CN108494259B - 一种高压直流电源串并联组合系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高压直流电源串并联组合系统的控制方法，属于高压直流电源和电压电流控制相关技术领域。高压直流电源IPOS组合系统在正常工作时，电压外环在每个开关周期对系统输出电压和各模块输出电压进行采样，通过PI控制策略对系统输出电压进行调节，同时实现输出均压；电流内环主要是采用无差拍控制策略对系统中逆变模块输出电流进行控制，减小电流波形的畸变率，提高系统瞬时响应速度。本发明中的控制方法不仅可获得高电压大功率，而且减小了输入侧开关的电流应力和输出侧器件电压应力，同时加快了动态响应速度，提高了控制精度。本发明适用于要求高输出电压和快速动态响应的高压直流电源。

Description

一种高压直流电源串并联组合系统的控制方法

技术领域

本发明属于高压直流电源和IPOS组合系统控制相关技术领域，涉及电压电流控制方法的设计，尤其涉及一种高压直流电源串并联组合系统的控制方法。

背景技术

高压直流电源在各行各业需求量日益增大，但是在一些高电压和大功率的场合，单个电源显然不能满足要求，因此出现了IPOS(输入端并联，输出端串联)组合方式。这种组合方式可由低压输入获得高压输出，且只要保证输入均流、输出均压，就可实现各模块输出功率相等，保证系统稳定长期的运行。同时，这种组合方式还有效地降低了输入输出侧开关应力，相较于单个电源独立运行，各模块输出功率减小，可靠性变高。

分析近年来应用于高压直流电源的多种控制方式，有采用纯PI控制策略控制其系统输出电压，以增强系统的稳定性；有采用自适应-PID控制方式，使得系统动态性能良好，对参数变化有较强的鲁棒性；有采用准比例谐振控制逆变器的电流，消除系统稳态误差。而当多个高压直流电源通过输入端并联、输出端串联变成IPOS组合系统时，因需要保证输入端均流、输出端均压，因此为保证输出均压效果好且可实现精确调压，可选用以下几种控制方式：有采用将同一占空比直接送入各模块，但因实际运行时各模块参数很难做到完全一致，因此该方法虽然简单易操作，但无法保证输出均压；有各模块共用输出电压环且每个模块均有各自输入电流环的控制方式；由最高电压均压控制策略，即选择系统中电压最高的模块作为基准模块，其余模块的电压与之进行比较，最终将各个偏差信号叠加到各模块电压环的输出，以调节其输出电压。而本文基于高压直流电源系统和IPOS组合方式的特点，提出了无差拍控制和PI控制结合的策略，并对其进行了理论分析和仿真验证。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种数字化高压直流电源IPOS组合系统控制方法的设计，电压闭环、均压闭环通过对系统输出电压、各模块输出电压进行实时采样，实现对输出电压的调节，同时可实现各模块输出均压，减小输出侧电压应力；电流闭环主要实现对系统中逆变模块电流的实时跟踪、调节，加快系统的动态响应速度，提高控制精度。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种高压直流电源串并联组合系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：确定控制策略

系统采用PI-无差拍复合控制策略，各闭环分别为实现系统输出电压稳定的电压闭环、实现各模块输出均压的均压闭环和提高动态响应速度及实现各模块电流限制、短路保护的电流闭环。其中，电压闭环、均压闭环使用PI控制策略，控制系统输出电压、各模块输出电压；电流闭环使用无差拍控制策略，控制系统中逆变模块输出电流。

步骤二：分析IPOS组合系统小信号模型

通过Buck变换器小信号等效电路做适当变换，得到直流电源系统的小信号模型，再使其输入端并联，输出端串联，得到IPOS组合系统小信号模型。通过模型分析，推导出IPOS系统的各个传递函数。

