一种分布式IPOS系统自动均压控制方法与流程

本发明涉及一种直流供电系统，尤其涉及一种分布式IPOS系统自动均压控制方法，属于电力电子变换及直流供电系统领域。

背景技术：

近年来，随着经济技术的不断发展，大功率直流电源在工业领域中的应用也日趋广泛。在难熔金属冶炼、光伏发电系统、静电除尘等领域，需要将较低的输入电压变换为较高的电压输出。由于输出电压较大，如果使用单模块直流电源，器件将承受较大的电压应力，并且单模块直流电源的可靠性较低。而IPOS(Input Parallel Output Series，输入并联输出串联)系统由多个DC/DC模块输入并联输出串联组合而成，它可以降低输入侧器件的电流应力以及输出侧器件的电压应力，在低压输入高压输出的场合具有显著优势。

为实现IPOS系统的可靠运行，需要确保系统中各模块的功率均衡。对于IPOS系统，输入并联、输出串联保证了各模块的输入电压和输出电流相同，因此只需要实现各模块的输入均流或输出均压就可以实现功率的均衡。在现有的IPOS系统控制方法中，主要采用的是输出电压环和输出均压环组成的双环控制法，其中输出电压环用于稳定系统输出电压，输出均压环用于实现各模块的输出均压。如文献“W.Chen，X.Ruan，H.Yan and C.K.Tse，″DC/DC Conversion Systems Consisting of Multiple Converter Modules：Stability，Control，and Experimental Verifications，″in IEEE Transactions on Power Electronics，vol.24，no.6，pp.1463-1474，June，2009.”就采用了输出电压环和输出均压环调节的方法。然而，为了应对各模块采样信号和基准信号可能存在的偏差问题，传统控制方法选择在各模块间加入联络母线或采用公用输出电压环等方式，保证各模块有相同的采样和基准信号。但这也造成了一些问题：一方面，母线一旦受到干扰或出现故障，就会影响系统的正常工作，不利于保证系统的可靠性；另一方面，模块之间存在的公用信号连线，使各模块无法完全做到独立控制，不利于系统实现模块化。

基于上述原因，有必要探索一种可靠性高、易于实现系统模块化的IPOS系统分布式控制方案。

技术实现要素：

发明目的：

本发明针对现有技术的不足，提供一种分布式IPOS系统自动均压控制方法，在恒压、恒流、恒功率三种工作模式下均实现了各子模块的独立控制、系统输出的稳定和各模块输出电压的均压控制。

技术方案：

为实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

所述分布式IPOS系统由n个子DC/DC模块构成，n为大于1的自然数；所述子DC/DC模块包含一个输入端口和一个输出端口，每个子DC/DC模块的输入端口并联连接于同一个直流输入源，输出端口依次串联连接、且串联连接后的总输出与负载并联连接。

所述分布式IPOS系统中的每个子DC/DC模块的控制方法相同，其具体控制过程如下：

(1)每个子DC/DC模块根据采样的系统总输出电压Vo_i和模块自身的输出电压VCfi、输出电流Ioi或输出功率Poi(i＝1，2，...，n)，独立控制各自的输出电压；

(2)恒压模式下，每个子DC/DC模块根据其模块输出电压基准VCf_ref和输出电压采样信号VCfi(i＝1，2，...，n)，计算得到其输出电压误差，然后乘以固定的、大于零的比例系数kdownv，将其叠加于预先设定的系统输出电压基准Vo_ref，可得到每个子DC/DC模块新的系统输出电压基准Vo_refi(i＝1，2，...n)，即Vo_refi＝Voref+kdownv(VCf_ref-VCfi)；

(3)恒流模式下，每个子DC/DC模块根据其模块输出电压基准VCf_ref和输出电压采样信号VCfi(i＝1，2，...，n)，计算得到其输出电压误差，然后乘以固定的、大于零的比例系数kdowni，将其叠加于预先设定的系统输出电流基准Io_ref，可得到每个子DC/DC模块新的系统输出电流基准Io_refi(i＝1，2，...n)，即Io_refi＝Ioref+kdowni(VCf_ref-VCfi)；

(4)恒功率模式下，每个子DC/DC模块根据其模块输出电压基准VCf_ref和输出电压采样信号VCfi(i＝1，2，...，n)，计算得到其输出电压误差，然后乘以固定的、大于零的比例系数kdownp，将其叠加于预先设定的系统输出功率基准Po_ref，可得到每个子DC/DC模块新的系统输出功率基准Po_refi(i＝1，2，...n)，即Po_refi＝Po_ref+kdownp(VCf_ref-VCfi)；

