一种基于单向环形通信拓扑的并联变换器均流控制系统

本发明属于开关电源模块化并联，尤其涉及一种基于单向环形通信拓扑的并联变换器均流控制系统。

背景技术：

1、对于控制器的开发，基于模型的开发方式(model based development)越来越成为主流。在这个开发模式中，硬件在环仿真测试(hardware-in-loop，hil)是一种典型的测试方法。硬件在环仿真是将真的控制器连接假的被控对象(用实时仿真硬件来模拟)，以一种高效、低成本的方式对控制器进行全面测试。功率硬件在环(power hardware in theloop，phil)仿真是hil(信号级)的扩展，在hil的基础上加入适合的功率放大设备和接口算法，不仅能够进行实时数字仿真器和真实被测设备之间的信号级交互，还能够完成设备之间的功率级交互。phil仿真测试具备高保真度、高灵活性特点，能够满足严苛的功率应用需求；测试覆盖范围广泛，能够帮助工程师们测试各种类型的电力设备(包括功率换流器、发电机和马达等)；安全性高，能够以相对更安全的方式执行真实物理环境中无法实现或者风险很高的测试。

2、功率放大设备作为phil区别于hil的重点，需要经济适用性和灵活性，因此使用并联变换器是一个很好的选择。当进行小功率的硬件仿真时，使用较少的变换器并联，当改为对大功率的硬件进行仿真时可以灵活的增加并联变换器个数，满足灵活性。使用单一变换器做phil的功率放大设备需要为了可能的大功率需求而设计单一的大功率变换器，在小功率硬件仿真的场景则需要重新设计，变换器的利用率较低。而使用并联变换器做phil的功率放大设备可以根据需求选择合适的并联个数，避免了重复设计，有较好的经济性。

3、变换器并联运行需要均流的主要原因是由于模块输出是电压源性质，输出电压的微小偏差会导致输出电流的很大差别。因此均流可以通过改变电压源的特性(使特性变软)或改变电压源的幅值来实现。从目前国内外对均流技术的研究看，在并联的电源系统中，实现均流控制常用的几种并联均流技术有以下几种：集中控制方式、主从控制方式、分布式控制。其中，集中控制方式当集中控制单元出现故障，整个并联变换器将无法并联运行。主从控制通过主从切换克服了集中控制器的弊端，但在主从切换的过程中整个并联系统将会有一段时间失去主变换器控制，从而造成更大范围的故障，并且各模块的控制逻辑的复杂性不可避免的回影响整个系统的工作性能。分布式控制可以解决以上两个问题，其各个变换器不依靠某一个中心即可实现独立运行，各个变换器模块完全对等。在分布式控制方式下，一般有两类均流方式：无互连线、有互连线。其中无互连线均流方式常采用下垂控制方式，其缺点时外特性较软，而有互联先线的均流方式因其可以交换各个变换器的信息，可以克服下垂控制的缺点。

4、但目前常见的有互连线均流控制算法存在一些以下缺点：大部分控制算法仅针对变换器输出阻抗特性、载波周期、调制波周期和相位的细微差别进行设计，默认各个用于采集反馈信号的传感器经过初始校准是准确的，没有考虑运行过程中采样电路各元器件的温漂、电磁干扰以及初始教程的残余误差对均流运行产生的影响；此外，大部分有互连线均流方法传输的数据量较多，传输延迟较大。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于单向环形通信拓扑的并联变换器均流控制系统，解决由于变换器与变换器之间包括传感器误差在内的各种差异产生的不均流问题，实现极低的通信延迟和单一变换器功率单元故障时，整个并联系统不停机，均流效果不受影响，故障的功率单元可不停机更换。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于单向环形通信拓扑的并联变换器均流控制系统，包括第1至第n变换器；所有变换器的结构均相同且并联运行于直流母线与负载母线之间，第n变换器包括功率单元和控制单元，n＝1～n；第n变换器的控制单元接收第n-1变换器的控制单元的输出信号，第1变换器的控制单元接收第n变换器的控制单元的输出信号；

