一種并聯供電系統輸出功率均衡控制系統的制作方法

本發明涉及電力電子領域，尤其涉及一種并聯供電系統輸出功率均衡控制系統。

背景技術：

通信設備需要并聯開關電源供電系統為其設備提供電力供應，這是基于并聯供電系統為多電源模塊并聯輸出結構，具備兼容性強、可n+m冗余備份、可靠性強、性價比高、設計難度較低、易于管理等一系列優勢，成為解決通信電源設計的首選方案之一。現有通信設備的供電電源采用的是多個同型號電源模塊并聯供電，這將導致系統某些電源模塊損壞之后，不能使用具有相同輸出電壓的其他型號的電源模塊進行替換。為保證系統穩定運行，往往需要儲備大量的電源模塊備用，顯然提高了成本，不利于并聯供電系統的柔性控制。當采用具有相同輸出電壓不同功率容量的電源模塊并聯供電時，如何均衡控制每個電源模塊輸出功率大小一個挑戰。

不同功率大小的電源模塊的并聯運行，除了要保證每個模塊的輸出電壓相同之外，還應確保每個電源模塊輸出功率相對均衡分配。由于電源模塊的額定功率大小不同，因而額定功率大的電源模塊輸出的功率相應較大，而額定功率小的電源模塊輸出功率則相應較小。那么就自然而然地引出了一個并聯供電系統需要解決的問題——輸出功率如何定量分配問題。

在電力系統供電領域，為解決上述問題，提出了標幺值定義，即用實際值除以基準值，得到一個無綱量的相對值，該相對值大于0而小于1。借用電力系統中標幺值定義，在并聯供電系統中，我們可以對電源模塊輸出功率標幺值進行均衡控制。其物理意義是：每個電源模塊以自身額定輸出功率為基準，那么具有相同的輸出功率標幺值的電源模塊則意味著電源模塊具有相同的輸出功率能力，從而確保每個電源模塊的相對負荷處于相同狀態，提高電源模塊的運行性能和壽命。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服上述不足之處，提供了一種電路結構簡單、實用性好、抗干擾能力強的并聯供電系統輸出功率均衡控制系統，可實現并聯供電系統的電源模塊輸出功率標幺值的均衡控制。

本發明提供一種并聯供電系統輸出功率均衡控制系統，其包括

δvk生成電路，基于pwm信號pwmmax和pwm信號異或獲得pwm信號并將pwm信號轉換為電壓δvk；

采樣電路，與所述δvk生成電路的輸出端連接，獲取電壓δvk；

pwm調制單元、與所述δvk生成電路的一個輸入端連接，并將將pk(t)信號調制為周期為t，占空比為導通時間為的pwm信號

同步觸發單元，獲取同步信號syn；

pwm驅動電路，輸出控制脈沖，并驅動外部用電設備；

檢測電路，分別檢測pwm驅動電路的輸出電壓vk(t)和輸出電流ik(t)；

電源控制模塊，分別與所述采樣電路、pwm調制單元、同步觸發單元、pwm驅動電路以及檢測電路連接，所述電源控制模塊的控制步驟如下：

(1)采樣δvk生成電路的輸出電壓δvk，并獲取輸出功率標幺值偏差量平均值得到補償量up(t)；

(2)采樣輸出電壓vk(t)，獲得偏差量ek＝vset+up(t)-vk(t)，并得到控制量uk(t)；

(3)基于同步信號syn，將輸出功率pk(t)調制為周期為t，占空比為導通時間為的pwm信號

(4)輸出控制量uk(t)到pwm驅動電路實現輸出電壓控制和輸出功率均衡控制。

步驟(1)中依據獲得輸出功率標幺值與并聯供電系統中最大輸出功率標幺值偏差量的平均值其中δvk為占空比是的pwm信號pwmmax與占空比是的pwm信號之差的低通濾波輸出電壓，為序號為k的電源模塊輸出功率標幺值；為并聯供電系統中最大占空比的pwm信號，滿足：c為系數。

所述步驟(3)中，基于同步信號syn，將輸出功率pk(t)＝ik(t)×uk(t)調制為周期為t，占空比為導通時間為的pwm信號該pwm信號滿足：其中：為序號是k的電源模塊的額定輸出功率；其中：ik(t)為序號為k的電源模塊的輸出電流。