(5)在上述三种模式中，计算得到的系统输出电压、电流、功率基准Vo_refi、Io_refi、Po_refi分别与系统输出电压、电流、功率的采样值Vo_i、Io_i、Po_i相减，可以得到系统输出电压、电流、功率的误差值Vo_errori、Io_errori、Po_errori(i＝1，2，...n)，选取所得误差值最小的一种模式作为实际运行模式。

(6)将上述三项误差值的最小值作为输出电压调节器的输入，电压调节器输出的信号经过PWM调制后作为子DC/DC模块的驱动信号，最终实现所有子模块输出电压的均压控制。

本发明具有如下有益效果：

(1)采用本发明技术方案能够自动实现各子DC/DC模块输出电压的自动均压；

(2)各子DC/DC模块的控制是相互独立的，即各子DC/DC模块仅根据总输出电压、电流、功率和模块自身的输出电压的信息实现其自身的控制，各模块的控制环路之间没有互联，因此实现了各子DC/DC模块的完全分布式自主控制；

(3)系统模块化程度高，控制简单、易于实现，具有很强的容错能力和可扩展性，系统可靠性高。

附图说明

附图1是本发明分布式IPOS系统自动均压控制方法的示意图；

附图2是本发明分布式IPOS系统自动均压控制方法的系统输出电压与模块输出电压关系曲线示意图；

附图3是电压采样偏差时的输出电压曲线示意图；

附图4是电压基准偏差时的输出电压曲线示意图；

附图5(a)是本发明分布式IPOS系统自动均压控制方法的系统输出电流与模块输出电压关系曲线示意图，附图5(b)是系统输出功率与模块输出电压关系曲线示意图；

附图6是本发明具体实施例中的IPOS系统结构示意图；

附图7是本发明具体实施例中三种不同工作模式下出现采样偏差时的仿真结果图；

附图8是本发明具体实施例中恒压恒流模式切换和恒压恒功率模式切换的仿真结果图；

以上附图中的符号名称：VCfl_ref～VCfn_ref是第1～n个子DC/DC模块的输出电压基准，VCfl～VCfn是第1～n个子DC/DC模块的输出电压采样信号；Voref是系统输出电压基准，Vo_l～Vo_n是第1～n个子DC/DC模块的系统输出电压采样信号，Vo_errorl～Vo_errorn是第1～n个子DC/DC模块的系统输出电压误差值；Ioref是系统输出电流基准，Io_l～Io_n是第1～n个子DC/DC模块的输出电流采样信号，Io_errorl～Io_errorn是第1～n个子DC/DC模块的系统输出电流误差值；Poref是系统输出功率基准，Pol～Pon是第1～n个子DC/DC模块的系统输出功率计算值，Po_errorl～Po_errorn是第1～n个子DC/DC模块的系统输出功率误差值；kdownv是恒压模式的比例系数，kdowni是恒流模式的比例系数，kdownp是恒功率模式的比例系数；Dl～Dn是第1～n个子DC/DC模块电压调节器输出的占空比信号；VGSl～VGSn是第1～n个子DC/DC模块的驱动信号；Vof是系统输出电压采样值；Kvo是系统输出电压的采样系数；Kvo1、Kvo2分别是模块1、2的系统输出电压采样系数；Voref1、Voref2分别是模块1、2的系统输出电压基准；Vin是输入电压、Iin是输入电流；Iin1～Iin4分别是模块1～4的输入电流；Io1～Io4分别是模块1～4的输出电流；Cf1～Cf4分别是模块1～4的输出电容；VCf1～VCf4分别是模块1～4的输出电压；RLd是负载；Io是总输出电流；Vo是总输出电压。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明所述分布式IPOS系统及其控制方法的示意图如附图1所示。所述分布式IPOS系统由n个子DC/DC模块构成，n为大于1的自然数；所述子DC/DC模块包含一个输入端口和一个输出端口，其中输出端口与输入端口是电气隔离的；每个子DC/DC模块的输入端口并联连接于同一个直流输入源，输出端口依次串联连接、且串联连接后的总输出与负载并联连接。本发明所述分布式IPOS系统中的每个子DC/DC模块的控制方法相同，其具体控制过程如下：

