Isop模塊化dc-dc變換器的分散式上垂控制方法
【專利摘要】ISOP模塊化DC-DC變換器的分散式上垂控制方法，本發明涉及一種基于上垂特性的ISOP模塊化DC-DC變換器的雙閉環控制方法的研究，屬于電力電子領域。通過采樣輸出側的電流，對系統進行上垂補償控制，再經過電壓電流雙閉環，實現對每個模塊的單獨控制，同時實現模塊間的功率均分。ISOP模塊化DC-DC變換器由多個DC-DC變換器構成。采用該方法，不僅能夠實現系統的分散式控制，還能很好的實現模塊的功率均分，且具有較高的動態響應速度。同時，相對于傳統的下垂法，上垂控制方法從機制上實現了系統的穩定。
【專利說明】丨SOP模塊化DC-DC變換器的分散式上垂控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明專利提供一種ISOP(Input-Series-〇utput_Series，輸入串聯輸出并聯） 模塊化DC-DC變換器的分散式上垂控制方法，屬于電力電子領域的高頻開關電源方向。
【背景技術】
[0002] 模塊化變換器有著冗余操作能力，規范的模塊化操作和功率拓展的靈活性等優 點。在其中，IS0P模塊化系統可以使得額定電壓較低的開關管應用于高輸入電壓和低輸出 電壓大電流場合。為了使得該組合型DC-DC變換器能夠正常工作，必須要實現模塊間功率 的均分（包括輸入電壓均分和輸出電流均分）。
[0003] 對于IS0P模塊化DC-DC變換器，目前主要的控制方法分為以下兩大類：⑴集中 式控制，（2)分散式控制
[0004] 對于集中式控制，現在常用的控制方法主要有：①解耦的輸入電壓均分控制②帶 有輸入電壓均分控制環的輸出電流均分控制③交叉控制（不帶有輸入電壓均分控制環的 輸出電流均分控制）④通訊總線控制⑤輸入電壓總線控制
[0005] 方法一：IEEETransactionsonIndustrialElectronics【電力電子期刊】于 2009年發表的"Controlstrategyforinput-series-output-parallelconverters'^輸 入串聯輸出并聯變換器的控制策略】中通過對系統建立等效模型將直流變換器模塊實現解 耦，從而提出了輸入電壓均分和輸出電流均分的關系，即當實現輸出電流均分時，輸入電壓 也能實現均分，反之亦然。該文章中通過將獨立的輸入電壓均分環加入到輸出電壓環中以 實現輸入電壓均分。方法二：IEEETransactionsonPowerElectronics【電力電子期刊】 于 2004 年發表的"Activeinput-voltageandload-currentsharingininput-series andoutput-parallelconnectedmodularDC-DCconvertersusingdynamic input-voltagereferencescheme"【采用動態輸入電壓參考的輸入串聯輸出并聯直流變 換器的輸入電壓和負載電流均分策略】中提出了三環控制，包括獨立的輸入電壓均分環和 輸出電流均分環以及輸出電壓環以同時實現輸入電壓均分和輸出電流均分。方法三：IEEE TransactionsonPowerElectronics【電力電子期刊】于 2010 年發表的"Cross-feedback output-current-sharingcontrolforinput-series-output-parallelmodularDC-DCconverters"【采用交叉反饋的輸入串聯輸出并聯模塊化直流變換器的輸出電流均 分控制】中采用交叉反饋控制，通過取消獨立的輸入電壓反饋來實現功率的均分，同時 該文章中提到，輸入電壓均分環的取消并不會影響到輸出電流實現均分。方法四：IEEE TransactionsonPowerElectronics【電力電子期刊】于 2〇〇8 年發表的"Faulttolerant circuittopologyandcontrolmethodforinput-seriesandoutput-parallel modularDC-DCconverters"【輸入串聯輸出并聯的模塊化直流變換器的容錯拓撲電 路與控制方法】中取消了集中控制器，取而代之的是通信總線，系統利用通信總線來交換 占空比信息，從而實現模塊間功率的均分。方法五：IEEEAppliedPowerElectronics ConferenceandExposition【電力電子會議】于 2011 年發表的"Adistributedcontrol ofinput-series-output-parallelbidirectionalDC-DCconvertermodulesapplied for20kVAsolidstatetransformer"【應用于20KVA固態變壓器的雙向輸入串聯輸出并 聯的直流變換器的分布式控制】中通過一個輸入電壓總線來共享輸入電壓均分信息。
