基于并聯(lián)均流技術的直流變換器

羅耀華，李景恒，周慧楠，聞婷

哈爾濱工程大學自動化學院，黑龍江哈爾濱150001

隨著科學技術的發(fā)展，通訊基站、發(fā)電廠、變電所等應用場合對直流電源系統(tǒng)的需求越來越多，對系統(tǒng)的可靠性也提出了越來越高的要求。直流電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:提高了系統(tǒng)的靈活性，可方便的實現(xiàn)N+1冗余供電，提高系統(tǒng)可靠性;減少產(chǎn)品種類，便于標準化和大規(guī)模生產(chǎn)，降低了成本［1-2］。直流變換器并聯(lián)工作時，最為關心的是各個模塊的輸出電流均勻性的問題。因此基于并聯(lián)均流技術的直流電源的研制具有十分重要的意義。

根據(jù)是否有均流母線相連，均流技術可分為下垂法(輸出阻抗法、斜率法)和有源均流法兩大類。有源均流法主要有:主從設置法、平均電流均流法、最大電流均流法、熱應力自動控制法和外加均流控制器均流法等［2］。最大電流均流法是直流電源并聯(lián)運行最常用的均流控制策略。

1 單模塊電源主電路設計

主電路采用帶飽和電感的移相控制ZVS全橋變換器，如圖1所示。

圖1 直流電源主電路結構圖

電路主要性能指標如下:輸入直流電壓314 V;輸出直流電壓28 V;最大輸出電流20 A。半導件器件選用IGBT，電路的工作頻率為10 kHz。考慮到移相全橋變換器特有的占空比丟失現(xiàn)象，實際取的匝比值要小于計算所得值，這里的高頻變壓器的匝比值為n=4。電路中的濾波電感L=100 μH，濾波電容C=470 μF［3］。

2 單電源模塊的控制策略

單模塊電源主電路采用移相控制方式，每個橋臂的2個開關管成180°互補導通。Q1先導通，Q4后導通，兩者導通角為α，Q1和Q3分別先于 Q2和Q4導通。移相控制時，通過移相控制方式改變移相角α的大小來調節(jié)輸出電壓。當α=0°時，Q1和Q4或者Q2和Q3同時導通，輸出電壓達到最大值;當α=180°時，Q1和Q2或者Q3和Q4同時導通，輸出電壓為0;移相控制過程中 Q1和 Q3分別超前 Q4和 Q2一個相位［4-6］。

模塊電源DC/DC變換過程中采用電壓、電流雙閉環(huán)的PI控制策略，其控制框圖如圖2所示。

圖2 雙閉環(huán)控制框圖

輸出電壓的給定值Uref與實際輸出電壓Uout作差，其差值經(jīng)過PI環(huán)節(jié)生成電流環(huán)的給定電流信號Iref，再與采樣回來的電感電流IL比較，其差值經(jīng)過PI環(huán)節(jié)后確定移相角α，通過移相角α的大小控制DC/DC主電路中IGBT的開關狀態(tài)，穩(wěn)定電源模塊的輸出電壓。

3 并聯(lián)均流控制策略

下垂法是最簡單的自動均流法，不需要均流母線，容易實現(xiàn)，主要缺點是:當均流性能要求很高時，負載調整率比較差;當模塊的電壓穩(wěn)定性要求很高時，均流性能比較差，這使得下垂法不適合應用在大功率、高性能的場合。但是由于其結構簡單，該方法在小功率場合仍得到了廣泛的應用。

主從設置法控制結構比較簡單，均流精度很高，但模塊間連線復雜。當主模塊發(fā)生故障，則整個系統(tǒng)將完全癱瘓;系統(tǒng)的可靠性取決于主模塊，系統(tǒng)只能實現(xiàn)均流而不能構成冗余系統(tǒng)。

