CN214337798U

CN214337798U - 一种dc-dc变换器并联均流控制系统

Info

Publication number: CN214337798U
Application number: CN202022648929.9U
Authority: CN
Inventors: 周美兰; 张志刚; 张宇
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2020-11-16
Filing date: 2020-11-16
Publication date: 2021-10-01
Anticipated expiration: 2030-11-16

Abstract

本实用新型提供一种DC‑DC变换器并联均流控制系统，该系统包括并联至直流母线上至少两个DC‑DC变换器单元，每个变换器单元包括DC‑DC变换器、电流采样模块、收发器模块、参考电压生成模块和基于一致性理论均流控制模块。本实用新型实施例基于多模块系统的一致性理论，设计了一种新的DC‑DC变换器并联均流控制系统。控制策略是一种分布式控制方式，它只利用相邻模块的信息，而不是集中控制方式。本实用新型所提供的DC‑DC变换器并联均流控制系统，通过在无线通信技术的基础上，使每个DC‑DC变换器模块都可以通过相邻通信来共享电流，从而实现均流。

Description

一种DC-DC变换器并联均流控制系统

技术领域

本实用新型涉及电气控制技术领域，尤其涉及DC-DC变换器并联电路的控制领域。

背景技术

在电力电子技术中,并联DC-DC变换器系统具有大容量、高效率、高可靠性和低成本的特点。近年来，随着新能源技术的发展，并联DC-DC变换器系统具有高的可靠性、冗余性并且易于模块化和容量扩展，并联DC-DC变换器被广泛应用于各种电气场所。在理想情况下，并联DC-DC变换器系统总的负载电流由各参与并联的模块所均分，由于电源模块中器件的不一致性以及无法避免的生产工艺误差等因素，导致供电系统内参与并联的各个模块参数总会存在差异，这些差异只可以尽量缩小，却不能完全避免。除此之外，随着时间和温度的变化，各个模块的参数也会发生变化，而由外界因素导致的各个模块之间的差别也许要比模块本身原有的差别要大得多。由于参与并联的所有模块不可能完全一样，如果不施加任何方法只是简单地将它们并联起来，则不能保证各个模块能够平均地分担负载电流，因而会导致模块输出电流大小不一样，可能还会有些输出为零。而输出电流的不一致，可能会引起很多问题的出现：一、输出电流的分配不均衡必定会使系统的一部分模块输出电流偏大，那么其所承受的相应的电流应力和电压应力也会比较大。长期承受较大的电压和电流应力的变换器模块则会加快老化和损坏速度，以至于会导致整个系统的稳定性和可靠性降低；二、当系统输出功率较大时，并联系统内各个模块输出电流不一致会导致出力最大的模块达到其所允许的最大输出电流，从而使该模块被烧坏，影响了系统的可靠性；三、在对负载进行切换时，模块的不一致性会加剧各个模块间输出电流分配不平均的现象，很有可能导致整个系统无法正常运行。因此，设计一种均流控制系统在并联DC- DC变换器系统中是很有必要的。

现有的均流控制策略大多是集中控制。然而，对于并联型DC-DC变换器系统，提高系统的鲁棒性至关重要。多模块系统的分布式控制可以提高闭环系统的鲁棒性。在多模块系统中，每一个模块都能达到相同的控制目标。为此，本实用新型将采用一种新的基于一致性理论的均流控制策略应用于并联DC-DC变换器系统。

另外，对于传统的并联DC-DC变换器系统，DC-DC变换器信息传输采用物理连接方式连接。本实用新型将无线技术应用于并联DC-DC变换器系统，以实现无线信息传输，进而实现并联模块的均流。

实用新型内容

本实用新型提供一种DC-DC变换器并联均流控制系统，用以解决由DC- DC变换器电路的参数不同引起的电流不均衡的问题以及提高系统的稳定性。

本实用新型提供了一种DC-DC变换器并联均流控制系统，包括并联至直流母线的至少两个DC-DC变换器模块，每个所述变换器模块包括DC-DC变换器、电流采样模块、用于发送和接收信息的收发器模块、参考电压生成模块和基于一致性理论的均流控制模块，其特征在于，还包括：

电流采样模块用于采集每个模块的电流值I_n；I_n代表第n个模块的输出电流值；

收发器模块用于接收相邻模块发送来的电流信号，作为自身模块的参考值，传送给参考电压生成模块；同样地，收发器模块也用于发送自身模块的电流值到相邻两模块的收发器，作为相邻两模块的参考值，传送给相邻模块中的参考电压生成模块；

基于一致性理论的均流控制模块根据参考电压生成模块产生的参考值对自身模块进行控制，通过调节自身模块的占空比传送给PWM发生器，生成PWM 信号驱动主电路来调节输出电流的大小，最后以实现各模块之间电流的一致；

