雙均流母線的均流電路及其控制方法

張強(qiáng)，張敬南，姚緒梁，霍虹

(哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

當(dāng)多個(gè)直流電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，為了充分利用每一個(gè)電源的有效容量，同時(shí)也為了提高運(yùn)行的安全性和可靠性，需要通過采用均流技術(shù)，來合理地分配每個(gè)電源所承擔(dān)的負(fù)載電流。

現(xiàn)有的均流控制方法［1-7］按照電源間是否存在聯(lián)系可分為有源均流法和下垂均流法。在有源均流法中，并聯(lián)運(yùn)行的各個(gè)電源通過一條均流母線建立起相互間的聯(lián)系，根據(jù)均流母線與電源的連接方式的不同，有源均流法又可以具體分為主從均流法、外加均流控制器均流法、平均電流均流法和最大電流均流法等多種方法［8-10］。但是現(xiàn)有的這些有源均流方法都存在有一定的不足:

1)在主從均流法中，主從電源間必須相互通訊，致使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

2)外加均流控制器均流法需要外加一個(gè)均流控制器，其缺點(diǎn)與主從均流法近似。

3)平均電流均流法雖然可以精確地實(shí)現(xiàn)均流，但是當(dāng)均流母線發(fā)生短路，或接在均流母線上的一個(gè)電源不能工作時(shí)，各個(gè)電源輸出電壓將下調(diào)，對(duì)負(fù)載的正常運(yùn)行帶來負(fù)面影響。

4)最大電流均流法由于主從電源總是處于不斷的切換中，會(huì)導(dǎo)致各個(gè)電源的輸出電流產(chǎn)生低頻振蕩，并且會(huì)產(chǎn)生過電壓現(xiàn)象。

上述缺陷的存在，致使有源均流法在實(shí)際中的應(yīng)用范圍有限，并且對(duì)并聯(lián)運(yùn)行的直流電源系統(tǒng)的整體性能也會(huì)帶來不利影響。為了提升有源均流法的均流效果，以最大電流均流法為依據(jù)，通過對(duì)其硬件電路進(jìn)行改進(jìn)，提出了雙均流母線均流電路及其控制方法。

1 雙均流母線均流電路

多個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的直流電源，采用本文所提出的雙均流母線均流電路和控制方法時(shí)，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 采用雙均流母線均流電路的并聯(lián)直流電源結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Connection diagram of DC power supplies with double current-sharing buses circuit

圖1中每一個(gè)直流電源的輸出都與直流母線相連，內(nèi)部的均流控制電路都與均流母線1和均流母線2相連。雙均流母線均流電路與現(xiàn)有其他均流電路相比，區(qū)別主要體現(xiàn)在其所特有的2條均流母線和均流信號(hào)生成電路等幾個(gè)方面。以其中的一個(gè)直流電源為例，實(shí)現(xiàn)雙均流母線均流控制的具體硬件電路如圖2所示。

圖2所示的電路中，電壓傳感器VT1用于檢測(cè)直流電源的輸出電壓，并產(chǎn)生電壓反饋信號(hào)Uout饋入A/D轉(zhuǎn)換電路;電流傳感器CT1用于檢測(cè)輸出電流的大小，并產(chǎn)生電流反饋信號(hào)Iout，電流反饋信號(hào)Iout一方面被送入A/D轉(zhuǎn)換電路，另一方面被送入均流信號(hào)生成電路;均流信號(hào)生成電路由二極管D1、D2，運(yùn)算放大器 A1，電阻 R1、R2、R3、R4構(gòu)成;運(yùn)算放大器 A1和電阻 R1、R2、R3、R4接成放大電路;二極管D1的陽極接電流傳感器CT1的輸出，同時(shí)通過電阻R1接至運(yùn)算放大器A1的負(fù)輸入端，二極管D1的陰極接均流母線1，同時(shí)通過電阻R2接至運(yùn)算放大器A1的正輸入端;二極管D2的陽極接運(yùn)算放大器A1的輸出，二極管D2的陰極接均流母線2。由于并聯(lián)運(yùn)行的所有直流電源都將各自電流傳感器輸出的電流信號(hào)通過各自的二極管D1與公共的均流母線1連接在一起，根據(jù)二極管的工作特性可知，只有輸出電流最大的直流電源才能將自己的輸出電流信號(hào)通過二極管送到均流母線1上，而在其他的直流電源中，二極管D1處于反向截止?fàn)顟B(tài)，所以均流母線1上的信號(hào)始終為最大輸出電流信號(hào)Imax。二極管D1兩端的電壓差通過運(yùn)算放大器A1和二極管D2送至均流母線2，運(yùn)算放大器A1正常情況下作為跟隨器使用，即放大倍數(shù)為1，但為了提高數(shù)據(jù)采集精度，也可接成放大器，放大倍數(shù)由電阻 R1、R2、R3、R4的阻值決定，具體計(jì)算方法與常規(guī)運(yùn)算放大器相同。因?yàn)樗兄绷麟娫炊紝⒏髯远O管D1兩端的電壓差信號(hào)通過各自的運(yùn)算放大器和二極管D2送至公共的均流母線2，所以只有最大電壓差信號(hào)才能送至均流母線2上。由于二極管D1的一端為最大電流信號(hào)，另一端為自身的輸出電流信號(hào)，因此其2端的電壓差表明了自身輸出電流與當(dāng)前最大輸出電流的差值，即均流母線2上的信號(hào)始終為并聯(lián)運(yùn)行的直流電源中輸出電流最大值與輸出電流最小值的差值ΔImax。均流母線1上的最大電流信號(hào)Imax和均流母線2上的最大電流差信號(hào)ΔImax被共同送入A/D轉(zhuǎn)換電路。