平均電流自動均流法的均流效果較好，但如果有一個模塊的均流線短路，則系統(tǒng)無法實現(xiàn)均流。

外加均流控制器均流法的均流效果非常好，但控制器與各電源模塊要進行多路連接，連線較復雜，當均流控制器出現(xiàn)故障后系統(tǒng)則會失去均流控制，整個系統(tǒng)處于不正常工作狀態(tài)。

最大電流均流法實現(xiàn)容易，均流效果好，支持熱插拔(失效模塊不會影響整個系統(tǒng))。采用最大電流法進行均流的系統(tǒng)，根據(jù)輸出電流大小順序，系統(tǒng)中輸出電流最大的模塊自動成為主模塊，沒有人為規(guī)定主模塊和從模塊，因此也被稱為民主均流法。該方法是目前一種較好的均流方法［7-9］。

經(jīng)過分析比較，選用最大電流均流法作為均流控制策略，最大電流法原理框圖如圖3所示。

圖3 最大電流法原理框圖

Iout為電流傳感器CT測量模塊電源輸出電流的大小(實際為電壓信號)，系統(tǒng)中所有模塊通過公共均流母線BUS相連接，根據(jù)二極管的單向導通性，系統(tǒng)中只有輸出電流最大的模塊的輸出電流經(jīng)過二極管VD被送至公共的均流母線BUS上，均流母線BUS上的信號應為所有電源模塊輸出電流Iout中的最大值Imax。在每個模塊均流電路中，二極管VD兩端的反向電壓降即為所有并聯(lián)電源模塊輸出電流中的最大值Imax與自身輸出電流Iout的差值，該差值經(jīng)過處理后，生成的均流誤差信號ΔI送進ARM控制器。ARM控制器根據(jù)均流誤差信號ΔI，電感電流IL和輸出電壓Uout計算移相角α，根據(jù)移相角大小控制主電路中開關器件的開關狀態(tài)，最終實現(xiàn)均流控制［10］。

在如圖2所示的雙閉環(huán)控制基礎上增加了一個均流環(huán)，形成一個三環(huán)控制系統(tǒng)，其均流控制如圖4所示。

圖4 均流控制框圖

均流誤差信號ΔI經(jīng)比例放大后，形成電壓調節(jié)信號ΔU，ΔU與電源的電壓給定值Uref相疊加形成新的電壓給定，通過ΔU的大小對直流電源模塊的輸出電壓進行調整，最終實現(xiàn)各模塊均分負載電流，達到均流控制的目的。ΔU的大小必須經(jīng)過限幅才能和Uref相疊加，不然會造成均流過程中輸出電壓過大。這是一個三環(huán)控制系統(tǒng)，均流環(huán)在電壓環(huán)的外面，均流環(huán)的響應速度受電壓環(huán)帶寬的影響。

4 仿真驗證

利用MATLAB仿真軟件對2個直流電源模塊并聯(lián)運行進行仿真。電源輸出電壓28 V，負載為1 Ω純阻性負載，通過人為設置電路中的器件參數(shù)和連接導線等效電阻大小的方法來改變電源模塊的外特性，從而對均流控制策略的均流效果進行仿真分析。

未采用均流控制時2個直流電源模塊輸出電流波形如圖5所示，各模塊加入如圖4所示的均流控制后，2個電源模塊的輸出電流波形如圖6所示，圖7示出采用均流控制后并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓波形。

圖5 未加均流控制輸出電流波形

圖6 均流控制時輸出電流波形

圖7 均流控制時系統(tǒng)輸出電壓波形

由圖5、6對比可知:系統(tǒng)沒有加入均流控制時，2個并聯(lián)的電源模塊沒有均分負載電流，均流效果不好，一個電源模塊處于接近滿負荷運行狀態(tài)，而另一個電源模塊的容量則沒有被充分利用;加入均流控制策略后，2個電源模塊的輸出電流波形基本重合，均流效果好。由圖7可知，采用如圖4所示的均流控制策略的并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓存在一定的波動，而且輸出電壓的最小值為28.2 V，輸出電壓有所上升，這是因為均流過程中電源模塊的輸出電壓在不斷調節(jié)，通過抬升輸出電壓實現(xiàn)均流。通過對均流環(huán)的輸出ΔU進行合理的限幅，可以減小由于均流控制而造成的輸出電壓波動。

