《电子技术应用》2006年第8期 本刊邮箱:eta@ncse.com.cn
-
+
功率级
-
+
电流
放大 均
流
母
线+ +Vr
V′r
Ve
均流控制器 VI
a b
VeVf
电压放大
图 1 平均电流法自动均流示意图
DC-DC
PWM SC
均
流
母
线Ve +
-VC
Vf VI
Vr
图 2有均流控制器的电源模块原理图
通常,电源模块并联比单个大功率电源集中式供电
更具优势。
化模块并联方法已经广泛应用于分布式
电源系统。并联供电系统的理想特性是单个模块稳定均
分负载电流。并联模块因为控制参数不同而不同。如果
没有特殊的均流措施,一个或多个模块有可能过载而引
起某个器件的热应力过大,从而降低系统的稳定性。为
了获得并联电源的理想特性,目前已经提出一系列不同
并联方式和均流方法。成功的选择一个并联
需要对
这些方法的优缺点有很深的了解。在选择并联方案时必
须考虑复杂性、费用、模块化等。各模块的交互作用应该
在设计和系统综合中被考虑以保证系统的稳定性、可靠
性和动态性能。本文针对 DC-DC以及逆变器并联的均
流方案进行论述。
1DC-DC并联均流方法
并联均流的基本方法有输出电压调整法、主从电源
控制法和按电流自动均流法等[1]。
1.1输出电压调节法[2]
在并联的电源系统中,每个模块按外特性和各模块
的电压参数值均分总负载电流。实际上是调节模块外特
性的负斜率的一种方法,利用电流反馈调整各模块的输
出阻抗,进而调整各模块输出电压,使之尽可能相近。这
种方法简单,属于开环控制,其缺点是调整精度差,每个
模块必须个别调整,对于不同额定功率的模块并联运行
时,难以实现均流,而且模块间可能有电流不平衡现象。
1.2主从电源法[2]
主从法是在并联的若干个电源模块中,一个作为主
电源模块,而其余作为从模块跟随主模块工作。在电流
型控制中误差电压与负载电流成比例,主模块误差电压
设定了整个系统的误差电压,通过各自的电流反馈控
制,使所有的模块分担相同的负载电流。缺点是:主从间
通讯联系使连线复杂;如果主模块失效,整个电源系统
不能工作,因而这种方法不适用于冗余系统;电压环带
宽大,易受噪声干扰。
1.3 按电流自动均流法[4]
这种方法无需外加均流控制器,并联的各个模块间
仅通过一个公共的均流母线 SCB联系。其原理完全是
建立在一个数学模拟电路———平均值电路的基础上实
现的[3]。工作示意图如图 1。
这种方法的缺点是当开关电源处于限流状态时,会
使均流线平均电流降低,开关电源的输出电压将被调至
下限值。当某一开关电源失效时,平均电流值降至更低,
其余开关电源输出电流会同时减少,导致整个开关电源
系统不能正常工作。
1.4外加控制器法
这种方法需要特殊的均流控制器,比较所有模块的
电流,调节相应的反馈信号以实现均流。图 2为有均流
控制器时一台电源模块的系统。图中 VC反映了模块的
输出电流,误差电压 Ve综合了 SC输出电压 VC,反馈电
压信号 Vf以及基准(参数)电压 Vr,各均流控制器联接
在公共母线 SCB上。
1.5按热应力自动均流
美国 Lambda电子公司建议一种按热应力 (而不仅
电源并联技术综述
王 悦,陈志彬
(鞍山科技大学,辽宁 鞍山 114044)
摘 要:多模块并联开关电源能较灵活地实现对电源系统容量的扩展,为了增加整个电源系统
的可靠性,可以用多个电源模块组成并联冗余系统。文中对目前采用的 DC-DC及逆变器并联技术的
现有方法、发展现状及趋势进行了综述。
关键词:DC-DC 逆变器 并联 并联控制 均流
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DC-DC
Vb
Ve
VI
电压放大
-
+
-
+
平
均
母
线
I
R1 R3
R2 R4
R5
R6
R7
电流放大
a
b
图 3 应力法均流原理图
U! o1 U! o2Z1 Z2I
!
