高压直流输入串并联系统的自动热插拔控制策略

1、高压直流输入串并联系统的自动热插拔控制策略摘要日前，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。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

2、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

3、、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。Abstr

4、actInthefieldsofpowersystemandspacepowersupplysystem,the application of HVDC technology is increasing day by day. The traditional power topologyisdifficultytobeusedintheseapplicationmainlyduetotheissuesof systeminsulationandtopologicalreliability.Modula rseriesparalleltechnologycansolveaseriesofprob

5、lemscausedbyhighvoltage,whichhasbeenwidely usedinthehighinputvoltageenvironment.Nowadays,themainresearchofthe currentseriesandparalleltechnologyofstandardmodulesistoinnova teand improve the control strategy, so that the performance of the combined system canbe comparable to the single module system.

6、 Therefore, thisdissertation studies a control strategythatcanrealizeautomatic hot pluggablefunction,includingtwocontrol loops, to improve the system s reliability and ensure the system s voltage sharing.Duetotherequirementofvoltagesharingcharacteristicoftheinputseries outputparallelsystem,theinputv

7、oltageisselectedasthecontrolobjectofthe voltagesharingcontrollooptoensuretheprecisionofthesystem svoltage sharing. At the same time, the distributed control mode can be used to realize the gooddynamicresponseandthemodulebuildingfunction,reducingtheresearch anddesignperiod.Theoutputcontrolloopofthesy

8、stemselectsvoltagecontrol mode, to maintain the stability of the output voltage of the system. Meanwhile, it isconnectedintotheautomaticmasterslavedutycyclemode,toimprovethe reliabilityoftheoutputcontrolloop.Theoutputofthetwocontrolloopsis superimposed,toadjustthedutyratiosignals.Intheconditionofthe

9、stable systemoutput,theprecisionofthesystem svoltagesharinganddynamic characteristics can be ensured.Inordertorealizetheautomatichotpluggablefunctionofthesystem,the detectioncircuitisdesignedintheinputofeachmodule,whichcanbequickly detectedandremovedafterthefailureofthemodule.Meanwhile,thevoltage sh

10、aringcontrolloopisautomaticallyadjustedaccordingtothenumberof remainingnormalmodulestoensureapropervoltagecontrol.Inaddition,in viewoftheproblemsthatmaybeencounteredinpracticalapplications,suchas the effect of parameter mismatch and the mode of detection and removal after the modulefault,theanalysis

11、andapplicabilityaregiventoallcontrolstrategies.Andalso,acalculationmethodforthesystemtowithstandvoltageandcurrent pressures after the fault removal is studied, so as to facilitate the selection of the appropriatedevicesandmodulequantity,toimprovethereliabilityand anti-interference capability of the

12、whole power supply system. Inviewoftheabovecontents,thisdissertationderivesthecorresponding theoreticalderivationbyestablishingthemathematicalmodel,andusesthe simulationsoftwareSIMPLIStoverifyitfromthetimedomainandthe frequencydomainundervariousconditions.Inthelasttwochapters,the hardwareplatformisb

13、uilt,andthefeasibilityofthecontrolstrategyisverified byexperiments.Inthesimulationandexperiment,thecontrolstrategyis comparedwiththesamedutycyclecontrolstrategyundertheconditionsof steadyanddynamic,andthecompletionoftheproposedcontrolstrategyis verified.Keywords:highvoltageinput,seriesparallelconnec

14、tiontechnology,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

15、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

16、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

17、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。、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

18、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

19、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

20、，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。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

21、、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

22、.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