A/D轉(zhuǎn)換電路將輸出電壓信號(hào)Uout、輸出電流信號(hào)Iout、最大電流信號(hào)Imax和最大電流差信號(hào)ΔImax轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，傳送至中央處理器(CPU)。CPU根據(jù)這些數(shù)據(jù)，按照一定的均流控制方法控制PWM生成電路產(chǎn)生PWM信號(hào)。PWM信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)直流電源中的電力電子器件，通過控制電力電子器件的開關(guān)狀態(tài)，最終在輸出電壓滿足直流電壓母線需求的前提下，使自身的輸出電流與其他直流電源輸出電流近似相等，當(dāng)誤差滿足均流精度要求，即實(shí)現(xiàn)了均流控制。

圖2 雙均流母線均流電路硬件電路圖Fig.2 Hardware circuit diagram of double current-sharing buses circuit

2 均流算法

針對(duì)如何利用輸出電壓信號(hào)Uout、輸出電流信號(hào)Iout、最大電流信號(hào)Imax和最大電流差信號(hào)ΔImax來實(shí)現(xiàn)高精度的均流控制進(jìn)行了深入的研究，提出了以下2種具體的均流控制策略。

1)最小電流均流控制方法。在這種均流控制方法中，控制電路中的CPU根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換電路傳送來的均流母線1和均流母線2上的信號(hào)，即最大電流值Imax和最大電流差值ΔImax，可以計(jì)算出在并聯(lián)運(yùn)行的所有直流電源中的輸出電流最小值Imin，即Imin=Imax－ΔImax，并以該電流最小值Imin作為輸出電流的基準(zhǔn)值，來調(diào)節(jié)輸出電流的大小。由于所有并聯(lián)運(yùn)行的直流電源都以Imin為輸出電流基值，除實(shí)際輸出電流值等于最小值的直流電源外，其他直流電源的輸出電流都要向下調(diào)節(jié)，在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中，輸出電流最小值Imin是不斷變化的，但是隨著調(diào)節(jié)過程的持續(xù)，所有直流電源的輸出電流都會(huì)最終趨近于某一個(gè)逐漸穩(wěn)定的電流最小值Imin。當(dāng)每一個(gè)直流電源的輸出電流Iout與Imin的誤差都滿足均流精度要求時(shí)，即實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)運(yùn)行的直流電源間的均流控制。

2)中間電流均流控制方法。在中間電流均流控制方法中，每個(gè)直流電源的CPU根據(jù)最大電流值Imax和最大電流差值ΔImax計(jì)算出一個(gè)中間電流值Imid，Imid=Imax－ΔImax/2，并以Imid作為電流基準(zhǔn)值，來調(diào)節(jié)輸出電流的大小。輸出電流大于中間電流值Imid的直流電源會(huì)減小其輸出電流，而輸出電流小于中間電流值Imid的直流電源會(huì)增加其輸出電流。隨著調(diào)節(jié)過程的持續(xù)，最大電流值Imax和最大電流差值ΔImax不斷減小，電流中間值Imid也不斷變化，但變化幅度逐漸減小，各個(gè)直流電源輸出電流與Imid的差值也逐漸減小，當(dāng)差值滿足均流精度要求時(shí)，即實(shí)現(xiàn)了均流控制。