od
ZL
U! o2
U! o1 U! odp
I! odp
U! o1
U! o2 U! odm
I! odm
(a) (b) (c)
图 4 二模块逆变器并联的简化电路及其输出电压电流相量
仅是按电流值)的自动均流技术,以下简称应力法,已成
功地应用于该公司的 P系列 ZVS开关变换器中。
图 3给出一台模块电源的应力法均流控制示意图,
直流电流检测、放大后得到一个低带宽电压 VI=KITa,K
与 a为常数,T与变换器运行温度成正比,I为平均输出
电流。因此,每个模块的电流和温度(热应力)决定了均
流的程度。Vc加到由 R1-R4组成的电阻电桥输入端,桥
的输出接放大器,R1和 R2形成加法器,在 b点产生 n台
模块的平均电压 Vb=(Vc1+Vc2+⋯+Vcn)/n,b点接到均流
母线 SCB。VI通过 R3、R4分压得到 Va,Va反映了电源的
ITa值,Va与 Vb比较,若 Va﹤Vb,则 R5中电流增大,使该
模块的输出电压上升,输出更多电流,使 Va接近于 Vb,
R5也限制了偏离母线电压 Vb的最大偏差。
并联电源系统中各模块在电源柜中的位置不同,对
流情况和散热条件不同,造成有的模块温度高,有的模
块温度低,按热应力的均流技术可在设计时不必考虑模
块的布置,此外,Lambda公司认为,由于这种技术中回
路频带窄,对噪声不敏感,设计时也无需考虑电源对噪
声的屏蔽。
1.6均流调节器集成电路 UC3907[4]
美国 UnitrodeIC公司 1993年开发了 UC3907,一种
便于多个独立电源模块并联用的均流调节器集成电路。
可用以控制并联电源的输出电压,并在电源模块间均匀
分配负载电流。
UC3907集成电路由电压环与电流环组成,电压环中
包含高阻抗、全差动电压放大器,接地放大器和驱动放
大器;电流环中包含低损耗、固定增益电流放大器,缓冲
放大器,调整放大器和状态指示器。
UC3907芯片使多个并联在一起的电
源模块分别承担负载电流的一部分,并
且所承担的负载电流大小相等。通过检
测每个模块的电流,电流均流母线确定
哪个并联模块的输出电流最高,并把它
定为主模块,再根据主模块的电流调节
其他模块的输出电流,使并联运行的电
源模块单元工作在所设定的电流值上,
从而实现均流,精度可达 2.5%。
在文献[5]中介绍了 UC3907与 SG3524
结合的 PWM变换器并联均流系统。
2并联逆变技术
二十世纪 80年代国外开始研究 DC/
DC变换器并联运行技术,现已取得实质
性的成果,而新的均流技术、系统稳定性等方面的研究
仍在不断深入。同主电路和控制电路的研究发展过程一
样,逆变器并联运行技术的研究也是在借鉴 DC/DC并
联技术的基础上不断深入。但由于是正弦输出,其并联
运行远比直流电源困难,首先要解决三个问题:
(1)两台或多台投入运行时,相互间及与系统的频
率、相位幅度必须达到一致或小于容许误差时才能投
入,否则可能给电网造成强烈冲击或输出失真。而且并
联工作过程中,各逆变器也必须保持输出一致,否则,频
率微弱差异和积累将赞成并联系统输出幅度的周期性
变化和波形畸变;相位不同使输出幅度不稳。
(2)功率的分配包括有功和无功功率的平均分配,
即均流包括有功和无功均流。直流电源的均流技术不能
直接采用。
(3)故障保护。除单机内部故障保护外,当均流或同
步异常时,也要将相应逆变器模块切除。必要时还要实
现不中断转换。
目前,实现逆变器并联运行的几类典型方法有:
2.1自整步法[6]
并联系统中各模块是等价的,没有专门的控制模
块。通过模块间的I! od均流线实现同步和均流,源于航空
恒速恒频(CSCF)电源的自整步并联技术。其基本原理
如图 4。
逆变器输出端通常接 LC滤波器,二通道并联时差
模阻抗 Z1-Z2只包含输出滤波电感 Lf,而输出滤波电容
Cf归入负载阻抗 ZL中。当二模块的输出电压U! o1、U! o2存
