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并联变换器均流控制策略研究

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Power Supply Technology and Its Application 并联变换器均流控制策略研究 李杨 ,游步新 ,赵世华 (1.重庆市电力公司江北供电局,重庆401 147; 2.湖南省电力公司娄底电业局,湖南娄底417600) 摘要:将模糊控制引入并联变换器均流控制技术中,对模糊控制规则以及选择模糊控制器输入 变量的量化因子和输出控制量的比例因子进行了分析。提出了一种按中间电流自主均流方法。该方法 减小了各相电流调节幅度,使得各相电流很快均衡。仿真实验结果表明,均流控制策略能够使得并联 变换器具有良好的动态均流与负载均分特性,能够在大负载变化内良好运行。 关键词:并联变换器;模糊控制;按中间电流自动均流 中图分类号:TM402 文献标识码:A Research on current-sharing control method for paralleled converters LI Yang ,YOU Bu Xin ,ZHAO Shi Hua2 (1.Jiangbei Power Supply Bureau of Chongqing Electric Power Company,Chongqing 401 147,China; 2.Loudi Power Supply Bureau of Hunan Electric Power Company,Loudi 417600,China) Abstract:The fuzzy logical control is introduced to parallel converter s current—sharing control technology by making an in— depth research and design on current—sharing loop S fuzzy logical controller.Fuzzy logical control rules and the reasonable choice of the quantify factor of input variable and the proportion factor of output control volume are analyzed.In order to reduce ad- justable-range of current and make each module S current balance quickly,a middle current-programming automatic current—shar- ing technique is presented.Simulation results show that the proposed current—sharing contolr method can achieve better dynamic current-sharing and load-sharing characters,and can operate well within the large adjustable-load range. Key words:paralleled converters;fuzzy logical control;middle current—programming automatic current-sharing 随着大量电子设备,特别是服务器、交换机等计算 机系统的投入使用,对电源系统具有大电流、低电压、安 1 DC—DC并联变换器分析 本文采用BUCK变换器及同步整流技术,以3个 全可靠的要求越来越高。采用多个电源模块并联运行输 出大电流、低电压是满足此类电源系统要求的有效方 法。然而均流技术是电源模块并联运行中的关键,目 前已有多种均流技术方案,常用的均流方法t1l有:下垂 法[2】、主从设置法[31、外部控制电路法 、平均电流型自 BUCK变换器组成的并联变换器为例,每个功率开关管 由1个理想开关和1个等效电阻代替。由于制造工艺的 差异,各等效电阻尺 :。、R ,之间存在一定的差异。同 样R。 、 丑、 监之间也存在差异,电感 、 2、 3也不可能 完全相等。如图1所示。 产生不均流的原因: 动均流法及最大电流自动均流法[51等。这些方法控制器 的设计都是在简化变换器模块、近似线性化的数学模型 下进行的。但DC—DC并联变换器具有强耦合性、非线性 特性,目前的控制器很难满足实际各相动态均流控制的 (1)以第1路BUCK变换器为例,工作在CCM状态, S- 闭合,S,2断开时: £l=V —V。一 l(尺11+R13) Sl,断开,S 2闭合时: l=一 。一 1( 12+Rl3) (2) (1) 要求。因此,本文提出了一种按中间电流自动均流方法, 均流环采用一种非线性控制方法,即模糊控制。 }基金项目:重庆市科委自然科学基金计划资助项目(CSTC,2006BB2218) 《电子技术应用》2010年第3期 71 Rn 15 mQ,R13=3 mllLj=110 H;R2J=R笠:35 mQRn: 2 ml ,三2=130 t ̄H;Rn=R32=55 mQR33:5 mn, 3:120 H; ,,,C 800 F,Rc=50 mft, =24 V,Rk旧d=0.333 n;Po:100 W. 开关频率f=100 kHz。在Matlab6.5的Simulink平台E进 行仿真,得到各相电感电流波形如图2所示从图中可 以看出各相电感电流相差较大。 ,时间t/ms : 图2无均流措施时各相电感电流(5 A/div1 ms/div1 ,图l 3个BUCK电路组成的并联变换器 由电感伏秒平衡原理得到: 2控制回路的设计 (1)电压环的设计 在进行均流控制之前,先要设计一个能使单个变换 器运行良好的电压反馈外环。