CN103414335A - 一种模块化isos组合***分布式均压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化ISOS组合***分布式均压控制方法，通过对每个变换器模块的模块输入量、参考信号和***输出量分别独立地进行计算，以判断该变换器模块是否偏离稳态工作点。当某变换器模块偏离稳态工作点时，调整其输入功率，迫使该变换器模块回到稳态工作点，实现均压控制。本发明提出的一种模块化ISOS组合***分布式均压控制方法，将控制电路分布到各个模块中，使各变换器模块的功率电路和控制电路完全相同且可独立工作，此外，各个变换器模块的均压控制没有任何联系，真正实现组合***的模块化设计，具有很高的***冗余性、可靠性以及可扩展性。

Description

一种模块化ISOS组合***分布式均压控制方法

技术领域

本发明涉及一种模块化ISOS组合***分布式均压控制方法，属于功率变换领域。

背景技术

随着电力电子技术的迅速发展，电力电子装置向着高频化、模块化和集成化的方向发展，将多个标准化变换器模块通过串并联组合方式构成满足不同需求的各种电力电子装置是电力电子***集成技术的一个研究热点。

多变换器模块串联组合结构可分为两类，即输入串联输出并联（Input-Series Output-Parallel,ISOP）组合***和输入串联输出串联（Input-Series Output-Series,ISOS）组合***，其中ISOP组合***适用于高电压输入、低电压大电流输出应用场合，而ISOS组合***适用于输入、输出电压都较高的场合。为了保证多变换器模块串联组合***正常工作，必须确保***中各个模块的均压/均流。

目前，针对ISOP组合***的均压/均流技术研究已得到了广泛关注，ISOP组合变换器的均压/均流方案有两类：一是通过对变换器拓扑结构和连接方式的改变，在控制上不需要专门的均压环节即可实现各模块自然均压/均流；二是通过加入均压控制环来实现。

然而对于ISOS组合***中各模块输入、输出均压技术的研究则相对较少。针对ISOS组合***，美国亚利桑那州立大学的Ayyanar教授提出了一种由输出电压环、输出电流内环以及输入均压环组成的三环控制策略，其中输出电压环控制***输出电压稳定，输入均压环通过调节各模块电流内环的给定信号来实现输入均压，同时实现输出均压。有学者还提出利用ISOS组合***中各模块输入电压自平衡机制来保证***正常工作，虽然控制简单，但对各模块参数一致性要求很高，且输入电压均衡度受负载电流影响较大。另外，针对由两个全桥变换器模块构成的ISOS组合***，有学者提出了一种交换占空比的输入均压控制策略。上述均压控制策略的共同特点是各模块共用控制电路，各模块之间缺少独立性，ISOS组合***模块化程度不高，使***的冗余性、可靠性以及可扩展性受到影响。

发明内容

发明目的：本发明提出一种模块化ISOS组合***分布式均压控制方法，对ISOS***进行分布式的均压控制，使各个变换器模块各自单独控制，提高了***的可靠性。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种模块化ISOS组合***分布式均压控制方法，包括以下步骤：

1）对每个变换器模块的模块输入量、参考信号和***输出量分别独立地进行计算，以判断该变换器模块是否偏离稳态工作点；

2）若模块输入量变小，则调节该变换器模块PWM信号的占空比，使该变换器模块的模块输入电流减小；

3）若模块输入量变大，则调节该变换器模块PWM信号的占空比，使该变换器模块的模块输入电压增大。

作为本发明的进一步改进，所述第1）步中对模块输入电压按照输入采样系数进行采样得到输入采样信号，该输入采样信号再与参考信号相加得到模块参考电压，然后对***输出电压按照输出采样系数进行采样得到输出采样信号，再将该输出采样信号与模块参考电压进行比较。

作为本发明的又一种改进，所述第1）步中对模块输入电压按照输入采样系数进行采样得到输入采样信号，对***输出电压按照输出采样系数进行采样得到输出采样信号，再对输入采样信号与输出采样信号进行求差运算得到模块求差信号，该模块求差信号再与参考信号进行比较。

