CN111344939B - 并联电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明所涉及的并联电源装置具备：多个DC/DC转换器，分别并联地连接，进行直流电源与共用负载之间的电力变换；电压检测部，检测共用负载的电压；以及多个控制电路，分别控制多个DC/DC转换器，在多个DC/DC转换器的并联动作时，多个控制电路根据由电压检测部检测出的共用负载的电压值，通过使用同一目标电压值以及比例增益的比例控制，控制多个DC/DC转换器，从而在并联连接有多个DC/DC转换器的并联电源装置中，各个DC/DC转换器能够独立地均等地进行向负载的电力供给。

Description

并联电源装置
技术领域
本发明涉及对共用负载并联连接有2台以上的DC/DC转换器的并联电源装置。
背景技术
例如，在无停电电源装置、蓄电池用的功率调节器中，为了针对要求大电流的电负载供给电力，使用如将多个电力变换装置并联连接于共用的电压源，从该多个电力变换装置针对电负载供给电力那样的并联电源装置。
在并联电源装置中，要求使来自各电力变换装置的输出电力电流均等以使负载不集中到并联连接的多个电力变换装置中的特定的电力变换装置。在以往的并联电源装置中，包括直流电源、并联连接的多个DC/DC转换器、负载、检测该直流电源的输出电流的电流检测单元以及根据电流检测单元输出的信号计算各DC/DC转换器应输出的电流并作为电流指令值的信号而发送给各DC/DC转换器的控制装置，DC/DC转换器通过根据从控制电路送来的电流指令值控制输出电流，使对以共用的方式连接有各DC/DC转换器的共用负载供给的电流均等(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平1-209924号公报
发明内容
在如上述专利文献1那样的并联电源装置中，并联连接的多个电源装置的输出电流值变得均等，能够避免在负载的运转时输出电力偏向一部分的DC/DC转换器。然而，需要计算各DC/DC转换器的输入电流指令值，发送DC/DC转换器的输入电流指令值的控制器。在该情况下，例如在增加并联电源装置的电源并联数时，除了增加电源并联数以外，还需要变更控制器的程序。因此，用单一的控制器集中控制多个转换器的结构的并联电源装置存在难以变更装置结构这样的课题。
本发明是为了解决如上述那样的课题而完成的，其目的在于得到不使用一并地控制多个转换器的控制器，而各个转换器能够独立地均等地进行向负载的电力供给的并联电源装置。
本发明提供一种并联电源装置，其特征在于，具备：多个DC/DC转换器，分别并联地连接，进行直流电源与共用负载之间的电力变换；电压检测部，检测共用负载的电压；以及多个控制电路，分别控制多个DC/DC转换器，在多个DC/DC转换器的并联动作时，多个控制电路根据由电压检测部检测出的共用负载的电压值，通过使用同一目标电压值以及比例增益的比例控制，控制多个DC/DC转换器。
能够得到多个DC/DC转换器并联连接而成的、各个DC/DC转换器能够独立地更均等地进行向共用负载的电力供给的并联电源装置。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1所涉及的并联电源装置的基本结构的框图。
图2是示出用于本发明的实施方式1所涉及的并联电源装置的DC/DC转换器的结构的框图。
图3是示出用于本发明的实施方式1所涉及的并联电源装置的DC/DC转换器的结构的框图。
图4是示出本发明的实施方式1所涉及的并联电源装置的控制电路的结构的框图。
图5是示出本发明的实施方式1所涉及的并联电源装置的电压控制部的结构的框图。
图6是示出本发明的实施方式1所涉及的并联电源装置的结构的变形例的框图。
图7是示出本发明的实施方式1所涉及的并联电源装置的结构的变形例的框图。
图8是示出本发明的实施方式2所涉及的并联电源装置的控制电路的结构的框图。
(符号说明)
1：并联电源装置；2：直流电源；3：共用负载；11：DC/DC转换器；12：控制电路；13：电流检测部；14：电压检测部；21：第1全桥电路；22：第2全桥电路；31：电压控制部；32：电流控制部；40：电压运算部；41：过压欠压运算部；40a：比例控制部；40b：限幅器；41a：比例积分控制部；41b：限幅器；41c：比例积分控制部；41d：限幅器。
具体实施方式
实施方式1.