取单个BUCK变换器主电 [ — 。一 l(Rll+ 13)】×D】+卜V。一 】( 】2+R J3)】×D l=0(3) 从而可得: DI= V o+x +R1h3R,z), ,(.,一m+ l×(2一 lR 11)_ +× 1,.(4)【斗, 路参数为: =24 V,alaad=1 Q,P=100 W,C:300 Fo,Rc: 由于在1个开关周期内,流过电容的电流平均值为 50 mll,LI=120 IxH,开关频率 =100 kHz。 零,所以 可用,0l代替,而功率开关管的导通电阻R 远大于电感等效电阻R ,,V 也远大于厶 x( 一R。 )所 以式(4)可简化为: ,首先对单个BUCK变换器建模得到传递函数: G (s)=———L— L: : 』: ¨商[+ o2 8 1+一6.67 x104 s G ): +DI= f5) 击s+ s (12) ,同理可得第二、三相占空比DE、D3 D2= D3= 式中,,0l、 和 分别代表第1、2、3相的输出电流,为了获得较好的稳态响应和动态响应PID调节器作为电压外环控制器。 采用传统 (6) (7) 。 根据Ziegle卜Nichols参数设定方法参数: :8, =7 200,K ̄=9xl0~.,得到1组PID ,同时为了验证这种 从图中可以看 PID控制器的正确性,在Madab65的Simulink平台上仿 真验证,得到输出电压波形如图3所示出电压动态特性较好,稳态误差小。 。如果不采取任何均流措施,则有D =DE:D3从而有: ,nl× 12=IozxR==Io3xR3z (8) 。从式(8)可以看出,要使,0I= = ,只有满足R ̄2=R笠: 然而即使同一类型的功率开关管也会有±20%的差 。 , 别。这是产生各个变换器不均流的原因之一(2)由参考文献【6】可得到: Lj- D 蚓 脚 ol- D 一 Vo)×[ 1一 1] D )×[ 一 1 J m一一Vo)×[ 一 1] —(9) (10) …) csB7 f 时间t/ms 图3输出电压(2 V/div,1 ms/div) 式中, 为开关频率。由于实际的电感值是很难精确控 制的,通常都存在2O%一30%的差异从而导致各相电流 不均匀。 ,(2)均流环的设计 本文均流环采用模糊控制,其结构图如图4所示。 为均流母线上的电流值,本文中不采用最大电流均 为验证上述分析的正确性,做如下仿真:取R : 流方式;也不采用平均电流方式,而是提出了一种中间 72 欢迎网上投稿WWW.chinaaet.corn 《电子技术应用》2010年第3期 噬 图4均流环模糊控制结构图 {l}; 客 电流均流方式。通过检测3个BUCK变换器各自的电感 电流,判别出3个检测到的、电感电流值是位于中间的 值,并输入到均流母线上,作为其他2个参考电流值。该 方法既具备最大电流自动均流法的优点,又使得最大电 流相和最小电流相向中间电流值调节,减小了电流调节 幅度,从而使得各相电流能够很快地得到调节,以至各 相电流均衡。 模糊控制器的输入量为误差e和误差率如,输出量 为“。可将这3个量归一化、统一定义,将系统误差e、误 差率如和输出量u变化范围定义为模糊集上的论域: e,de={_1,一2/3,一1/3,0,1/3,2/3,1l,其模糊集为E, DE={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},它们分别代表负大、 负中、负小、零、正小、正中、正大,其隶属度函数分别如 图5、图6、图7所示。 哩 井酷 蛊 E 图5变量E的隶属函数 哩 蛊 Q ,J 图6变量DE的隶属函数 在建立模糊规则控制表时,应根据并联变换器本身 特征确定,及误差e所代表的含义确定。当误差为负大 时,误差变化为负,这时误差有增大的趋势,即意味着该 相电感电流越来越大。为尽快消除已有的负大误差并抑 《电子技术应用》2010年第3期 图7变量U的隶属函数 制误差变大,所以控制量的变化取负大,以减小该相占 空比。当误差为负而误差变化为正时,系统本身已有减 小误差的趋势,所以为尽快消除误差且又不超调,应取 较小的控制量;当误差为负大且误差变化为正小时,控 制量的变化取负中;当误差为负大且误差变化为正中 时,控制量不宜减小太多,应取负小;当误差为负大且误 差变化为正大时,这时控制量变化取为ZO,否则造成超 调,产生正误差;当误差为负中时,控制量的变化应使误 差尽快消除。基于这种原则,控制量的变化选取同误差 为负大时基本相同。当误差为负小时,系统接近稳态,若 误差变化为负时,选取控制量为正中,以抑制误差往负 方向变化;若误差变化为正时,系统本身有趋势消除负 小的误差,选取控制量为正小即可。误差为正时与误差 为负时相类同,相应的符号都要变化。综合考虑e和如 的因素,可设计出49条模糊控制规则,如表1所示。 袁1 U的模糊控制规则 DE E NB NM Ns zo Ps PM PB NB NB NB NM NM Ns zo zo NM NB NB NM NM zO Ps Ps Ns NB NB NM NS Ps PM PM zo NB NM Ns zo Ps PM PB NM NM Ns Ps PM PB PB f Ns NS zo PM PM PB PB PB zo zo Ps PM PM PB PB 设计模糊控制器除了要有一个好的模糊控制规则 外,合理地选择模糊控制器输入变量的量化因子和输出 控制量的比例因子也十分重要。量化因子和比例因子的 大小及其不同量化因子之间大小的相对关系,对模糊控 制器的性能影响非常大。对该并联变换器系统进行仿 真,调节量化因子 、 和K ,比较控制结果,可以选 出相对最优的Ke=2.5,Ks=5和K =0.4。 3仿真验证 根据以上分析,在Matlab 6.5的Simulink平台上对控 制系统进行仿真研究。建立了1个300 W变换器模型,变 换器的主电路如图1所示,仿真参数设计为:V =24 V, 73 RIl= l2=15 m ,Rl3=3 mft,Ll=110 H;R2l=R笠=35 mn, Rl3=2 mft,£2=130 H;R31=尺32=55 mlq,R33=5 m1),L3= 间电流自主均流方法,减小了各相电流调节幅度,使得 各相电流能够很快地得到调节,从而使各相电流均衡。 