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高压直流输入串并联系统的自动热插拔控制策略

时间:2020-09-11 来源:哈尔滨工业大学 本文字数:5978字
作者:张博涵 单位:哈尔滨工业大学
  摘  要
  
  日前,在电力系统、航天供电系统等领域,高压直流变换技术的应用场合日益增多,传统的电源拓扑由于器件和系统绝缘等问题,在这些场合很难正常工作。模块串并联技术利用在输入端将多个电源模块串联,可以很好地解决输入高压所引起的一系列难题,已在输入高压环境中广泛应用。目前输入串联输出并联系统的研究重点是对控制策略的改进和创新,使串并联后的系统性能能够媲美独立的电源拓扑。基于此,本文研究了一种能够实现自动热插拔功能的控制策略,包含均压和输出两个控制环路,在保证系统均压特性的同时提高系统的可靠性。


高压直流输入串并联系统的自动热插拔控制策略
 
  
  针对输入串联输出并联系统在均压特性方面的要求,均压控制环路选择输入电压作为控制对象,来确保系统的均压精度。同时,输入侧采用分布式控制方式,可以实现良好的动态响应和积木式搭建功能,减小研发和设计周期;系统的输出控制环路选择电压型控制,维持系统的输出电压稳定,并连接成自动主从占空比模式,提高输出控制环路的可靠性。两个控制环路的输出相互叠加,共同调节各自模块的占空比信号,在系统输出稳定的前提下,可以保证精准的均压精度和快速的动态特性。
  
  为了实现系统的自动热插拔功能,在每个模块输入端设计了检测电路,可以在模块出现故障后迅速检测并将其切除。同时均压控制环路自动根据剩余正常模块的数量进行调整,保证正确的均压控制。此外,针对在实际应用场合中可能遇到的问题,例如器件参数失配的影响、热插拔过程中的检测和切除方式,给予相应的分析和选择方法。并提供了切除故障后,系统将承受电压和电流压力的计算公式,以便于选择合适的器件和模块数量,提高整个电源系统的可靠性和抗干扰能力。
  
  针对以上各部分研究重点,本文通过建立数学模型进行基础理论推导,并在相应的条件下利用仿真软件SIMPLIS分别从时域和频域对其验证。在论文最后搭建了三模块输入串联输出并联系统平台,利用实验对控制策略的性能进行验证。同时在仿真和实验过程中,分别在均压精度、动态响应和可靠性方面,将自动热插拔控制策略与同占空比控制策略进行效果对比,验证本文研究的控制策略的可行性。
  
  关键词: 
高压输入;串并联技术;控制策略;热插拔。
  
  Abstract
  
  In  the  fields  of  power  system  and  space  power  supply  system,  the application of HVDC technology is increasing day by day. The traditional power topology  is  difficulty  to  be  used  in  these  application  mainly  due  to  the  issues  of system  insulation  and  topological  reliability.  Modula r  series  parallel  technologycan  solve  a  series  of  problems  caused  by  high  voltage,  which  has  been  widely used  in  the  high  input  voltage  environment.  Nowadays,  the  main  research  of  the current  series  and  parallel  technology  of  standard  modules  is  to  innova te  and improve the control strategy, so that the performance of the combined system canbe comparable to the single module system. Therefore, this  dissertation studies a control strategy  that  can  realize  automatic hot pluggable  function,  including  twocontrol loops, to improve the system's reliability and ensure the system's voltage sharing.
  
  Due  to  the  requirement  of  voltage  sharing  characteristic  of  the  input  series output  parallel  system,  the  input  voltage  is  selected  as  the  control  object  of  the voltage  sharing  control  loop  to  ensure  the  precision  of  the  system's  voltage sharing. At the same time, the distributed control mode can be used to realize the good  dynamic  response  and  the  module  building  function,  reducing  the  research and  design  period.  The  output  control  loop  of  the  system  selects  voltage  control mode, to maintain the stability of the output voltage of the system. Meanwhile, it is  connected  into  the  automatic  master  slave  duty  cycle  mode,  to  improve  the reliability  of  the  output  control  loop.  The  output  of  the  two  control  loops  is superimposed,  to  adjust  the  duty  ratio  signals.  In  the  condition  of  the  stable system  output,  the  precision  of  the  system's  voltage  sharing  and  dynamic characteristics can be ensured.
  
