CN108933436A - 一种直流电源并联系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种直流电源并联系统。直流电源并联系统包括：多个可控制工作于电流源模式的直流电源模块，每个所述直流电源模块包括功率端口、均流端口，多个直流电源模块通过功率端口并接后形成电压源与电流源混合并联系统；其中每一个的直流电源模块具有内部均流控制电路，均流控制电路均带有可饱和工作的电压补偿子电路。本发明的直流电源并联系统，通过控制可工作于电流源模式的直流电源模块，使得并联直流电源系统成为直流电压源与直流电流源的组合，避免了直流电压源并联时参数离散性对总体性能的影响，提高了直流并联电源系统动态响应性能，可应用于独立电源中的高功率并联直流电源系统。

Description

一种直流电源并联系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种直流电源并联系统。

背景技术

机载、车载等独立电源的高功率直流供电系统通常采用并联的方式提高供电可靠性，现有的直流供电系统并联方法主要下垂法、平均法、主从法、民主均流法等。

但是，独立电源可提供的能量有限，要求其直流供电系统具有高的转换效率。进一步，上述并联方法还存在如下缺点：

1)本质上都是非理想电压源的并联，无法克服非理想电压源参数离散性对并联系统性能的影响；

2)均流措施是通过调整非理想电压源的空载电压和虚拟内阻来实现的，均流控制环节响应带宽有限，大动态负载条件下响应速度低；

3)均流措施不包含效率提升控制，在独立电源供电的高功率直流供电系统中造成能量损耗，温升增加，降低了独立电源的持续工作能力。

发明内容

本发明的目的是提供了一种直流电源并联系统，用于提高供电可靠性并改善了总体效率。

本发明的技术方案是：

一种直流电源并联系统，包括：

多个可控制工作于电流源模式的直流电源模块，每个所述直流电源模块包括功率端口、均流端口，多个所述直流电源模块通过功率端口并接后形成电压源与电流源混合并联系统；其中

每一个所述的直流电源模块具有内部均流控制电路，所述均流控制电路均带有可饱和工作的电压补偿子电路。

可选的，所述的直流电源并联系统还包括电压/电流源反馈控制电路，所述电压/电流源反馈控制电路包括本模块电流信号跟踪子电路、可饱和工作的电压补偿子电路、电流环补偿子电路、最大电流比较与跟踪子电路。

可选的，所述本模块电流信号跟踪子电路用于跟踪本模块电流信号，提供电流环补偿的一路输入信号。

可选的，所述可饱和工作的电压补偿子电路用于将并联系统的母线电压与本模块输出电压进行比较和补偿；其中

当本模块输出电压低于并联系统的母线电压时，所述可饱和工作的电压补偿子电路饱和输出，电压环失去反馈控制作用，直流电源模块进入电流源模式；

当本模块输出电压不低于并联系统的母线电压时，所述可饱和工作的电压补偿子电路具有反馈控制作用，直流电源模块进入电压源模式；另外

所述直流电源并联系统中同一时刻仅有一个所述直流电源模块输出电压最高，输出电压最高的直流电源模块输出电流最大。

可选的，所述最大电流比较与跟踪子电路用于并联工作时获取并联系统中其中一个直流电源模块的最大电流，并提供电流环补偿的另一路输入信号。

可选的，所述电流环补偿子电路用于将本模块电流信号与直流并联系统的最大电流进行比较和补偿，使得本模块的输出电流跟踪直流并联系统的最大电流。

可选的，所述的直流电源并联系统还包括：

单模块效率计算子电路，设置在每个所述直流电源模块中，用于计算每个所述直流电源模块的当前实时效率；

系统效率计算子电路，设置在所述直流电源并联系统中，用于计算并联系统的当前实时效率；

效率选择子电路，用于获得所述直流电源并联系统中最高实时效率；

效率提升反馈子电路，其中一路输入信号为所述系统效率计算子电路的输出，代表当前的并联系统效率，所述效率提升反馈子电路另一路输入信号为所述效率选择子电路的输出，代表系统效率提升的基准值，通过比较和补偿这两路信号的误差，产生并联系统最优化的并联数量控制信号；

