模块限幅单元输出值等于主模块限幅单元输出值，即从模块与主模块保持相同的输出电流给定值，实现了同步控制，易于实现均流，控制精度和稳定性均较好，且不受并联模块数的影响，容量扩展灵活，另外当其中一个从模块出现故障时，并不影响其他从模块的运行，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1为集中式控制方式示意图；

图2为本发明并联发电系统运行系统图；

图3为本发明并联发电系统控制方式流程图。

图中：J01集中控制器，J02、J03集中式控制方式中同步信号，J04、J05集中式控制方式中各模块，101主模块，102、103第一从模块、第二从模块，104主模块采样模块，105、106第一从模块采样模块、第二从模块采样模块，107主模块同步信号模块，108、109第一从模块同步信号模块、第二从模块同步信号模块，110主模块电压调节器，111、112第一从模块电压调节器、第二从模块电压调节器，113主模块限幅单元，114、115第一从模块限幅单元、第二从模块限幅单元，116主模块电流调节器，117、118第一从模块电流调节器、第二从模块电流调节器，119主模块PWM发生器，120、121第一从模块PWM发生器、第二从模块PWM发生器，122通讯总线，123主模块主电路，124、125第一从模块主电路、第二从模块主电路，126主模块控制通道，127、128第一从模块控制通道、第二从模块控制通道，129负载，130并联发电系统。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

以下以对DC/DC并联发电系统的控制为例说明本发明。

图2为本发明并联发电系统运行系统图，并联发电系统130由三个模块101、102、103组成，每个模块都是一个DC/DC发电系统。三个模块101、102、103的输出电压参考值分别为U_dc1 ^*、U_dc2 ^*，U_dc3 ^*，并且U_dc1 ^*<U_dc2 ^*<U_dc3 ^*。本发明通过程序自动设定输出电压参考值最低的模块101为主模块，模块102和模块103为从模块。本发明采用电压外环、电流内环双闭环控制方式，各模块之间通过通讯总线122连接，具体实施步骤如图3所示：

步骤S01中，三个模块101、102、103分别上传其输出电压参考值U_dc1 ^*、U_dc2 ^*，U_dc3 ^*至通讯总线，比较所上传的三个模块的输出电压参考值。由于U_dc1 ^*<U_dc2 ^*<U_dc3 ^*，系统确定输出电压参考值最低的模块101为主模块，模块102和模块103为从模块；

步骤S02中，主模块101采集输出电压、输出电流信号，并经主模块控制通道126调节，上传主模块限幅单元113的输出值至通讯总线；同时，第一从模块102和第二从模块103也采集其各自的输出电压和输出电流信号，经过各自控制通道调节后，分别上传第一从模块限幅单元114的输出值和第二从模块限幅单元115的输出值至通讯总线。

步骤S03中，与三个模块101、102、103的输出电压参考值的大小相对应，主模块和从模块的限幅单元的固定限幅值也按照主模块、第一从模块、第二从模块、第三从模块……依次递增。对主模块来说，其限幅单元输出值小于或等于其限幅单元固定限幅值，而主模块限幅单元固定限幅值小于从模块限幅单元固定限幅值，所以主模块限幅单元输出值小于从模块限幅单元固定限幅值。

第一从模块限幅单元114比较主模块限幅单元113的输出值和自身的固定限幅值，确定主模块限幅单元113的输出值为自身限幅单元的限幅值，并经第一从模块控制通道127调节，上传第一从模块限幅单元114的输出值至通讯总线。由于在并联发电系统中，第一从模块电压调节器111工作在饱和限幅状态，第一从模块限幅单元114以主模块限幅单元113的输出值为其限幅值。

步骤S04中，第二从模块限幅单元115比较主模块限幅单元113的输出值、第一从模块限幅单元114的输出值和自身的固定限幅值，确定以主模块限幅单元113的输出值为自身限幅单元的限幅值，并经第二从模块控制通道128调节，上传第二从模块限幅单元115的输出值至通讯总线。由于在并联发电系统中，第二从模块电压调节器112工作在饱和限幅状态，第二从模块限幅单元115以主模块限幅单元113的输出值为其限幅值。

步骤S05中，主模块101、第一从模块102、第二从模块103有相同的输出电流给定值，经过各自电流调节器调节，输出PWM信号，驱动各自主电路，各模块实现了均流输出。