参照附图，说明本发明的实施方式1所涉及的并联电源装置。图1是示出本发明的实施方式1所涉及的并联电源装置的结构的框图。如图1所示，实施方式1所涉及的并联电源装置1与直流电源2和共用负载3连接，对从直流电源2输出的直流电压进行电力变换，输出给共用负载3。此外，在此，说明从直流电源2对共用负载3供给电力的情况，但也可以设为双向地供给电力的结构。
在附图或者以下的说明中，在表示同一或者相当的构成要素的情况下附加同一符号。另外，在如DC/DC转换器那样存在多个同一或者相当的构成要素的情况下，如DC/DC转换器11a、11b那样附加数字以及英文字母而区分。此外，在不区分各构成要素的情况或者总称各构成要素的情况下，例如如DC/DC转换器11那样省略英文字母而进行说明。
在图1中，并联电源装置1具备2个DC/DC转换器11a、11b、分别控制对应的DC/DC转换器11的2个控制电路12a、12b、分别检测向对应的DC/DC转换器11的输入电流的2个电流检测部13a、13b、分别检测对应的DC/DC转换器11的输出电压的2个电压检测部14a、14b。在图1所示的结构中，示出针对1个直流电源2并联连接有2个DC/DC转换器11的结构，但不限于此，也可以并联连接有3个以上的DC/DC转换器11。
DC/DC转换器11是分别具有多个开关元件，对输入的直流电压进行电力变换而输出的电力变换电路。各DC/DC转换器11的一端与直流电源2连接，以相互成为并联的关系的方式连接，各DC/DC转换器11成为能够进行并联动作、即并联连接的DC/DC转换器11各自对来自直流电源2的输入电压进行电力变换并输出给共用负载3的结构。另外，各DC/DC转换器11的另一端与共用负载3连接。对DC/DC转换器11分别连接有控制电路12，根据来自控制电路12的控制信号动作。
控制电路12与DC/DC转换器11对应地设置有2个，分别与对应的DC/DC转换器11连接。另外，控制电路12分别与电流检测部13以及电压检测部14连接，根据由电流检测部13检测的从直流电源2侧流入到DC/DC转换器11的电流(转换器输入电流)以及由电压检测部14检测的共用负载3的电压(共用负载电压VL)，生成控制信号，将控制信号输出给对应的DC/DC转换器11，从而控制对应的DC/DC转换器11。即，控制电路12控制对应的DC/DC转换器11的转换器输入电流，控制共用负载电压VL。此外，以下将流入到DC/DC转换器11的电流称为转换器输入电流，将从DC/DC转换器11输出到共用负载3侧的电流称为转换器输出电流。
电流检测部13是检测对应的DC/DC转换器11的转换器输入电流的大小的检测电路，电压检测部14是检测共用负载电压VL的检测电路。另外，由各电流检测部13以及各电压检测部14检测出的检测结果被分别输出到对应的控制电路12。
直流电源2是输出直流电压的电源装置，例如是电池。另外，直流电源2也可以是通过整流电路等从交流电源对交流电压进行整流的电源。共用负载3是消耗电力的电阻器，与2个DC/DC转换器11连接。另外，也可以是将直流电压作为输入而动作的装置、例如逆变器。
接下来，说明DC/DC转换器11的结构。图2示出DC/DC转换器11的电路结构的一个例子。图2所示的DC/DC转换器11包括分别连接有反并联二极管D11、D12的二个半导体开关元件Q1、Q2、电抗器L11以及电容器C11、C12。DC/DC转换器11具有第1端子T11～第4端子T14，对第1端子T11以及第2端子T12连接有直流电源2，对第3端子T13以及第4端子T14连接有共用负载3。
电容器C11的一端与第1端子T11连接，另一端与第2端子T12连接。电抗器L11的一端与第1端子T11连接，另一端与半导体开关元件Q1和半导体开关元件Q2的连接点连接。半导体开关元件Q1以及Q2串联地连接，半导体开关元件Q1的另一方的端子与第3端子T13连接。另外，半导体开关元件Q2的另一方的端子与第2端子T12以及第4端子T14连接。电容器C12的一端与第3端子T13连接，另一端与第4端子T14连接。