作为本发明的第三种改进，所述第1）步中对每个模块加入输出电压校正环节以减小***输出电压调整率，即对模块输入电压按照输入采样系数进行采样得到输入采样信号，对***输出电压按照输出采样系数进行采样得到输出采样信号，将***输出采样信号减去参考信号后再进行采样得到输出电压校正信号，然后输入采样信号与参考信号相加再与输出电压校正信号比较，得到模块参考电压，最后再将该输出采样信号与模块参考电压进行比较。

作为本发明的第四种改进，所述第1）步中对模块输入电压按照输入采样系数进行采样得到输入采样信号，对***输出电压按照输出采样系数进行采样得到输出采样信号，将输出采样信号减去参考信号后再进行采样得到***输出电压校正信号，对输入采样信号与输出采样信号进行求差运算得到模块求差信号，该模块求差信号与校正信号叠加后再与参考信号进行比较。

有益效果：本发明提出的一种模块化ISOS组合***分布式均压控制方法，将控制电路分布到各个模块中，使各变换器模块的功率电路和控制电路完全相同且可独立工作，此外，各个变换器模块的均压控制没有任何联系，真正实现组合***的模块化设计，具有很高的***冗余性、可靠性以及可扩展性。

附图说明

图1为本发明实施例1的控制方法原理图；

图2为本ISOS组合***中每个变换器模块的输入输出特性曲线图；

图3为负载突变时，ISOS***各变换器模块的模块输入电压、***输出电流波形图；

图4为负载跳变时，ISOS***各变换器模块的模块输出电压、***输出电流波形图；

图5为输入电压突变时，ISOS***各变换器模块的模块输入电压、***输出电压波形图；

图6为输入电压突变时，ISOS***中单一变换器模块的模块输入电压、三个模块的输出电压波形图；

图7为单一变换器模块接入与切除时，ISOS***各变换器模块的模块输入电压、***输出电压波形图；

图8为单一变换器模块接入与切除时，ISOS***中单一变换器模块的模块输入电压、各变换器模块输出电压波形图；

图9为本发明实施例2的控制方法原理图；

图10为本发明实施例3的控制方法原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

权利要求书、说明书及说明书附图中，除特别说明以外，后缀i=1,2,3…N，其中N为ISOS***中变换器模块的个数。

实施例1：多变换器的ISOS***的输入输出均压/均流控制十分重要，每一个变换器模块都具有相同的线性输入输出特性，并且是成正比的线性关系，即所谓上翘特性。如图1所示，一个ISOS***包括了N个变换器模块，每个变换器模块内都有一个控制模块。控制模块实时地对模块输入电压和***输出电压进行采样，并做相应计算和控制来实现均压控制，控制模块还包括并联在变换器模块输入端的电容。

下面对本发明控制方法进行详细解释。假设由于外界的扰动，第一变换器模块的模块输入电压Vin1减小，同时第二变换器模块的模块输入电压Vin2增大，并且***输出电压Vo不变。第一变换器模块首先对该模块的模块输入电压Vin1按照输入采样系数k进行采样，得到第一输入采样信号。对***输出电压Vo按照输出采样系数k_vo进行采样并得到输出采样信号Vof。该输入采样信号与给定的参考信号Vref相加得到第一模块参考电压Vref1。再对第一模块参考电压Vref1和输出采样信号Vof求差。

这里要先对稳态条件下各个量的关系进行说明。在稳态时有

k_voVo=Vref+kVin1  (1)

Vin1=Vin/N  (2)

