CN111049123A - 一种大量直流电压源电源模块并联的自主均流控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大量直流电压源电源模块并联的自主均流控制方法，包括以下步骤：1）对n个直流电压源模块，其输入端连接分别连接电池，其输出端以直流电压源模式并联；2）对各直流电压源模块的输出电流瞬时值及输出电压进行检测并记录；3）确定各直流电压源模块的输出电流的周期平均值；4）根据输出电流瞬时值，输出电流周期平均值，并联模块输出电压标称值，计算电压环给定值；5）将电压环给定值作为PI控制器的给定值进行闭环控制，调节各直流电压源模块的PWM占空比以控制输出电压及输出电流；6）重复步骤2）至5），进行直流电压源模块的均流控制。本发明方法能有效提高并联系统稳定性，同时兼顾系统的动态响应性能。

Description

一种大量直流电压源电源模块并联的自主均流控制方法
技术领域
本发明涉及电源电路控制技术，尤其涉及一种大量直流电压源电源模块并联的自主均流控制方法。
背景技术
目前，系统功率等级越来越大的情况下，要求并联得直流电压源模块数量越来越多，工作在电压源模式的电源模块如果直接并联会因为硬件差异、控制精度问题产生模块间的电流不均流，所以需要特定的模块间均流控制方法，均流方法主要有模块间有通讯的和无通讯的两种均流方法，以及模拟控制方式和数字控制方式两种实现方式。
然而随着并联模块数量增多，模块之间距离也随之增加，有通讯的均流方式在硬件连接上受到了更多的限制，模拟控制方式同样需要使用更多的额外模拟电路元器件。另外，有通讯的均流方式存在传输延迟等其他问题。
近年来提出了采用下垂控制的无通讯均流数字控制方法，但是简单的使用输出电流和输出电压作为控制量的下垂控制虽然可以保证响应速度但是由于模块数量增多，不同模块器件导致的不同的采样精度和干扰的限制容易导致受控电流出现波动，从而使控制效果下降甚至产生震荡使系统失去稳态进入故障保护状态，这也是大量电压源模块采用该方式并联难以实现的原因之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种大量直流电压源电源模块并联的自主均流控制方法，实现大量直流电压源模块稳定，快速的并联均流。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大量直流电压源电源模块并联的自主均流控制方法，包括以下步骤：
1）对n个直流电压源模块1，2，3，…n，其输入端连接分别连接电池，其输出端以直流电压源模式并联；n个直流电压源模块通过控制总线连接至同一中控，所述中控用于下发开/关机指令，设定并联模块输出电压标称值和下垂系数值；
2）n个直流电压源模块分别通过自身DSP控制单元的A/D模块对各直流电压源模块的输出电流瞬时值IO1,IO2,IO3…IOn及输出电压UO进行检测并记录；
3）n个直流电压源模块分别通过自身DSP控制单元确定输出电流的周期平均值IORMS1，IORMS，IORMS3...IORMSn；
4）直流电压源模块k，k=1，2，3，…n，的自身DSP控制单元根据输出电流瞬时值IOk，输出电流周期平均值IORMSk，并联模块输出电压标称值UREF，计算电压环给定值UREFK；
5）直流电压源模块1,2,3…n将电压环给定值作为PI控制器的给定值进行闭环控制，调节各直流电压源模块的PWM占空比以控制输出电压及输出电流；
6）在直流电压源模块1,2,3…n运行过程中始终重复进行步骤2）至步骤5），进行直流电压源模块的均流控制，保证模块之间的均流。
按上述方案，所述步骤1）中n个直流电压源模块的输出端以直流电压源模式连接于同一直流母线并联运行，所述直流母线带有负载。
按上述方案，所述步骤1）中的开机指令用于电压源模块1,2,3…n完成开机自检及冷启动过程。
按上述方案，所述步骤5）中的PI控制器为包括电压外环和电流内环的双环PI控制器。
按上述方案，所述包括电压外环和电流内环的双环PI控制器中，电压外环接收电压环给定值UREFK和输出电压UO信号，电流内环接收电压外环的输出值和直流电压源模块的输出电流瞬时值。
按上述方案，所述步骤4）中电压环给定值的计算采用以下公式：
UREFK = UREF – K1 × IOK – K2 × IORMSK（k=1,2,3…n）