图2所示的DC/DC转换器11作为升压转换器以及降压转换器动作。即，通过使半导体开关元件Q2导通截止，使从第1端子T11以及第2端子T12侧输入的直流电力升压，向第3端子T13以及第4端子T14侧供给电力。另外，通过使半导体开关元件Q1成为导通截止，使从第3端子T13以及第4端子T14侧输入的直流电力降压，向第3端子T13以及第4端子T14侧供给电力。控制电路12通过控制二个半导体开关元件Q1、Q2，调整在电抗器L11流过的电流。
此外，DC/DC转换器11不限于图2所示的结构，只要是对直流电压进行电力变换的结构，则可以是任何的结构。例如，也可以使用如图3所示使用变压器的DC/DC转换器。图3所示的DC/DC转换器由于在输入端与输出端之间包括变压器，所以能够使用于对DC/DC转换器要求绝缘性的用途。
图3所示的DC/DC转换器11包括变压器Tr1、具备分别连接有反并联二极管的多个半导体开关元件Q1A、Q1B、Q2A、Q2B的2个桥电路所构成的第1全桥电路21、具备分别连接有反并联二极管的多个半导体开关元件Q3A、Q3B、Q4A、Q4B的2个桥电路所构成的第2全桥电路22、电容器C21以及C22和电抗器L21以及L22。另外，图3所示的DC/DC转换器11与图2所示的DC/DC转换器11同样地，具有第1端子T21～第4端子T24，对第1端子T21以及第2端子T22连接直流电源2，对第3端子T23以及第4端子T24连接共用负载3。
第1全桥电路21在第1端子T21以及第2端子T22与变压器Tr1的第1绕组之间连接，在直流/交流之间进行电力变换。另外，第2全桥电路22在第3端子T23以及第4端子T24与变压器Tr1的第2绕组之间连接，在直流/交流之间进行电力变换。另外，变压器Tr1的第1绕组的一端经由电抗器L21与半导体开关元件Q1A和半导体开关元件Q1B的连接点连接，变压器Tr1的第1绕组的另一端与半导体开关元件Q2A和半导体开关元件Q2B的连接点连接。同样地，变压器Tr1的第2绕组的一端经由电抗器L22与半导体开关元件Q4A和半导体开关元件Q4B的连接点连接，变压器Tr1的第2绕组的另一端与半导体开关元件Q3A和半导体开关元件Q3B的连接点连接。
第1全桥电路21、第2全桥电路22是能够使各个全桥电路具备的半导体开关元件Q1A、Q1B、Q2A、Q2B以及Q3A、Q3B、Q4A、Q4B的开关时的元件的两端电压为大致零电压的零电压开关电路，对各半导体开关元件Q1A～Q4A、Q1B～Q4B分别并联地连接电容器。
说明控制电路12的结构。图4示出控制电路12的结构。如图4所示控制电路12具备电压控制部31。电压控制部31是在DC/DC转换器11的并联动作时以使共用负载电压VL收敛于适当范围内的方式进行电压调整的部分，将对应的DC/DC转换器11的转换器输入电流指令值输出给对应的DC/DC转换器11。
说明电压控制部31的结构。图5示出本实施方式中的控制电路12的电压控制部31的结构。图5所示的电压控制部31以控制共用负载电压VL为目的而动作，生成对应的DC/DC转换器11的转换器输入电流指令值。
在电压控制部31中，电压运算部40和过压欠压运算部41构成为并联。电压运算部40包括1个比例控制部40a和1个限幅器40b，过压欠压运算部41包括包含积分要素的比例积分控制部41a(第1比例积分控制部)、比例积分控制部41c(第2比例积分控制部)和限幅器41b、41d。