其中Vin是整个ISOS***是输入电压，k_voVo即为输出采样信号Vof，kVin1为第一输入采样信号。

因此，当第一变换器模块的模块输入电压Vin1减小时，前面所述的对第一模块参考电压Vref1和输出采样信号Vof求差的结果必然是输出采样信号Vof大于第一模块参考电压Vref1。如图2所示，稳态工作点为O点，第一变换器模块的模块输入电压Vin1减小，使得其工作点向左偏移到A点。于是根据该求差结果产生一个调节信号，该调节信号经过输出电压调节函数Gvo的变换后，用来调节输出到变换器的PWM波的占空比以减小输入功率，即Iin1减小，Icd1增大，使得第一电容Cd1两端的电压增大，即第一变换器模块的模块输入电压Vin1升高，迫使第一变换器模块重新回到稳态工作点O。

同理第二变换器模块仅仅是前面所述的对第二模块参考电压Vref2和输出采样信号Vof求差的结果，变为输出采样信号Vof小于第二模块参考电压Vref2。在图2中，第二变换器模块的模块输入电压Vin2增大，使得其工作点向右偏移到B点。于是根据该求差结果产生一个调节信号，该调节信号经过输出电压调节函数Gvo的变换，调节输出到该变换器模块的PWM波的占空比以增大输入功率，即Iin2增大，Icd2减小，使得第二电容Cd2两端的电压增大，即第二变换器模块的模块输入电压Vin2减小，迫使第二变换器模块重新回到稳态工作点O。

下面以包含有三个变换器模块的ISOS***为例，其中***输入电压为300V～450V，设定***输出电压为150V，最大输出电流为5A。图3和图4为分别给出了***负载电流在2.5A和5A之间突变时三个变换器模块各自的模块输入电压、输出电流波形和三个模块各自的输出电压、输出电流波形。从图3和图4中可以看出，稳态和负载突变时，该ISOS***都能很好地实现各模块的输入均压，从而实现输出均压。图5和图6分别给出了***输入电压在310V和450V之间突变时三个变换器模块各自的输入电压、组合变换器总输出电压波形和一个模块的输入电压、三个模块各自的输出电压波形。由图5和图6可以看出，当ISOS***输入电压升高时，单个变换器模块输出电压和***总输出电压都有所升高，符合其输出电压上翘调整特性，且在稳态和输入电压突变时，ISOS组合变换器都能较好地实现各模块的输入均压和输出均压。另外，为了验证本法明提出的控制策略能使ISOS组合***具有很高冗余性，本实施例针对一个模块突然接入和切除情况进行了实验。图7和图8分别给出了一个模块接入和切除时，三个模块各自的输入电压、ISOS***总的输出电压波形和一个模块的输入电压、三个模块各自的输出电压波形。可以看出，当ISOS***中一个模块接入和切除时，整体仍能很好地实现输入输出均压。由此可见，本发明提出的方法具有很高的可靠性。

实施例2：如图9所示，本实施例中依然假设由于外界的扰动，第一变换器模块的模块输入电压Vin1减小，同时第二变换器模块的模块输入电压Vin2增大，并且***输出电压Vo不变。第一输入采样信号首先与输出采样信号Vof求差，所得结果为第一模块求差信号Vof1。该第一模块求差信号Vof1再与参考信号Vref求差，并根据该求差结果产生一个调节信号，该调节信号经过输出电压调节函数Gvo的变换，调节输出到变换器的PWM波的占空比以减小输入功率，即Iin1减小，Icd1增大，使得第一电容Cd1两端的电压增大，即第一变换器模块的模块输入电压Vin1升高，迫使第一变换器模块重新回到稳态工作点O。

同理第二变换器模块调节输出到该变换器模块的PWM波的占空比以增大输入功率，即Iin2增大，Icd2减小，使得第二电容Cd2两端的电压增大，即第二变换器模块的模块输入电压Vin2减小，迫使第二变换器模块重新回到稳态工作点O。本实施例其他部分与实施例一相同。

