CN110838792B - 一种ipos直流变换器自适应变参数输出均压控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种IPOS直流变换器自适应变参数输出均压控制方法，输入并联输出串联组合(IPOS)直流变换器中各直流变换模块采用集中式控制架构，本发明的控制环路包括输出电压环和自适应变参数输出均压环。输出电压环用于控制直流变换器恒压输出，自适应变参数输出均压环用于控制各直流变换模块的输出电压均衡，均压环控制器根据输出电压误差动态变化趋势实时调节控制器参数，以优化控制的稳定裕度、动态误差和动态响应速度。

Description

一种IPOS直流变换器自适应变参数输出均压控制方法
技术领域
本发明涉及IPOS直流变换器控制领域，更具体地说是涉及一种IPOS直流变换器自适应变参数输出均压控制方法。
背景技术
IPOS(Input Parallel Output Series，输入并联、输出串联)直流变换器，由多个直流变换模块在输入侧并联、输出侧串联组合而成。输入并联、输出串联的组合方式，降低了对直流变换器输入侧开关器件电流应力和输出侧开关器件电压应力的要求，在光伏发电等低压输入高压输出应用场合具有显著优势。
为实现IPOS直流变换器的高效可靠运行，各直流变换模块需满足功率均衡要求。由于直流变换模块输入并联、输出串联的电路连接关系，自动实现了各变换单元的输入均压和输出均流，因此通过对各变换单元进行输出均压或输入均流控制就能够实现功率均衡目标。
现有的IPOS直流变换器输出均压控制方法也常采用基于输出电压环和均压环的双环控制方式，各直流变换模块控制环路控制参数一般都采用相同的固定值，这种控制方式具有良好的稳态性能。但在输入电压大范围波动、输出负载大范围投切时由于各直流变换模块硬件参数等差异会造成各直流变换模块输出电压动态调节过程不一致，调节过程不一致会降低控制的动态响应速度，同时增大动态调节过程各直流变换模块输出电压差异。
发明内容
本发明的目的是，提供一种IPOS直流变换器自适应变参数输出均压控制方法，采用自适应控制思想，通过引入基于直流变换模块输出电压误差变化量的可变增益K，对输出均压环控制特性进行实时调节，可以有效实现对输入电压波动、输出负载投切等大动态扰动过程的电压快速响应，同时减小动态调节过程各直流变换模块输出电压差异。
为实现上述发明目的，本发明提供一种IPOS直流变换器自适应变参数输出均压控制方法，所述IPOS直流变换器内包含多个输入并联输出串联的直流变换模块；
所述IPOS直流变换器内多个输入并联输出串联的直流变换模块由同一个硬件控制单元进行集中控制；
所述控制方法由多个控制环路组成，包括一个输出电压环和多个自适应变参数输出均压环；
所述输出电压环包括电压闭环调节器G1，用于实现IPOS直流变换器的恒压输出控制；
所述自适应变参数输出均压环包括滑动平均滤波器、乘法器、第一限幅器、第二限幅器、均压闭环调节器G2和自适应闭环调节器G3，用于实现IPOS直流变换器内各直流变换模块的输出均压输出控制；
所述自适应变参数输出均压控制的实现方法为：
直流变换模块输出电压误差变化量经第一限幅器作为自适应闭环调节器G3的输入，调节器计算输出后经第二限幅器作为自适应变参数输出均压控制环的可变增益K，连接至乘法器的输入；
其中第一限幅器的工作方式是，当直流变换模块输出电压误差变化量小于等于限制阈值△V(△V>0)时，第一限幅器的输出为零；当直流变换模块输出电压误差变化量大于限制阈值△V时，第一限幅器的输出等于输入；
