CN107147318A - 一种并联供电系统输出功率均衡控制系统 - Google Patents

一种并联供电系统输出功率均衡控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种并联供电系统输出功率均衡控制系统，其包括Δvk生成电路、采样电路、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、检测电路，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然后对导通时间差值为的PWM信号进行低通滤波得出输出功率标幺值的差值进而执行并联供电系统输出功率均衡控制算法实现输出功率均衡控制功能；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，尤其是电源模块在进行热插拔情况下，均功率控制响应速度较现有方案动态响应指标优越；这是由于信号在模块热插拔之后进行快速调整，只需一个同步信号Syn的周期即可实现调整之后的输出，其值不受电源模块个数的影响。

Description

一种并联供电系统输出功率均衡控制系统
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均衡控制系统。
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。
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处于相同状态，提高电源模块的运行性能和寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，提供了一种电路结构简单、实用性好、抗干扰能力强的并联供电系统输出功率均衡控制系统，可实现并联供电系统的电源模块输出功率标幺值的均衡控制。
本发明提供一种并联供电系统输出功率均衡控制系统，其包括
Δvk生成电路，基于PWM信号PWMmax和PWM信号异或获得PWM信号并将PWM信号转换为电压Δvk；
采样电路，与所述Δvk生成电路的输出端连接，获取电压Δvk；
PWM调制单元、与所述Δvk生成电路的一个输入端连接，并将将pk(t)信号调制为周期为T，占空比为导通时间为的PWM信号
同步触发单元，获取同步信号Syn；
PWM驱动电路，输出控制脉冲，并驱动外部用电设备；
检测电路，分别检测PWM驱动电路的输出电压vk(t)和输出电流ik(t)；
电源控制模块，分别与所述采样电路、PWM调制单元、同步触发单元、PWM驱动电路以及检测电路连接，所述电源控制模块的控制步骤如下：
(1)采样Δvk生成电路的输出电压Δvk，并获取输出功率标幺值偏差量平均值得到补偿量up(t)；
(2)采样输出电压vk(t)，获得偏差量ek＝Vset+up(t)-vk(t)，并得到控制量uk(t)；
(3)基于同步信号Syn，将输出功率pk(t)调制为周期为T，占空比为导通时间为的PWM信号
(4)输出控制量uk(t)到PWM驱动电路实现输出电压控制和输出功率均衡控制。
步骤(1)中依据获得输出功率标幺值与并联供电系统中最大输出功率标幺值偏差量的平均值其中Δvk为占空比是的PWM信号PWMmax与占空比是的PWM信号之差的低通滤波输出电压，为序号为k的电源模块输出功率标幺值；为并联供电系统中最大占空比的PWM信号，满足：c为系数。
所述步骤(3)中，基于同步信号Syn，将输出功率pk(t)＝ik(t)×uk(t)调制为周期为T，占空比为导通时间为的PWM信号该PWM信号满足：其中：为序号是K的电源模块的额定输出功率；其中：ik(t)为序号为K的电源模块的输出电流。
所述Δvk生成电路包括：
PWMmax获取电路，获取占空比为导通时间为的PWM信号PWMmax；
信号获取电路，与PWM调制单元连接，获取占空比为导通时间为的PWM信号信号；
低通滤波器LF，与所述信号获取电路连接，对信号滤波，得到电压Δvk。
所述Δvk生成电路包括异或门，所述异或门的一个输入端与PWM调制单元连接，并获取PWM信号另一个输入端获取PWM信号PWMmax，所述异或门的输出端与低通滤波器LF连接。
所述异或门的两个输入端之间并联二极管D，所述异或门获取PWM信号PWMmax的一端与接线端子J1连接，且下拉电阻R接地。
所述PWM驱动电路的输出端设有功率变换主电路。
所述同步触发单元可内置或可外接。
本发明具有以下优势：
①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；
②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然后对导通时间差值为的PWM信号进行低通滤波得出输出功率标幺值的差值该方案避免了模拟信号受高频开关信号的干扰。
