CN111509998A

CN111509998A - 基于滑动均流的均流装置及均流方法

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Publication number: CN111509998A
Application number: CN202010445363.1A
Authority: CN
Inventors: 刘金凤; 张正蕾; 曲鑫; 何佳伟
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2020-05-24
Filing date: 2020-05-24
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2040-05-24
Also published as: CN111509998B

Abstract

本发明公开了基于滑动均流的均流装置及均流方法，属于发电机均流控制领域。本发明针对现有技术的均流方法有延时问题的存在，降低了滤波精度和抗干扰能力的问题。本发明包括若干并联的整流单元，生成若干路整流电流；滑动均流单元，根据所述整流电流生成对应的若干均流信号；双闭环PI控制单元，根据所述均流信号、整流电流和负载电压生成若干PWM信号，PWM信号数量与所述均流信号的数量相同。本发明提高了滤波精度和抗干扰能力，均流精度高。

Description

基于滑动均流的均流装置及均流方法

技术领域

本发明涉及发电机均流控制领域，特别是涉及基于滑动均流的均流装置及均流方法。

背景技术

高频开关电源的发展推进了电机技术与电力电子技术的融合，使得依托于发电机实现低压大功率直流电源的方案被广泛关注。本文利用多相永磁同步发电机和模块化的整流单元实现一体化的直流输出系统。低电压大电流整流模块制网络，通过模块化整流并联方式，直接实现稳定可控的一体化低压大直流电输出的新型发电机，非常适合舰船、机车以及野外作业等特殊场合对直流电源的要求。如果各个并联的整流模块之间的电流不均衡就会烧毁整个模块，同时还会降低输出功率，因此均流技术是并联整流模块实现低压大电流输出的关键技术。在中国发明专利CN104009465A中公开一种基于平均电流法的直流电源系统的数字均流方法。其中每个电源模块获得其它电源模块的工作参数后,结合自身的工作参数计算平均负载率、电流校正量、平均控制通道响应速度和当前电压环控制器的比例增益,实现电流校正量和电压环控制器的比例增益的更新。在美国专利申请公开说明书US6141231中也公开了一种使用改进的主/从方案在并行电源之间提供电流共享的电路和方法。均流电路集成到每个电源中，均包括其自身的控制器，该控制器产生内部控制信号，并与均流总线上的其他电源模块互连。均流电路包括开关，当闭合时，该开关可操作以将电源内部控制信号连接至均流总线，而当断开时，将其与均流总线断开。开关由主/从逻辑控制，该逻辑确定电源是主电源还是从电源，并相应地控制开关。通过关闭所有开关来确定主设备，从而将所有电源的内部控制信号放置在总线上。确定其控制信号首先到达总线的电源为主机，然后通过将它们指定为从机的主机/从机逻辑断开所有其他并行电源的开关。

主从设置法即是认为选定一个模块作为主模块，其余模块作为从模块。用主模块的电压调节器来控制其余并联模块的电压调整值。由于各从模块电流按同一基准电流调制，从而与主模块电流一致，实现均流。提高了均流效果，但其主要缺点有:主从模块问必须有通讯联系，使系统复杂；如果主模块失效，则整个电源系统不能工作，因此这个方法不适用于冗余并联系统；电压环的带宽大，容易受外界干扰。平均电流法是均流母线的电压为各模块电流信的平均值，然后各模块的电流信号再与均流信号比较，得到补偿量用来进行控制。平均电流自动均流法可以精确均流。但是，当连接在母线上的某一个模块不工作时，将导致母线平均值降低，电压下调，到达下线时出现故障。上述的两种均流法是在没有外界扰动和电阻电感值在运行过程中不变的基础之上实现均流，因此其抗扰动性能差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了基于滑动均流的均流装置及均流方法，实现并联整流单元之间的均流，避免了延时问题的存在，从而提高了滤波精度和抗干扰能力。

