外文翻译译文-负载电流共享输出并联DC-DC转换器的改进下垂控制策略

负载电流共享输出并联DC-DC转换器的改进下垂控制策略V.P.Oberto,M.D.Depexe,T.C.NaidonandA.CamposGroupofIntelligenceinLighting(GEDRE)FederalUniversityofSantaMaria(UFSM)SantaMaria,97105-900,Brazilvictor.obertogedre.ufsm.br,camposct.ufsm.br摘要-这项工作提出了一种基于改进下垂控制方案技术N个输出组成的模块化电源并联DC-DC转换的新型均流控制技术。每个转换器通过个别线路电阻连接到负载并成为依赖电压源模型。为了提供适当的负载共享，通过负载电流控制器的输出调节主控制回路的参考电压。分布式电源的输出连接由三个降压转换器并联组成，设计用于75瓦发光二极管（LED）的街道照明装置是通过模拟来证明所测试的这个想法的可行性。关键词：分布式控制，DC-DC转换器，并行，电流共享。一、简介在过去的几十年中，使用多个转换器有的在电力电子设备实现几个性能指标中被标记为一个有价值的替代品，如冗余、改善热管理、模块化和更高的可靠性1。就目前，随着更严苛的负载的迅速增长，如电信系统中，要加强分布式计算机服务器和不间断电源的研究，例如主题2-5。分布式电源（DPS）是由多个DC-DC转换器的输入和输出串联或并联连接组成。其主要目的是在转换器之间分享同样（或按比例给其功率）的输出电流（单位并联输出）或输出电压（单位串联输出）。在实践中，连接器之间最佳输出共享的实现需要额外的控制辅助结构中的分布式电源。对于输出的特殊情况并联的转换器旨在分享输出电流，单个元件的容量差和不平衡的线路阻抗会产生严重的电流共享偏差，因此暴露一个或多个转换器过量的热应力，会增加他们的失败率6。在这种情况下，目前的一些共享策略开发在文献中示出的并联转换器，这样可以应用到减少单位间电流失衡的问题中。所谓无功电流共享是只使用输出电流调节内置的局部变量，而有源电流共享技术通常使用一个全局电流共享的控制战略78。在被动的技术，下垂控制策略9不需要控制器之间的互连控制，但有一些缺点，如减少输出1电压调节所需的下垂特性和由于并行的开环配置而导致的差分电流共享连接10。有功电流共享技术8可以由每个转换器或一个特定的控制器组成来掌管所有的动力装置单元。对于瞬态和稳定的状态活动技术具有更好的性能，但和无源均流策略相比，他们减少了模块化并提高了执行的复杂性。在这项工作中，作者提出对应用于输出并联连接的DC-DC转换器负载电流共享的改进下垂控制策略。每个转换器当作一个相关电压源，并连接到通过个别线路电阻的公共输出电压母线。本地输出电压通过反馈控制回路调节个别电压传感器。对于目前的共享调节，一个标准的下垂控制策略的使用和改进，通过使用一个负载电流传感器和一个电流反馈控制回路以调节在主控制回路输出电压基准。在第二节，完成了对现有转换器之间的电流共享设计控制策略进行了简要回顾。控制策略会在第三部分进行介绍。一个由三个并行转换器组成的DPS馈送的75WLED路灯照明灯具的仿真结果会用三种控制结构示出并在第四节进行比较。第五节提出的本文的结论。二、当前共享的控制策略综述为了更好地理解这项工作的主题和所提出的技术，无源和有源均流控制策略将在下一段落作出简要回顾。A.无源均流控制在由两个或多个电源变换器组成的电源与它们的输出并联连接时，每个转换器通过不同的线路连接到主负载总线阻抗。为了简化这项研究，这些线路阻抗在这里视为线阻力。考虑设置所描述的每个转换器的输出电流取决于所有线电阻的总和。如前面所述，单个元件容差可以起到一个显著的电流偏差的作用，特别是线电阻之间的不平衡。最初设计用于并联连接的转换器，下垂控制策略8-10是一个基于通过转换器测量电流，调整各自的参考输出电压反馈回路的无功电流共享策略。下垂控制电源的一个重要优点是没有转换器之间的控制互连，使得电源设计更加模块化，提高了系统的可靠性和冗余度。下垂策略的目标是调节局部的输出电压，利用所测得的输出电流，更好地实现电流共享，最糟糕的是在每个转换器的输出电压调节9。B.有源电流共享控制对于这种控制的实现，一个中心电流控制回路或控制器可用于程序中的每一个转换器的并联电源的电流基准。再者,一个单元可以作为当前编程的主单元它自己和从转2换器。其主要优点是使目前的共享率更加精确，而基本的缺点是增加了复杂的控制系统和一个或多个可能的故障点的存在（中央电流环或中央控制器），从而降低了电力供应的可靠性。更优越的电流共享技术将在8介绍，1113。三、提出控制策略A一个输出并联连接的DPS模型DC-DC变换器的设计是根据负载要求提供稳定的电压或电流。