所述δvk生成電路包括：

pwmmax獲取電路，獲取占空比為導通時間為的pwm信號pwmmax；

信號獲取電路，與pwm調制單元連接，獲取占空比為導通時間為的pwm信號信號；

低通濾波器lf，與所述信號獲取電路連接，對信號濾波，得到電壓δvk。

所述δvk生成電路包括異或門，所述異或門的一個輸入端與pwm調制單元連接，并獲取pwm信號另一個輸入端獲取pwm信號pwmmax，所述異或門的輸出端與低通濾波器lf連接。

所述異或門的兩個輸入端之間并聯二極管d，所述異或門獲取pwm信號pwmmax的一端與接線端子j1連接，且下拉電阻r接地。

所述pwm驅動電路的輸出端設有功率變換主電路。

所述同步觸發單元可內置或可外接。

本發明具有以下優勢：

①本發明無需通信總線即可實現并聯供電系統電源模塊輸出功率均衡控制，具有結構簡單，實用性好；

②本發明將輸出功率標幺值的差值轉換為兩路占空比分別為和的pwm信號的導通時間差值然后對導通時間差值為的pwm信號進行低通濾波得出輸出功率標幺值的差值該方案避免了模擬信號受高頻開關信號的干擾。

③本發明提出的輸出功率均衡控制方案動態響應速度快；尤其是電源模塊在進行熱插拔情況下，均功率控制響應速度較現有方案動態響應指標優越；這是由于信號在模塊熱插拔之后進行快速調整，只需一個同步信號syn的周期即可實現調整之后的輸出，其值不受電源模塊個數的影響。

④本發明提出的均功率控制系統能在任意電源模塊出現故障時，對系統正常工作沒有影響；采用通信總線方式實現均功率控制方案在電源模塊出現故障時，系統需通過復雜的通信算法確定故障模塊，確保系統正常工作；

⑤本發明對開關電源模塊控制芯片要求很低，可以使用單片機等低成本控制芯片作為開關電源主控芯片，降低了設計難度；

⑥本發明提供的輸出功率均衡控制系統具有結構簡單、成本低、可靠性高，實用性強等特點，為電力電子設備并聯控制提供了一種新的方案。

附圖說明

圖1為并聯供電系統輸出功率均衡控制系統功能結構圖。

圖2為電源模塊控制算法框圖。

圖3為δvk生成電路圖。

圖4為輸出功率pk(t)的pwm調制原理圖。

圖5為pwmmax信號獲取電路。

圖6為信號獲取電路。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明實施例作進一步說明：

圖1為并聯供電系統輸出功率均衡控制系統功能結構圖，該功能結構圖總體上說明了并聯供電系統輸出功率均衡控制系統的電源模塊內部組成部分、電源模塊間連接方式和用電設備，下面以序號為k(1≤k≤n)的電源模塊進行介紹。

電源模塊包括以下結構：

δvk生成電路，基于pwm信號pwmmax和pwm信號異或獲得pwm信號并將pwm信號轉換為電壓δvk；該電路主要實現三個功能：㈠獲取最大導通時間為的pwm信號pwmmax；㈡獲取導通時間差為的pwm信號該信號為與pwmmax的異或運算之后獲得；㈢對低通濾波，得到電壓δvk。

采樣電路，與所述δvk生成電路的輸出端連接，獲取電壓δvk；

pwm調制單元、與所述δvk生成電路的一個輸入端連接，并將將pk(t)信號調制為周期為t，占空比為導通時間為的pwm信號

同步觸發單元，獲取同步信號syn，同步觸發單元用于接收/輸出同步時鐘信號syn。syn實現具有相同的上升沿時刻，也就是同步；

pwm驅動電路，輸出控制脈沖，并驅動外部用電設備，pwm驅動電路用于對控制信號uk(t)進行隔離、放大，從而驅動mosfet、igbt功率管；

檢測電路，分別檢測pwm驅動電路的輸出電壓vk(t)和輸出電流ik(t)，檢測電路包括電壓檢測電路和電流檢測電路，電壓檢測用于對輸出電壓vk(t)進行信號調理、濾波等，將其調理為合適的電壓進入電壓采樣端口；電流檢測將輸出電流ik(t)轉換為電壓信號，并進行信號調理、濾波等，將其調理為合適的電壓進入電流采樣端口。

