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(fā)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(huán)控制方法的研究，屬于電力電子領域。通過采樣輸出側(cè)的電流，對系統(tǒng)進行上垂補償控制，再經(jīng)過電壓電流雙閉環(huán)，實現(xiàn)對每個模塊的單獨控制，同時實現(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的分散式控制，還能很好的實現(xiàn)模塊的功率均分，且具有較高的動態(tài)響應速度。同時，相對于傳統(tǒng)的下垂法，上垂控制方法從機制上實現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)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(fā)明專利提供一種ISOP(Input-Series-〇utput_Series，輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)） 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(guī)范的模塊化操作和功率拓展的靈活性等優(yōu) 點。在其中，IS0P模塊化系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(huán)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(huán)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(fā)表的"Controlstrategyforinput-series-output-parallelconverters'^輸 入串聯(lián)輸出并聯(lián)變換器的控制策略】中通過對系統(tǒng)建立等效模型將直流變換器模塊實現(xiàn)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(xiàn)輸出電流均分時，輸入電壓 也能實現(xiàn)均分，反之亦然。該文章中通過將獨立的輸入電壓均分環(huán)加入到輸出電壓環(huán)中以 實現(xiàn)輸入電壓均分。方法二：IEEETransactionsonPowerElectronics【電力電子期刊】 于 2004 年發(fā)表的"Activeinput-voltageandload-currentsharingininput-series andoutput-parallelconnectedmodularDC-DCconvertersusingdynamic input-voltagereferencescheme"【采用動態(tài)輸入電壓參考的輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)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(huán)控制，包括獨立的輸入電壓均分環(huán)和 輸出電流均分環(huán)以及輸出電壓環(huán)以同時實現(xiàn)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(fā)表的"Cross-feedback output-current-sharingcontrolforinput-series-output-parallelmodularDC-DCconverters"【采用交叉反饋的輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)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(xiàn)功率的均分，同時 該文章中提到，輸入電壓均分環(huán)的取消并不會影響到輸出電流實現(xiàn)均分。方法四：IEEE TransactionsonPowerElectronics【電力電子期刊】于 2〇〇8 年發(fā)表的"Faulttolerant circuittopologyandcontrolmethodforinput-seriesandoutput-parallel modularDC-DCconverters"【輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)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(tǒng)利用通信總線來交換 占空比信息，從而實現(xiàn)模塊間功率的均分。方法五：IEEEAppliedPowerElectronics ConferenceandExposition【電力電子會議】于 2011 年發(fā)表的"Adistributedcontrol ofinput-series-output-parallelbidirectionalDC-DCconvertermodulesapplied for20kVAsolidstatetransformer"【應用于20KVA固態(tài)變壓器的雙向輸入串聯(lián)輸出并 聯(lián)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(tǒng)的可靠性降低，一旦集中控制器出現(xiàn)異常，整 個系統(tǒng)就會崩潰。此外，系統(tǒng)的功率配置不具有靈活性，無法實現(xiàn)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(tǒng)將無法實現(xiàn)攻略的均分，這降低了系統(tǒng)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(tǒng)，傳統(tǒng)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(fā)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(lián)輸出并聯(lián)系統(tǒng)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(tǒng)的下垂法實現(xiàn)分散式控制，使得模塊之間獨 立，實現(xiàn)真正意義上的模塊化，容易實現(xiàn)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(tǒng)沒有采樣輸出電流，系統(tǒng)的動態(tài)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)范圍很廣時，輸出電壓幅度波動范圍大。此外，傳統(tǒng)的下 垂控制對IS0P變換器并不穩(wěn)定。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)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(tǒng)的 分散式上垂控制方法。
[0009] 本發(fā)明的核心思想是，介于傳統(tǒng)的下垂法對于IS0P系統(tǒng)具有不穩(wěn)定機制，而其不 穩(wěn)定機制的來源在于電流反饋的極性為負，所以，本發(fā)明將輸出電流的反饋極性由負變正， 從而實現(xiàn)該方法對于IS0P系統(tǒng)的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。
[0010] 本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)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(tǒng)。