在DPS，每个转换器的输出可以表示为电压源或一个电流源。此外，连接和连接的可能性并联单元操作的约束在15进行描述。在同一个文件中，它表明，唯一的类型不需要中央控制器或主控制器的连接单位类型我配置。因此，为了实现所有在前一节中所描述的所需的要求每个转换器的稳态输出模型必须是通过和分析。在这项工作中，每个并联的转换器被建模为一个依赖的电压源，共同阻抗（简化为线性电阻）各单位连接到负载。图1示出由所引用的模型表示的一般的DPS，与输出电流，输出电压，对第i个转换器的输出电阻分别为Ii，Vi和Ri，负载电压和电流分别为Vo和Io。通过基尔霍夫电压定律，电压和电流每个分支被以下面的方式彼此相关：与两个转换器并联连接，其输出电流I1和I2定义为:图1输出并联连通DSP的一般模式对于三个并联连接的转换器，每个转换器的输出电流被发现后，一些代数操作（1）。因此，从（2）至（6），它遵循任何输出电流也从属于其它输出电压和线路阻抗的转换器和各线电阻引起的电压下降相应的转换器。了解这些限制和所选择的转换器3的输出模式，适当控制战略必须是开发验证的电源要求。B.负载和设计要求理解所提出的控制技术中，负载的特定要求，必须进行分析。为与负载电压源的行为，例如一个发光二极管（LED），需要一个稳定的电流，以提供所需的光通量14。因此，电源必须提供稳定的电流在稳态运行和拒绝任何电流干扰在输出中。LED驱动器是专门设计了一个电源电压源之间的接口（例如，电源电压）和一个LED灯。代替使用一个单一的转换器作为驱动的LED灯，一组相同的转换器的设计并在此工作测试。这项工作主要侧重于介绍对于分布式电源提出的控制策略施加到负载与电压源的行为，而不是在特别的益处或用于特定应用的缺点。鉴于这些要求，分布式电源与所提出的控制策略的主要目标是供应调节的电流到一个街道照明灯具由40个LuxeonRebel品牌LXML-PWN1-0100的LED串联连接。发光二极管的基本电路模型为用于确定夹具的工作点。因此，在为了提供所需的电流的0.6个灯，一个126.4伏电压必须应用于其终端。C功率级设计为负载给定的所需要求，在下一步骤DPS的发展是功率级设计。众所周知的降压转换器拓扑结构在连续导通工作模式（CCM）被选为功率级结构的电源转换器。考虑到在60赫兹频率的220V输入电压主对于DPS，311V的连续峰值电压Vin使用作为转换器输入电压。标称占空比Dnom被确定为输出电压之间的比值和输入电压，而选择开关频率fs-i对的脉冲宽度调制（PWM）单元的值转换器是40kHz。LED的发光效率直接依赖的正向电流纹波中的装置17。如在同一个所述研究中，50的负载电流纹波在这里被用作一个参数对于电源设计。因此，持久的LED具有高4发光效率驱动可开发，避免使用电解电容。为了提高可靠性和模块化，DPS的必须有集中组件，例如额外的最少数量的控制器或传感器。此外，必须在本冗余一个或多个转换器的情况下失败，通过使剩余的单位承担了次品产生的功率份额。因此，DPS将由三个相同的和组成独立输出并联的降压转换器。对于此的DPS的拓扑结构，负载电流的总和每个转换器的电流。假设最坏的情况下方案，其中所有的输出电流的相位与每个其他允许每个转换器的最大电流纹波I-out-max-i最大我被选择为下16.67，产生了最高50的负载电流纹波。根据14，一个9.81输出电压的变化描绘了100的变化灯的正向电流。因此，随着期望的最大I-out-max-i16.67以下，最大V-out-max-i必须在1.6353以下被保留。如下，降压转换器的设计完成根据16。降压电感器Lb-i和输出电容器Cb-i下面来分别计算：D.局部反馈控制回路在功率级设计之后，开发主控制回路的每个转换器。在这个循环中，一个典型的反馈输出电压基准电压和测量输出的电压。控制器,提供控制vref-i(s)vmed-i(s)Cvd-i(s)信号旨在最小化误差,另外，在每个转换器的输出采用电流滤波器uv-i(s)verr-i(s)Hi-i(s)。设计降压转换器的传递函数，显示如下（9）:Gv-i(s)是选择的配置和操作点的灯的动态电阻。Rlamp的频率响应如下图中2所示，该工厂具有一个稳定的开环响应，在55.1kHz下Gv-i(s)有80.2度的相位裕度和无限的裕度增益。5波特图频率（Hz）图2转换器的输出电压的波特图比例积分微分（PID）补偿器被设计在MATLABSISOTool软件中和用于每个转换器，传递函数(s)的表达式在（10）。大于60度和40分贝的相位裕量和增益裕Cv-i量，分别被认为是为控制器项目的要求。所设计的控制器的闭环降压转换器的频率响应被描述在图3如下。