電源控制模塊，分別與所述采樣電路、pwm調制單元、同步觸發單元、pwm驅動電路以及檢測電路連接，用于執行電壓控制算法和輸出功率均衡控制算法。

所述pwm驅動電路的輸出端設有功率變換主電路，功率變換器主電路主要包括功率管、濾波電容、濾波電感等原件，用于實現電能變換。

其還設有接線端口j1主要是輸出/接收pwmmax信號，與δvk生成電路連接。

接線端口j2主要是輸出/接收syn信號，該接線端口j2與同步觸發單元連接。

圖2為電源模塊控制算法框圖，包含電壓控制算法、計算模型、輸出功率均衡控制算法，其執行流程為：(1)采樣電壓δvk，計算輸出功率標幺值偏差量平均值執行輸出功率均衡控制算法得到補償量up(t)；(2)采樣輸出電壓vk(t)，計算偏差量ek＝vset+up(t)-vk(t)，執行電壓控制算法，得到控制量uk(t)；(3)基于同步信號syn，將輸出功率pk(t)調制為周期為t，占空比為導通時間為的pwm信號④輸出控制量uk(t)到pwm驅動電路實現輸出電壓控制和輸出功率均衡控制。

圖3為δvk生成電路圖，所述δvk生成電路包括：

pwmmax獲取電路，獲取占空比為導通時間為的pwm信號pwmmax；

信號獲取電路，與pwm調制單元連接，獲取占空比為導通時間為的pwm信號信號；

低通濾波器lf，與所述信號獲取電路連接，對信號濾波，得到電壓δvk。

所述δvk生成電路包括異或門，所述異或門的一個輸入端與pwm調制單元連接，并獲取pwm信號另一個輸入端獲取pwm信號pwmmax，所述異或門的輸出端與低通濾波器lf連接。所述異或門的兩個輸入端之間并聯二極管d，所述異或門獲取pwm信號pwmmax的一端與接線端子j1連接，且下拉電阻r接地。

其中二極管d、電阻r用于獲取占空比為導通時間為的pwm信號pwmmax；異或門用于實現導通時間為的pwm信號的獲得；低通濾波器lf對獲得電壓δvk

圖4為輸出功率pk(t)的pwm調制原理圖，其將pk(t)信號調制為周期為t，占空比為導通時間為的pwm信號由pwm調制原理、幾何相似三角形和標幺值知識可得：

pk(t)＝vk(t)×ik(t)(1)

其中：vk(t)為模塊輸出電壓；ik(t)為模塊輸出電流；pk(t)、和分別為模塊的輸出功率、額定輸出功率和輸出功率標幺值；t為pwm信號的周期；為導通時間；

圖5為pwmmax信號獲取電路，因具有相同的周期t并且同步，所以上升沿出現在同一時刻。由《電工電子學》知識可知，圖5所示電路用于獲得導通時間最長的pwm信號，令其為pwmmax，其導通時間滿足：

其中：為的導通時間；聯立方程(1)，(2)，(3)，(4)可得：

其中：

圖6為信號獲取電路。由邏輯代數可知，兩個數字信號異或運算法則是：兩個信號相同輸出為0，不同輸出為1。從圖中可以看出對同步的信號和pwmmax進行異或運算，即可獲得導通時間為的pwm信號圖6中異或門的輸出信號邏輯關系上滿足：

的導通時間滿足：

所以有：

聯立方程(2)、(3)、(5)、(8)可得：

其中：為輸出功率標幺值偏差量。

由濾波器知識可知，當低通濾波器lf的截止頻率則低通濾波器lf輸出為的直流分量，即的平均值，其δvk滿足：

令t＝mt，則

其中：λ為低通濾波器lf的直流增益；m為周期個數；又因為：

聯立(9)、(12)可得：

其中：為t∈[jt,(j+1)t]的輸出功率標幺值偏差量，滿足：為信號在t∈[jt,(j+1)t]的導通時間；vcc為pwm模塊電源電壓。聯立(11)、(13)可得：

其中：為輸出功率標幺值偏差量的平均值，并且滿足：令c＝λ×vcc，則：

由公式(15)可知，δvk與輸出功率標幺值偏差量平均值為線性關系，因而可以通過δvk來求取進而實現并聯供電系統輸出功率均衡控制。

實施例不應視為對本發明的限制，任何基于本發明的精神所作的改進，都應在本發明的保護范圍之內。