③本发明提出的输出功率均衡控制方案动态响应速度快；尤其是电源模块在进行热插拔情况下，均功率控制响应速度较现有方案动态响应指标优越；这是由于信号在模块热插拔之后进行快速调整，只需一个同步信号Syn的周期即可实现调整之后的输出，其值不受电源模块个数的影响。
④本发明提出的均功率控制系统能在任意电源模块出现故障时，对系统正常工作没有影响；采用通信总线方式实现均功率控制方案在电源模块出现故障时，系统需通过复杂的通信算法确定故障模块，确保系统正常工作；
⑤本发明对开关电源模块控制芯片要求很低，可以使用单片机等低成本控制芯片作为开关电源主控芯片，降低了设计难度；
⑥本发明提供的输出功率均衡控制系统具有结构简单、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为并联供电系统输出功率均衡控制系统功能结构图。
图2为电源模块控制算法框图。
图3为Δvk生成电路图。
图4为输出功率pk(t)的PWM调制原理图。
图5为PWMmax信号获取电路。
图6为信号获取电路。
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为并联供电系统输出功率均衡控制系统功能结构图，该功能结构图总体上说明了并联供电系统输出功率均衡控制系统的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。
电源模块包括以下结构：
Δvk生成电路，基于PWM信号PWMmax和PWM信号异或获得PWM信号并将PWM信号转换为电压Δvk；该电路主要实现三个功能：㈠获取最大导通时间为的PWM信号PWMmax；㈡获取导通时间差为的PWM信号该信号为与PWMmax的异或运算之后获得；㈢对低通滤波，得到电压Δvk。
采样电路，与所述Δvk生成电路的输出端连接，获取电压Δvk；
PWM调制单元、与所述Δvk生成电路的一个输入端连接，并将将pk(t)信号调制为周期为T，占空比为导通时间为的PWM信号
同步触发单元，获取同步信号Syn，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；
PWM驱动电路，输出控制脉冲，并驱动外部用电设备，PWM驱动电路用于对控制信号uk(t)进行隔离、放大，从而驱动MOSFET、IGBT功率管；
检测电路，分别检测PWM驱动电路的输出电压vk(t)和输出电流ik(t)，检测电路包括电压检测电路和电流检测电路，电压检测用于对输出电压vk(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ik(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。
电源控制模块，分别与所述采样电路、PWM调制单元、同步触发单元、PWM驱动电路以及检测电路连接，用于执行电压控制算法和输出功率均衡控制算法。
所述PWM驱动电路的输出端设有功率变换主电路，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。
其还设有接线端口J1主要是输出/接收PWMmax信号，与Δvk生成电路连接。
接线端口J2主要是输出/接收Syn信号，该接线端口J2与同步触发单元连接。
图2为电源模块控制算法框图，包含电压控制算法、计算模型、输出功率均衡控制算法，其执行流程为：(1)采样电压Δvk，计算输出功率标幺值偏差量平均值执行输出功率均衡控制算法得到补偿量up(t)；(2)采样输出电压vk(t)，计算偏差量ek＝Vset+up(t)-vk(t)，执行电压控制算法，得到控制量uk(t)；(3)基于同步信号Syn，将输出功率pk(t)调制为周期为T，占空比为导通时间为的PWM信号④输出控制量uk(t)到PWM驱动电路实现输出电压控制和输出功率均衡控制。
图3为Δvk生成电路图，所述Δvk生成电路包括：
PWMmax获取电路，获取占空比为导通时间为的PWM信号PWMmax；
信号获取电路，与PWM调制单元连接，获取占空比为导通时间为的PWM信号信号；
低通滤波器LF，与所述信号获取电路连接，对信号滤波，得到电压Δvk。
所述Δvk生成电路包括异或门，所述异或门的一个输入端与PWM调制单元连接，并获取PWM信号另一个输入端获取PWM信号PWMmax，所述异或门的输出端与低通滤波器LF连接。所述异或门的两个输入端之间并联二极管D，所述异或门获取PWM信号PWMmax的一端与接线端子J1连接，且下拉电阻R接地。
其中二极管D、电阻R用于获取占空比为导通时间为的PWM信号PWMmax；异或门用于实现导通时间为的PWM信号的获得；低通滤波器LF对获得电压Δvk
图4为输出功率pk(t)的PWM调制原理图，其将pk(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：
pk(t)＝vk(t)×ik(t) (1)