3、所述控制单元包括电流采样电路、电压采样电路、电流参考的故障判断切换器、电压闭环控制器、驱动信号生成器、电流参考的均流器和电流闭环控制器；电流采样电路和电压采样电路的输入端构成控制单元的输入端，用于接收功率单元的电流和电压信号；电流参考的故障判断切换器的第一输出端构成控制单元的输出端，用于输出启停功率单元的门级驱动信号；

4、所述电流参考的故障判断切换器的第二输出端与电流参考的均流器的第一输入端连接；电流参考的均流器的输出信号与电压采样电路的输出信号经计算差值后输入电压闭环控制器的第一输入端，外部电压参考信号输入电压闭环控制器的第二输入端；电压闭环控制器的输出端与电流参考的故障判断切换器的第一输入端连接；电流参考的故障判断切换器的第二输出端与电流闭环控制器的第一输入端连接，电流采样电路的输出端与电流闭环控制器的第二输入端连接，电流闭环控制器的输出端与驱动信号生成器的输入端连接；驱动信号生成器的输出端与电流参考的故障判断切换器的第二输入端连接，电流采样电路的输出端与电流参考的故障判断切换器第三输入端连接，电压采样电路的输出端与电流参考的故障判断切换器第四输入端连接；

5、第n-1变换器的控制单元中的电流参考的故障判断切换器的第二输出端与第n变换器的控制单元中的电流参考的均流器的第二输入端连接；第n-1变换器的控制单元中的电流参考的故障判断切换器的第二输出端与第n变换器的控制单元中的电流参考的故障判断切换器的第五输入端连接；第n变换器的控制单元中的电流参考的故障判断切换器的第二输出端与第1变换器的控制单元中的电流参考的均流器的第二输入端连接；第n变换器的控制单元(5)中的电流参考的故障判断切换器的第二输出端与第1变换器的控制单元中的电流参考的故障判断切换器的第五输入端连接；

6、对于第n变换器，其中的电流参考的均流器用于计算电流参考的故障判断切换器的输出信号icorrnon和第n-1变换器的控制单元中的电流参考的故障判断切换器的输出信号icorr_non-1的误差量并输出误差修正量vcorrect；电压闭环控制器用于接收电流参考的均流器的输出信号vcorrect与电压采样电路的输出信号vfb的差值，并以外部电压参考信号vref为参考进行电压闭环控制，输出电流参考信号iref；电流闭环控制器用于接收电流采样电路的输出电流il和电流参考的故障判断器的输出信号icorr，进行闭环控制，并输出信号至驱动信号生成器；驱动信号生成器用于生成开关管驱动信号g1_in…gn_in并输出至电流参考的故障判断切换器；电流参考的故障判断切换器用于同时接收信号vfb、il、iref和开关管驱动信号g1_in…gn_in，并反馈决定送给第n+1变换器的控制单元中的电流参考的故障判断切换器的信号icorr_non+1及功率单元的门级驱动信号g1…gn。

7、作为本发明进一步的方案：所述电流参考的故障判断切换器包括电压阈值模块、欠电压阈值模块、过电流阈值模块、欠电压比较器、电压比较器、过电流比较器、零电流比较器和第一逻辑控制单元；所述欠电压比较器正极与欠电压阈值模块连接，负极与电压采样电路的输出端连接；电压比较器正极与电压采样电路的输出端连接，负极与电压阈值模块连接；过电流比较器正极与电流采样电路的输出端连接，负极与过电流阈值模块连接；零电流比较器正极与电流采样电路的输出端连接，负极接地；欠电压比较器、电压比较器、过电流比较器、零电流比较器、电压闭环控制器和驱动信号生成器的输出端分别与第一逻辑控制单元的输入端连接，前一个变换器的控制单元中的电流参考的故障判断切换器的第二输出端与第一逻辑控制单元的输入端连接，第一逻辑控制单元的第一输出端与功率单元的输入端连接，第一逻辑控制单元的第二输出端分别与电流参考的均流器的第一输入端、电流闭环控制器的第一输入端和电流参考的故障判断切换器的第五输入端连接。