获得62.9分贝的增益裕度为18千赫和222赫兹的相位裕度相当于86.9度。6图3闭环变换器的频率响应图4改进下垂控制策略原理(i工厂模式转换器Gv_i(s)E.传统的下垂控制设计为了最大限度地减少在并联连接的转换器之间的电流共享误差，传统的下垂控制设计首先应用。从输出，与下垂增益一起,提供了一种信号用于调Hi-i(s)kdr-ivdr-i(s)节电压基准在用于各个变换器主循环。下垂增益值()被选为显示下vref-i(s)kdr-i=1垂控制功能。为最佳的电流共享精度和整体系统的稳定性，这些收益可以设置为不同的值。F.改进下垂控制设计对于所提出的控制策略，一个额外的反馈回路被添加到传统的下垂控制策略设计。电流传感器用于测量和过滤负载电流,从而提供一个误差(s)Hi-load(s)iload(s)ierr-i过滤负载电流之间的和负载电流参考。这个错误被馈送到电流调节ifilt-load(s)iref-load(s)器,它提供了一个输出设计调整电压基准在主控制循环。Ci-i(s)ui-i(s)vref-i(s)这样，当灯电流不等于所需的参考，每个转换器的电压基准由各自的信号单独调7整,因此，任何可能发生的电压降之间的主要电压总线和操作转换器没有损害分ui-i(s)散的当前共享模式提供传统下垂控制策略。一个转换器的改进下垂控制回路的完整图块如图4所示，电流控制器,必须Ci-i(s)最小化误差(s)，因而积分补偿的目的是要实现这个目标。这种控制器的传递函数ierr-i（11）中被描述。表一列出设计的控制和电路参数。低通滤波器，和Hi-i(s)Hv-i（s）被用来测量变量的高频含量最小化。Hi-lamp(s)表1DSP参数组件规范值1.DC-DC转换器Lb_i降压电感11.3mHCb_i降压电容31.856FRi线路电阻0.5,1.0,1.5Lb_i降压电感18.3mHCb_i降压电容4.7pFRi线路电阻0.5,1.0,1.5fs_i开关频率40KHzVin输入峰值电压311V2.负荷nLED灯中发光二极管的个数40Vf_LED正向电压2.85VRLED发光二极管动态电阻0.51668Rlamp灯的动态电阻20.6443.主回路控制器。vref_i输出电压参考126.4VCv_i(s)电压控制器Eq.(10)4.参考调整块iref_load输出电流参考0.6ACi_i(s)电流控制器Eq.(11)kdr_i下垂的收益14.1低通滤波器Fc_lpf_i截止频率4kHzkLpf_i滤波器的增益1相对于传统的下垂控制策略，在这项工作中提出了改进的控制回路只需要在每个转换器的额外反馈环路和一个电流传感器位于装载。电流传感器必须广播对存在于所有转换器所测得的负载电流进行适当的电流调节电源。四.仿真结果为了证明所提出的控制策略的可行性，仿真结果PSIM软件获得R级设计的DPS馈送LED灯。其改进的下垂控制回路和全分布式电源供给灯一个降压转换器分别示于图5和图6。9Dc-dc降压变换器控制环（提高下垂控制方法）图5PSIM中降压转换器和控制原理图6PSIM分布式电源供电和LED灯具对于转换器和负载电流的启动行为只采用当地电压分布式电源补偿示于图7，考虑失衡线电阻之间、转换器之间的电流共享由缺乏在各专用的电流控制的处置单元。由于只有一个电压闭环控制每转换器所使用，每个单元不能补偿由个别线阻抗的电压降，从而损害个体和负载电流调节。10图7PSIM中没有电流共享控制的输出电流（启动）图8PSIM中不流控制DPS输出电流（稳态）图9所示，使传统的下垂控制分（本地输出电流测量）在t=0.4s描绘的DPS在电流行为的变化。转换器的电流偏差最小化的成本较低的负载电流调节。图9使传统下垂控制回路（0.4秒）和输出电流的供应行为如图10所示提供了一个负载扰动（一个LED短路在t=0.4s）在DPS与传统的下垂控制。正如所预测的，功率转换器不能调节其输出电流，在灯电流造成了严重的增加。11图10一个短路的LED在t=0.4s为DPS输出行为分析负载扰动短路（与传统的下垂控制）在图11中，输出启动行为的转换器和负载电流的分布式电源采用改进下垂控制策略。控制策略提供所需的分布式电源的启动，同时最大限度地减少转换器当前的共享偏差。图11PSIM下DPS输出电流（启动）改进下垂控制实现下一步，稳定状态的电源电流在图12中详细说明。可以观察到，每一个转换器的额外电流环路补偿在各自的线路电阻的电压降，提供电流调节，同时仍保持所需的模块化的系统。图12PSIM下DPS输出电流（稳态）改进下垂控制实现12在这里，一个LED是在t=0.8s代表系统中的负载扰动短路。电流波形如图13所示。改进的控制回路能够抑制干扰，从而使电流跟踪适当的值，以便将负载电流保持在所需的幅度。图13一个短路的L