效率提升控制子电路，通过比较所述效率提升反馈子电路的输出与基准，产生并联系统中基于效率提升控制策略的开关信号，以动态控制进入并联系统中的直流电源模块的数量。

可选的，所述的直流电源并联系统还包括：

效率提升保护子电路，用于根据所述直流电源并联系统负载变化控制所述直流电源模块的最少接入数量。

可选的，所述效率提升保护子电路比较当前并联母线电压与前一时刻并联母线电压的误差并进行反馈放大，如果当前并联母线电压与前一时刻并联母线电压的误差较大，则效率提升保护子电路工作，禁止效率提升控制子电路继续减少直流电源并联系统的接入数量；如果当前并联母线电压与前一时刻并联母线电压的误差相近，则效率提升保护子电路饱和，允许效率提升控制子电路正常工作。

发明效果：

本发明的直流电源并联系统，通过控制可工作于电流源模式的直流电源模块，使得并联直流电源系统成为直流电压源与直流电流源的组合，避免了直流电压源并联时参数离散性对总体性能的影响，提高了直流并联电源系统动态响应性能，可应用于独立电源中的高功率并联直流电源系统。

附图说明

图1是现有电流控制型直流电源模块原理图；

图2是本发明直流电源并联系统中电压/电流源反馈控制原理框图；

图3是本发明直流电源并联系统中电压源-电流源并联工作原理框图；

图4是本发明直流电源并联系统效率提升控制原理框图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明直流电源并联系统的目的在于，通过改变高功率直流供电系统中的电源模块外特性，使之成为电压源与电流源混合并联系统以提高大动态负载条件下的动态性能，增强并联系统的可靠性；通过效率控制环节调整并联系统的总体效率，优化提升独立电源的能量利用率。

本发明直流电源并联系统包括多个可控制工作于电流源模式的直流电源模块，每个直流电源模块可提供工作时的输出电压、输出电流、当前效率。并联工作时，输出电流最大的直流电源模块自动成为并联系统的主模块，呈现电压源特性；其它并联直流电源模块成为并联系统的从模块，呈现电流源特性，并且输出电流基准跟踪主模块输出电流。直流电源模块的效率曲线呈现非线性，并具有高效率工作区间。当多个直流电源并联工作时，通过比较单个直流电源模块效率与并联直流电源系统总体效率，控制进入并联工作状态的直流电源模块数量，可以调整直流并联系统的总体效率，优化提升独立电源的能量利用率。

下面结合附图1至图4对本发明直流电源并联系统做进一步详细说明。

本发明提供了一种直流电源并联系统，包括直流电源模块；其中，直流电源模块数量可以为多个，且多个直流电源模块是优选为可控制工作于电流源模式(目前已知的一些直流电源模块自带功能)的直流电源模块。

进一步，每个直流电源模块包括功率端口、均流端口(参见图2中的均流母线)，多个直流电源模块通过功率端口并接后形成电压源与电流源混合并联系统(参见图3中去除负载IO部分的结构示意图)。其中，每一个的直流电源模块具有内部均流控制电路，均流控制电路均带有可饱和工作的电压补偿子电路，从而使得每一个直流电源模块的外部特性可表现出直流电压源特性或直流电流源特性。

进一步，本发明的直流电源并联系统，还可以包括如图2所示的电压/电流源反馈控制电路；电压/电流源反馈控制电路包含本模块电流信号跟踪子电路、可饱和工作的电压补偿子电路、电流环补偿子电路、最大电流比较与跟踪子电路。