电压控制部31通过计算电压运算部40与过压欠压运算部41的输出之和，计算DC/DC转换器11的转换器输入电流指令值。向比例控制部40a和2个比例积分控制部41a、41c，输入共用负载电压VL和针对每个控制部设定的目标电压的差分。对比例控制部以及各比例积分控制部分别设定不同的目标电压。对比例控制部40a设定预先决定的目标电压Vref1(第1目标电压值)，对比例积分控制部41a设定比比例控制部40a的目标电压Vref1大的目标电压Vref2(第2目标电压值)，对另1个比例积分控制部41c设定比比例控制部40a的目标电压Vref1小的目标电压Vref3(第3目标电压值)。
比例控制部40a以使来自本装置的DC/DC转换器11的转换器输出电流与来自其他DC/DC转换器11的转换器输出电流均等的方式进行控制。在此，在不使用比例控制而使用比例积分控制的情况下，有时由于传感器误差等的影响，转换器输出电流产生失衡而变得不均等。另一方面，在本实施方式所涉及的DC/DC转换器11中，在电压控制部31中基本上使用比例控制。
在使用比例控制的情况下，被输入共用负载电压VL和目标电压Vref1的差分，乘以比例增益而得到的结果成为输出，所以传感器误差的影响不会被积蓄而不会产生大的失衡。因此，通过在各DC/DC转换器11的比例控制部40a中独立地进行使用相同的目标电压Vref1和比例增益的比例控制，能够使所有DC/DC转换器11的转换器输入电流指令值相等。另外，如果与各DC/DC转换器11连接的直流电源2的电压相等且各DC/DC转换器11的变换效率相等，则能够使转换器输入输出电流相等。
然而，在仅使用比例控制的情况下，一定发生电压控制部31的稳定偏差，所以存在共用负载电压VL脱离到容许范围外的可能性。因此，使用与比例控制部40a并联连接的比例积分控制部41a以及比例积分控制部41c。比例积分控制部41a、41c在共用负载电压VL脱离到容许范围外的情况下动作，为了将共用负载电压VL可靠地维持于适当范围内，进行不产生稳定偏差的比例积分控制。对比例控制部40a以及2个比例积分控制部41a、41c的输出分别设置有限幅器40b、41b、41d。限幅器40b、41b、41d用于以使由比例控制部40a和二个比例积分控制部41a、41c输出的值成为预先决定的范围内的值的方式限制值。
在2个比例积分控制部41a、41c的输出大于预先设定的限幅器41b、41d的上限值的情况下输出上限值，在2个比例积分控制部41a、41c的输出小于预先设定的限幅器41b、41d的下限值的情况下输出下限值。根据后述理由，与二个比例积分控制部41a、41c分别连接的限幅器41b、41d的上限值和下限值被设定为不同的值。限制比例积分控制部41a的输出的限幅器41b的上限值被设定为零，限幅器41b的下限值被设定为任意的值，限制比例积分控制部41c的输出的限幅器41d的上限值被设定为任意的值，限幅器41d的下限值被设定为零。另外，通过将限幅器41b的下限值设定为DC/DC转换器11的输入电流额定值的下限值，将限幅器41d的上限值设定为DC/DC转换器11的输入电流额定值的上限值，能够防止DC/DC转换器11的输入电流超过额定值。
接下来，说明动作。
从直流电源2输出的直流电力被输入到2个DC/DC转换器11a、11b。电流检测部13a、13b检测输入到对应的DC/DC转换器11的电流(转换器输入电流)，将检测结果输出到对应的控制电路12。另外，电压检测部14a、14b检测共用负载3的电压(共用负载电压VL)，将检测结果输出到对应的控制电路12。从电流检测部13以及电压检测部14被输入检测结果的控制电路12根据这些检测结果，进行对应的DC/DC转换器11的控制。DC/DC转换器11根据来自对应的控制电路12的控制信号，对输入的直流电力进行电力变换，输出到共用负载3。以下，详细叙述控制电路的动作。