(1)每个子DC/DC模块根据采样的系统总输出电压Vo_i和模块自身的输出电压VCfi(i＝1，2，…，n)，独立控制各自的输出电压；

(2)恒压模式下，每个子DC/DC模块根据其模块输出电压基准VCf_ref和输出电压采样信号VCfi(i＝1，2，...，n)，计算得到其输出电压误差，然后乘以固定的、大于零的比例系数kdownv，将其叠加于预先设定的系统输出电压基准Vo_ref，可得到每个子DC/DC模块新的系统输出电压基准Vo_refi(i＝1，2，...n)，即：

Vo_refi＝Vo_ref+(VCf_ref-VCfi)kdownv (1)

(3)恒流模式下，每个子DC/DC模块根据其模块输出电压基准VCf_ref和输出电压采样信号VCfi(i＝1，2，...，n)，计算得到其输出电压误差，然后乘以固定的、大于零的比例系数kdowni，将其叠加于预先设定的系统输出电流基准Io_ref，可得到每个子DC/DC模块新的系统输出电流基准Io_refi(i＝1，2，...n)，即：

Io_refi＝Io_ref+(VCf_ref-VCfi)kdowni (2)

(4)恒功率模式下，每个子DC/DC模块根据其模块输出电压基准VCf_ref和输出电压采样信号VCfi(i＝1，2，...，n)，计算得到其输出电压误差，然后乘以固定的、大于零的比例系数kdownp，将其叠加于预先设定的系统输出功率基准Po_ref，可得到每个子DC/DC模块新的系统输出功率基准Po_refi(i＝1，2，...n)，即：

Po_refi＝Po_ref+(VCf_ref-VCfi)kdownp (3)

(5)在上述三种模式中，计算得到的系统输出电压、电流、功率基准Vo_refi、Io_refi、Po_refi分别与系统输出电压、电流、功率的采样值Vo_i、Io_i、Po_i相减，可以得到系统输出电压、电流、功率的误差值Vo_errori、Io_errori、Po_errori(i＝1，2，...n)，选取所得误差值最小的一种模式作为实际运行模式。

(6)将上述三项误差值的最小值作为输出电压调节器的输入，电压调节器输出的信号经过PWM调制后作为子DC/DC模块的驱动信号。以恒压模式为例，系统稳定后，系统输出电压采样值Vof即等于系统输出电压基准Vo_refi，即：

Vof＝Vo_refi＝Vo_ref+(VCf_ref-VCfi)kdownv (4)

系统输出电压采样值Vof与模块输出电压VCfi关系的特性曲线如附图2所示。图中可以看出，系统输出电压特性曲线斜率的绝对值即为比例系数kdownv；

(7)考虑系统输出电压采样系数Kvo，则系统输出电压采样值Vof与系统输出电压实际值Vo的关系为Vof＝KvoVo，可将公式(4)改写为：

此时输出电压特性曲线斜率为kdownv/Kvo，当系统中有两个模块的系统输出电压采样系数Kvo存在偏差时，假设有Kvo2＞Kvo1，则模块2^#输出电压特性曲线斜率的绝对值将小于模块1^#，两模块的系统输出电压特性曲线不会完全重合。尽管如此，此时系统输出电压仍能够稳定在Vo＝Vo1＝Vo2，模块1^#和模块2^#的输出电压分别为VCf1和VCf2，如附图3所示。

(8)考虑系统输出电压基准Voref存在偏差，假设两个模块中有Voref2＞Voref1，则模块2^#的输出电压特性曲线与模块1^#的相比将会向上平移一段距离，两模块的系统输出电压特性曲线也不会完全重合，但此时系统输出电压仍会稳定在Vo＝Vo1＝Vo2，模块1^#和模块2^#的输出电压分别为VCf1和VCf2，如附图4所示。因此基于系统输出电压的特性曲线，最终可以实现所有子模块输出电压的均压控制。

(9)在恒流与恒功率模式下，系统输出电压采样值Vof与模块输出电流Ioi和Poi的关系分别如下式(6)、(7)所示。

Iof＝Io_refi＝Io_ref+(VCf_ref-VCfi)kdowni (6)

UofIof＝Pof＝Po_refi＝Po_ref+(VCf_ref-VCfi)kdownp (7)

与系统输出电压特性曲线类似，由式(6)可以画出系统输出电流采样值Iof与模块输出电压VCfi关系的特性曲线，由式(7)可以画出系统输出功率值Pof与模块输出电压VCfi关系的特性曲线，分别如附图5(a)、(b)。