系统输出电压传递函数：

其中，定义K表示变压器原副边匝数比，L_r表示谐振电感，f_s表示开关频率，V_in表示输入电压，C_f表示输出滤波电容，L_f表示输出滤波电感，R_cf表示输出串联等效电阻，R_Ld表示负载，s表示复参数。

模块输出电压传递函数：

步骤三：设计各个补偿环节

(1)电压闭环：由上述小信号模型进行解耦分析，得到电压闭环结构图，由此可得到电压闭环的环路增益：

T_voc(s)＝2K_voG_vd(s)G_vo(s)/V_pp

其中，K_vo为输出电压采样系数，G_vd为输出传递函数，G_vo为PI调节器的传递函数，V_pp为三角波信号幅值。

(2)均压闭环：由小信号模型的解耦分析同样可得到均压闭环结构图，由此可得输出均压闭环的环路增益：

T_vdc＝K_voG_vcd(s)A(s)/V_pp

其中，K_vo为输出电压采样系数，G_vcd为PI调节器的传递函数，A(s)为模块输出电压传递函数，V_pp为三角波信号幅值。

(3)电流闭环：对系统中逆变模块进行分析，列写状态方程，进行离散化，可得电流闭环结构框图，由此可得电流闭环的环路增益及闭环传递函数：

G(z)＝G_c(z)·G₁(z)·G₂(z)·G₃(z)

其中，G_c(z)表示无差拍控制器传递函数，G₃(z)表示系统的延时环节，G₂(z)表示零阶保持器，G₁(z)表示被控对象函数，z表示复变量。

步骤四：控制策略分析

根据上述分析设计，可得到PI-无差拍复合控制策略的结构图，由此可得到此控制策略的闭环传递函数：

其中，G_PI表示PI闭环传递函数，G_w表示无差拍控制闭环传递函数，G表示整流模块传递函数与负载传递函数的乘积，K_vo表示电压采样系数，v_o表示输出电压，v_ref表示参考电压。

本发明的有益结果是：本发明采用PI-无差拍复合控制策略控制高压直流电源IPOS组合系统，即可以保证每个模块的同步性，系统输出的稳定性，又加快了系统的动态响应速度，提高了整体控制精度。

附图说明

图1是高压直流电源拓扑。

图2是IPOS组合系统等效示意图。

图3是IPOS组合系统控制策略框图。

图4是IPOS组合系统小信号等效电路。

图5是输出电压闭环结构框图。

图6是输出电压闭环环路增益伯德图；图6(a)为增益变化图；图6(b)为相角变化图。

图7是输出均压闭环结构框图。

图8是输出均压闭环环路增益伯德图；图8(a)为增益变化图；图8(b)为相角变化图。

图9是离散后逆变器系统框图。

图10是电流内环结构框图。

图11是PI-无差拍复合控制策略结构框图。

图12是IPOS系统输出电压波形。

图13是IPOS系统各模块输出电压波形。图13(a)为1模块输出电压波形；图13(b)为2模块输出电压波形。

图14是PI控制和PI-无差拍控制输出波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利的具体实施方式进行描述。

请参见图1，高压直流电源由整流模块、逆变模块(IGBT)、LCC谐振变换器、高频高压变压器等组成。

请参见图2，IPOS组合系统由多个高压直流电源输入端并联，输出端串联组成，本文在分析控制方式时以两个模块为例。由于在IPOS组合系统中已可自动实现输入均压和输出均流，则只需要控制输入均流和输出均压即可。又由公式：

可知，只要各模块的变换效率一致，则各模块输出均压实现时，输入均流就可实现，反之亦然。在实现均压均流的同时，还能有效地减小各模块输入侧电流应力和输出侧电压应力。

由实际需求，设计高压电源主要参数。系统输入电压V_in＝380V，输出电压V_o＝30kV，输出电流100mA(等效的负载电阻R_Ld＝1.2Ω)，变压器变比K＝1：330，输出滤波电感L_f＝400μH，输出电容C_f＝10μF，等效串联电阻R_cf＝0.015Ω，谐振电感L_r＝54μH，开关频率f_s＝20kHz。