在偏差电压U! od时,其幅度偏差U! odm与U! o1、U! o2基本同相,
相位偏差U! odp超前U! o1、U! o2、约 90°。减小U! o1、U! o2的幅值偏
差和相位偏差将会减小偏差电压U! od(=U! odm-U! odp),从而减
小环流I! od(=I! odm-I! odp)。U! odm引起的偏差电流I! odm滞后偏差
电压 90°;U! odp引起的偏差电压I!odp滞后U! odp90°,与U! o1、U! o2基
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图 5 偏差电流检测电路
I! 1
Z1 T1 T2 Z2
Rs1 Rs2I! Rs1 I! A I! Rs2
I! 2
U! o1 U! o2ZL
本同相。因此,对幅值偏差的控制可以通过对偏差电流
无功分量的控制来实现,使二通道无功功率趋于均衡;
对相位偏差的控制,可以通过对偏差电流有功分量的控
制来实现,使二者趋于均衡;对相位偏差的控制,可以通
过对偏差电流有功分量的控制来实现,使二通道通过有
功功率趋于均衡。
偏差电流检测电路如图 5所示,设逆变器模块 1、2
中电流互感器二次侧电流分别为I! 1、I! 2,检测电阻 Rs1、Rs2
中的电流分别为 IRs1、IRs2,则电流检测闭合环路满足:
I! Rs1Rs1+I! Rs2Rs2=(I! 1-I! A)Rs1+(I! 2-I! A)Rs2=0 (1)
若 Rs1=Rs2,则
I! A=(I! 1-I! 2)/2 (2)
式(2)表明,I! A体现了负载电流平均值,I! Rs1、I! Rs2体现
了电流偏差,将其分离成无功分量与有功分量,并分别
用来调节电压幅值和相位,从而实现无功功率和有功功
率的均衡,如图 6。
自整步法常适用于开环控制的低频调制逆变器,电
流检测、分离和控制电路复杂,调节时间长、精度低。
2.2 外特性下垂法[6][7]
出发点类似于直流输出变换器并联均流的下垂法。
模块间没有控制信号连线。它仅以本模块有功功率、无
功功率和失真功率为控制变量,从而使各模块独立工
作。各模块有自己的控制电路,之间唯一的连接是各模
块交流并联功率输出线。均流靠模块内部输出频率、电
压和谐波电压分别输出的有功功率、无功功率和失真功
率呈下垂特性,从而实现同步和均流。
各逆变器的下垂特性为:
ωoi=ωoi0-k1iPoi (3a)
Uoi=Uoi0-k2iQoi (3b)
ωoi、Uoi分别为输出电压空载时的角频率、有效值,
k1i、k2i分别为 ωoi、Uoi的下降斜率。下垂特性使各逆变器
模块的功率流受控,系统的频率和电压降落到新工作
点,该点环流最小。
非线性负载时,视在功率 S的表达式中又增加了一
项谐波电流引起的失真功率 D,即:
S2=P2+Q2+D2
与基波无功功率不同,只调整逆变器输出电压的基
波分量不会影响失真功率,解决这一问题的方法之一是
依照失真功率的函数调整电压环增益,使电压环的增益
和带宽随谐波分量而降低,从而得到所需的输出阻抗特
性。借此降低电压分量,改善各模块对谐波电流的均流。
这一方案的关键环节是功率的计算单元。算法必须
能处理线性和非线性两种负载情况。算法所需信息源于
电感电流和输出电压,其基本思路是将电感电流谐波分
解,然后以输出电压与之相乘,从而得到各个功率分量。
该方案的优点是各模块仅在负载端相连,方便现场
组成并联系统,特别适合于分布式并联系统。缺点是下
垂特性赞成系统的频率和电压随负载而变,偏离理想工
作点,均流效果不够理想。特别是动态过程或带非线性
负载时,算法实现较复杂。
2.3同步开关控制法[7]
该方法由一个外部控制器和 N个具有相同额定输
出功率的逆变器模块构成,是一种较简单的集中控制并
联方法,没有设置均流电路。外部控制器检测输出电压,
产生 PWM开关控制信号,控制各模块的功率开关同时
