CN109347330B - 基于通讯的模块化输入串联输出并联变换器均压控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于通讯的模块化输入串联输出并联变换器均压控制方法，通过通讯的方式更新子模块m输入电压参考值实现对输入均压环的二次调节，保证输入电压均分的同时提高输出电压调整率，控制效果与传统集中控制相同。若通讯出现故障将输入电压参考值切换为预设值，同样可实现输入电压的均分和一定的输出电压调整率，控制效果与传统上翘分散控制相同。本方法将模块化输入串联输出并联变换器集中控制与分散控制方法相结合，模块化程度高，可靠性高，控制效果好，容易实现系统的扩展和冗余，便于工程推广和应用。

Description

基于通讯的模块化输入串联输出并联变换器均压控制方法
技术领域
本发明属于电气工程领域中的直流变换器控制技术，具体涉及一种基于通讯的模块化输入串联输出并联变换器均压控制方法。
背景技术
近年来，能源问题日益严重，这促进了以风能、太阳能为代表的可再生能源的快速发展，而电力电子技术作为新能源应用的核心得到了广泛而迅速的发展。同时为适应复杂多变的应用场合，基于电力电子技术的电力电子装置朝着高频化、模块化和集成化方向发展。通过对标准模块的串并联组合可以很好的满足不同的系统集成需求，同时具备模块化冗余特性，成为系统集成的研究热点。其中输入串联输出并联模块化系统可使额定电压电流较低的开关管应用于如轨道交通等行业的高电压输入、低电压大电流输出的应用场合。
模块化输入串联输出并联变换器能够正常工作的必要条件之一是各个模块实现功率均分(包括输入电压均分和输出电流均分)。目前针对模块化输入串联输出并联变换器的功率均分方案主要有两种：一种是采用中央控制器下的集中控制方案，另一种是采用各模块独立控制的分散控制方案。
对于第一种集中控制方案，如发明专利《模块化组合直流变换器输入均压控制方法》(公开号：CN104993694A)中提到的基于输入均压的共占空比集中控制方案，可以很好的实现各模块输入电压和输出电流的均分。但是模块化程度低，系统可扩展性差，可靠性较低。
对于第二种方案，如发明专利《一种输入串联输出并联组合变换器的均压控制方法》(公开号：CN103312150B)提到的基于上翘的分散控制方案，该方案中每个模块均由自身控制器根据自身的输入输出信息实现功率均分与输出电压稳定，模块化程度高，方便扩展，文中给出了多种基于上翘思路的不同组合方式。但是该方案本质上牺牲了输出电压的调整率来实现功率的均分，输出电压控制效果不理想。
上述分析可知集中控制的控制效果较好，但可扩展性和可靠性较差，分散控制的可扩展性和可靠性较高，但控制效果略差。
发明内容
本发明主要针对现有模块化输入串联输出并联变换器的功率均分问题，结合集中控制和分散控制方案的优点，提出一种控制效果好、可扩展性强且易于工程实现的基于通讯的模块化输入串联输出并联变换器均压控制方法。
本发明的目的是这样实现的：本发明提供了一种基于通讯的模块化输入串联输出并联变换器均压控制方法，本控制方法所涉及的变换器包含M个拓扑结构相同的子模块,子模块输入端串联后作为变换器的输入，子模块输出端并联后作为变换器输出，M为大于1的整数，所述变换器包含一个主控制器，M个子模块中的任一个子模块均包含一个子控制器，将M个子模块中的任一个子模块记为子模块m(m＝1,2…,M),该子模块m对应的子控制器记为子控制器m(m＝1,2…,M)，主控制器通过数据通讯方式与各子模块进行数据交互，所述控制方法的步骤如下：
步骤1：子控制器m采样子模块m的输入电压vin_m(m＝1,2…,M)并上传给主控制器，子控制器m采样变换器输出电压vout；
步骤2：子控制器m中给定输入电压额定值输出电压额定值和输入均压比例系数k；
步骤3：主控制器汇总M个子控制器上传的输入电压vin_m(m＝1,2…,M),计算子模块均压值即并将计算得到的子模块均压值下发给每个子控制器；