步骤一：确定控制策略

一种高压直流电源IPOS组合系统的控制方法，系统采用PI-无差拍复合控制策略，各闭环分别为实现系统输出电压稳定的电压闭环、实现各模块输出均压的均压闭环和提高动态响应速度，对实现对系统中逆变模块电流的实时跟踪、调节，加快系统的动态响应速度，提高控制精度的电流闭环。其中电压环使用PI控制策略，电流内环使用无差拍控制策略。请参阅图3，IPOS组合系统正常工作时，实时对各模块和系统输出电压进行采样，采样值与相应设定值进行比较后，偏差值送入PI调节器，两部分输出值相加后作为逆变模块输出电流的下一时刻预测值，再同当前时刻电流采样值送入无差拍控制调节器，将最终调节量与三角波进行比较，产生相应的PWM波，以控制IGBT的通断。实际运行中，会因为电压或电流的升高或降低，而产生不同的调节量，进而增加或减小PWM的占空比，增加或减小IGBT的通断时间，以实现电压或电流的调整。

步骤二：分析IPOS组合系统小信号模型

以IPOS系统为基础，进行小信号数学建模，其模型请参见图4。其中C_f和L_f分别为输出滤波电容和滤波电感，其中D_e为有效占空比，d_i为i_Lf对副边有效占空比的扰动量，d_ij和d_vj是由电路自身产生的。借此模型推导各个传递函数，为输出电压环和输出均压环调节器设计打下基础。

步骤三：设计各个补偿环节

(1)电压闭环：由上述小信号模型进行解耦分析，可得到电压闭环结构图，参见图5，由此可得到电压闭环的环路增益：

T_voc(s)＝2K_voG_vd(s)G_vo(s)/V_pp

式中：K_vo为输出电压采样系数，G_vd为输出传递函数，G_vo为PI调节器的传递函数，V_pp为三角波信号幅值。

其中，PI调节器的传递函数为G_vo(s)：

其中K_vo为电压闭环PI调节器的比例系数，τ_vo为调节器的超前时间常数。参照典型系统的设计原则和上述公式，选取K_vo＝0.23，τ_vo＝0.052，则电压闭环中PI参数：

代入上述参数可得补偿后环路增益的波特图，参见图6，上半部分图形为增益，下半部分图形为相角，可知截止频率为10kHz，相角裕度为89.9°。

(2)均压闭环：因实际工程中无法保证各模块的电路参数完全相同，因此需要加入均压闭环，使每个模块输出电压保持在总电压的1/n。因此由小信号模型解耦分析得到均压闭环结构图，参见图7，由此可得均压闭环的环路增益：

T_vdc＝K_voG_vcd(s)A(s)/V_pp

式中：K_vo为输出电压采样系数，G_vcd为PI调节器的传递函数，A(s)为模块输出电压传递函数，V_pp为三角波信号幅值。

为了提高低频段增益，且不导致相角滞后的恶化，因此输出均压环PI调节器的传递函数为G_vcd(s)：

其中K_vc为输出均压环PI调节器的比例系数，τ_vc为调节器的超前时间常数。参照典型系统的设计原则和上述公式，选取K_vc＝0.19，τ_vc＝0.083，则输出均压环中PI参数为：

代入上述参数可得补偿后环路增益的波特图，参见图8，上半部分图形为增益，下半部分为相角，可知截止频率为20kHz，相角裕度为83.5°。

(3)电流闭环：对系统中逆变模块进行分析，列写状态方程，进行离散化，可得

其中：

展开后可得：

通过此公式，可得到离散后逆变器系统框图，参照图9。

对控制量进行延时处理，同时用二阶预估法估计负载电流，可得：

由此可得电流闭环结构框图，参照图10，电流闭环的环路增益：

G(z)＝G_c(z)·G₁(z)·G₂(z)·G₃(z)