在共用负载电压VL小于比例积分控制部41a的目标电压Vref2且大于比例积分控制部41c的目标电压Vref3时，比例积分控制部41a的电压误差的积分值增加，比例积分控制部41c的电压误差的积分值减少。因此，比例积分控制部41a的输出增加至由限幅器41b设定的上限值，比例积分控制部41c的输出减少至由限幅器41d设定的下限值。如上所述，限幅器41b的上限值和限幅器41d的下限值被设定为零，所以过压欠压运算部41的输出成为零。其结果，由电压控制部31生成的转换器输入电流指令值等于比例控制部40a的输出，所以电压控制部31的控制响应成为比例控制的响应，稳定状态下的控制对象的共用负载电压VL被控制为作为比例控制部40a的目标电压的Vref1。另外，如上所述，各DC/DC转换器11的比例增益被设定为相等的值，所以作为结果，多个DC/DC转换器11的输出电流相等。
在共用负载电压VL大于比例积分控制部41a的目标电压Vref2时，共用负载电压VL大于比例积分控制部41c的目标电压Vref3，所以2个比例积分控制部41a、41c的输出被累计负的值。因此，限幅器41b、41d的输出持续减少直至成为对各自设定的下限值。此时，限幅器41d的下限值被设定为零，所以比例积分控制部41c的输出被限幅器41d限制而成为零。作为结果，转换器输入电流指令值被表示为比例控制部40a与比例积分控制部41a的输出之和。该情况下的转换器输入电流指令值包含比例积分控制部41a的输出，所以电压控制部31的控制响应成为比例积分控制的响应，稳定状态下的控制对象的共用负载电压VL被控制为作为比例积分控制部41a的目标电压的Vref2。
在共用负载电压VL小于比例积分控制部41c的目标电压Vref3时，共用负载电压VL小于比例积分控制部41a的目标电压Vref2，所以2个比例积分控制部41a、41c的输出被累计正的值。因此，限幅器41b、41d的输出持续增加直至成为对各自设定的上限值。此时，限幅器41b的上限值被设定为零，所以比例积分控制部41a的输出被限幅器41b限制而成为零。作为结果，转换器输入电流指令值被表示为比例控制部40a与比例积分控制部41c的输出之和。该情况下的转换器输入电流指令值包含比例积分控制部41c的输出，所以电压控制部31的控制响应成为比例积分控制的响应，稳定状态下的控制对象的共用负载电压VL被控制为作为比例积分控制部41c的目标电压的Vref3。
在实施方式1所涉及的并联电源装置中，通过进行上述电压控制，仅在共用负载电压VL大于比例积分控制部41a的目标电压Vref2时和小于比例积分控制部41c的目标电压Vref3时，成为比例积分控制动作。因此，通过将比例积分控制部41a的目标电压Vref2设定为共用负载电压VL的容许电压值的上限值，并且将比例积分控制部41c的目标电压Vref3设定为共用负载电压VL的容许电压值的下限值，在共用负载电压VL脱离容许范围时，进行比例积分控制动作而能够收敛于容许范围内。另外，在共用负载电压VL小于比例积分控制部41a的目标电压Vref2且大于比例积分控制部41c的目标电压Vref3时，电压控制成为比例控制的响应，所以能够均等地分担并联连接的多个DC/DC转换器的输出电流。
在上述实施方式中，说明了针对1个直流电源2连接有2个DC/DC转换器11的结构，但不限于此。例如，如图6所示，即便是对1个直流电源2连接有1个DC/DC转换器11的组合并联连接而成的结构，本发明也有效，也可以是将所述组合并联3个以上的结构。
另外，在图7所示的并联电源装置的结构中，多个DC/DC转换器11与共用的直流电源2连接，并且与多个DC/DC转换器11不同的一个DC/DC转换器11和与直流电源2不同的直流电源2连接，它们与共用的负载并联连接。即使在这样对1个直流电源2连接有多个DC/DC转换器11的组合和对1个直流电源2连接有一个DC/DC转换器11的组合并联地连接而成的结构中，本发明也有效。另外，在图7中，示出对1个直流电源2连接有多个DC/DC转换器11的组合和对1个直流电源2连接有1个DC/DC转换器11的组合的结构，但组合并联地连接而成的并联数不限于并联2个，也可以是并联3个以上的结构。
实施方式2.
