CN107086563A - 一种并联供电系统输出功率高效均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种并联供电系统输出功率高效均衡控制方法，分别获取输出电压v_k(t)和输出电流i_k(t)，PWM信号PWM_max，计算输出功率标幺值，并更新U个元素数组并从中得到输出功率标幺值的平均值依据获取的PWM_max的导通时间计算最大输出功率标幺值和偏差量进而执行并联供电系统功率均衡控制算法实现输出功率均衡控制功能；输出电压控制量u_k和占空比为的PWM信号，实现电源模块输出电压控制、输出功率均衡控制和将输出功率标幺值的差值转换为两路PWM信号的导通时间差值该方案避免了模拟信号受高频开关信号的干扰和阻抗不平衡导致的均功率基准的偏差，电源进行热插拔时，只需一个同步信号Syn的周期即可获得均功率控制偏差量，较现有方案动态响应指标优越。

Description

一种并联供电系统输出功率高效均衡控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种并联供电系统输出功率高效均衡控制方法。

背景技术

通信设备需要并联开关电源供电系统为其设备提供电力供应，这是基于并联供电系统为多电源模块并联输出结构，具备兼容性强、可N+m冗余备份、可靠性强、性价比高、设计难度较低、易于管理等一系列优势，成为解决通信电源设计的首选方案之一。现有通信设备的供电电源采用的是多个同型号电源模块并联供电，这将导致系统某些电源模块损坏之后，不能使用具有相同输出电压的其他型号的电源模块进行替换。为保证系统稳定运行，往往需要储备大量的电源模块备用，显然提高了成本，不利于并联供电系统的柔性控制。当采用具有相同输出电压不同功率容量的电源模块并联供电时，如何均衡控制每个电源模块输出功率大小一个挑战。

一方面，不同功率大小的电源模块的并联运行，除了要保证每个模块的输出电压相同之外，还应确保每个电源模块输出功率相对均衡分配。由于电源模块的额定功率大小不同，因而额定功率大的电源模块输出的功率相应较大，而额定功率小的电源模块输出功率则相应较小。那么就自然而然地引出了一个并联供电系统需要解决的问题——输出功率如何定量分配问题。

在电力系统供电领域，为解决上述问题，提出了标幺值定义，即用实际值除以基准值，得到一个无纲量的相对值，该相对值大于0而小于1。借用电力系统中标幺值定义，在并联供电系统中，我们可以对电源模块输出功率标幺值进行均衡控制。其物理意义是：每个电源模块以自身额定输出功率为基准，那么具有相同的输出功率标幺值的电源模块则意味着电源模块具有相同的输出功率能力，从而确保每个电源模块的相对负荷保持一致。

另一方面，由于并联供电系统负载变化会导致每个电源模块的输出负荷随之变化。输出功率均衡控制虽然能解决并联供电系统电源模块相对负荷保持一致，也就是均衡控制输出功率标幺值，但却不能保证电源模块工作于较高的运行区间。通常而言，设备的高效运行区间一般处于额定工况附近。对于开关电源模块而言，其高效运行区间一般处在额定功率附近，因而只要保证系统的所有电源模块输出功率均处于额定功率附近，就能确保并联供电系统的高效运行。由于引入了输出功率标幺值，其将每个电源模块的额定输出功率作为输出功率标幺值的基准功率，因而并联供电系统高效均衡控制就转化为在实现并联供电系统输出功率标幺值相同的情况下，如何保证标幺值处在一个高效运行区间范围。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种并联供电系统输出功率高效均衡控制方法，该方法具有系统结构简单，易于实现、抗干扰能力强和通用性好。本发明提出的高效均衡控制方法在确保并联供电系统输出功率均衡的基础上，实现系统在不同负载条件下均能实现高效运行。

本发明提供一种并联供电系统输出功率高效均衡控制方法，其包括以下步骤：

(1)分别采样输出电压v_k(t)和输出电流i_k(t)，并在F_on＝1，未捕获PWM信号PWM_max，F_pause＝0，未获得同步信号Syn时，计算输出功率标幺值 并更新U个元素数组并从中实时得到输出功率标幺值的平均值输出电压控制量u_k：u_k＝Voltage control algorithm(e_k)，其中：e_k＝V_set+u_p-v_k(t)；V_set是设定电压；u_p是均功率补偿量；F_on是运行标志；F_pause是暂停标志；

(2)在获得同步信号Syn的上升沿时，则通过步骤(1)中获得输出功率标幺值的平均值更新M个元素数组并实时获取输出功率标幺值偏差量的平均值

(3)捕获到PWM信号PWM_max，则通过捕获导通时间计算最大的模块功率标幺值并更新M个元素数组；并从中实时计算并联供电系统的最大功率标幺值的参数指标其中：λ为系数，为参数指标计算函数；

