CN113809734B

CN113809734B - 一种分布式直流供电异系统协同均流控制方法

Info

Publication number: CN113809734B
Application number: CN202111108221.7A
Authority: CN
Inventors: 刘晓东; 石文龙; 刘宿城; 方炜
Original assignee: Anhui University of Technology AHUT
Current assignee: Anhui University of Technology AHUT
Priority date: 2021-09-22
Filing date: 2021-09-22
Publication date: 2023-10-20
Anticipated expiration: 2041-09-22
Also published as: CN113809734A

Abstract

本发明公开了直流供电异系统均流控制技术领域的一种分布式直流供电异系统协同均流控制方法，包括构建分布式直流供电系统的协同均流控制电路，利用母线电压与参考电压的偏差值使系统母线电压恢复正常，并且基于分布式通信中电流一致性算法，将霍尔传感器采集原始模块输出电流与一致性算法收敛电流值进行数据处理，形成系统的输出电流值；最终通过对均流精度误差的反馈校正，不断地调整输出电流值，改善异系统整体的均流性能，确保整个系统稳定运行；本发明采用一种算法应用于没有通信链接的供电异系统，自适应调节输出电流实现协同均流工作，避免破坏了现有的变换器结构。

Description

一种分布式直流供电异系统协同均流控制方法

技术领域

本发明涉及直流供电异系统均流控制技术领域，具体涉及一种分布式直流供电异系统协同均流控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的迅猛发展，分布式直流供电系统也在不同领域广泛应用。直流分布式供电相对于传统的集中式供电而言，可以通过模块化设计组成N+m冗余供电系统，通过改变并联模块数量来应对不同功率的负载，提高系统的可靠性和容错能力，已经成为大功率直流供电系统的一种重要运行方式。

然而，由于直流供电异系统之间虽输入、输出等指标规格上保持一致，但是它们很难在均流控制方式与通信协议上也保持一致。因此供电系统直接并联将导致输出电流不平衡，承受更大的负载电流和热应力的供电系统可能会缩短电源使用寿命，严重威胁系统的安全稳定运行。随着对直流供电系统研究逐渐深入，有学者提出了分布式协同控制，对多供电系统间协同工作有一定的借鉴价值。如《Team-Oriented Load Sharing in ParallelDC–DC Converters》，基于一致性算法的分布式负载分配方法，变换器通过交换相邻的电流信息，动态地估计所有变换器测量电压的平均值，实现电压调节以及负载电流按比例分配。虽然分布式协同控制方法得到广泛应用，但是针对的是同一系统内，而对供电异系统间的协同工作与负载均衡研究较少。

为此，针对没有通信链接的供电异系统，自适应调节输出电流实现协同均流工作，本发明提出一种分布式直流供电异系统协同均流的控制方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分布式直流供电异系统协同均流控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种分布式直流供电异系统协同均流控制方法，包括以下步骤：

S1：构建分布式直流供电异系统的协同均流控制电路，包括DC-DC变换电路、输出电流及输出电压采样电路、A/D转换电路和数字控制器；

S2：直流供电新系统各电源模块通过给定初始电流值Iinit为系统提供功率，将采样母线电压值与参考电压做比较，经PI控制器加入电流环路中，保证并入新系统后母线电压恢复到额定值；

S3：基于离散一致性算法求得输出电流收敛值I*，在无法与原系统通信的情况下，采用霍尔传感器采集原系统某一电源模块的输出电流Iori，将其通过引入均流环得到平均电流值；

S4：平均电流值通过信号保持器，替代原有的电流初值，再经过均流精度误差校正，作为新系统的输出电流参考值；

S5：输出电流参考值与采样输出电流做比较，经过PI控制器与载波比较后产生PWM信号，驱动DC-DC变换电路的开关功率器件，实现异系统协同均流控制。

进一步的，上述分布式直流供电异系统协同均流控制方法中，在上述S1中，DC-DC变换电路一端连接供电系统电源模块，另一端通过线路连接到直流母线上。

进一步的，上述分布式直流供电异系统协同均流控制方法中，在上述S3中，构造电流收敛值和平均电流值，设计流程如下：

式中，ε为边权系数，通过改变ε的大小可以调节算法的收敛速度，x_i(k)表示节点i在k时刻的状态变量，x_j(k)表示通信邻居节点j的在k时刻的状态变量；

则任意节点的状态变量最终会收敛到其初始值的平均值x^*：

为了实现异系统输出电流均衡，根据上述收敛值I^*和原系统输出电流I_ori构造平均电流值I_avg的表达式为：

式中，I_ori为霍尔传感器采集某一原始模块输出电流，n为原系统中的原始模块数，m为新系统中的替代模块数。

进一步的，上述分布式直流供电异系统协同均流控制方法中，在上述S4中，当新系统平均电流值与理想平均电流值存在较大偏差时，基于均流精度的检测方法会根据校正值x来调整输出电流，直到满足所设置的检测方法的均流精度；异系统均流精度误差CS_error表达式为：