[0006] 然而，所有上面提到過的控制策略都有一個共同的特點，就是采用集中式控制。對 于前三種方法，均具有集中控制器，這樣系統的可靠性降低，一旦集中控制器出現異常，整 個系統就會崩潰。此外，系統的功率配置不具有靈活性，無法實現模塊的熱插拔。對于后兩 種方法，都用總線來取代了集中控制器，但是依然是集中式控制，只不過是通過總線來進行 模塊間信息的共享，但是，一旦總線崩潰，系統將無法實現攻略的均分，這降低了系統的可 靠性。
[0007] 對于分散式控制方法，針對由DC-DC變換器構成的IS0P系統，傳統的下垂控制方 法應用較為廣泛。如IEEETransactionsonIndustryApplications【電力電子期刊】于 2014年發表的"Wirelessinput-voltage-sharingcontrolstrategyforinput-series output-parallel(ISOP)systembasedonpositiveoutput-voltagegradientmethod" 【基于正輸出電壓斜度法的輸入串聯輸出并聯系統的無線輸入電壓均分控制策略】中沒有 用到通信總線，取消了集中控制器，采用傳統的下垂法實現分散式控制，使得模塊之間獨 立，實現真正意義上的模塊化，容易實現熱插拔。然而，對于每個模塊而言，必須要采樣自身 的輸入電壓，系統沒有采樣輸出電流，系統的動態性能受到影響。同時增加了額外的輸入電 壓傳感器。并且輸出電壓會受到輸入電壓的影響，輸出調節特性也受到每個模塊輸入電壓 的影響，尤其是當總輸入電壓調節范圍很廣時，輸出電壓幅度波動范圍大。此外，傳統的下 垂控制對IS0P變換器并不穩定。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的是為了克服上述已有技術的不足，提出了一種適用于IS0P系統的 分散式上垂控制方法。
[0009] 本發明的核心思想是，介于傳統的下垂法對于IS0P系統具有不穩定機制，而其不 穩定機制的來源在于電流反饋的極性為負，所以，本發明將輸出電流的反饋極性由負變正， 從而實現該方法對于IS0P系統的穩定調節。
[0010] 本發明的目的是通過下述技術方案實現的。
[0011] 一種IS0P模塊化DC-DC變換器的分散式上垂控制方法，該控制方法基于由多個 DC-DC變換器拓撲組成的IS0P系統。
[0012] IS0P模塊化DC-DC變換器的分散式上垂控制方法的具體控制步驟如下：
[0013] 步驟一：利用電流傳感器采樣每個模塊的輸出電流im(i= 1，2*"n)，計算電壓給 定值的和，k。為上垂系數。將該值作為模塊#i(i=l，2*"n)的電壓給定值。
[0014] 步驟二：通過電壓傳感器采樣輸出電壓v。，計算模塊#i(i= 1，2…n)的電壓給定 值'efi(i=l，2...n)與V。的差值，該差值作為電壓外環PI調節器的輸入，電壓外環PI調 節器的輸出作為電流內環的給定(i= 1，2?n)。
[0015] 步驟三：計算電流內環的給定irafi(i= 1，2…n)與輸出電流im(i= 1，2…n)的 差值，作為電流內環PI調節器的輸入，電流內環PI調節器的輸出作為模塊#i(i= 1，2-n)的調制波dji= 1，2*"n)。
[0016] 步驟四：通過數字運算控制器（DSP)或者模擬電路，生成基準載波= 1，2-n)，由于模塊間為分散式控制，所以每個模塊載波的相位沒有聯系。
[0017] 步驟五：將模塊#i(i= 1，2…n)的調制波dji= 1，2…n)與模塊#i(i= 1，2… n)的載波Vei(i= 1，2…n)比較，生成模塊#i(i= 1，2…n)開關管的PWM信號。
[0018] 步驟六：將步驟五得到的PWM信號作為模塊#i(i= 1，2…n)中開關管的驅動信 號。
[0019] 步驟七：變換器上電后，控制器開始工作，并生成PWM(脈沖寬度調制）信號，按照 步驟一至步驟六調節開關管占空比，控制每個模塊的輸出電壓與輸出電流，實現模塊間功 率均分。
[0020] ISOP模塊化DC-DC變換器系統的連接關系如下所述：
[0021] 輸入直流電壓通過n個撕裂電容進行分壓。每個撕裂電容上的電壓作為每個直流 變換器的輸入電壓，從而實現每個直流變換器輸入側串聯的關系。然后將所有的直流變換 器的輸出端正電壓端連接，所有的負電壓端連接，分別接到輸出穩壓電容的正負極，之后再 連接至負載。
[0022] 上述提到的DC-DC變換器并不只針對某個或某幾個拓撲，本發明提出的控制策略 適用于所有由DC-DC變換器構成的ISOP系統。只不過，對于Buck型拓撲，輸出電流采樣 的是輸出側電感上的電流，而對于Boost型拓撲，由于輸出側沒有電感，其輸出電流波動較 大，而輸入電感上的電流在平均值上與輸出電流的平均值成比例關系，所以可以采樣輸入 電感上的電流，同時乘以一定的系數，作為輸出電流。
[0023] 有益效果