[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(shù)。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(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸入，電壓外環(huán)PI調(diào) 節(jié)器的輸出作為電流內(nèi)環(huán)的給定(i= 1，2?n)。
[0015] 步驟三：計算電流內(nèi)環(huán)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(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸入，電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出作為模塊#i(i= 1，2-n)的調(diào)制波dji= 1，2*"n)。
[0016] 步驟四：通過數(shù)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(lián)系。
[0017] 步驟五：將模塊#i(i= 1，2…n)的調(diào)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(qū)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(diào)制）信號，按照 步驟一至步驟六調(diào)節(jié)開關管占空比，控制每個模塊的輸出電壓與輸出電流，實現(xiàn)模塊間功 率均分。
[0020] ISOP模塊化DC-DC變換器系統(tǒng)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(xiàn)每個直流變換器輸入側(cè)串聯(lián)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(wěn)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(fā)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(tǒng)。只不過，對于Buck型拓撲，輸出電流采樣 的是輸出側(cè)電感上的電流，而對于Boost型拓撲，由于輸出側(cè)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(shù)，作為輸出電流。
[0023] 有益效果
[0024] 1、本發(fā)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?qū)崿F(xiàn)真 正意義上的分散式控制，實現(xiàn)了系統(tǒng)的模塊化，避免了由于控制器工作異?；蛘咄ㄐ趴偩€ 崩潰而造成系統(tǒng)癱瘓的危險，極大的提高了整個系統(tǒng)的可靠性，同時也提高了系統(tǒng)隨時改 變功率等級的靈活性。
[0025] 2、本發(fā)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(shù)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?qū)崿F(xiàn)功率均分。同時，本發(fā)明提出的上垂控制策略能夠克服傳統(tǒng)的下垂法應用于ISOP系 統(tǒng)中的不穩(wěn)定機制，真正的實現(xiàn)了系統(tǒng)機制上的穩(wěn)定。
[0026] 3、本發(fā)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(huán) 和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制環(huán)路，相對于單電壓環(huán)的控制，引入了電流內(nèi)環(huán)，提高了系統(tǒng)的動 態(tài)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(fā)明的分散式上垂控制方法的原理框圖；
[0029] 圖3為本發(fā)明下垂法的調(diào)節(jié)特性圖；
[0030] 圖4為本發(fā)明上垂法的調(diào)節(jié)特性圖。

【具體實施方式】
[0031] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做詳細說明。
[0032] 本發(fā)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(tǒng)，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(tǒng)的總輸出電流，v。為ISOP系統(tǒng)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(fā)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(jīng)過PI調(diào)節(jié)器和限幅器，輸出值作為電流 內(nèi)環(huán)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(jīng)過PI調(diào)節(jié)器和限 幅器作為模塊i(i= 1，2…n)的調(diào)制波dji= 1，2…n)。將根據(jù)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(tǒng)穩(wěn)態(tài)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(tǒng)，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(shù)；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(huán)PI (比例積分）調(diào)節(jié)器的輸入，電壓 外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出作為電流內(nèi)環(huán)的給定iMfi (i = 1，2…η); 步驟三、計算電流內(nèi)環(huán)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(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸入，電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出作為模塊#1(1 = 1，2…η)的調(diào) 制波(Ii (i = 1，2···η); 步驟四、通過數(shù)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(lián)系； 步驟五、將模塊#i (i = 1，2…η)的調(diào)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(diào)制）信號作為模塊#i (i = 1，2…η)中開關 管的驅(qū)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(diào)節(jié) 開關管占空比，控制每個模塊的輸出電壓與輸出電流，實現(xiàn)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(yōu)先權日:2014年12月31日
【發(fā)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