如上所述的DC-DC变换器并联均流控制系统，优选的是：基于无线技术的并联DC-DC变换器系统采用无线技术，消除了模块之间复杂的物理连线。这将使系统更加灵活。每个转换器具有用于发送和接收信息的收发器模块。无线并联DC-DC变换器的通信系统采用射频技术。

本实用新型所提供的DC-DC变换器并联均流控制系统，通过在无线通信系统的基础上，每个DC-DC变换器都可以通过邻居通信来共享电流，从而实现均流。

本实用新型所提供的DC-DC变换器并联均流控制系统，基于无线技术和一致性理论，采用双闭环控制策略，能够有效实现并联系统的电流平衡以及系统的稳定。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的无线并联DC-DC变换器系统结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的DC-DC变化器并联均流控制策略结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的三个DC-DC变换器的通信拓扑结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的两个移相全桥DC-DC变换器并联的主电路示意图；

图5为本实用新型实施例提供的两个移相全桥DC-DC变换器并联的仿真均流结果示意图；

图6为本实用新型实施例提供的两个移相全桥DC-DC变换器并联的两模块输出电流差值的仿真结果示意图

具体实施方式

图1为本实用新型实施例提供的无线并联DC-DC变换器系统结构示意图，本实用新型实施例所提供的DC-DC变换器并联均流控制系统，包括并联至直流母线上的n个DC-DC变换器模块以及每个模块上带有的无线收发器，并联以后共同为负载供电。无需采用物理连接方式来实现通讯连接，避免了由于布线通讯所带来的麻烦，提高了控制系统的可靠性和灵活性。

图2为本实用新型实施例提供的DC-DC变化器并联均流控制策略结构示意图，本实用新型实施例提供的无线并联DC-DC变换器系统，包括并联至直流母线(20)上的至少两个DC-DC变换器单元(10)，本实施例仅以三个DC-DC 变换器模块(10)为例进行说明，其他数量的DC-DC变换器模块(10)采用相同的方式连接。

每个变换器模块(10)包括电流采样模块(1)、收发器模块(2)、参考电压生成模块(3)、基于一致性理论均流控制模块(4)、PWM生成模块(5)和DC- DC变换器主电路(6)。

其中，电流采样模块(1)用于采集每个模块的电流值I_n；I_n代表第n个模块的输出电流值；

收发器模块(2)用于接收相邻模块发送来的电流信号，作为自身模块的参考值，传送给参考电压生成模块(3)；同样地，收发器模块(2)也用于发送自身模块的电流值到相邻两模块的收发器，作为相邻两模块的参考值，传送给相邻模块中的参考电压生成模块(3)；

基于一致性理论的均流控制模块(4)根据参考电压生成模块(3)产生的参考值对自身模块进行控制，通过调节自身模块的占空比传送给PWM发生器 (5)，生成PWM信号驱动主电路(6)来调节输出电流的大小，最后以实现各模块之间电流的一致；

在上述技术方面的基础上，本实用新型的DC-DC变换器并联均流控制系统进一步包括：运用一致性理论来解决并联DC-DC变换器的均流问题。

其中，为了实现多个变换器之间的均流，采用了双闭环均流控制策略。针对电压环，设计了基于一致性理论的均流控制器，作为电流环的参考信号。然后采用PI控制策略对电流环进行控制。

并联DC-DC变换器的控制目标描述如下：

其中N_i表示第i个DC-DC转换器的通信邻居集。

其中，一致性理论介绍如下：

假设存在n个模块，并且模块数属于有限值N＝[1,...,n]。在不损失一般性的情况下，我们假设模块i的动力学描述为：

其中N_i表示模块i的状态，是控制输入。一致性的含义就是设计一个只利用相邻模块信息来实现状态一致的分布式控制策略，即|x_i-x_j|→0。

进一步的，关于图论的介绍如下。图论通常用来描述个体之间的某种关系。下面是一些定义图形和相关数学结构的基本方法。图被定义为G＝(V,E,A)，其中

并且V＝(v_i,i＝1,2,...,n)表示一组顶点，存在于两个顶点之间的是一组边。A＝[a_ij]是图的加权邻接矩阵。顶点通常用于表示物理系统中的个体，而边则表示它们之间的关系。如果(v_i,v_j)∈E，

则G称为单向的。否则，如果(v_i,v_j)∈E，(v_j,v_i)∈E，我们称之为无向的。邻接矩阵A的元素定义为 v_xy＝v_yx＝1，否则v_xy＝v_yx＝0。顶点的出度为