8、作为本发明进一步的方案：所述第一逻辑控制单元以欠电压比较器输出的欠电压标志信号flaguv、电压比较器输出的电压标志信号flagov、过电流比较器输出的过电流标志信号flagoc和零电流比较器输出的零电流标志信号flagzc作为判断对象，输出信号icorr和门级驱动信号g1…gn，控制功率单元的启停；

9、具体过程如下：

10、依次判断各比较器输出的欠电压标志信号flaguv、电压标志信号flagov、过电流标志信号flagoc和零电流标志信号flagzc是否被置1，若其中任意一个标志信号被置1，则将开关管驱动信号g1_in…gn_in赋给门级驱动信号g1…gn，将功率单元中的开关管断开，使功率单元停机，并通过外置断路器将功率单元切除；将前一个变换器的控制单元中的电流参考的故障判断切换器的输出信号icorr_prev赋给当前变换器的控制单元中的电流参考的故障判断切换器的输出icorr；否则，将驱动信号生成器的开关管驱动信号g1_in…gn_in直接赋给门级驱动信号g1…gn，并将电压闭环控制器的输出信号iref赋给电流参考的故障判断切换器的输出icorr。

11、作为本发明进一步的方案：所述电流参考的均流器包括加法器和比例增益项，加法器的输出端和比例增益项的输入端相连；电流参考的故障判断切换器的输出icorr输入加法器，与前一个变换器的控制单元中的电流参考的故障判断切换器输出的icorr_prev做差，将误差量经过比例增益项，输出vcorrect作为电压误差的修正量。

12、本发明为解决上述技术问题还采用以下技术方案：一种基于单向环形通信拓扑的并联变换器均流控制系统，包括第1至第n变换器；所有变换器的结构均相同且并联运行于直流母线与负载母线之间，第n变换器包括功率单元和控制单元，n＝1～n；第n变换器的控制单元接收第n-1变换器的控制单元的输出信号，第1变换器的控制单元接收第n变换器的控制单元的输出信号；

13、所述控制单元包括电流采样电路、电压采样电路、电压偏差的故障判断切换器、电压闭环控制器、驱动信号生成器、电压偏差的均流器和电流闭环控制器；电流采样电路和电压采样电路的输入端构成控制单元的输入端，用于接收功率单元的电流和电压信号；电压偏差的故障判断切换器的第一输出端构成控制单元的输出端，用于输出启停功率单元的门级驱动信号；

14、所述电压采样电路的输出信号与参考总线的输出信号经做差后输入电压偏差的故障判断切换器的第一输入端；电压偏差的均流器的输出端与电流闭环控制器的第一输入端连接，电流采样电路的输出端与电流闭环控制器的第二输入端连接；电流闭环控制器的输出端与驱动信号生成器的输入端连接；驱动信号生成器的输出端与电压偏差的故障判断切换器的第二输入端连接，电流采样电路的输出端与电压偏差的故障判断切换器的第三输入端连接，电压采样电路的输出端与电压偏差的故障判断切换器第四输入端连接；

15、第n-1变换器的控制单元中的电压偏差的故障判断切换器的第二输出端与第n变换器的控制单元中的电压偏差的故障判断切换器的第二输入端连接；第n-1变换器的控制单元中的电压偏差的故障判断切换器的第二输出端与第n变换器的控制单元中的电压偏差的均流器的第二输入端连接；第n变换器的控制单元中的电压偏差的故障判断切换器的第二输出端与第1变换器的控制单元中的电压偏差的故障判断切换器的第二输入端连接；第n变换器的控制单元中的电压偏差的故障判断切换器的第二输出端与第1变换器的控制单元中的电压偏差的均流器的第二输入端连接；

16、对于第n变换器，其中的电压偏差的均流器用于计算电压偏差的故障判断切换器的输出信号err_corr和第n-1变换器的控制单元中的电压偏差的故障判断切换器的输出信号err_prev的误差量，并输出误差修正量err*；电压闭环控制器用于接收电压偏差的均流器的输出信号err*，进行电压闭环控制，输出电流参考信号iref；电流闭环控制器用于接收电流采样电路的输出电流il和电压闭环控制器的输出信号iref，进行闭环控制，并输出信号至驱动信号生成器；驱动信号生成器用于生成开关管驱动信号g1_in…gn_in并输出至电压偏差的故障判断切换器；电压偏差的故障判断切换器用于同时接收信号il、err_prev、err和开关管驱动信号g1_in…gn_in，err为电压采样电路的输出信号vfb与外部电压参考信号vref的差值，并反馈决定送给第n+1变换器的控制单元中的电压偏差的故障判断切换器的信号err_corr_non+1及功率单元的门级驱动信号g1…gn。