  In  order  to  realize  the  automatic  hot  pluggable  function  of  the  system,  the detection  circuit  is  designed  in  the  input  of  each  module,  which  can  be  quickly detected  and  removed  after  the  failure  of  the  module.  Meanwhile,  the  voltage sharing  control  loop  is  automatically  adjusted  according  to  the  number  of remaining  normal  modules  to  ensure  a  proper  voltage  control.  In  addition,  in view  of  the  problems  that  may  be  encountered  in  practical  applications,  such  as the effect of parameter mismatch and the mode of detection and removal after the module  fault,  the  analysis  and  applicability  are  given  to  all  control  strategies.
  
  And  also,  a  calculation  method  for  the  system  to  withstand  voltage  and  current pressures after the fault removal is studied, so as to facilitate the selection of the appropriate  devices  and  module  quantity,  to  improve  the  reliability  and anti-interference capability of the whole power supply system. In  view  of  the  above  contents,  this  dissertation  derives  the  corresponding theoretical  derivation  by  establishing  the  mathematical  model,  and  uses  the simulation  software  SIMPLIS  to  verify  it  from  the  time  domain  and  the frequency  domain  under  various  conditions.  In  the  last  two  chapters,  the hardware  platform  is  built,  and  the  feasibility  of  the  control  strategy  is  verified by  experiments.  In  the  simulation  and  experiment,  the  control  strategy  is compared  with  the  same  duty  cycle  control  strategy  under  the  conditions  of steady  and  dynamic,  and  the  completion  of  the  proposed  control  strategy  is verified.
  
  Keywords:    high  voltage  input,  series  parallel  connection  technology,  control strategy, hot swap。
  
  第 1 章  绪 论
 
  
  1.1、课题背景及研究的目的与意义。

  
  此 课 题 来 源 于 深 圳 基 础 研 究 ( 学 科 布 局 ) 项 目 ( 编 号 :JCYJ20170413112018620)。在电力系统中,高压输电线路是必不可少的基础设施,如果其处于异常工作状态,将直接影响整个系统的稳定运转。同时,倘若输电线路发生故障不能及时发现和处理,将会影响生活和生产,造成巨大的损失。由于高压输电线路分布范围广、所处环境多样复杂、外界影响因素多,较容易发生故障,因此有必要对线路上的重要设备进行在线监测,使工作人员时刻了解其工作状态,以达到对故障点及时处理的目的。近年来智能电网高速发展,它的重要组成部分之一智能输电线逐渐引起人们的关注,现在已成为输电线路未来的发展方向[1]。要想构建智能输电线路,则需要在各关键工作点安装必要的检测装置,这些装置的供电特性是电压低,功率需求小,但是在高压输电线路分布的大部分范围很少有低压电源。因此,如何在高压环境中给低压电力设备供电是限制智能输电线发展的重要难点[2]。目前采用的解决办法主要有使用风能或太阳能和蓄电池结合供电[3]、采用电容或者互感器从高压母线上取低压供电[4-6]
  
  和采用降压直流变换技术等。第一种方法绿色环保,在光照或风充足和缺少光照或风的条件下都可以持续供电,但是这种供电方式寿命较低,成本高,不适用在需要长期能稳定运行的场合;第二种方法结构简单,不需要高成本来实现,但是可靠性达不到要求[7];第三种方法在柔性直流输电领域广泛应用,但是输入侧的高压导致器件和拓扑选择方面都存在困难[8]。因此,对于高压输电线路取能电源的研究具有深远的现实意义,其所代表的高压输入DC-DC变换器是本文的主要研究对象。
  