第二限幅器的工作方式是，当自适应闭环调节器G3的计算输出小于等于限制阈值△Kc1(△Kc1>0)时，第二限幅器的输出为1；当自适应闭环调节器G3的计算输出大于限制阈值△Kc1且小于等于限制阈值△Kc2(△Kc2>△Kc1)时，第二限幅器的输出等于输入；当自适应闭环调节器G3的计算输出大于限制阈值△Kc2时，第二限幅器的输出等于Km(Km>1)；
直流变换模块输出电压误差值经滑动平均滤波器计算输出后作为乘法器的输入，滑动平均滤波器用于对直流变换模块的输出电压误差信号进行滤波，以平抑变换单元输出电压采样随机扰动引起的输出电压误差值的大范围波动；
滑动平均滤波器的输出经可变增益K、均压闭环调节器G2计算输出后作为自适应变参数输出均压环的调节计算输出，并与输出电压环的调节计算输出通过第一加法器叠加，叠加结果经PWM调制后用于控制直流变换模块内开关器件的开通和关断，实现IPOS直流变换器内各直流变换模块的输出均压控制。
进一步地，所述第一限幅器用于避免在直流变换模块输出电压误差变化量在较小范围内变化时，频繁调节可变增益K；
进一步地，所述第二限幅器用于限定可变增益K的最大值和最小值；
进一步地，所述直流变换模块输出电压误差变化量在较小范围内变化时，维持可变增益为固定值以保证控制的稳定裕度；当直流变换模块输出电压误差变化量超出范围时，在一定范围内增大可变增益以提高控制的动态响应速度、降低动态误差。
本发明的有益效果体现在：
本发明IPOS直流变换器自适应变参数输出均压控制方法，采用自适应变参数输出均压控制环，通过引入基于直流变换模块输出电压误差变化量的可变增益K，对各变换单元输出均压环控制特性进行实时调节，综合优化了控制器的稳定裕度、动态误差和动态响应速度。
同时引入滑动平均滤波器对直流变换模块输出电压误差计算结果进行滤波，以平抑变换单元输出电压采样随机扰动引起的输出电压误差值的大范围波动，进一步提高了均压控制的抗干扰能力。
附图说明
图1是本发明IPOS直流变换器自适应变参数输出均压控制方法的控制框图；
图2是IPOS直流变换器的主电路原理图。
图3是应用常规输出均压控制方法的IPOS直流变换器的电压、电流仿真波形。
图4是应用自适应变参数输出均压控制方法的IPOS直流变换器的电压、电流仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。
实施例
图1是本发明一种IPOS直流变换器自适应变参数输出均压控制方法的控制框图，主要包括IPOS直流变换器及其控制环路。
IPOS直流变换器由多个输入并联输出串联的直流变换模块组成，各直流变换模块由同一个控制器进行集中控制。
IPOS直流变换器控制环路由一个输出电压环和多个自适应变参数输出均压环组成。其中输出电压环接收直流变换器输出电压指令Voref、采集直流变换器输出电压Vo作为反馈，该输出电压环电压包括闭环调节器G1，用于对输出电压进行闭环调节，以使其趋近于参考电压Voref，实现IPOS直流变换器的恒压输出控制；每个DC/DC变换单元配置一个自适应变参数输出均压环。自适应变参数输出均压环接收直流变换模块输出电压指令Vo/n，采集直流变换模块输出电压Vo1、Vo2～Von作为反馈，计算直流变换模块输出电压误差变化量ΔV1δ、ΔV2δ～ΔVnδ，该自适应变参数输出均压环包括滑动平均滤波器、乘法器、第一限幅器、第二限幅器、均压闭环调节器G2和自适应闭环调节器G3，用于实现IPOS直流变换器内各直流变换模块的输出均压输出控制。
图2是本实施例中IPOS直流变换器的主电路原理图，应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不对适用本发明的直流变换模块电路拓扑进行限制；其中直流变换模块采用移相全桥变换拓扑。