(4)电源模块在启动阶段时，只运行电压环路控制算法；在启动阶段结束之后，即F_{start_stage}＝1不成立时，则进行系统是否处于低效率运行的状态判定，若不成立则输出功率补偿量若成立则通过决定是否暂停前一时刻输出功率最大的电源模块，并置F_pause＝1，其中F_pause为暂停运行标志；(5)在捕获到F_pause＝1时，则通过是否接收到同步信号Syn来进行处理，若接收到同步信号Syn时，则置F_on＝0，F_pause＝0，F_syn↑＝0，并且设定若未接收到同步信号Syn时，则更新数组元素并计算获得电源模块的运行状态参数U^*＝γ[v_k(0)，…，v_k(W-1)]，并对该运行状态参数进行判断，若U^*≤αV_set成立，则重新启动暂停的电源模块。其中：α为正系数，γ为状态参数U^*计算函数；γ可以是平均值函数，最小方差函数，概率分布函数或其他函数等；

(6)在F_on＝1不成立时，则更新数组元素并从中得到电源模块的运行状态参数Θ＝ψ[v_k(0),v_k(1),…,v_k(W-1)]，并对该运行状态参数进行判定，若Θ≤βV_set成立，则置F_{start_stage}＝1，F_on＝1。其中：β为正系数；ψ为状态参数Θ计算函数。

本发明具有以下优势：

本发明无需通信总线即可实现并联供电系统电源模块输出功率均衡控制，具有结构简单，实用性好。

本发明将输出功率标幺值的差值转换为两路占空比分别为和的PWM信号的导通时间差值该方案避免了模拟信号受高频开关信号的干扰。

本发明提出的输出功率高效均衡控制方法动态响应速度快；电源进行热插拔时，只需一个同步信号Syn的周期即可获得均功率控制偏差量较现有通信总线均流方案动态响应指标优越。

本发明提出的输出功率高效均衡控制方法能有效实现系统在不同负载情况下电源模块均能实现恒压、均流和高效运行

本发明提出的输出功率高效均衡控制方法具有结构简单、成本低、可靠性高，实用性强等特点，为电力电子设备并联控制提供了一种新的方案。

附图说明

图1为并联供电输出功率均衡控制方法系统结构图。

图2为输出功率p_k(t)的PWM调制原理图。

图3为PWM_max信号获取电路。

图4为生成子程序。

图5为电源模块控制算法框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：

图1为并联供电输出功率均衡控制方法系统结构图，该结构图总体上说明了并联供电系统电源模块内部组成部分、电源模块间连接方式和用电设备，下面以序号为k(1≤k≤N)的电源模块进行介绍。电源模块内部包括：捕获单元、PWM调制单元、同步触发单元、电源模块控制算法、PWM驱动电路、功率变换器主电路、电压检测、电流检测、电压采样和电流采样、电阻R、二极管D、二极管D_s、接线端子J1和接线端子J2组成。捕获单元用于捕获PWM_max的导通时间PWM调制单元用于将输出功率p_k(t)调制为周期为T、占空比为导通时间为的PWM信号同步触发单元用于接收/输出同步时钟信号Syn。Syn实现具有相同的上升沿时刻，也就是同步；电源模块控制算法用于实现电源模块输出电压控制、均流控制和高效运行控制功能；PWM驱动电路用于对控制信号u_k(t)进行隔离、放大，从而驱动MOSFET、IGBT功率管；功率变换器主电路主要包括功率管、滤波电容、滤波电感等原件，用于实现电能变换；电压检测用于对输出电压v_k(t)进行信号调理、滤波等，将其调理为合适的电压进入电压采样端口；电流检测将输出电流i_k(t)转换为电压信号，并进行信号调理、滤波等，将其调理为合适的电压进入电流采样端口；接线端口J1主要是输出/接收PWM_max信号；接线端口J2主要是输出/接收Syn信号；

图2为输出功率p_k(t)的PWM调制原理图，其将p_k(t)信号调制为周期为T，占空比为导通时间为的PWM信号由PWM调制原理、几何相似三角形和标幺值知识可得：

p_k(t)＝v_k(t)×i_k(t) (1)

其中：v_k(t)为模块输出电压；i_k(t)为模块输出电流；p_k(t)、和分别为模块的输出功率、额定输出功率和输出功率标幺值；T为PWM信号的周期；为导通时间。

图3为PWM_max信号获取电路，因具有相同的周期T并且同步，所以上升沿出现在同一时刻。由《电工电子学》知识可知，图3所示电路用于获得导通时间最长的PWM信号，令其为PWM_max，其导通时间满足：