其中G_c(z)为无差拍控制器传递函数，G₃(z)为系统的延时环节，G₂(z)为零阶保持器，G₁(z)为被控对象函数。为了系统获得良好的动态性能，K取1。

步骤四：控制策略分析

根据上述分析设计，可得到PI-无差拍复合控制策略的结构图，由此可得到此控制策略的闭环传递函数：

其中，G_PI为PI闭环传递函数，G_w为无差拍控制闭环传递函数，G为整流模块传递函数与负载传递函数的乘积，K_vo为电压采样系数。

根据上述模型设计和参数，在MATLAB中搭建系统模型进行仿真。系统输出电压波形参见图12，从图中可看出，输出稳定。各模块输出电压波形参见图13，可看出，通过此控制策略能达到输出均压的效果。两种控制方式下输出波形对比参见图14，由此图可看出，PI-无差拍复合控制策略相对于PI控制，输出电压更稳定，纹波更小，且系统响应速度加快。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种高压直流电源串并联组合系统的控制方法，高压直流电源包括整流模块、逆变模块、LCC谐振变换器、高频高压变压器；高压直流电源串并联组合系统包括多个高压直流电源输入端并联、输出端串联；其特征在于以下步骤：

步骤一：确定控制策略

系统采用PI-无差拍复合控制策略，各闭环分别为实现系统输出电压稳定的电压闭环、实现各模块输出均压的均压闭环和提高动态响应速度及实现各模块电流限制、短路保护的电流闭环；其中，电压闭环、均压闭环使用PI控制策略，控制系统输出电压、各模块输出电压；电流闭环使用无差拍控制策略，控制系统中逆变模块输出电流；

步骤二：分析IPOS组合系统小信号模型

通过Buck变换器小信号等效电路做变换，得到高压直流电源的小信号模型，再使其输入端并联，输出端串联，得到IPOS组合系统小信号模型；通过模型分析，推导出IPOS组合系统的各个传递函数；

系统输出电压传递函数：

其中，定义K表示变压器原副边匝数比，L_r表示谐振电感，f_s表示开关频率，V_in表示输入电压，C_f表示输出滤波电容，L_f表示输出滤波电感，R_cf表示输出串联等效电阻，R_Ld表示负载，s表示复参数；

模块输出电压传递函数：

步骤三：设计各个补偿环节

(1)电压闭环：对得到的小信号模型进行解耦分析，得到电压闭环结构图，进而得到电压闭环的环路增益：

T_voc(s)＝2K_voG_vd(s)G_vo(s)/V_pp

其中，K_vo为输出电压采样系数，G_vd为输出传递函数，G_vo为PI调节器的传递函数，V_pp为三角波信号幅值；

(2)均压闭环：对得到的小信号模型的解耦分析同样可得到均压闭环结构图，进而得到输出均压闭环的环路增益：

T_vdc＝K_voG_vcd(s)A(s)/V_pp

其中，K_vo为输出电压采样系数，G_vcd为PI调节器的传递函数，A(s)为模块输出电压传递函数，V_pp为三角波信号幅值；

(3)电流闭环：对系统中逆变模块分析后，列写状态方程，进行离散化，可得电流闭环结构框图，进而电流闭环的环路增益及闭环传递函数：

G(z)＝G_c(z)·G₁(z)·G₂(z)·G₃(z)

其中，G_c(z)表示无差拍控制器传递函数，G₃(z)表示系统的延时环节，G₂(z)表示零阶保持器，G₁(z)表示被控对象函数，z表示复变量；

步骤四：控制策略分析

根据上述分析得到PI-无差拍复合控制策略的结构图，进而得到此控制策略的闭环传递函数：

其中，G_PI表示PI闭环传递函数，G_w表示无差拍控制闭环传递函数，G表示整流模块传递函数与负载传递函数的乘积，K_vo表示电压采样系数，v_o表示输出电压，v_ref表示参考电压。