  高压输电线路上的电压通常可至万伏,在这种场合无法使用传统的电源拓扑。因为首先找不到适用于这么高电压等级的功率元件;其次传统的拓扑无法很好的实现如此大的电压降比;最后在不同段的高压输电线路,由于线路上的电压不同,需要重新设计拓扑的结构和参数,与商业化的理念相悖。
  
  电力电子集成技术的出现为科研人员提供了新的研究方向,其中的关键技术模块串并联已在多种场合广泛应用。输入侧串联输出侧并联的系统结构不仅可以很好地解决输入高压所带来的一系列隐患和难题,而且其集成和扩容方面的特性,也适用于有多种输入电压的情况。因此,多电源模块系统可以很好地解决高压取能中的技术难题。本文以输入侧串联输出侧并联结构(ISOP)为主要对象,重点对其控制策略进行研究,提出性能更加优越的运行方案。
  
  1.2、国内外研究现状。
  
  1.2.1、高压输入的DC/DC变换技术研究现状。
  
  1.2.1.1、器件串联应用 。

  
  如果输入电压较高,功率器件耐压等级不能承受时,一种解决途径是将多个功率器件串联在一起,共同承担较高的电压,每个器件承担额定范围内的电压值,这样就可以在电压高的场合使用耐压较低而其他特性优秀的电力器件。但是这种办法的缺点也十分显着,在多个器件串联工作的时候,需要保证每个器件各项参数完全一致,否则容易造成分压不均而使器件损坏[9];并且在工作过程中,需要保证所有器件同时开通或关断,否则也容易对器件造成损坏。但是,实际生产中每个器件的各项参数难免存在差异,同时控制开通和关断的信号也难免存在相应的延迟,所以在实际操作中,无法直接将多个器件串联在一起使用。
  
  常用的避免各个器件分压不均的方法主要有四种,如图1-1、图1-2所示。
  
  (1)无源控制电路在每个器件上并联无源缓冲电路:由电阻、电容和二极管等组合而成,通过改善开通和关断瞬间器件的电压和电流特性,来实现电压均衡[10]。
  
  (2)有源控制电路由电阻、电容和二极管连接在一起构成,用电阻串联实现器件的稳态电压均衡,用电容串联实现器件的动态电压均衡[11]。
  
  
  
  利用电压过高二极管被击穿的性能,给驱动信号上加入一个额外的信号,实现控制均压。
  
  (4)平衡磁芯控制电路将各个器件的驱动信号通过平衡磁芯相耦合,通过设计平衡磁芯的电感值来保证器件的开关时刻相同,门级电流也相同,最终实现对各个器件的电压均衡控制[12]。
  
  
  
  这四种解决方法各有优缺点:无源控制方法降低了器件的开通和关断速度,从而减小由于器件参数差异引起的电压不均衡问题。但是同时也限制了频率,导致器件只能在相对低频条件下工作,还会产生额外的损耗,体积也相对较大;有源控制方法控制电路较为复杂,虽然对开关损耗和开关时间没有额外影响,但是该种方法的稳定性随着电路器件数量的增加而减小;第三种钳位电路控制方法的效率较低,这主要因为第一个钳位器件在其他器件关断之前,器件两端的电压和流经它的电流比较大,所以加大了第一个钳位器件的损耗[13,14];平衡磁芯控制方法可以较为稳定地实现多个器件串联均压,但是其每个器件的驱动电路都添加了额外的磁性元件,导致驱动电路变得复杂,同时也增大了体积。
  
  【由于本篇文章为硕士论文,如需全文请点击底部下载全文链接】
  
  1.2.2、输入串联输出并联系统控制策略研究现状
  1.2.3、国内外文献综述及简析
  1.3 、本文主要研究内容
  
  第2章、ISOP系统自动热插拔控制策略的研究
  
  2.1、引言
  2.2、模块平均工作条件
  2.3、热插拔关键问题分析
  2.3.1、检测故障方式
  2.3.2、切除故障模块方式.
  2.4、控制策略工作原理分析
  2.4.1、稳态工作原理
  2.4.2、动态工作原理
  2.5、本章小.
  