进行状态转换。
并联逆变器同步开关控制法具有如下特点:(1)每
个逆变器模块无法脱离外部控制器而独立工作,系统的
冗余性和模块通用性较差;(2)对逆变器模块的参数一
致性要求较高,模块输出阻抗的不一致性引起的负载不
平衡现象无法克服,均流精度差;(3)逆变器模块间的通
信信号线多,增加了控制电路的故障。
2.4主从模块法[7]
主从式并联逆变器系统由一个电压控制 PWM逆变
器主模块、数个电流控制 PWM逆变器从模块和一个功
率分配中心组成。主模块保证系统输出的正弦电压幅
值、频率稳定,从模块输出的电流跟随参考电流的变化
来实现负载均分,功率分配中
心检测负载电流,并分配每个
从模块的参考电流。
主从模块法并联系统具有
如下特点:(1)电压控制 PWM逆
变器模块、电流控制 PWM逆变
器模块均有独立的控制环,系
统稳定性好,易于容量扩展,均
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有功分量 相角调节器 频率控制
无功分量 电压调节器
电压
幅值
基准
电压
相位
基准
至其他模块
T1Z1
U! o1
至负载总线
图 6自整步并联逆变系统控制框图
至电流
检测环
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流效果好;(2)电压控制 PWM逆变器、电流控制 PWM逆变
器和功率分配中心是不同性质的模块单元,构成复杂,主
模块一旦失效,从模块无法工作,系统没有实现冗余,可
靠性低。(3)各模块间相互的连接线会引入噪声干扰。
基于“民主”主从模块法的 N个逆变器模块并联系
统通过硬件开关选择或软件设置,将任一逆变器模块设
置为主模块 1并控制其输出电压,电压环的输出即为所
有模块电流给定信号,从模块从 2-N自身的电压环不
再起作用。当主模块故障时,任一从模块上升为主模块。
这种主从模块法可实现并联系统的冗余,实现系统的模
块化,提高了系统的可靠性,但模块间仍有通信连线。
2.5平均值电流控制法[8]
该系统中,同步的各逆变器模块的基准电压信号的
平均值作为各模块电压外环的给定,各模块电压反馈信
号的平均值作为各模块电压外环的反馈信号,各模块电
压调节器输出的平均值作为各模块电流内环的给定,各
模块输出滤波电感电流作为电流反馈信号。由于各模块
输出滤波电感电流均跟踪给定电流的变化,所以可以实
现各模块输出均流。
平均值电流控制法与主从模块法均属于电流跟踪
控制法。平均值电流控制法具有如下特点:(1)电压基
准、电压反馈、电流基准均为各并联模块相应信号的平
均值,并联系统的动态和静态性能不比单模块性能差;
(2)不需附加额外的并联控制模块;(3)模块间的模拟
信号线较多,易受干扰,不适用于远距离通信;(4)并联
控制电路复杂,可靠性较低。
3并联逆变技术的发展趋势
随着智能化技术、模糊控制理论、EDA技术的出现
及不断发展日渐成熟,各种新的并联逆变控制技术不断
被提出,并付诸研究实践。在文献[9]中提出了数字式逆
变器并联智能化均流,文献[10]中提出了模糊控制理论
实现自动均流的应用技术,文献[11]中提出了 DSP技术
在并联逆控制中的应用。这些都表明并联逆变技术正朝
着高功率、高变换效率、大容量、高可靠性、无污染、智
能化的方向发展。目前国外已经公开发表了很多控制器
用单片 FPGA或 CPLD集成方面的文章,国内对这种技
术的研究也在不断深入,但毋庸置疑,这也将是今后并
联逆变技术的一个发展方向。
参考文献
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ONPOWERELECTRONICS,VOL19,PP901-908,MAY1999
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