步骤4：子控制器m进行如下判断：若主控制器和子控制器m通讯正常，则将步骤3得到的子模块均压值赋值给子模块m输入电压参考值即令其中m＝1,2…M；若主控制器和子控制器m通讯故障则将步骤2给定的输入电压额定值赋值给子模块m输入电压参考值即令其中m＝1,2…M；
步骤5：根据步骤1采样得到的子模块m的输入电压vin_m、步骤2给定的输入均压比例系数k和步骤4得到的子模块m输入电压参考值计算得到子模块m均压环输出信号VIVS_m(m＝1,2…,M),即其中m＝1,2…,M；
步骤6：子控制器m先将步骤5得到的子模块m均压环输出信号VIVS_m与步骤2设定的输出电压额定值相加得到调整后的子模块m输出电压额定值即其中m＝1,2…,M，然后用调整后的子模块m输出电压额定值减去步骤1得到的输出电压vout得到子模块m调制波形信号CMPm(m＝1,2…M)，即其中m＝1,2…,M，并将子模块m调制波形信号CMPm通过电压调节器Gvo产生开关信号PWMm(m＝1,2…M)驱动子模块m的开关器件。
优选地，所述子模块为隔离型直流变换器。
与现有技术相比，本发明的优点在于:
1、本控制方法提供了一种基于通讯的模块化输入串联输出并联变换器均压控制方法，在通讯正常的情况下，本方案的控制效果与传统的集中控制效果相同，若通讯故障，本方案的控制效果等效为传统上翘分散控制，保证系统仍可以稳定运行，兼顾可靠性、可扩展性和控制性能；
2、本控制方法中对通讯带宽要求不高，传输的数据少，传统控制器中具备的串行通讯即可满足控制要求，通讯故障的判断在子控制器中完成，简单且快速，方便工程实现。
附图说明
图1是本发明所述模块化输入串联输出并联变换器示意图；
图2是本发明所述的基于通讯的模块化输入串联输出并联变换器均压控制方法的整体控制策略图
图3是本发明所述的基于通讯的模块化输入串联输出并联变换器均压控制方法中任一子控制器m和主控制器控制策略图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
图1可见本发明所述模块化输入串联输出并联变换器包含：直流电压输入源vin、负载电阻RL和子模块m(m＝1,2…,M)。每个子模块均为拓扑结构相同的隔离型直流变换器，子模块输入端串联后作为变换器的输入，子模块输出端并联后作为变换器输出。
图2为本发明所述的基于通讯的模块化输入串联输出并联变换器均压控制方法的整体控制策略图，如图所示本发明所述模块化输入串联输出并联变换器包含一个主控制器，M个子模块中的任一个子模块包含一个子控制器，子模块m对应的子控制器记为子控制器m(m＝1,2…,M)，主控制器通过数据通讯方式与各子模块进行数据交互。具体实现时我们可以根据实际需求综合考虑选择合适的主控制器和子控制器及它们数据通讯方式，这里方便起见我们的主控制器和子控制器均由TMS320F28335数字控制器构成，数据通讯方式为TMS320F28335数字控制器自带的串行通讯(Serial Communication Interface，SCI)。
取图2整体控制策略图中的任一子控制器m和主控制器控制策略，我们得到图3所示的本发明所述的基于通讯的模块化输入串联输出并联变换器均压控制方法中任一子控制器m和主控制器控制策略图
我们以M＝2为例，结合图1、图2、图3详述控制方法的步骤如下：
步骤1：子控制器1采样子模块1的输入电压vin_1并通过SCI通讯上传给主控制器，子控制器1采样变换器输出电压vout，子控制器2采样子模块2的输入电压vin_2并通过SCI通讯上传给主控制器，子控制器2采样变换器输出电压vout；
步骤2：子控制器1中给定输入电压额定值输出电压额定值和输入均压比例系数k，子控制器2中给定输入电压额定值输出电压额定值和输入均压比例系数k；