本发明一方面提供了基于滑动均流的均流装置，包括：

若干并联的整流单元，生成若干路整流电流；

滑动均流单元，根据所述整流电流生成对应的若干均流信号；

双闭环PI控制单元，根据所述均流信号、整流电流和负载电压生成若干PWM信号，PWM信号数量与所述均流信号的数量相同。

进一步的，所述滑动均流单元包括：

若干并联的滤波模块，用以滤除整流电流中的扰动分量，得到模块电流；

判断模块，比较所述模块电流，得到最大电流值；

比较模块，比较所述最大电流值与所述模块电流，得到电流差；

PI控制模块，根据所述电流差生成若干均流信号。

进一步的，所述双闭环PI控制单元包括：

电压环控制模块，将参考电压值和所述负载电压做差后通过PI控制生成控制电压信号；

电流环控制模块，根据所述控制电压信号与所述均流信号共同作为电流环参考值，电流参考值与所述电流采样值比较经PI控制得到PWM控制信号。

本发明第二方面提供了基于滑动均流的均流方法，通过本发明第一方面所述基于滑动均流的均流装置实现，包括如下步骤：

S1、生成若干路整流电流；

S2、根据所述整流电流生成对应的若干均流信号；；

S3、根据所述均流信号、整流电流和负载电压生成若干PWM信号，PWM信号数量与所述均流信号的数量相同。

进一步的，步骤S2具体包括：

S21、滤除整流电流中的扰动分量，得到模块电流；

S22、比较所述模块电流，得到最大电流值；

S23、比较所述最大电流值与所述模块电流，得到电流差；

S24、根据所述电流差生成若干均流信号。

进一步的，步骤S3具体包括：

S31、根据参考电压值和所述负载电压生成控制电压信号；

S32、根据所述控制电压信号与所述均流信号共同作为电流环参考值，电流参考值与所述电流采样值比较经PI控制得到PWM控制信号。

进一步的，步骤S11采用最小二乘滑动平均滤波算法对整流电流进行滤波处理。

如上所述，本发明提供的基于滑动均流的均流装置及均流方法，具有如下效果：

1、采用滑动均流单元和双闭环PI控制单元结合，构建三环控制回路，使各个单元实现整流输出；

2、本发明采用的滑动滤波单元对采样电流进行处理，提高了抗扰动性和均流控制精度。

附图说明

图1是发明具体实施例的均流装置结构框图；

图2是本发明具体实施例的整流单元结构框图；

图3是本发明具体实施例的滑动均流单元结构框图；

图4是本发明具体实施例的双闭环PI控制单元结构框图；

图5是对比例的均流装置结构框图；

图6是本发明具体实施例的滤波均流输出图；

图7是本发明具体实施例的负载突增图；

图8是本发明具体实施例的负载突减图；

图9是本发明具体实施例的增加整流模块后均流图；

图10是本发明具体实施例的减少整流模块后均流图；

图11是对比例的滤波均流输出图；

图12是对比例的负载突增图；

图13是对比例的负载突减图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本实施例的本实施例提供了基于滑动均流的均流装置，包括：

若干并联的整流单元100，如图2所示，每个整流单元100包括整流桥101，三相电压经整流桥后变成直流，供给负载R。

低电压大电流整流模块是同步发电机一体化直流输出系统的核心，各个模块由于低电压大电流的特点，为防止出现电流不均而出现某些模块超负荷运行，必须施加均流措施，现有的均流装置抗扰动性能差、均流控制精度低，为了提高抗干扰能力和均流控制精度，本实施例采用滑动均流单元200，生成若干均流信号；

本实施例的滑动均流单元200如图3所示，包括：

若干并联的滤波模块201，用以滤除整流电流中的扰动分量，得到模块电流；每个整流电流对应一个滤波模块201，用以提高电流采样的精度；现有技术中通常采用低通滤波器对整流信号进行滤波处理，但实际上低通滤波不可避免的存在一定的延时，影响滤波的精确度，并且低通滤波器的抗干扰能力差，在并联整流单元情况下，各路电流存在不同的延时，均流输出不仅精度低，而且存在延时，导致稳态过渡时间较长，输出电流出现不同步，因此，本实施例的滤波模块101模块为滑动滤波模块，为了克服传统的滑动滤波算法权值选取不足的问题，本实施例的滤波模块采用基于最小二乘权值发计算滑动滤波的权值，提高计算结果的准确率。

判断模块202，比较所述模块电流，得到最大电流值；

比较模块203，比较所述最大电流值与所述模块电流，得到电流差；

PI控制模块204，根据所述电流差生成若干均流信号。

整流单元输出双闭环PI控制单元300，根据所述均流信号、负载电压、采样电流生成若干PWM信号，PWM信号数量与所述均流信号的数量相同，所述PWM信号作为整流单元的输入信号；

本实施例在传统的电压电流双闭环控制的基础上增加了均流环，所述双闭环PI控制单元300如图4所示，包括：

电压环控制模块301，将参考电压值u_ref和所述负载电压U做差后通过PI控制生成控制电压信号；

电流环控制模块302，滑动均流单元输出Sharing_i(i＝1,2,3)与电压环的输出共同作为电流环的参考值I_ref，并将参考值与电流采样值I_j(i＝1,2,3)比较后输入进行PI控制比较得到PWM的控制信号。