该并联变换器的均流设计中引入了一种非线性均流控 120 H;C=800;xF,Rc=50 mn,开关频率. =100 kHz。 图8所示为负载突变时,各相电感电流的变化过程。 在3 ms时,由正常负载突减为50%正常负载,在4 ms 制方法——模糊控制,随着数字微处理器的迅速发展, 该非线性均流控制方法必将在多相并联直流变换器设 计中得到广泛应用。仿真实验结果验证了该并联变换器 系统具有良好的均流特性和输出特性,能够在大负载变 化内良好运行。 参考文献 【1】HUANG Y,TSE C K.Circuit theoretic classiifcation of parallel connected DC—DC converters[J].IEEE Trans.Circuits 时由50%正常负载突增为正常负载。从图8可以看出, 在负载突变时各相电感电流之间的差异非常小,i t、i比 和i 的变化过程几乎相同,从而可以看出均流效果非 常好。 11 lO 9 8 7 ”’ r } f 黼 ● l  ,and Systems Circuits And Systems,2007,54(5):1099-1 108. 【2】IRVING B T,JOVANOVIC M M.Analysis design and performance evaluation of droop current-sharing method[M】. Proc.of IEEE APEC O0,2000:235—241. 6 5 4 个 ... [3]SUN J,QIU Y,LU B,et a1.Dynamic performance analysis of outer——loop current sharing control for paralleled dc・— / , r嘲 3 3.5 4 4.5 dc converters[C].IEEE App1.Power Electron.Conf.,2005: 1346一l352. 时间t/ms 【4]IU H H C,TSE C K.Des n—oriented Hopf bifurcation boundary in parallel-connected buck converters under 图8负载突变时各相电感电流变化过程(1 A/div,0.5 ms/div) democratic current-sharing controlc[C].Int.Symp.Nonlin- ear Theory App1.,Bologna,Italy,Sep,2006. 图9所示为负载突变时,输出电压的变化过程,从 该图可以看出负载突变时,输出电压扰动不大,而且很 快又得到调节。仿真结果说明了本文提出的控制方法能 够使得系统各相均流效果好,同时能够满足输出电压的 静、动态性能。 [5】ZHOU Xun Wei,XU Peng,LEE F C.A novel current- sharing control technique for low-voltage high—current voltage regulator module applications[J].IEEE Trans.Power Electron,2000(15):1153—1162. 【6】ZHANG M T,JOVANOVIC M M,LEE F C.Design consign considerations for low-voltage on-board DC/DC modules 本文以3个BUCK变换器的并联组合变换器为研究 对象,分析了该变换器不均流的特性,提出了一种按中 10.5 > 1O 9.5 , orf next generations of data processing circuits[J】.IEEE \~ _Trans.Power Electron,1996(11):328-337. \、,/, (收稿日期:2009—08—03) 出 9 8.5 8 作者简介: 李杨,男,1963年生,高级工程师,主要研究方向:电力 系统与管理工作。 3 3.5 4 4.5 7.5 游步新,男,1967年生,硕士,主要研究方向:电力系统 控制与管理。 时间t/ms 图9负载突变时输出电压变化过程(O.5 V/div,O.5 ms/div) (上接第70页) 【8】WANG R,QI L,Xie X.Modeling of 5-cell direct methanol fuel cell using adaptive-network-based fuzzy inference (11):34-35. (收稿日期:2009-07-10) 作者简介: 曹玲芝,女,1965年生,教授,主要研究方向:控制理论 与应用、网络化测控系统。 陈雨,女,1984年生,硕士研究生,主要研究方向:直接 甲醇燃料电池系统建模与控制。 李春文,男,1957年生,教授,主要研究方向:非线性控 制理论、量子控制等。 systems[J].Power Sources,2008,185:1201—1208. 【9】TIRNOVAN R,GIURGEA S,MIRAOUI A,et a1.Proton exchange membrane fuel cell modeling based on a mixed moving least squares technique[J].Hydrogen Energy, 2008.33:6232—6238. 【l0】王瑞敏,张颖颖,曹广益.质子交换膜燃料电池机理与 ANN混合模型的建模与仿真分析【J】.华东电力,2007 74 欢迎网上投稿WWW.chinaaet.tom 《电子技术应用》2010年第3期 

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