其中：vk(t)为模块输出电压；ik(t)为模块输出电流；pk(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5为PWMmax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5所示电路用于获得导通时间最长的PWM信号，令其为PWMmax，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：
图6为信号获取电路。由逻辑代数可知，两个数字信号异或运算法则是：两个信号相同输出为0，不同输出为1。从图中可以看出对同步的信号和PWMmax进行异或运算，即可获得导通时间为的PWM信号图6中异或门的输出信号逻辑关系上满足：
的导通时间满足：
所以有：
联立方程(2)、(3)、(5)、(8)可得：
其中：为输出功率标幺值偏差量。
由滤波器知识可知，当低通滤波器LF的截止频率则低通滤波器LF输出为的直流分量，即的平均值，其Δvk满足：
令t＝MT，则
其中：λ为低通滤波器LF的直流增益；M为周期个数；又因为：
联立(9)、(12)可得：
其中：为t∈[jT,(j+1)T]的输出功率标幺值偏差量，满足： 为信号在t∈[jT,(j+1)T]的导通时间；VCC为PWM模块电源电压。联立(11)、(13)可得：
其中：为输出功率标幺值偏差量的平均值，并且满足：令c＝λ×VCC，则：
由公式(15)可知，Δvk与输出功率标幺值偏差量平均值为线性关系，因而可以通过Δvk来求取进而实现并联供电系统输出功率均衡控制。
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 (8)

1.一种并联供电系统输出功率均衡控制系统，其特征在于：其包括Δvk生成电路，基于PWM信号PWMmax和PWM信号异或获得PWM信号并将PWM信号转换为电压Δvk；
采样电路，与所述Δvk生成电路的输出端连接，获取电压Δvk；
PWM调制单元、与所述Δvk生成电路的一个输入端连接，并将pk(t)信号调制为周期为T，占空比为导通时间为的PWM信号
同步触发单元，获取同步信号Syn；
PWM驱动电路，输出控制脉冲，并驱动外部用电设备；
检测电路，分别检测PWM驱动电路的输出电压vk(t)和输出电流ik(t)；
电源控制模块，分别与所述采样电路、PWM调制单元、同步触发单元、PWM驱动电路以及检测电路连接，所述电源控制模块的控制步骤如下：
(1)采样Δvk生成电路的输出电压Δvk，并获取输出功率标幺值偏差量平均值得到补偿量up(t)；
(2)采样输出电压vk(t)，获得偏差量ek＝Vset+up(t)-vk(t)，并得到控制量uk(t)；
(3)基于同步信号Syn，将输出功率pk(t)调制为周期为T，占空比为导通时间为的PWM信号
(4)输出控制量uk(t)到PWM驱动电路实现输出电压控制和输出功率均衡控制。
2.根据权利要求1所述的一种并联供电系统输出功率均衡控制系统，其特征在于，步骤(1)中依据获得输出功率标幺值与并联供电系统中最大输出功率标幺值偏差量的平均值其中Δvk为占空比是的PWM信号PWMmax与占空比是的PWM信号之差的低通滤波输出电压，为序号为k的电源模块输出功率标幺值；为并联供电系统中最大占空比的PWM信号，满足：c为系数。
3.根据权利要求1或2所述的一种并联供电系统输出功率均衡控制系统，其特征在于，所述步骤(3)中，基于同步信号Syn，将输出功率pk(t)＝ik(t)×uk(t)调制为周期为T，占空比为导通时间为的PWM信号该PWM信号满足：其中：为序号是K的电源模块的额定输出功率；其中：ik(t)为序号为K的电源模块的输出电流。
4.根据权利要求1所述的一种并联供电系统输出功率均衡控制系统，其特征在于，所述Δvk生成电路包括：
PWMmax获取电路，获取占空比为导通时间为的PWM信号PWMmax；
信号获取电路，与PWM调制单元连接，获取占空比为导通时间为的PWM信号信号；
低通滤波器LF，与所述信号获取电路连接，对信号滤波，得到电压Δvk。
5.根据权利要求1或4所述的一种并联供电系统输出功率均衡控制系统，其特征在于，所述Δvk生成电路包括异或门，所述异或门的一个输入端与PWM调制单元连接，并获取PWM信号另一个输入端获取PWM信号PWMmax，所述异或门的输出端与低通滤波器LF连接。
6.根据权利要求5所述的一种并联供电系统输出功率均衡控制系统，其特征在于，所述异或门的两个输入端之间并联二极管D，所述异或门获取PWM信号PWMmax的一端与接线端子J1连接，且下拉电阻R接地。
7.根据权利要求1所述的一种并联供电系统输出功率均衡控制系统，其特征在于，所述PWM驱动电路的输出端设有功率变换主电路。
8.根据权利要求1所述的一种并联供电系统输出功率均衡控制系统，其特征在于，所述同步触发单元可内置或可外接。
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