整流单元本实施例的第二方面提供了基于滑动均流的均流方法，通过本发明第一方面所述基于滑动均流的均流装置实现，包括如下步骤：

S1、生成若干路整流电流，即每个整流单元中的整流桥输出的整流电流；整流单元中的中的整流桥通常采用多个开关管构成，但开关器件导通压降分散性的存在以及负载不同的原因极易造成并联的整流单元之间形成换流，导致系统的均流特性和稳定性降低，所以本实施例添加了与整流单元相对应的均流单元这一方法，在对大电流自主均流基础上，对整流电流进行滑动滤波处理；

S2、根据所述整流电流生成对应的若干均流信号；步骤S1中输出直流电供给负载，其输出的整流电流则作为滑动均流单元的输入信号，通过滑动均值处理后生成若干均流信号，具体包括：

S21、滤除整流电流中的扰动分量，得到模块电流；整流电流中存在扰动分量，因此需要采用滤波方式将其滤除，以提高均流精度，本实施例具体采用滑动平均滤波方法，齐具有良好的抗扰动性能和良好的冗余性，所述滑动均值滤波方法为：

式中，j＝N,N+1,.....，y_j+k为滤波前的数据,Y_j为y_j+k滤波后的数据，即所述模块电流，滑窗的窗口大小为(2N+1),W_j(k)为滤波算法中采样点y_j+k对应的非归一化的权系数。

每路整流电路输出电流进行采样，采集到的连续2N+1个电流采样值构成一个循环队列，将采样的新数据放置队尾，将原来队首的采样值舍弃；

权值作为滑动滤波方法的重要参数，通常通过三角形分布法选择，该方法只是根据经验值给出，准确率交底，因此，为了克服传统的权值选择方法存在的不足，本实施例采用最小二乘权值法得到滑动均值滤波方法的权值。

所示最小二乘权值法是指出一个多项式，求取使多项式的值无限趋近于数据y_j值的多项式系数a_j，即权值，采用这种方法计算出的权值更为精确，获得了较好的滑动平均滤波效果。具体步骤包括：

S211、设权值W_j(k)＝a_j+k，即滤波器的第i次输出可以表示式(1)：

S212、对于2N+1组数据(x_i,y_i)，建立多项式为：

其中k∈[0,2N],设误差的最小平方和I为目标函数,可得目标函数I的表达式为式：

其中m＝2N，n＝2N。

最小二乘权值滑动平均法就是使式(3)的平方和最小,即求满足条件的多项式各项系数a_i：分别对a₀,a₁,a₂,,a_k,,a_2N k∈[0,2N]求偏导数,对a_k求偏导数,可得如式(4)：

令各偏导数为零，可得矩阵方程组为(5)：

式(5)右端变形为式(6)：

最终简化为式(7)：

将式(7)两端同时乘上B^-1，再令T＝B^-1A得式(8)

Ta＝y (8)

其中a＝(a₀,a₁,...,a_n)^T，y＝(y₀,y₁,...,y_n)^T；

则最小二乘解如式(9)：

a＝(T^TT)^-1·(T^T·y) (9)

由式(9)可以求解任意点数任意次方满足某种滤波效果的最小二乘权值系数。需要指出的是，2N+1个数据，最高次方只可取到2N次。

S22、比较所述模块电流，得到最大电流值；

S23、比较所述最大电流值与所述模块电流，得到电流差；

S24、根据所述电流差生成若干均流信号。

S3、根据所述均流信号、整流电流和负载电压生成若干PWM信号，PWM信号数量与所述均流信号的数量相同，所述PWM信号作为输入信号输入所述整流单元中，进而生成新的直流电荷新的整流电流，完成均流控制，具体包括：

S31、将参考电压值u_ref和所述负载电压U做差后通过PI控制生成控制电压信号；

为了进一步验证本实施例，本实施例搭建了如图1的仿真模型进行仿真实验，并搭建如图6所示基于低通滤波器的实验模型进行对比，对比例与本实施例相比，其区别在于，所述均流单元采用低通滤波均流单元。

本实施例的基于滑动滤波的并联整流模块均流装置及方法：

1)滤波均流输出验证：

在1s时，使负载突增然后恢复原值，通过比较不同点数、不同次方权值的最小二乘滑动平均法抗扰动的效果，最终选择五点三次，七点三次和九点四次这三种权值的最小二乘滑动平均法进行比较。例如当取五点三次时，即N＝2，滑动窗口大小为五个数据点，然后经过三次式(2)滤波算法处理。综合滤波后的抗干扰能力和滤波效果确定最小二乘滑动平均滤波的点数和次方。

权值取五点三次，得到三个整流模块的输出电流分别为329.5A，331.3A，333.2A，均流误差为1.2％。权值取七点三次计算得到三个整流模块的输出电流分别为334.4A，333.2A，332.3A，均流误差为0.6％。权值取九点四次计算得到三个整流模块的输出电流分别为334.4A，333.3A，330.5A，均流误差为1.2％。