其中，本模块电流信号跟踪子电路用于跟踪本模块电流信号，提供电流环补偿的一路输入信号。

上述的最大电流比较与跟踪子电路用于并联工作时获取并联系统中其中一个模块的最大电流，并提供电流环补偿的另一路输入信号。

上述的可饱和工作的电压补偿子电路将并联系统的母线电压与本模块输出电压进行比较和补偿。

其中，当本模块输出电压低于并联系统的母线电压时，图2所示的可饱和工作的电压补偿子电路饱和输出，电压环失去反馈控制作用，直流电源模块进入电流源模式。

当本模块输出电压不低于并联系统的母线电压时，图2所示的可饱和工作的电压补偿子电路具有反馈控制作用，直流电源模块进入电压源模式。

并且，直流电源并联系统中同一时刻有且仅有一个电源模块输出电压最高，输出电压最高的电源模块输出电流最大。

上述的电流环补偿子电路用于将本模块电流信号与直流并联系统的最大电流进行比较和补偿，使得本模块的输出电流跟踪直流并联系统的最大电流。

进一步，本发明的直流电源并联系统，还可以包括单模块效率计算子电路、系统效率计算子电路、效率选择子电路、效率提升反馈子电路以及效率提升控制子电路。

单模块效率计算子电路设置在每个直流电源模块中，用于计算每个所述直流电源模块的当前实时效率。

系统效率计算子电路设置在直流电源并联系统中，用于计算并联系统的当前实时效率(由图4中总电流、总电压计算得到)。

效率选择子电路用于获得直流电源并联系统(各个直流电源模块的当前实时效率与总效率)中最高实时效率。

效率提升反馈子电路的其中一路输入信号为系统效率计算子电路的输出，代表当前的并联系统效率；另一路输入信号为效率选择子电路的输出，代表系统效率提升的基准值；通过比较和补偿这两路信号的误差，产生并联系统最优化的并联数量控制信号。

效率提升控制子电路通过比较效率提升反馈子电路的输出与基准，产生并联系统中基于效率提升控制策略的开关信号以动态控制进入并联系统中的直流电源模块的数量。

进一步，本发明的直流电源并联系统，还可以包括效率提升保护子电路。

效率提升保护子电路用于根据直流电源并联系统负载变化控制直流电源模块的最少接入数量。

具体地，效率提升保护子电路比较当前并联母线电压与前一时刻并联母线电压的误差并进行反馈放大，如果当前并联母线电压与前一时刻并联母线电压的误差较大，则效率提升保护子电路工作，禁止效率提升控制子电路继续减少直流电源并联系统的接入数量；如果当前并联母线电压与前一时刻并联母线电压的误差相近，则效率提升保护子电路饱和，允许效率提升控制子电路正常工作。

本发明的直流电源并联系统的原理如下：

本发明直流电源并联系统是基于如图1所示的普通(常规)电流控制型直流电源模块，单模块工作时表现为电压源特性，输出电压为控制外环，电压控制环的输出作为电流控制环的基准，电流检测为控制内环，最终实现稳压输出。为了实现电压源与电流源的混合并联应用，采用一种如图2所示的电压/电流源反馈控制电路，其中，电压/电流源反馈控制包括单模块电流检测、电压环反馈控制以及电流环反馈控制。

本发明的直流电源并联系统的主要工作特点在于：

每个单模块的电流信号均通过比较电路接入均流控制母线，由电流信号最大的单模块占据均流控制母线并自动成为并联直流电源系统的主控制模块，并联直流电源系统的其它模块成为从模块。从模块的电流基准来自均流控制母线，电压环饱和不起作用，从模块成为受控电流源，其输出电流跟踪均流控制母线。

进一步，通过图2所示的电压/电流源反馈控制电路，并联直流电源系统由多个电压源的并联工作转换成图3所示的电压源-电流源并联工作。电压源的输出电压决定了并联后的母线电压，电流源与电压源的输出电流之和决定了并联后的母线电流。每个电流源的输出电流跟随均流控制母线以实现多个电流源间的均流。

本发明的直流电源并联系统的效率提升控制方法如图4所示：

其中每个电源模块检测通过检测电压、电流信号实现单模块的效率信号输出，加法器实现并联直流电源系统的电压、电流信号检测以及并联系统的效率信号输出，并联母线电压通过采样-保持器实现当前并联母线电压与采样周期内前一时刻电压的检测与反馈比较。

图4所示的效率提升控制方法的原理为：

比较并联直流电源系统的效率与并联系统内各模块的效率，由效率最高的电源模块占据效率控制总线并与基准信号比较，比较的结果决定了当前进入并联系统的模块数量以保证系统效率始终最高。当负载增加时，当前输出电压下降，并联母线电压控制环退出饱和使得进入并联系统的模块数量增加，补偿因负载增加时造成的输出电压压降，并再次进入效率控制环使得系统效率最高。