式中，I_oi为新系统各电源模块输出电流，I_ave为理想平均电流；

进一步地，可以得到系统调整后输出电流值I’_avg的表达式：

I'_avg＝(1±x)^h

式中，x为校正值，h为迭代次数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明对直流供电异系统，特别是并入的新系统采用分布式控制结构，基于离散一致性算法得到电流收敛值，并与霍尔传感器采集的原系统电流进行相应数据处理，将结果通过均流精度的检测来调节输出电流值，实现协同均流控制。在负载发生跳变时，系统仍能正常运行，提高了系统的可靠性、可扩展性和灵活性。

2、本发明提出的协同均流控制方法利用离散一致性算法收敛值的共用性，只需在反馈校正过程前进行计算，具有形式简单，计算量小等优点，因此极大地简化了控制器的设计。并且在硬件上仅添加单个霍尔传感器来采集原有系统输出电流，解决了异系统间的均流问题，避免破坏现有的变换器结构。

3、本发明根据均流精度的检测方法不断调整平均电流值，设置了x为平均电流的校正因子，n为校正次数，可以根据均流精度的变化相应调整，能有效实现异系统的协同均流。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明直流供电新系统并入原系统结构示意图；

图2为本发明直流供电异系统协同均流控制框图；

图3为本发明协同均流控制流程图；

图4为本发明直流供电新系统并入原系统动态运行过程的变换器输出电流和母线电压波形图；

图5为本发明直流供电异系统间均流精度波形；

具体实施方式

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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：

一种分布式直流供电异系统协同均流控制方法，包括以下步骤：

S1：构建分布式直流供电异系统的协同均流控制电路，包括DC-DC变换电路、输出电流及输出电压采样电路、A/D转换电路和数字控制器；DC-DC变换电路一端连接供电系统电源模块，另一端通过线路连接到直流母线上。

S2：直流供电新系统各电源模块通过给定初始电流值Iinit为系统提供功率，将采样母线电压值与参考电压做比较，经PI控制器加入电流环路中，保证并入新系统后母线电压恢复到额定值。

构造电流收敛值和平均电流值，设计流程如下：

则任意节点的状态变量最终会收敛到其初始值的平均值x^*：

S4：平均电流值通过信号保持器，替代原有的电流初值，再经过均流精度误差校正，作为新系统的输出电流参考值；当新系统平均电流值与理想平均电流值存在较大偏差时，基于均流精度的检测方法会根据校正值x来调整输出电流，直到满足所设置的检测方法的均流精度；

异系统均流精度误差CS_error表达式为：

I'_avg＝(1±x)^h

式中，x为校正值，h为迭代次数。

直流供电异系统拓扑结构如图1所示，由于原系统中已经实现均流且控制策略未知，故采用一个电源模块表示原系统整体，直流供电原系统中模块数为1个(n＝1)，直流供电新系统模块个数为2个(m＝2)。每个电源模块经过Buck变换器，通过线路连接到直流母线上，母线电压额定值选为24V。控制方法的具体设计实现过程中有3个关键步骤，以下分别对这3项原理进行介绍：

(1)母线电压补偿控制

新系统替代模块并入原系统应先解决母线电压未到达额定值的问题。新系统中替代电源模块采用电流单环控制，通过控制替代模块的电流初始值从而对负载提供所需的功率，保证新系统并入原系统后可以正常工作。直流供电新系统各电源模块通过给定初始电流值I_init为系统提供功率，将采样母线电压值与参考电压做比较，经PI控制器加入电流环路中，保证并入新系统后母线电压恢复到额定值。

(2)离散一致性电流算法

根据新系统的网络拓扑，设定拉普拉斯矩阵L，通过判断[1,1,…,1]TL是否为零来确定新系统各模块的状态变量是否收敛，矩阵L形式如下：

其中非对角元素a_ij用来表示第j个节点对第i个节点的权重，若存在通信a_ij＝1，否则a_ij＝0且对角元素a_ii始终为0。

新系统拓扑的无向图平衡时，即[1,1,…,1]TL＝0，基于离散一致性算法的公式如下：

其中x_i(k)表示节点i在k时刻的状态变量，ε为边权系数，通过改变ε的大小可以调节算法的收敛速度。

随着t增加，任意节点的状态变量最终会收敛到其初始值的平均值x^*：

其中x(0)为各节点一致性变量的初始值。

当系统正常运行时，新系统输出电流收敛为全局平均电流值。再由所得的收敛值与原系统输出电流值，可以粗略得到异系统的平均电流值I_avg的表达式为：

其中I_ori为霍尔传感器采集某一原始模块输出电流，n为原系统中的原始模块数，m为新系统中的替代模块数。

从上式可以看出，由于离散一致性算法的收敛值具有共用性，随着时间的增加，新系统各模块的电流收敛值趋于一致。通过与某一原始模块输出电流线性叠加，得到粗略平均电流值，可以使不同供电系统可以在一定的要求下协同工作，实现功率均衡。