实施例3：本实施例在实施例1的基础上增加了输出电压校正环节，即图10中每个变换器模块内虚线框部分。第一变换器模块首先对第一变换器模块的模块输入电压Vin1按照输入采样系数k进行采样，得到第一输入采样信号。对***输出电压Vo按照输出采样系数k_vo进行采样并得到输出采样信号Vof。然后将输出采样信号Vof减去参考信号Vref后再按照采样系数Kvc进行采样得到第一输出电压校正信号Vc1。之后第一输入采样信号与参考信号Vref相加，再与第一输出电压校正信号Vc1比较，得到第一模块参考电压Vref1，最后将输出采样信号Vof与第一模块参考电压Vref1进行比较求差。根据该求差结果产生一个调节信号，该调节信号经过输出电压调节函数Gvo的变换后，用来调节输出到变换器的PWM波的占空比。本实施例其他部分与实施例一相同。

下面对本实施例减小***输出电压调整率的原理进行说明：

在引入输出电压校正环节之前：

k_voV_o＝V_ref+kV_inj  (j=1,2,…,N)  (1)

V_inj＝V_in/N  (j=1,2,…,N)  (2)

可有V_o为

$V_o=\frac{V_{\mathrm{ref}}+{\mathrm{kV}}_{\mathrm{in}}/N}{k_{\mathrm{vo}}}---\left(3\right)$

可得***输出电压上翘系数为

$g_{s1}=\frac{k}{N{k}_{\mathrm{vo}}}---\left(4\right)$

引入输出电压校正环节后，可得在稳态时有

k_voV_o＝V_ref+kV_inj-k_vc(k_voV_o-V_ref)  (j=1,2,…,N)  (5)

结合式（2），可有V_o为

$V_o=\frac{V_{\mathrm{ref}}+k{V}_{\mathrm{in}}/N+k_{\mathrm{vc}}{V}_{\mathrm{ref}}}{k_{\mathrm{vo}}+k_{\mathrm{vc}}{k}_{\mathrm{vo}}}---\left(6\right)$

可得此时***输出电压上翘系数为

$g_{s2}=\frac{k}{N{k}_{\mathrm{vo}}(1+k_{\mathrm{vc}})}---\left(7\right)$

由式(4)和(7)可以看出，***输出电压校正环节的引入，大大减小了输出电压上翘系数，从而改善了***输出电压调整特性。

Claims (4)

1.一种模块化ISOS组合***分布式均压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）对每个变换器模块的模块输入量、参考信号和***输出量分别独立地进行计算，以判断该变换器模块是否偏离稳态工作点；

2）若模块输入量变小，则调节该变换器模块PWM信号的占空比，使该模块输入量变大；

3）若模块输入量变大，则调节该变换器模块PWM信号的占空比，使该模块输入量变小。

2.根据权利要求1所述的模块化ISOS组合***分布式均压控制方法，其特征在于，所述第1）步中对模块输入电压按照输入采样系数进行采样得到输入采样信号，该输入采样信号再与参考信号相加得到模块参考电压，然后对***输出电压按照输出采样系数进行采样得到输出采样信号，再将该输出采样信号与模块参考电压进行比较。

3.根据权利要求1所述的模块化ISOS组合***分布式均压控制方法，其特征在于，所述第1）步中对模块输入电压按照输入采样系数进行采样得到输入采样信号，对***输出电压按照输出采样系数进行采样得到输出采样信号，再对输入采样信号与输出采样信号进行求差运算得到模块求差信号，该模块求差信号再与参考信号进行比较。

4.根据权利要求1所述的模块化ISOS组合***分布式均压控制方法，其特征在于，所述第1）步中对每个模块加入输出电压校正环节以减小***输出电压调整率，即对模块输入电压按照输入采样系数进行采样得到输入采样信号，对***输出电压按照输出采样系数进行采样得到输出采样信号，将***输出采样信号减去参考信号后再进行采样得到输出电压校正信号，然后输入采样信号与参考信号相加再减去输出电压校正信号，得到模块参考电压，最后再将该输出采样信号与模块参考电压进行比较。

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