其中，K1，K2分别为输出电流瞬时值以及输出电流周期平均值的下垂系数，所有直流电压源模块模块采用相同的K1，K2值。
按上述方案，所述步骤4）中电压环给定值的计算采用以下公式：
UREFK = UREF – K1 × IOK – K2 × F(IOK)（k=1,2,3…n）
其中，K1，K2分别为设定的下垂系数，F为均值函数，所有直流电压源模块模块采用相同的K1，K2值。
按上述方案，所述下垂系数根据系统稳定性和动态响应需要设定，设定原则如下：提高系统稳定性则减小K1和K2的比值；提高系统动态响应则增加K1和K2的比值2。
本发明产生的有益效果是：
1、与传统的下垂控制电压环给定值相比，本专利中的计算方法增加了一个输入变量IORMSK，下垂控制环路中引入输出电流的周期平均值与输出电流瞬时值共同作用的控制方法，由于输出电流周期平均值受到的干扰以及各次采样中的误差基本可以忽略不计，电压环给定值计算中引入了输出电流周期平均值可以提高电压环控制给定的稳定性能有效抑制采样误差和干扰导致的输出电流波动，提高并联系统稳定性。
2、通过设定输出电流瞬时值和输出电流周期平均值的下垂系数可以根据系统要求在动态响应速度和稳定性之间的权重进行调节，满足不同的系统需求兼顾系统的动态响应性能。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的直流电压源电源模块并联的连接示意图；
图2是本发明实施例的控制方法环路框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种大量直流电压源电源模块并联的自主均流控制方法，包括以下步骤：
1、直流电压源模块1,2,3…n（n＞3），输入端连接分别连接电池，输出端以直流电压源模式连接于同一直流母线并联运行，直流母线带负载，直流电压源模块1,2,3…n通过控制总线连接至同一中控，中控下发开关机指令，并联模块输出电压标称值、下垂系数值等，不对均流过程起到控制作用，具体连接方式见图1；
2、中控同时向直流电压源模块1,2,3…n发送开机指令，电压源模块1,2,3…n完成开机自检及冷启动过程；
3、直流电压源模块1,2,3…n通过自身DSP控制单元的A/D对输出瞬时电流IO1,IO2,IO3…IOn及输出电压UO进行检测；
4、直流电压源模块1,2,3…n通过自身DSP控制单元计算输出周期平均电流IORMS1，IORMS，IORMS3...IORMSn；
5、直流电压源模块1,2,3…n根据输出瞬时电流IO1,IO2,IO3…IOn，输出周期平均电流IORMS1，IORMS，IORMS3...IORMSn，并联模块输出电压标称值UREF计算电压环给定值UREFK的计算方法为：UREFK = UREF – K1 × IOK – K2 × IORMSK（k=1,2,3…n），其中K1，K2分别为输出电流瞬时值以及输出电流周期平均值的下垂系数；所有模块采用相同的K1，K2值；
6、直流电压源模块1,2,3…n将UREFK作为电压外环+电流内环的双环PI控制器的给定值进行闭环控制，调节直流电压源模块1,2,3…n PWM占空比以达到控制输出电压及输出电流的目的，实现模块间的均流；
7、步骤3~6在直流电压源模块1,2,3…n运行过程中始终重复进行。控制方法环路框图见图2。
本实施例中可以通过中控向直流电压源模块1,2,3…n设定下发一致的输出电流瞬时值以及输出电流周期平均值的下垂系数K1，K2，根据实际应用情况实时调节稳定性和动态响应之间的取舍。
与传统的下垂控制电压环给定值UREFK的计算方法：UREFK = UREF – K × IOK相比，本发明中的计算方法增加了一个输入变量IORMSK，因此一般传统的下垂控制中的二维的下垂特性曲线改变为了三维的下垂特性曲面，一般认为基于三维的下垂特性曲面的特点，对于给定的UREF， K1， K2，对于同一个UREFK存在不同的IOK以及IORMSK的组合从而导致模块的工作点变的不可预测。但是由于输出电流周期平均值实际上是输出电流瞬时值的函数即IORMSK = F(IOK)，其中F(x)为IORMSK以及IOK的函数关系，由此得出UREFK = UREF – K1 × IOK – K2 × F(IOK)。可以认为技术方案中提出的下垂控制方法仍然可以表示为二维的下垂特性曲线，即对给定的UREF， K1， K2，一个UREFK只对应一个唯一的瞬时输出电流IOK。说明本下垂控制方法和传统下垂控制方法一样可以保证模块之间的均流。