所述均流误差通过下式计算：

式中，ΔI_omax所有模块输出电流的最大差异；I_k为第k个电源模块的输出电流；m为并联系统中电源模块的数量。

可见七点三次的滑动平均法的均流精度最高，过渡时间最短，具有最优的抗干扰能力和滤波效果，因此本实施例的最小二乘滑动平均滤波算法的权值取为七点三次的计算值。

2)抗干扰性能验证：

t＝1s启动均流环，均流结果如图6所示，电路经过0.55S实现均流。三个整流模块的输出电流分别为334.4A，333.3A，332.5A，均流误差为0.6％。

在t＝1s时，负载突增，如图7所示，电流出现超调，突增了44A，超调量达到8％。经过0.35S系统重新恢复稳定状态，实现均流。

t＝1s时，负载突增，如图8所示，电流突减了35A，出现欠调，欠调量为6.3％。经过0.35S系统重新恢复稳定状态，实现均流。

3)整流模块增减均流能力验证：

先使两个整流模块并联工作，输出电流都稳定在500A左右，在t＝1s时，再并联一个整流模块，由图9所示，系统经过0.5S重新实现均流，三个并联的整流模块输出电流分别为334A，333A和331.5A，均流误差为0.75％。

先使三个整流模块并联工作，输出电流均在334A左右。在t＝1s时，去除一个整流模块，由图10所示，去除的整流模块电流迅速将为0A，其余两个整流模块经过0.5S重新实现均流，输出电流分别为501A和498A，均流误差为0.6％。

作为对比例的基于低通滤波的并联整流装置：

1)滤波均流输出验证：

当t＝1s时启动均流环，得到均流结果如图11所示。由于低通滤波器的存在，使三路电流存在不同的时延，电路经过0.60s实现均流。三个整流模块输出电流分别为334.5A，332.5A，336A，均流误差为1.1％。

可见，采用低通滤波器设计实现的均流输出不仅精度低，而且存在时延，导致稳态过渡时间较长，输出电流出现不同步。

2)抗干扰性能验证：

t＝1s时，负载突增，如图12所示，电流突增了45A，超调量达到8.6％，经过0.75S系统重新恢复稳定状态，实现均流。

t＝1s时，负载突减，如图13所示，电流突减了39A，欠调量达到7.1％，经过0.85S系统重新恢复稳定状态，实现均流。

由仿真结果图和得到的数据对比可以看出，与传统的低通滤波器相比，采用最小二乘滑动平均滤波算法使各模块输出电流之间的误差减小，且均流精度也有了明显提高。而且负载突变时，且电流的超调量降低，震荡幅度有所缓和。具有更好的抗干扰能力和很好的动态控制性能。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.基于滑动均流的均流装置，其特征在于，包括：

若干并联的整流单元，生成若干路整流电流；

2.根据权利要求1所述基于滑动均流的均流装置，其特征在于，所述滑动均流单元包括：

判断模块，比较所述模块电流，得到最大电流值；

PI控制模块，根据所述电流差生成若干均流信号。

3.根据权利要求1所述基于滑动均流的均流装置，其特征在于，所述双闭环PI控制单元包括：

电流环控制模块，将所述控制电压信号与所述均流信号共同作为电流环参考值，电流参考值与所述电流采样值比较经PI控制得到PWM控制信号。

4.基于滑动均流的均流方法，通过权利要求1-3任意权利要求所述基于滑动均流的均流装置实现，其特征在于，包括如下步骤：

S1、生成若干路整流电流；

S2、根据所述整流电流生成对应的若干均流信号；；

5.根据权利要求4所述基于滑动均流的均流方法，其特征在于，步骤S2具体包括：

S21、滤除整流电流中的扰动分量，得到模块电流；

S22、比较所述模块电流，得到最大电流值；

S23、比较所述最大电流值与所述模块电流，得到电流差；

S24、根据所述电流差生成若干均流信号。

6.根据权利要求4所述基于滑动均流的均流方法，其特征在于，步骤S3具体包括：

S31、根据参考电压值和所述负载电压生成控制电压信号；

7.根据权利要求5所述基于滑动均流的均流方法，其特征在于，所述步骤S21采用最小二乘滑动平均滤波算法对整流电流进行滤波处理，具体为：

式中，j＝N,N+1,.....，y_j+k为滤波前的数据,Y_j为y_j+k滤波后的数据，即所述模块电流，滑窗的窗口大小为(2N+1)，W_j(k)为滤波算法中采样点y_j+k对应的非归一化的权系数。

8.根据权利要求7所述基于滑动均流的均流方法，其特征在于，所述W_j(k)非归一化的权系数通过最小二乘权法得到。