3 仿真驗(yàn)證

利用仿真軟件對(duì)雙均流母線均流電路及控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并與現(xiàn)有的最大電流均流法在均流效果上進(jìn)行了比較、分析。在仿真過程中，采用2個(gè)直流電源并聯(lián)運(yùn)行，直流電源電路為BUCK電路，器件參數(shù)和控制算法完全相同，通過改變電源內(nèi)部線路阻抗參數(shù)的方法，驗(yàn)證均流控制效果。直流電源額定輸出電壓為100 V，負(fù)載等效電阻為3Ω。

圖3所示為沒有采用均流控制時(shí)，并聯(lián)運(yùn)行的2個(gè)直流電源輸出電流的仿真波形。仿真結(jié)果表明，不采用均流控制時(shí)，2個(gè)電源輸出電流波形的幅值存在明顯的差異。

圖3 沒有均流控制的2個(gè)直流電源輸出電流仿真波形Fig.3 DC power supply output current waveform results without current-sharing control

圖4和圖5分別為現(xiàn)有的最大電流均流法控制框圖和仿真結(jié)果。圖4及后續(xù)圖中的Uref為輸出電壓給定值，即100 V，IL為BUCK電路中的電感電流，圖中略去了各控制環(huán)中的限幅環(huán)節(jié)。

圖6和圖7分別為本文提出的最小電流均流法控制框圖和仿真結(jié)果。圖6中的控制環(huán)節(jié)“MIN”的作用是利用最大電流信號(hào)Imax和最大電流差信號(hào)ΔImax計(jì)算出一個(gè)最小電流信號(hào)Imin。

圖4 最大電流均流法控制框圖Fig.4 Control block diagram of the maximum current current-sharing control method

圖8和圖9分別為本文提出的中間電流均流法控制框圖和仿真結(jié)果。圖8中的控制環(huán)節(jié)“MID”的作用是利用最大電流信號(hào)Imax和最大電流差信號(hào)ΔImax計(jì)算出一個(gè)中間電流信號(hào)Imid。

圖5 最大電流均流法仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of the maximum current current-sharing control method

圖6 最小電流均流法控制框圖Fig.6 Control block diagram of the minimum current current-sharing control method

圖7 最小電流均流法仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of the minimum current current-sharing control method

圖8 中間電流均流法控制框圖Fig.8 Control block diagram of the intermediate current current-sharing control method

1)在最大電流均流法控制過程中，由于每一個(gè)直流電源的輸出電流Iout總是小于或等于最大電流Imax，因此均流環(huán)只能設(shè)計(jì)成為比例控制環(huán)，致使該均流方法只能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均流，均流過程中直流母線電壓和直流電源的輸出電流的幅值波動(dòng)較大，其中直流母線電壓的變化范圍為99.5～107 V，2個(gè)直流電源輸出電流的變化范圍均在11.5～22.5 A。

2)最小電流均流法與最大電流均流法一樣，在均流環(huán)節(jié)只能采取比例控制，致使該均流方法也只能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均流，直流母線電壓的變化范圍為98～106 V，平均值低于最大電流均流法時(shí)的直流母線電壓值。2個(gè)直流電源輸出電流的變化范圍主要在14～19 A，均流效果略好于最大電流均流法，但是均流過程中的電流最大和最小值仍能分別達(dá)到20 A和12 A左右?？紤]到為了便于和最大電流均流法進(jìn)行比較，在最大、最小電流均流法的仿真過程中，均流環(huán)的比例系數(shù)、電壓和電流環(huán)的比例、積分系數(shù)取值均完全相同。

3)在中間電流均流法控制過程中，由于每一個(gè)直流電源的輸出電流Iout與中間電流Imid的差值可正、負(fù)變化，因此均流環(huán)可以設(shè)計(jì)成為比例積分控制環(huán)節(jié)，即該均流方法能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)態(tài)均流。均流仿真過程中直流母線電壓的波動(dòng)范圍為99.5～101.5 V，2個(gè)直流電源輸出電流的最大變化范圍主要在14.5～18.5 A，均流效果明顯好于最大電流均流法和最小電流均流法。