步骤S06、步骤S07和步骤S08中，判断主模块101是否正常工作。当主模块101正常工作时，第一从模块限幅单元114的限幅值、第二从模块限幅单元115的限幅值均为主模块限幅单元113的输出值，第一从模块102、第二从模块103与主模块101有相同的输出电流给定值，主从模块保持同步，主模块PWM发生器119、第一从模块PWM发生器120、第二从模块PWM发生器121发出同步的PWM信号。当主模块101出现故障时，主模块101通讯关闭，由于第一从模块102输出电压参考值小于第二从模块103输出电压参考值，系统确定第一从模块102为新的主模块，第二从模块103为新的从模块，同时第一从模块102的输出电压参考值U_dc2 ^*等于原主模块101输出电压参考值U_dc1 ^*，系统以U_dc2 ^*为新主模块输出电压参考值，原主模块限幅单元113的输出值不再对其他模块限幅单元输出限幅，第二从模块限幅单元115的限幅值等于第一从模块限幅单元114的输出值，两个模块的输出电流给定值保持一致，重新实现了同步输出，保证了主从模块的平滑切换，避免了系统瘫痪，实现了系统并联发电的冗余结构。

步骤S07中，各个模块输出电流给定值保持一致，主从模块保持同步，输出同步的PWM信号。

本发明系统基于双闭环控制，所以无论模块的多少都具有很好的动态响应特性，易于构成冗余系统。各模块输出电流给定值保持一致，主从模块保持同步，输出电流一致性很好，模块间均流效果很好。当主模块出现故障时，自动完成主从模块的切换，系统虽有互联信号线，但是控制算法简单，切换方便，均流效果好，这使得系统稳定性好，相比集中控制方式，去掉了集中控制器，实现了系统冗余功能，避免了系统瘫痪。

本系统并联模块数可以无限制扩展，各模块间实现了电流均匀分配，防止单个模块运行在电流极限值状态。另外当其中一个从模块发生故障时，其能够快速退出系统，并不影响主模块的运行，所以也就不影响整个系统的正常运行，提高了系统运行的可靠性。

Claims (4)

1.一种并联发电系统的控制方法，其特征在于，所述的控制方法为：设定并联发电系统中输出电压参考值最低的模块为主模块，其余模块为从模块，从模块按照输出电压参考值从小到大排列，主模块和从模块的输出电压参考值按照所述的排列顺序依次递增，与此相对应，设定的主模块和从模块的限幅单元固定限幅值也按照所述的排列顺序依次递增；各个模块将其自身的限幅单元的输出值，即输出电流给定值送到通讯总线，并通过通讯总线接收其他模块的限幅单元输出值，即输出电流给定值；第一从模块将自身的固定限幅值和通讯总线上的主模块限幅单元输出值比较，选择其中的最小值作为其限幅单元的限幅值；第二从模块将自身的固定限幅值和通讯总线上的主模块限幅单元输出值，以及第一从模块的限幅单元输出值比较，选择其中的最小值作为其限幅单元的限幅值；第三从模块将其自身的固定限幅值和通讯总线上的主模块限幅单元输出值、第一从模块限幅单元输出值，以及第二从模块限幅单元输出值比较，选择其中的最小值作为其自身的限幅单元的限幅值……，以此类推；比较的结果，所有从模块均以主模块的限幅单元输出值作为其限幅单元的限幅值。

2.根据权利要求1所述的并联发电系统的控制方法，其特征在于：并联发电系统从模块限幅单元的输出值等于主模块限幅单元的输出值，即：从模块输出电流给定值与主模块输出电流给定值相同，主从模块的输出电流给定值相同，实现同步控制，达到均流输出。

3.根据权利要求1所述的并联发电系统的控制方法，其特征在于：主模块出现故障时，根据从模块输出电压参考值的高低，选择输出电压参考值最低的模块为下一个主模块，原主模块关闭通讯，同时切换该从模块的输出电压参考值为主模块输出电压参考值，通过对模块内调节器控制实现稳态跟踪，其余模块都成为新的从模块。

4.根据权利要求1所述的并联发电系统的控制方法，其特征在于：所述的控制方法为电压外环、电流内环双闭环控制，在电压外环后添加了限幅单元，限幅单元的输出值为输出电流给定值。