[0024] 1、本發明的ISOP模塊化DC-DC變換器的分散式上垂控制策略，相對于集中式控 制，只需要采樣每個模塊自身的輸出電壓和輸出電流，模塊之間沒有任何通信，能夠實現真 正意義上的分散式控制，實現了系統的模塊化，避免了由于控制器工作異常或者通信總線 崩潰而造成系統癱瘓的危險，極大的提高了整個系統的可靠性，同時也提高了系統隨時改 變功率等級的靈活性。
[0025] 2、本發明的ISOP模塊化DC-DC變換器的分散式上垂控制策略，通過采樣每個模塊 自身的輸出電流，乘以上垂系數k。，對每個模塊的輸出電壓給定進行補償，使得每個模塊能 夠實現功率均分。同時，本發明提出的上垂控制策略能夠克服傳統的下垂法應用于ISOP系 統中的不穩定機制，真正的實現了系統機制上的穩定。
[0026] 3、本發明的ISOP模塊化DC-DC變換器的分散式上垂控制策略，采用的是電壓外環 和電流內環的雙閉環控制環路，相對于單電壓環的控制，引入了電流內環，提高了系統的動 態性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027] 圖1為ISOP模塊化DC-DC變換器；
[0028] 圖2為本發明的分散式上垂控制方法的原理框圖；
[0029] 圖3為本發明下垂法的調節特性圖；
[0030] 圖4為本發明上垂法的調節特性圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面結合附圖和實施例對本發明做詳細說明。
[0032] 本發明為一種ISOP模塊化DC-DC變換器的分散式上垂控制方法。
[0033] 對于ISOP模塊化DC-DC變換器系統，由n個DC-DC變換器構成，如圖1所示，vin 為總輸入電壓，vini(i= 1,2…n)為模塊#i(i= 1,2…n)的輸入電壓，iin為總輸入電流， iini(i= 1，2...n)為模塊 #i(i= 1，2...n)的輸入電流，iLfi(i= 1，2...n)為為模塊#1(1 = 1，2…n)的輸出電流，、為ISOP系統的總輸出電流，v。為ISOP系統的總輸出電壓。ISOP 模塊化DC-DC變換器的分散式上垂控制方法原理圖如圖2所示。
[0034] 本發明所提方法及其電路拓撲工作過程如下：
[0035] 變換器上電開始工作后，將傳感器采樣輸出電流im(i= 1，2…n)和輸出電壓V。 作為反饋。￥1^為輸出電壓給定，將￥1^+、*；[。 1(1 = 1，2?11)的值作為模塊#1(1 = 1，2*" n)的輸出電壓給定值，再將其與輸出電壓相減，經過PI調節器和限幅器，輸出值作為電流 內環的給定，再將其與采樣的輸出電流im(i= 1，2…n)相減，誤差值經過PI調節器和限 幅器作為模塊i(i= 1，2…n)的調制波dji= 1，2…n)。將根據變換器開關頻率設定的 載波Mi=l，2-n)與dji=l，2-n)比較，得到開關管的PWM控制信號。
[0036] 在系統穩態下，輸入電壓和輸出電壓的關系可以被表達為：
【權利要求】
1. 一種ISOP模塊化DC-DC變換器的分散式上垂控制方法，該控制方法基于由多個 DC-DC變換器拓撲組成的ISOP系統，其特征在于具體控制步驟包括： 步驟一、利用電流傳感器采樣每個模塊的輸出電流：^"(1 = 1，2···η)，計算電壓給定值 與k 的和，k。為上垂系數；將該值作為模塊#i (i = 1，2···η)的電壓給定值； 步驟二、通過電壓傳感器采樣輸出電壓ν。，計算模塊#1(1 = 1,2…η)的電壓給定值 Vrefi (i = 1，2... η)與V0的差值，該差值作為電壓外環PI (比例積分）調節器的輸入，電壓 外環PI調節器的輸出作為電流內環的給定iMfi (i = 1，2…η); 步驟三、計算電流內環的給定iMfi(i = 1，2…η)與輸出電流im(i = 1，2…η)的差值， 作為電流內環PI調節器的輸入，電流內環PI調節器的輸出作為模塊#1(1 = 1，2…η)的調 制波(Ii (i = 1，2···η); 步驟四、通過數字運算控制器（DSP)或者模擬電路，生成基準載波Vc^i = 1，2···η)，由 于模塊間為分散式控制，所以每個模塊載波的相位沒有聯系； 步驟五、將模塊#i (i = 1，2…η)的調制波(Ii (i = 1，2…η)與模塊#i (i = 1，2…η)的 載波= 1，2···η)比較，生成模塊#i(i = 1，2···η)開關管的PWM信號； 步驟六：將步驟五得到的PWM(脈沖寬度調制）信號作為模塊#i (i = 1，2…η)中開關 管的驅動信號； 步驟七、變換器上電后，控制器開始工作，并生成PWM信號，按照步驟一至步驟六調節 開關管占空比，控制每個模塊的輸出電壓與輸出電流，實現模塊間功率均分。
【文檔編號】H02M3/04GK104518661SQ201510024318
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2015年1月16日 優先權日:2014年12月31日
【發明者】沙德尚, 劉弘耀, 陳泓宇, 袁文琦, 許國 申請人:北京理工大學