為了考驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進行突加突減負載仿真實驗，各模塊輸出電流的動態(tài)波形如圖8所示，輸出電壓波形如圖9所示。

圖8 突加減負載輸出電流波形

圖9 突加減負載輸出電壓波形

開始的時候，系統(tǒng)負載為2 Ω純電阻性負載;在0.004 s的時候，向系統(tǒng)投入第二組2 Ω純電阻性負載，在0.007 s的時候減掉第二組2 Ω純電阻性負載。由圖8、9可知，突加突減負載過程中，輸出電流和電壓無沖擊平穩(wěn)過渡到穩(wěn)態(tài)過程，輸出電壓沒有明顯的升高和跌落。系統(tǒng)工作穩(wěn)定，具有良好的動態(tài)響應，模塊之間的均流效果在穩(wěn)態(tài)時刻和瞬態(tài)過程都比較理想［10］。

5 實驗驗證

通過實驗對均流控制策略的均流效果進行驗證，采用意法半導體公司的STM32F103系列處理器作為控制器，根據(jù)主電路拓撲結構搭建硬件實驗平臺，使用2個直流電源模塊進行并聯(lián)實驗，各模塊采用如圖4所示的均流控制策略。314 V的直流電源是利用單相220 V交流電經(jīng)過整流橋和電容濾波得到，濾波電容為470 μF。為了避免并聯(lián)后的直流電源系統(tǒng)由于輸出電流過大而損壞，所以選擇輸出負載為2 Ω純阻性負載，即使某個電源出現(xiàn)故障不供電，另一個電源也不會工作在滿負荷狀態(tài)。均流實驗過程中實際測得的電壓和電流波形分別如圖10、11所示。

圖10 系統(tǒng)輸出電壓波形

圖11 模塊輸出電流波形

由圖10可知系統(tǒng)的輸出電壓在28 V附近，輸出電壓穩(wěn)定。由圖11可知，2個電源模塊的輸出電流幅值在很小的幅值上下波動，均流效果好。但2個模塊的輸出電流大小值存在明顯交替，即模塊間的主從身份不斷在交替，主從模塊的交替周期和均流環(huán)的比例系數(shù)大小成反比，在保證系統(tǒng)均流精度的情況下，合理減小均流環(huán)的比例系數(shù)可以減小模塊的輸出電流波動。實驗結果和仿真結果相仿。

6 結論

采用最大電流均流法對直流電源并聯(lián)運行進行均流控制，仿真和實驗結果均表明該均流控制策略具有很好的均流效果，可以滿足直流電源并聯(lián)運行的均流控制需求，并得出以下結論:

1)均流所需的硬件電路簡單，模塊電源間的聯(lián)接只需要一條均流母線，具有很好的抗干擾性，并聯(lián)系統(tǒng)可實現(xiàn)N+1冗余供電，某模塊出現(xiàn)故障后維修方便，有利于系統(tǒng)不間斷供電。

2)與單電源運行時相比，并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓會有所上升，這是因為并聯(lián)系統(tǒng)通過改變電壓給定值實現(xiàn)均流控制，影響穩(wěn)壓精度。

3)均流過程中模塊間的主從身份不斷在交替，輸出電壓和輸出電流不斷在調整，增加了系統(tǒng)輸出電壓和電流的紋波含量。

4)在均流控制過程中，系統(tǒng)中所有的電源模塊都是以主模塊的輸出電流為調節(jié)目標，根據(jù)均流誤差大小調節(jié)輸出電壓給定值，因此系統(tǒng)中各模塊電源能近似均分負載電流。

總而言之，最大電流均流法均流效果好，容錯性能好，抗干擾能力強，容易實現(xiàn)，在直流電源并聯(lián)均流控制中應用廣泛。

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