(3)反馈校正

基于霍尔传感器采集的原系统输出电流以及新系统输出电流生成检测指标，如下所示：

其中CS_error表示系统均流精度误差，I_oi表示新系统各电源模块输出电流，I_ave表示理想平均电流。为了使均流精度满足要求且避免输出电流的抖动，均流误差精度a的选取一般比要求值更小一些。

检测均流精度是否满足要求可以借助数字控制器中的编程实现控制算法，系统均流精度误差作为条件判断确定是否调节输出电流值，选择满足要求的控制程序段执行控制算法。进一步地，输出电流值I’_avg可表示为：

I'_avg＝(1±x)^h

其中x为校正值，h为迭代次数。其中：

由以上计算可得，通过反馈时采集原系统的输出电流I’_ori和新系统输出电流I’_oi得到异系统间均流误差为:

若调整后CS’_error>a,则说明异系统间均流精度未达到允许的误差范围且原系统输出电流大于新系统输出电流；同理CS’_error<-a,，则表示异系统间均流精度未达到允许的误差范围且原系统输出电流小于新系统输出电流，此时通过对均流精度校正值x不断迭代，直到找到满足在最大异系统均流误差范围a内的输出电流值。

参阅图1-5，对本发明作进一步的描述：

在本实施例中，直流供电新系统并入原系统拓扑如图1所示，由于原系统中已经实现均流且控制策略未知，故采用一个电源模块表示原系统整体，直流供电原系统中模块数为1个(n＝1)，直流供电新系统模块个数为2个(m＝2)。每个电源模块经过Buck变换器，通过线路连接到直流母线上，母线电压额定值选为24V。电源模块由各自对应的控制器输出PWM控制信号驱动变换器，实现异系统协同均流，从而使系统安全稳定运行。

图2为异系统协同均流控制策略框图，用来调节新系统的输出电流。新系统各模块采集相邻单元输出电流信息进行通信，通过离散一致性算法得到电流收敛值。其中非对角元素a_ij用来表示第j个节点对第i个节点的权重，i_j(k)表示与节点i通信的邻居节点j的电流值，I_i(k)表示节点i的实时输出电流值。得到的收敛值与霍尔传感器采集原系统的电流值I_ori经过均流环，可以粗略得到异系统的平均电流值I_avg。本发明所提均流精度误差校正，具体设计过程见图3所示，I’_avg为校正后输出电流值，最终通过切换项作为输出电流参考值以实现控制目标。

图3为异系统协同均流完整的控制流程，先对参数进行初始化，通过带母线电压补偿控制产生的电压偏差项，以及给定新系统电流初值构成电流闭环，然后根据离散一致性电流算法输出电流收敛值，与霍尔传感器采集原系统电流经过均流环，最终根据校正公式调节输出电流值。

图4为负载发生变化时，本发明所提控制下的母线电压和输出电流波形，可以看出启动时，在给定新系统电流初值以及母线电压补偿控制作用下，母线电压恢复到额定值，给负载提供额定功率，为协同均流控制提供稳定的环境。当t＝0.2s时，离散一致性算法被激活，新系统内快速产生电流收敛值，并通过均流环产生估计均流值。在t＝0.25s时，均流精度误差校正启动，自适应调整输出电流值，使均流精度满足要求。当直流供电系统的负载从满载突变到半载再突变到满载时，均流精度误差校正项重新寻找满足要求的输出电流值，使异系统输出电流重新均衡。

图5给出了直流供电异系统间均流精度波形图，可以看出t<0.2s，直流供电异系统间均流精度误差远远低于系统所需均流精度要求(±3％)，其母线电压恢复额定等级运行。t>0.25s时，在所提控制策略下，异系统间均流精度误差低于3％。在负载突然发生跳变时，也能自适应调节异系统输出电流，保证了均流精度始终满足系统要求，验证了本发明所提控制策略具有较高的运行可靠性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种分布式直流供电异系统协同均流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

构造电流收敛值和平均电流值，设计流程如下：

式中，ε为边权系数，通过改变ε的大小能够调节算法的收敛速度，x_i(k)表示节点i在k时刻的状态变量，x_j(k)表示通信邻居节点j的在k时刻的状态变量；

则任意节点的状态变量最终会收敛到其初始值的平均值x^*：

式中，I_ori为霍尔传感器采集某一原始模块输出电流，n为原系统中的原始模块数，m为新系统中的替代模块数；

当新系统平均电流值与理想平均电流值存在偏差时，基于均流精度的检测方法会根据校正值x来调整输出电流，直到满足所设置的检测方法的均流精度；异系统均流精度误差CS_error表达式为：

进一步地，得到系统调整后输出电流值I’_avg的表达式：

I'_avg＝(1±x)^h

式中，x为校正值，h为迭代次数；

2.根据权利要求1所述的一种分布式直流供电异系统协同均流控制方法，其特征在于：在上述S1中，DC-DC变换电路一端连接供电系统电源模块，另一端通过线路连接到直流母线上。