17、作为本发明进一步的方案：所述电压偏差的故障判断切换器包括电压阈值模块、欠电压阈值模块、过电流阈值模块、欠电压比较器、电压比较器、过电流比较器、零电流比较器和第二逻辑控制单元；所述欠电压比较器正极与欠电压阈值模块连接，负极与电压采样电路的输出端连接；电压比较器正极与电压采样电路的输出端连接，负极与电压阈值模块连接；过电流比较器正极与电流采样电路的输出端连接，负极与过电流阈值模块连接；零电流比较器正极与电流采样电路的输出端连接，负极接地；欠电压比较器、电压比较器、过电流比较器、零电流比较器、电压闭环控制器和驱动信号生成器的输出端分别与第二逻辑控制单元的输入端连接，前一个变换器的控制单元中的电压偏差的故障判断切换器的第二输出端与第二逻辑控制单元的输入端连接，第二逻辑控制单元的第一输出端与功率单元的输入端连接，第二逻辑控制单元的第二输出端分别与电压偏差的均流器的第一输入端和电压偏差的故障判断切换器的第五输入端连接。

18、作为本发明进一步的方案：所述第二逻辑控制单元以欠电压比较器输出的欠电压标志信号flaguv、电压比较器输出的电压标志信号flagov、过电流比较器输出的过电流标志信号flagoc和零电流比较器输出的零电流标志信号flagzc作为判断对象，输出信号err_corr和门级驱动信号g1…gn，控制功率单元的启停；

19、具体过程如下：

20、依次判断各比较器输出的欠电压标志信号flaguv、电压标志信号flagov、过电流标志信号flagoc和零电流标志信号flagzc是否被置1，若其中任意一个标志信号被置1，则将开关管驱动信号g1_in…gn_in赋给门级驱动信号g1…gn，将功率单元中的开关管断开，使功率单元停机，并通过外置断路器将功率单元切除，将前一个变换器的控制单元中的电压偏差的故障判断切换器的输出信号err_prev赋给当前变换器的控制单元中的电压偏差的故障判断切换器的输出err_corr；否则，将驱动信号生成器的开关管驱动信号g1_in…gn_in直接赋给门级驱动信号g1…gn，并将电压采样电路的输出信号vfb与外部电压参考信号vref的差值err赋给电压偏差的故障判断切换器的输出err_corr。

21、作为本发明进一步的方案：所述电压偏差的均流器包括加法器和调节器，加法器的输出端和调节器的输入端相连；电压偏差的故障判断切换器的输出err_corr输入加法器，与前一个变换器的控制单元中电压偏差的故障判断切换器的输出err_prev做差，将误差量经过调节器，输出err*作为电压误差的修正量。

22、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

23、1、本发明通过计算本变换器的电压闭环控制器的输出值与相邻变换器的电压闭环控制器的输出值间的误差，经过比例放大后对本变换器的电压闭环控制器输入的反馈量进行调整，从而解决由于变换器与变换器之间包括传感器误差在内的各种差异产生的不均流问题。

24、2、本发明作为有互连线分布式并联系统，变换器的控制单元之间仅通信一个变量信息，可以实现极低的通信延迟。

25、3、本发明控制单元包含一个故障判断切换器，可以实现当单一变换器功率单元故障时，整个并联系统不停机，均流效果不受影响，故障的功率单元可不停机更换。

26、4、本发明通过向相邻变换器单向传输本变换器电流闭环控制器的参考信号或电压闭环控制器的误差信号，经过均流控制器计算，得到的均流调整量作用于电压闭环控制器的输入，使并联变换器系统中各路变换器的输出电流均衡。