由于输出电流周期平均值IORMSk受到的干扰以及各次采样中的误差基本可以忽略不计，给定值UREFK计算中引入了输出电流周期平均值IORMSk可以提高电压环控制给定的稳定性，一定程度上抑制了瞬时电流干扰或采样误差导致的波动，从而提高了系统的稳定性，同时由于电流瞬时值IOK的存在，系统的动态响应也能够得到保证。进一步的，可以根据系统的实际需要调节下垂系数K1和K2之间的比例关系，从而在稳定性和动态响应之间做出调节取舍。极端情况下，如果令下垂系数K1 = 0，将使用输出电流周期平均值进行控制，可以获得最好的稳定性，但响应速度慢，如果令下垂系数K2 = 0，控制方法将转变为传统下垂控制方法，响应速度最快，但多个模块并联时的稳定性得不到保证。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种大量直流电压源电源模块并联的自主均流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）对n个直流电压源模块1，2，3，…n，其输入端连接分别连接电池，其输出端以直流电压源模式并联；n个直流电压源模块通过控制总线连接至同一中控，所述中控用于下发开/关机指令，设定并联模块输出电压标称值和下垂系数值；
2）n个直流电压源模块分别通过自身DSP控制单元的A/D对各直流电压源模块的输出电流瞬时值IO1,IO2,IO3…IOn及输出电压UO进行检测并记录；
3）n个直流电压源模块分别通过自身DSP控制单元确定输出电流的周期平均值IORMS1，IORMS，IORMS3...IORMSn；
4）直流电压源模块k，k=1，2，3，…n，的自身DSP控制单元根据输出电流瞬时值IOk，输出电流周期平均值IORMSk，并联模块输出电压标称值UREF，计算电压环给定值UREFK；
5）直流电压源模块1,2,3…n将电压环给定值作为PI控制器的给定值进行闭环控制，调节各直流电压源模块的PWM占空比以控制输出电压及输出电流；
6）在直流电压源模块1,2,3…n运行过程中始终重复进行步骤2）至步骤5），进行直流电压源模块的均流控制，保证模块之间的均流。
2.根据权利要求1所述的大量直流电压源电源模块并联的自主均流控制方法，其特征在于，所述步骤1）中n个直流电压源模块的输出端以直流电压源模式连接于同一直流母线并联运行，所述直流母线带有负载。
3.根据权利要求1所述的大量直流电压源电源模块并联的自主均流控制方法，其特征在于，所述步骤1）中的开机指令用于电压源模块1,2,3…n完成开机自检及冷启动过程。
4.根据权利要求1所述的大量直流电压源电源模块并联的自主均流控制方法，其特征在于，所述步骤5）中的PI控制器为包括电压外环和电流内环的双环PI控制器。
5.根据权利要求4所述的大量直流电压源电源模块并联的自主均流控制方法，其特征在于，所述包括电压外环和电流内环的双环PI控制器中，电压外环接收电压环给定值UREFK和输出电压UO信号，电流内环接收电压外环的输出值和直流电压源模块的输出电流瞬时值。
6.根据权利要求1所述的大量直流电压源电源模块并联的自主均流控制方法，其特征在于，所述步骤4）中电压环给定值的计算采用以下公式：
UREFK = UREF – K1 × IOK – K2 × IORMSK（k=1,2,3…n）
其中，K1，K2分别为输出电流瞬时值以及输出电流周期平均值的下垂系数，所有直流电压源模块采用相同的K1，K2值。
7. 根据权利要求1所述的大量直流电压源电源模块并联的自主均流控制方法，其特征在于，所述步骤4）中电压环给定值的计算采用以下公式：
UREFK = UREF – K1 × IOK – K2 × F(IOK)（k=1,2,3…n）
其中，K1、K2分别为设定的下垂系数，F为均值函数，所有直流电压源模块采用相同的K1、K2值。
8.根据权利要求1所述的大量直流电压源电源模块并联的自主均流控制方法，其特征在于，所述下垂系数根据系统稳定性和动态响应需要设定，设定原则如下：提高系统稳定性则减小K1和K2的比值；提高系统动态响应则增加K1和K2的比值。
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