圖9 中間電流均流法仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of the intermediate current current-sharing control method

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以DSP-TMS320F28335為控制核心，搭建了2個(gè)結(jié)構(gòu)相同的BUCK型直流電源，對(duì)最大電流均流法和雙母線均流法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主電路中開關(guān)器件選用的是 IGBT，其型號(hào)為FF400R33KF2C，電路中的電感L=5 mH，電容C=470μF，額定輸出電壓為100 V，負(fù)載等效阻值為3Ω。其中雙均流母線均流控制采用的是中間電流值均流法。

圖10(a)為最大電流均流法控制過程中，通過電流傳感器采集到的2路輸出電流波形(電流傳感器輸出的電壓信號(hào))，可以看出在均流控制下，2個(gè)電源輸出電流的波形包絡(luò)線基本重合，即實(shí)現(xiàn)了均流控制，但是在均流過程中，電流幅值變化較大。圖10(b)為最大電流均流法控制過程中直流母線電壓波形。由于受到均流控制的影響，直流母線電壓平均值為101 V，高于額定值100 V，且電壓波形中存在有較多的“毛刺”。

圖11(a)為雙均流母線均流法控制過程中，通過電流傳感器采集到的2個(gè)電源輸出電流波形(電流傳感器輸出的電壓信號(hào))，可以看出采用雙均流母線均流法后，2個(gè)直流電源的輸出電流波形基本重合，且不存在明顯的波動(dòng)。實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)無誤差均流。圖11(b)為雙均流母線均流法控制過程中直流母線電壓波形，電壓波形平穩(wěn)，沒有明顯的波動(dòng)，幅值的平均值為100.05 V，與額定電壓100 V之間的誤差為0.05%。

圖10 最大電流均流法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證波形Fig.10 Experimental waveform of the maximum current current-sharing control method

圖11 雙均流母線均流法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證波形Fig.11 Experimental waveform of the intermediate current current-sharing control method

5 結(jié)論

仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，提出的“雙均流母線均流電路及其控制方法”，具有以下特點(diǎn)和創(chuàng)新性:

1)雙均流母線結(jié)構(gòu)，不僅為控制電路中的CPU提供了所有并聯(lián)運(yùn)行直流電源輸出電流中的最大電流值Imax，而且還提供了現(xiàn)有各種均流控制硬件電路所無法提供的最大電流差信號(hào) ΔImax，從而使CPU可以更好地了解當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，為均流控制方法的制定提供了更為精準(zhǔn)的依據(jù)。

2)與現(xiàn)有的最大電流均流法相比，在最小電流均流法中，并聯(lián)運(yùn)行的各個(gè)直流電源是以最小輸出電流為基準(zhǔn)來調(diào)節(jié)自身的輸出電流，即通過降低輸出電壓來減小輸出電流。在各控制環(huán)節(jié)的P、I參數(shù)選取適當(dāng)?shù)那疤嵯拢鬟^程中，各直流電源的輸出電壓應(yīng)不大于額定電壓，可避免出現(xiàn)最大電流均流法中的過電壓現(xiàn)象，因而有利于提高直流電源系統(tǒng)和負(fù)載的可靠性和安全性。仿真結(jié)果中出現(xiàn)了過電壓現(xiàn)象，是為了與最大電流均流法進(jìn)行比較，故而沒有對(duì)P、I參數(shù)予以優(yōu)化。

3)采用中間電流均流法時(shí)，各個(gè)直流電源的輸出電壓都不會(huì)出現(xiàn)類似于最大電流均流法產(chǎn)生的過電壓現(xiàn)象，都穩(wěn)定在額定電壓附近，從而有效提高了直流母線電壓的精度和穩(wěn)定性。

4)在最大電流均流法控制過程中，由于均流誤差信號(hào)始終為正值，因此均流環(huán)只能采用比例控制，致使最大電流均流法只能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均流，每一個(gè)電源輸出的電流值總在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)范圍的大小與均流環(huán)的比例系數(shù)有關(guān)。而在中間電流均流法控制過程中，均流誤差信號(hào)正負(fù)變化，因此均流環(huán)可采用比例積分控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)均流控制，從根本上消除了輸出電流的低頻振蕩，確保了每個(gè)電源的輸出電流值都基本相等。

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