其中：为的导通时间；联立方程(1)，(2)，(3)，(4)可得：

其中：

联立(2)、(3)、(5)并整理得：

其中：为输出功率标幺值偏差量。

由公式(6)可知，与为线性关系，因而可以捕获来求取进而实现并联供电系统输出功率均衡控制。

图4为生成子程序，用于在同步信号Syn出现时刻将周期为T、占空比为的PWM信号发出去。

本发明提供一种并联供电系统输出功率高效均衡控制方法，其包括以下步骤：

(1)分别采样输出电压v_k(t)和输出电流i_k(t)，并在F_on＝1，未捕获PWM信号PWM_max，F_pause＝0，未获得同步信号Syn时，计算输出功率标幺值 并更新U个元素数组并从中实时得到输出功率标幺值的平均值输出电压控制量u_k：u_k＝Voltage control algorithm(e_k)，其中：e_k＝V_set+u_p-v_k(t)；V_set是设定电压；u_p是均功率补偿量；F_on是运行标志；F_pause是暂停标志；

(2)在获得同步信号Syn的上升沿时，则通过步骤(1)中获得输出功率标幺值的平均值更新M个元素数组并实时获取输出功率标幺值偏差量的平均值

(3)捕获到PWM信号PWM_max，则通过捕获导通时间最大的模块功率标幺值并更新M个元素数组；并从中获得实时的最大功率标幺值λ为系数，为参数指标计算函数；可以是平均值函数，最小方差函数，概率分布函数或其他函数等；

(4)电源模块在启动阶段时，只运行电压环路控制算法，该电压环路控制算法即步骤(1)；在判定启动阶段结束之后，即F_{start_stage}＝1不成立时，则进行系统是否处于低效运行的状态判定，若不成立则输出功率补偿量u_p：若成立则通过决定是否暂停前一时刻输出功率最大的电源模块，并置F_pause＝1，其中F_pause为暂停运行标志；

(5)在捕获到F_pause＝1时，则通过是否接收到同步信号Syn来进行处理，若接收到同步信号Syn时，则置F_on＝0，F_pause＝0，F_syn↑＝0，并且设定设定电压控制量u_k(i)＝0；i＝0,1,…,W-1；若未接收到同步信号Syn时，则更新数组元素并获得电源模块的运行状态参数U^*＝γ[v_k(0)，…，v_k(W-1)]，对进行U^*≤αV_set，小于设定的电压值时，则重新启动暂停的电源模块，其中：α为正系数，γ为状态参数U^*计算函数；γ可以是平均值函数，最小方差函数，概率分布函数或其他函数等；

(6)在F_on＝1不成立时，则更新数组元素并从中得到电源模块的运行状态参数Θ＝ψ[v_k(0),v_k(1),…,v_k(W-1)]，并对该运行状态参数进行判定，若Θ≤βV_set，则置F_{start_stage}＝1，F_on＝1，然后输出电压控制量u_k(i)＝0；i＝0,1,…,W-1，β为正系数；ψ为状态参数Θ计算函数；ψ可以是平均值函数，最小方差函数，概率分布函数或其他函数等。

实施例不应视为对本发明的限制，任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种并联供电系统输出功率高效均衡控制方法，其特征在于：其包括以下步骤：

(1)分别采样输出电压v_k(t)和输出电流i_k(t)，并在F_on＝1，未捕获PWM信号PWM_max，F_pause＝0，未获得同步信号Syn时，计算输出功率标幺值并更新U个元素数组并从中实时得到输出功率标幺值的平均值输出电压控制量u_k：u_k＝Voltage control algorithm(e_k)，其中：e_k＝V_set+u_p-v_k(t)；V_set是设定电压；u_p是均功率补偿量；F_on是运行标志；F_pause是暂停标志；

(2)在获得同步信号Syn的上升沿时，则通过步骤(1)中获得输出功率标幺值的平均值更新M个元素数组并实时获取输出功率标幺值偏差量的平均值

(3)捕获到PWM信号PWM_max，则通过捕获导通时间计算最大的模块功率标幺值并更新M个元素数组；并从中实时计算并联供电系统的最大功率标幺值的参数指标其中：λ为系数，为参数指标计算函数；

(4)电源模块在启动阶段时，只运行电压环路控制算法；在启动阶段结束之后，即F_{start_stage}＝1不成立时，则进行系统是否处于低效率运行的状态判定，若不成立则输出功率补偿量u_p：若成立则通过决定是否暂停前一时刻输出功率最大的电源模块，并置F_pause＝1，其中F_pause为暂停运行标志；

(5)在捕获到F_pause＝1时，则通过是否接收到同步信号Syn来进行处理，若接收到同步信号Syn时，则置F_on＝0，F_pause＝0，F_syn↑＝0，并且设定若未接收到同步信号Syn时，则更新数组元素并计算获得电源模块的运行状态参数U^*＝γ[v_k(0),…,v_k(W-1)]，并对该运行状态参数进行判断，若U^*≤αV_set成立，则重新启动暂停的电源模块。其中：α为正系数，γ为状态参数U^*计算函数；

(6)在F_on＝1不成立时，则更新数组元素并从中得到电源模块的运行状态参数Θ＝ψ[v_k(0),v_k(1),…,v_k(W-1)]，并对该运行状态参数进行判定，若Θ≤βV_set成立，则置F_{start_stage}＝1，F_on＝1。其中：β为正系数；ψ为状态参数Θ计算函数。