综上所述，本发明的直流电源并联系统，通过控制可工作于电流源模式的直流电源模块，使得并联直流电源系统成为直流电压源与直流电流源的组合，避免了直流电压源并联时参数离散性对总体性能的影响，提高了直流并联电源系统动态响应性能，可应用于独立电源中的高功率并联直流电源系统。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种直流电源并联系统，其特征在于，包括：

多个可控制工作于电流源模式的直流电源模块，每个所述直流电源模块包括功率端口、均流端口，多个所述直流电源模块通过功率端口并接后形成电压源与电流源混合并联系统；其中

每一个所述的直流电源模块具有内部均流控制电路，所述均流控制电路均带有可饱和工作的电压补偿子电路。

2.根据权利要求1所述的直流电源并联系统，其特征在于，还包括电压/电流源反馈控制电路，所述电压/电流源反馈控制电路包括本模块电流信号跟踪子电路、可饱和工作的电压补偿子电路、电流环补偿子电路、最大电流比较与跟踪子电路。

3.根据权利要求2所述的直流电源并联系统，其特征在于，所述本模块电流信号跟踪子电路用于跟踪本模块电流信号，提供电流环补偿的一路输入信号。

4.根据权利要求2所述的直流电源并联系统，其特征在于，所述可饱和工作的电压补偿子电路用于将并联系统的母线电压与本模块输出电压进行比较和补偿；其中

当本模块输出电压低于并联系统的母线电压时，所述可饱和工作的电压补偿子电路饱和输出，电压环失去反馈控制作用，直流电源模块进入电流源模式；

当本模块输出电压不低于并联系统的母线电压时，所述可饱和工作的电压补偿子电路具有反馈控制作用，直流电源模块进入电压源模式；另外

所述直流电源并联系统中同一时刻仅有一个所述直流电源模块输出电压最高，输出电压最高的直流电源模块输出电流最大。

5.根据权利要求2所述的直流电源并联系统，其特征在于，所述最大电流比较与跟踪子电路用于并联工作时获取并联系统中其中一个直流电源模块的最大电流，并提供电流环补偿的另一路输入信号。

6.根据权利要求2所述的直流电源并联系统，其特征在于，所述电流环补偿子电路用于将本模块电流信号与直流并联系统的最大电流进行比较和补偿，使得本模块的输出电流跟踪直流并联系统的最大电流。

7.根据权利要求1-6任一项所述的直流电源并联系统，其特征在于，还包括：

单模块效率计算子电路，设置在每个所述直流电源模块中，用于计算每个所述直流电源模块的当前实时效率；

系统效率计算子电路，设置在所述直流电源并联系统中，用于计算并联系统的当前实时效率；

效率选择子电路，用于获得所述直流电源并联系统中最高实时效率；

效率提升反馈子电路，其中一路输入信号为所述系统效率计算子电路的输出，代表当前的并联系统效率，所述效率提升反馈子电路另一路输入信号为所述效率选择子电路的输出，代表系统效率提升的基准值，通过比较和补偿这两路信号的误差，产生并联系统最优化的并联数量控制信号；

效率提升控制子电路，通过比较所述效率提升反馈子电路的输出与基准，产生并联系统中基于效率提升控制策略的开关信号，以动态控制进入并联系统中的直流电源模块的数量。

8.根据权利要求7所述的直流电源并联系统，其特征在于，还包括：

效率提升保护子电路，用于根据所述直流电源并联系统负载变化控制所述直流电源模块的最少接入数量。

9.根据权利要求8所述的直流电源并联系统，其特征在于，所述效率提升保护子电路比较当前并联母线电压与前一时刻并联母线电压的误差并进行反馈放大，如果当前并联母线电压与前一时刻并联母线电压的误差较大，则效率提升保护子电路工作，禁止效率提升控制子电路继续减少直流电源并联系统的接入数量；如果当前并联母线电压与前一时刻并联母线电压的误差相近，则效率提升保护子电路饱和，允许效率提升控制子电路正常工作。