在实施方式1中，示出控制电路具有电压控制部的结构，但在实施方式2所示的并联电源装置中，控制电路除了电压控制部以外，还具备控制转换器输入电流的电流控制部。
实施方式2所涉及的并联电源装置除了控制电路12的结构以外，与实施方式1所示的情况相同，例如是与图1、图6以及图7所示的并联电源装置相同的结构。图8示出实施方式2中的DC/DC转换器11的控制电路12的结构。上述实施方式1中的DC/DC转换器11的控制电路12如图6所示，成为具备电压控制部31的结构，但在实施方式2所示的并联电源装置中，除了电压控制部31以外，还具备电流控制部32。
接下来说明动作。实施方式2所涉及的并联电源装置除了控制电路12的动作以外，与实施方式1所示的情况相同，省略说明。另外，控制电路的电压控制部31的动作也与实施方式1所示的情况相同，省略说明。电流控制部32是以使转换器输入电流等于转换器输入电流指令值的方式进行电流控制的部分。电流控制部32将电压控制部31的输出作为转换器输入电流指令值，计算转换器输入电流指令值和由电流检测部13检测出的输入电流的误差。根据计算出的误差，以使该误差成为零的方式控制对应的DC/DC转换器11。
在实施方式2所涉及的并联电源装置中，进行如上述的构成以及动作，所以与实施方式1同样地能够均等地分担并联连接的多个DC/DC转换器的输出电流。进而，在无电流控制部32的情况下，控制***成为二阶滞后***，但在有电流控制部32的情况下，控制***的次数成为一阶滞后***，所以能够得到控制稳定性比实施方式1提高这样的效果。

Claims (5)

1.一种并联电源装置，其特征在于，具备：
多个DC/DC转换器，分别并联地连接，进行直流电源与共用负载之间的电力变换；
电压检测部，检测所述共用负载的电压；以及
多个控制电路，分别控制对应的所述多个DC/DC转换器，
在所述多个DC/DC转换器的并联动作时，所述多个控制电路根据由所述电压检测部检测出的所述共用负载的电压值，进行使用相同的目标电压值以及相同的比例增益的比例控制，从而控制所述多个DC/DC转换器，并且，
所述多个控制电路分别具备控制所述共用负载的电压的电压控制部，
所述电压控制部具备：
比例控制部，进行使用预先决定的第1目标电压值的比例控制；
第1比例积分控制部，进行使用比所述第1目标电压值大的第2目标电压值的比例积分控制；以及
第2比例积分控制部，进行使用比所述第1目标电压值小的第3目标电压值的比例积分控制。
2.根据权利要求1所述的并联电源装置，其特征在于，
所述第2目标电压值被设定为与所述共用负载的容许电压值的上限值相同的电压值，
所述第3目标电压值被设定为与所述共用负载的容许电压值的下限值相同的电压值。
3.根据权利要求1或者2所述的并联电源装置，其特征在于，
所述控制电路具备限幅器，该限幅器限制来自所述第1比例积分控制部以及所述第2比例积分控制部的输出的范围，
限制所述第1比例积分控制部的输出的限幅器的上限值被设定为0，
限制所述第2比例积分控制部的输出的限幅器的下限值被设定为0。
4.根据权利要求3所述的并联电源装置，其特征在于，
限制所述第1比例积分控制部的输出的限幅器的下限值被设定为所述DC/DC转换器的输入电流额定值的下限值，
限制所述第2比例积分控制部的输出的限幅器的上限值被设定为所述DC/DC转换器的输入电流额定值的上限值。
5.根据权利要求1或者2所述的并联电源装置，其特征在于，
所述控制电路具备电流控制部，通过将所述电压控制部的输出作为DC/DC转换器的转换器输入电流指令值进行电流控制，控制共用负载电压。
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