则矩阵 D＝diag(d₁,d₂,...,d_n)。G的拉普拉斯矩阵为：L＝D-A。

本实用新型案例将DC-DC变换器及其通信系统建模为无向图，如图3所示为三个变换器的通信拓扑。

其中，假设电流参考信号为。由于变换器对每个相邻模块的访问都是基于一致性理论，因此每个变换器都只给出了一致性控制的算法：

其中，α_i，β_i，γ_i>0是比例增益，e_i是电压协同跟踪误差，以及

为电流合作误差。

对于并联DC-DC变换器系统，如果控制器设计为(4)，则可以用实际电压跟踪参考电压，同时实现电流一致性。

如图4所示，本实用新型实施例提供的两个移相全桥DC-DC变换器并联的主电路示意图。具体参数为：输入电压U_in＝600V，输出电压U_o＝120V,桥臂两端并联的电容C＝0.47μF，与变压器一次侧绕组串联的电容C＝40μF,后端整流部分的电感L＝500μH,负载电阻R＝1Ω，为了区别上下模块的固有区别，设置上模块的等效阻抗为1Ω，下模块的等效阻抗为0.5Ω。

如图5所示，为本实用新型实施例提供的两个移相全桥DC-DC变换器并联的仿真均流结果示意图。可以看出上下模块的输出电流都稳定在60A，总电流为120A，实现了良好的均流效果，验证了所提出的均流控制系统的正确性。

如图6所示，为本实用新型实施例提供的两个移相全桥DC-DC变换器并联的两模块输出电流差值的仿真结果示意图。可以看出均流稳定后，两个模块的电流差值的绝对值最大值小于1A，在总电流为120A的系统中，可见均流误差小于百分之一，验证了均流策略的正确性及有效性。

本实用新型实施例中，优选的是一致性理论控制算法、电压电流双闭环控制器以及无线技术的采用。无需采用物理连接方式来实现通讯连接，降低了由于布线所带来的的麻烦，提高了控制系统的可靠性。

本实用新型实施例所提供DC-DC变换器并联均流控制系统的工作过程如下：

首先，每个变换器单元中的电流采样模块采集各个模块中的输出电流送给所在模块的收发器；然后，收发器模块进行广播，相邻的两模块收发器接收到信号进行处理，在传送到参考电压生成模块产生参考电压值；最后，基于一致性理论的均流控制器以参考电压生成模块产生的电压为参考值，进行闭环控制其变换器的占空比，传送到PWM生成器里产生PWM信号，在送到主电路里从而实现各个模块电流的一致，即实现并联模块的均流。

由上述分析可知，本实用新型实施例提供了一种DC-DC变换器并联均流控制系统，该系统可以作为各种并联DC-DC变换器供电或者充电的情况。该DC- DC变换器并联均流控制系统具有以下优势：

1.通过采用无线技术通讯，使得各个模块之间进行信息传输时，避免了传统物理接线所带来的所有负面影响，提高了系统的稳定性，使整个系统更加灵活。

2.通过采用一致性理论控制算法，这是一种分布式控制策略，代替了现有大多数的集中控制策略，例如主从均流法、平均电流法和最大电流法等集中控制策略。可以进一步的提高系统的鲁棒性。

本实用新型实施例所提供的DC-DC变换器并联均流控制系统，通过在传统的有线集中控制策略的基础上进行改进，增加了无线技术和分布式控制思想，可以避免由于布线所带来的一些负面影响，也可以避免由集中式控制所带来的一些的问题。例如，主从均流法中一旦主模块发生故障，则整个系统不能正常工作。可以极大程度的提高系统的可靠性，抑制环流、实现均流，克服以前那些控制方案的缺点。

最后应说明的是：以上实施例仅用于以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换并不使相应的技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种DC-DC变换器并联均流控制系统，包括并联至直流母线的至少两个DC-DC变换器模块，每个所述变换器模块包括DC-DC变换器、电流采样模块、用于发送和接收信息的收发器模块、参考电压生成模块和基于一致性理论的均流控制模块，其特征在于，还包括：

电流采样模块(1)用于采集每个模块的电流值I_n；I_n代表第n个模块的输出电流值；收发器模块(2)用于接收相邻模块发送来的电流信号，作为自身模块的参考值，传送给参考电压生成模块(3)；同样地，收发器模块(2)也用于发送自身模块的电流值到相邻两模块的收发器，作为相邻两模块的参考值，传送给相邻模块中的参考电压生成模块(3)；基于一致性理论的均流控制模块(4)根据参考电压生成模块(3)产生的参考值对自身模块进行控制，通过调节自身模块的占空比传送给PWM发生器(5)，生成PWM信号驱动主电路(6)来调节输出电流的大小，最后以实现各模块之间电流的一致。