直流变换器输出电压反馈Vo、输出负载电流Io和各直流变换模块输出电压反馈Vo1、Vo2、Vo3，均通过电压、电流霍尔采样和信号调理电路处理后获得。
自适应变参数输出均压控制的实施过程为：
IPOS直流变换器的实际输出电压采样值Vo除以直流变换模块的数量n的计算结果作为相应直流变换模块的输出电压指令；各直流变换模块的实际输出电压采样值Von作为相应直流变换模块输出电压反馈，计算各直流变换模块输出电压指令与相应电压反馈的差值作为相应直流变换模块的输出电压误差；各直流变换模块输出电压误差值V1δ、V2δ、V3δ经滑动平均滤波器计算输出后作为乘法器的一路输入，平抑变换单元输出电压采样随机扰动引起的输出电压误差值的大范围波动；
各直流变换模块输出电压误差变化量ΔV1δ、ΔV2δ、ΔV3δ的绝对值经第一限幅器作为自适应闭环调节器G3的输入，自适应闭环调节器G3对输入进行PI调节，调节输出后经第二限幅器作为各自适应变参数输出均压控制环的可变增益K1、K2、K3，连接至乘法器的输入，作为乘法器的另一路输入；
计算各直流变换模块输出电压误差变化量的公式为：
ΔVnδ(t)＝|Vnδ(t)|-|Vnδ(t-tc)|
式中，t为当前控制时刻，tc为控制周期。
滑动平均滤波器的输出经可变增益作为均压闭环调节器G2的输入，均压闭环调节器G2对输入进行PID调节，输出后作为各自适应变参数输出均压环的调节计算输出，并与输出电压环的调节计算输出通过加法器叠加，叠加结果经PWM调制后作用于开关管驱动单元，从而实现对直流变换模块的闭环控制。
其中第一限幅器的工作方式是，当直流变换模块输出电压误差变化量小于等于限制阈值△V(△V>0)时，第一限幅器的输出为零；当直流变换模块输出电压误差变化量大于限制阈值△V时，第一限幅器的输出等于输入；从而避免在直流变换模块输出电压误差变化量在较小范围内变化时，频繁调节可变增益K。
第二限幅器的工作方式是，当自适应闭环调节器G3的计算输出小于等于限制阈值△Kc1(△Kc1>0)时，第二限幅器的输出为1；当自适应闭环调节器G3的计算输出大于限制阈值△Kc1且小于等于限制阈值△Kc2(△Kc2>△Kc1)时，第二限幅器的输出等于输入；当自适应闭环调节器G3的计算输出大于限制阈值△Kc2时，第二限幅器的输出等于Km(Km>1)；从而可以限定可变增益K的最大值Km和最小值1，1对应输出均压控制环设计最大稳定裕度时的控制增益，Km对应输出均压控制环设计最快动态响应速度时的控制增益。
图3是本实施例中IPOS直流变换器应用常规输出均压控制方法的的仿真波形，直流变换器的总输出电压为2000V，三个直流变换模块、每个直流变换模块为666.6V，其中0.03s处负载由30kW变化至64kW。其中Vo1、Vo2、Vo3分别为直流变换模块1、直流变换模块2和直流变换模块3的输出电压波形，Io为直流变换器负载电流波形，在负载大范围变化时，各直流变换模块输出均压动态误差较大，动态响应速度较慢。
图4是本实施例中IPOS直流变换器应用常规输出均压控制方法的的仿真波形，直流变换器的总输出电压为2000V，三个直流变换模块、每个直流变换模块为666.6V，其中0.03s处负载由30kW变化至64kW。Vo1、Vo2、Vo3分别为直流变换模块1、直流变换模块2和直流变换模块3的输出电压波形，Io为直流变换器负载电流波形，在负载大范围变化时，各直流变换模块输出均压动态误差和动态响应速度均优于常规输出均压控制方法。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明之权利范围，因此对发明的具体实施方式进行的种种变更、修改或等同替换均在本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种IPOS直流变换器自适应变参数输出均压控制方法，其中，所述IPOS直流变换器内包含多个输入并联输出串联的直流变换模块，其特征在于，所述IPOS直流变换器具有双环控制环路，所述双环控制环路包括输出电压环和自适应变参数输出均压环，所述输出电压环包括电压闭环调节器G1，所述自适应变参数输出均压环包括滑动平均滤波器、第一乘法器、第一限幅器、第二限幅器、均压闭环调节器G2和自适应闭环调节器G3，所述输出均压控制方法包括下述步骤：