步骤3：主控制器汇总2个子控制器上传的输入电压vin_1、vin_2,计算子模块均压值即并通过通讯将计算得到的子模块均压值下发给每个子控制器；
步骤4：子控制器1和子控制器2通过SCI故障检测位进行如下判断：若主控制器和子控制器1、子控制器2通讯正常，则将子模块均压值赋值给子模块1输入电压参考值和子模块2输入电压参考值即令若通讯故障则将输入电压额定值赋值给子模快1输入电压参考值和子模块2输入电压参考值即
步骤5：根据步骤1采样得到的子模块1的输入电压vin_1、子模块2的输入电压vin_2、步骤2给定的输入均压比例系数k和步骤4得到的子模块1输入电压参考值及子模块2输入电压参考值计算得到子模块1均压环输出信号VIVS_1和子模块2均压环输出信号VIVS_2,即
步骤6：子控制器1中将步骤5得到的子模块1均压环输出信号VIVS_1与步骤2设定的输出电压额定值相加得到调整后的子模块1输出电压额定值即调整后的子模块1输出电压额定值减去步骤1得到的输出电压vout得到子模块1调制波形信号CMP1，即并将子模块1调制波形信号CMP1通过电压调节器Gvo产生开关信号PWM1驱动子模块1的开关器件；子控制器2中将步骤5得到的子模块2均压环输出信号VIVS_2与步骤2设定的输出电压额定值相加得到调整后的子模块2输出电压额定值即调整后的子模块2输出电压额定值减去步骤1得到的输出电压vout得到子模块2调制波形信号CMP2，即并将子模块2调制波形信号CMP2通过电压调节器Gvo产生开关信号PWM2驱动子模块2的开关器件，实现基于通讯的模块化输入串联输出并联变换器均压控制。

Claims (2)

1.一种基于通讯的模块化输入串联输出并联变换器均压控制方法，本控制方法所涉及的变换器包含M个拓扑结构相同的子模块,子模块输入端串联后作为变换器的输入，子模块输出端并联后作为变换器输出，M为大于1的整数，其特征在于，所述变换器包含一个主控制器，M个子模块中的任一个子模块均包含一个子控制器，将M个子模块中的任一个子模块记为子模块m(m＝1,2…,M)，该子模块m对应的子控制器记为子控制器m(m＝1,2…,M)，主控制器通过数据通讯方式与各子模块进行数据交互，所述控制方法的步骤如下：
步骤1：子控制器m采样子模块m的输入电压vin_m(m＝1,2…,M)并上传给主控制器，子控制器m采样变换器输出电压vout；
步骤2：子控制器m中给定输入电压额定值输出电压额定值和输入均压比例系数k；
步骤3：主控制器汇总M个子控制器上传的输入电压vin_m(m＝1,2…,M),计算子模块均压值即并将计算得到的子模块均压值下发给每个子控制器；
步骤4：子控制器m进行如下判断：若主控制器和子控制器m通讯正常，则将步骤3得到的子模块均压值赋值给子模块m输入电压参考值即令其中m＝1,2…M；若主控制器和子控制器m通讯故障，则将步骤2给定的输入电压额定值赋值给子模块m输入电压参考值即令其中m＝1,2…M；
步骤5：根据步骤1采样得到的子模块m的输入电压vin_m、步骤2给定的输入均压比例系数k和步骤4得到的子模块m输入电压参考值计算得到子模块m均压环输出信号VIVS_m(m＝1,2…,M)，即其中m＝1,2…,M；
步骤6：子控制器m先将步骤5得到的子模块m均压环输出信号VIVS_m与步骤2设定的输出电压额定值相加得到调整后的子模块m输出电压额定值即其中m＝1,2…,M，然后用调整后的子模块m输出电压额定值减去步骤1得到的输出电压vout得到子模块m调制波形信号CMPm(m＝1,2…M)，即其中m＝1,2…,M，并将子模块m调制波形信号CMPm通过电压调节器Gvo产生开关信号PWMm(m＝1,2…M)驱动子模块m的开关器件。
2.如权利要求1所述的基于通讯的模块化输入串联输出并联变换器均压控制方法，其特征在于，所述子模块为隔离型直流变换器。
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