本发明一种分布式IPOS系统自动均压控制方法的一种具体实施例如附图6所示，本实施例由4个DC/DC模块构成，每个模块额定输出电压125V，额定输出电流50A，系统额定输出电压500V，Vo1～Vo4分别为模块1～模块4的输出电压，Vo是系统总输出电压。

附图7(a)给出了该具体实施例中恒压模式下电压采样受扰动时的仿真波形，仿真中比例系数kdownv取为2。初始时刻，各模块工作在额定电压，系统输出电压为500V。t＝1ms时刻，给模块1的系统输出电压采样加入1％的扰动，来模拟变换器电压采样受干扰而采样值出现偏差的情况。在系统自动均压的控制下，仿真中系统稳定后受到干扰的模块1输出电压为123V，其余三个模块输出电压为125.5V，总电压几乎不变，仍保持在500V。由此可见，该系统通过自动均压控制保证了恒压模式下电压采样出现偏差时各模块输出基本均压，也保证了总输出电压的稳定。

附图7(b)给出了该具体实施例中恒流模式下电流采样受扰动时的仿真波形。初始时刻，负载电流为42A。t＝2ms时刻，给模块1的系统输出电流采样加入1％的扰动，来模拟变换器电流采样受干扰而采样值出现偏差的情况。在系统自动均压的控制下，仿真中系统稳定后受到干扰的模块1输出电压为108V，其余三个模块输出电压为104V，负载电流几乎不变，仍保持在42A。仿真中，比例系数kdowni取为0.1，电流基准Ioref取为40A，模块电压基准VCf_ref取为125V，实际模块输出电压约为105V左右，最终负载电流被限制在了42A，这与理论限流值Io_refi＝Io_ref+kdowni(VCf_ref-VCfi)一致，说明了该控制方法能够有效地实现输出电流的保护，同时也保证了恒流模式下电流采样出现偏差时各模块的输出基本均压。

附图7(c)给出了该具体实施例中恒功率模式下功率计算值受扰动时的仿真波形，仿真中比例系数kdownp取为10，功率基准Poref取为20kW。初始时刻，输出功率为20kW。t＝1ms时刻，给模块1的功率计算值加入1％的扰动，来模拟变换器功率计算结果出现偏差的情况。在系统自动均压的控制下，仿真中系统稳定后受到干扰的模块1输出电压为117V，其余三个模块输出电压为110V，输出功率几乎不变，仍保持在20kW。由此可见，该控制方法能够有效地实现输出功率的保护，同时也保证了恒功率模式下功率计算值出现偏差时各模块的输出基本均压。

上述仿真中，系统均压的效果与比例系数kdown的取值有关，比例系数kdown越大，各模块输出均压的效果就越好，反之均压效果越差。但kdown的增加会使三种模式下实际的输出电压、输出电流或输出功率与它们的基准值的偏差增大。因此kdown的选取需要折中考虑模块均压效果和输出精度这两个因素。

附图8(a)给出了该具体实施例中恒压恒流模式切换时的仿真波形，仿真中模块电压基准VCf_ref取为125V，电流基准Ioref取为50A。初始时刻变换器工作在恒压模式，各模块工作在额定电压，系统输出电压为500V，输出电流为50A。t＝1ms时刻，在变换器的负载上增加了1/2的额定电流，此时瞬时输出电流从50A增加到了75A，变换器转为恒流模式运行，输出电流迅速回到了基准电流50A附近，仿真中输出电流最后稳定在了52A左右。由此可见，变换器的恒流模式可以有效地限制输出电流，完成恒压恒流的模式切换。

其它工作模式切换的情况与上述恒压恒流的模式切换过程基本相似。附图8(b)给出了该具体实施例中恒压恒功率模式切换时的仿真波形，仿真中模块电压基准VCf_ref取为125V，功率基准Poref取为25kW。在变换器的负载功率增加了1/2的额定功率时，瞬时输出功率从25kW增加到了37.5kW，变换器转为恒功率模式运行，输出功率迅速重新稳定在了25kW左右。由此可见，变换器的恒流模式可以有效地限制输出功率，完成恒压恒功率的模式切换。

综上所述，本发明提供了一种基于IPOS系统的分布式自动均压控制方法，使系统无需集中控制器就可以在恒压、恒流、恒功率三种工作模式下实现各模块的输出均压控制，同时保证了系统具有很高的可靠性，并且易于实现模块化。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，并不用于限定本发明之权利范围，因此对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均在本发明的权利要求范围之内。