(1)、接收IPOS直流变换器的输出电压指令Voref，采集IPOS直流变换器的实际输出电压Vo；
(2)、将获得的IPOS直流变换器的实际输出电压Vo作为IPOS直流变换器的输出电压反馈，计算IPOS直流变换器的输出电压指令与输出电压反馈的差值作为直流变换器的输出电压误差；
(3)、将输出电压误差作为电压闭环调节器G1的控制输入，电压闭环调节器G1的输出作为第一加法器的一路输入；
(4)、将IPOS直流变换器的实际输出电压Vo除以直流变换模块的数量n的计算结果作为相应直流变换模块的输出电压指令；
(5)、对每个直流变换模块的实际输出电压Von进行采样，并将采样获得的每个直流变换模块的实际输出电压Von作为该直流变换模块输出电压反馈，计算该直流变换模块输出电压指令与电压反馈的差值作为相应直流变换模块的输出电压误差，所述直流变换模块输出电压误差值经所述滑动平均滤波器计算输出后作为第一乘法器的输入，所述滑动平均滤波器用于对直流变换模块的输出电压误差信号进行滤波；
(6)、计算当前控制周期各直流变换模块的输出电压误差绝对值与上一控制周期同一直流变换模块的输出电压误差绝对值的差值，作为该直流变换模块输出电压误差变化量；
(7)、直流变换模块输出电压误差变化量经第一限幅器限幅输出，作为自适应闭环调节器G3的控制输入，自适应闭环调节器G3的计算输出再经第二限幅器限幅输出，作为第一乘法器的另一路输入；
(8)、将乘法器的输出作为均压闭环调节器G2的控制输入，均压闭环调节器G2的计算输出作为第一加法器的另一路输入，与电压闭环调节器G1的计算输出叠加，经PWM调制后用于控制直流变换模块内开关器件的开通和关断，实现IPOS直流变换器内各直流变换模块的输出均压控制。
2.根据权利要求1所述的IPOS直流变换器自适应变参数输出均压控制方法，其特征在于，所述IPOS直流变换器内多个输入并联输出串联的直流变换模块由同一个硬件控制单元进行集中控制。
3.根据权利要求1所述的IPOS直流变换器自适应变参数输出均压控制方法，其特征在于，所述第一限幅器采用如下方式进行限幅：当直流变换模块输出电压误差变化量小于等于限制阈值△V(△V>0)时，第一限幅器的输出为零；当直流变换模块输出电压误差变化量大于限制阈值△V时，第一限幅器的输出等于输入。
4.根据权利要求3所述的IPOS直流变换器自适应变参数输出均压控制方法，其特征在于，所述第二限幅器的采用如下方式进行限幅：当自适应闭环调节器G3的计算输出小于等于限制阈值△Kc1(△Kc1>0)时，第二限幅器的输出为1；当自适应闭环调节器G3的计算输出大于限制阈值△Kc1且小于等于限制阈值△Kc2(△Kc2>△Kc1)时，第二限幅器的输出等于输入；当自适应闭环调节器G3的计算输出大于限制阈值△Kc2时，第二限幅器的输出等于固定值Km(Km>1)。
5.根据权利要求4所述的IPOS直流变换器自适应变参数输出均压控制方法，其特征在于，所述第二限幅器的输出作为均压闭环调节器G2的可变增益K，通过增益变化实时调节控制器参数，以优化控制的稳定裕度、动态误差和动态响应速度。
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