  第3章、多模块系统建模与参数失配影响分析
  
  3.1、引言
  3.2、环路小信号建模
  3.2.1、单模块工作原理分析.
  3.2.2、系统环路小信号建模.
  3.3、参数不匹配对均压特性影响的分析
  3.3.1、电容参数不匹配
  3.3.2、变压器参数不匹配
  3.4、热插拔浪涌电流计算
  3.5、本章小结.
  
  第4章、输入和输出控制环路设计与仿真分析
  
  4.1、引言
  4.2、环路补偿器设计
  4.2.1、输出电压环补偿设计
  4.2.2、输入均压环补偿设计
  4.3、仿真结果分析
  4.3.1、各模块参数一致时的仿真分析
  4.3.2、各模块参数不一致时的仿真分析.
  4.3.3、 自动热插拔功能的仿真分析
  4.4、本章小结.
  
  第5章、三模块ISOP系统设计与实验结果分析
  
  5.1、引言
  5.2、主电路参数设计.
  5.3、实验结果分析
  5.3.1、系统稳态均压性能验证
  5.3.2、系统动态均压特性验证
  5.3.3、系统自动热插拔性能验证
  5.4、本章小结

  结  论

  本文主要对多模块输入串联输出并联系统的控制策略进行了研究,针对现有控制策略均压特性和可靠性方面的不足之处,研究了一种兼具高均压精度、高动态响应和高可靠性的自动热插拔控制策略,达到在参数失配时仍然保证精准的均压精度和高均压动态响应,以及模块故障时可自动热插拔处理,保证剩余系统继续以良好特性运行的目标,并通过仿真和实验进行评测,取得良好效果。本文通过研究工作可以得出以下结论:

  (1)针对ISOP系统平均工作的基本条件,本文分析了两种控制对象(输入电压和输出电流)的内在联系,并对比了控制效果,得出控制输入均压能实现更好的均压精度和动态响应速度的结论。

  (2)针对现有控制策略可靠性不足的问题,本文研究的控制策略在实现平均工作的基础上,添加了自动热插拔功能,以便于故障发生后的自动处理。输入均压环路可以在故障切除后自动调整均压母线的参考值,控制剩余系统继续工作在输入均压状态。在热插拔实现过程中,与传统的输入电容电压检测方式相比,本文采用MOSFET工作状态检测方式,缩短了检测时间,避免了故障模块电压过高带来的一系列问题。

  (3)针对实际应用中可能出现的参数不匹配和故障情况,本文重点在电容和变压器参数不匹配时,对系统均压特性的影响进行分析,并给出了计算方式,从中可以得出本文研究的控制策略可以很好的抑制其干扰。此外,在发生故障后热插拔过程中,本文分析了浪涌电流的组成部分并给出其大小和衰减时间的计算公式,以便于对系统参数的正确设计。

  (4)完成了对本文研究控制策略的仿真和实验测试,在稳态和动态条件下均能实现平均工作,并验证了前三点的理论分析和计算公式;此外,在不同条件下与同占空比策略进行对比,验证了在均压精度、动态响应和高可靠性方面很好的完成了本文的研究目标。

  综上,本文研究的控制策略具有良好的均压精度和动态响应性能,而且在发生故障的情况能够在系统不退出工作的基础上快速处理,剩余模块系统可以继续保持良好的性能运行,实现自动热插拔功能,可靠性得到大幅提高。

  但由于仿真和实验都是在较理想情况下进行,课题仍遗留一些问题有待解决:主要包括线路庞杂,在运行时存在严重的EMI。对采样、比较以及传输环节造成干扰,以及故障检测方式有待进一步改进。

  参考文献

  原文出处:多电源模块串并联系统控制策略的研究[D]. 张博涵.哈尔滨工业大学 . 2018
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