双均流母线的均流电路及其控制方法

张强，张敬南，姚绪梁，霍虹

(哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨150001)

当多个直流电源并联运行时，为了充分利用每一个电源的有效容量，同时也为了提高运行的安全性和可靠性，需要通过采用均流技术，来合理地分配每个电源所承担的负载电流。

现有的均流控制方法［1-7］按照电源间是否存在联系可分为有源均流法和下垂均流法。在有源均流法中，并联运行的各个电源通过一条均流母线建立起相互间的联系，根据均流母线与电源的连接方式的不同，有源均流法又可以具体分为主从均流法、外加均流控制器均流法、平均电流均流法和最大电流均流法等多种方法［8-10］。但是现有的这些有源均流方法都存在有一定的不足:

1)在主从均流法中，主从电源间必须相互通讯，致使系统结构复杂。

2)外加均流控制器均流法需要外加一个均流控制器，其缺点与主从均流法近似。

3)平均电流均流法虽然可以精确地实现均流，但是当均流母线发生短路，或接在均流母线上的一个电源不能工作时，各个电源输出电压将下调，对负载的正常运行带来负面影响。

4)最大电流均流法由于主从电源总是处于不断的切换中，会导致各个电源的输出电流产生低频振荡，并且会产生过电压现象。

上述缺陷的存在，致使有源均流法在实际中的应用范围有限，并且对并联运行的直流电源系统的整体性能也会带来不利影响。为了提升有源均流法的均流效果，以最大电流均流法为依据，通过对其硬件电路进行改进，提出了双均流母线均流电路及其控制方法。

1 双均流母线均流电路

多个并联运行的直流电源，采用本文所提出的双均流母线均流电路和控制方法时，其硬件结构框图如图1所示。

图1 采用双均流母线均流电路的并联直流电源结构框图Fig.1 Connection diagram of DC power supplies with double current-sharing buses circuit

图1中每一个直流电源的输出都与直流母线相连，内部的均流控制电路都与均流母线1和均流母线2相连。双均流母线均流电路与现有其他均流电路相比，区别主要体现在其所特有的2条均流母线和均流信号生成电路等几个方面。以其中的一个直流电源为例，实现双均流母线均流控制的具体硬件电路如图2所示。

图2所示的电路中，电压传感器VT1用于检测直流电源的输出电压，并产生电压反馈信号Uout馈入A/D转换电路;电流传感器CT1用于检测输出电流的大小，并产生电流反馈信号Iout，电流反馈信号Iout一方面被送入A/D转换电路，另一方面被送入均流信号生成电路;均流信号生成电路由二极管D1、D2，运算放大器 A1，电阻 R1、R2、R3、R4构成;运算放大器 A1和电阻 R1、R2、R3、R4接成放大电路;二极管D1的阳极接电流传感器CT1的输出，同时通过电阻R1接至运算放大器A1的负输入端，二极管D1的阴极接均流母线1，同时通过电阻R2接至运算放大器A1的正输入端;二极管D2的阳极接运算放大器A1的输出，二极管D2的阴极接均流母线2。由于并联运行的所有直流电源都将各自电流传感器输出的电流信号通过各自的二极管D1与公共的均流母线1连接在一起，根据二极管的工作特性可知，只有输出电流最大的直流电源才能将自己的输出电流信号通过二极管送到均流母线1上，而在其他的直流电源中，二极管D1处于反向截止状态，所以均流母线1上的信号始终为最大输出电流信号Imax。二极管D1两端的电压差通过运算放大器A1和二极管D2送至均流母线2，运算放大器A1正常情况下作为跟随器使用，即放大倍数为1，但为了提高数据采集精度，也可接成放大器，放大倍数由电阻 R1、R2、R3、R4的阻值决定，具体计算方法与常规运算放大器相同。因为所有直流电源都将各自二极管D1两端的电压差信号通过各自的运算放大器和二极管D2送至公共的均流母线2，所以只有最大电压差信号才能送至均流母线2上。由于二极管D1的一端为最大电流信号，另一端为自身的输出电流信号，因此其2端的电压差表明了自身输出电流与当前最大输出电流的差值，即均流母线2上的信号始终为并联运行的直流电源中输出电流最大值与输出电流最小值的差值ΔImax。均流母线1上的最大电流信号Imax和均流母线2上的最大电流差信号ΔImax被共同送入A/D转换电路。

A/D转换电路将输出电压信号Uout、输出电流信号Iout、最大电流信号Imax和最大电流差信号ΔImax转换成数字信号后，传送至中央处理器(CPU)。CPU根据这些数据，按照一定的均流控制方法控制PWM生成电路产生PWM信号。PWM信号用于驱动直流电源中的电力电子器件，通过控制电力电子器件的开关状态，最终在输出电压满足直流电压母线需求的前提下，使自身的输出电流与其他直流电源输出电流近似相等，当误差满足均流精度要求，即实现了均流控制。

图2 双均流母线均流电路硬件电路图Fig.2 Hardware circuit diagram of double current-sharing buses circuit

2 均流算法

针对如何利用输出电压信号Uout、输出电流信号Iout、最大电流信号Imax和最大电流差信号ΔImax来实现高精度的均流控制进行了深入的研究，提出了以下2种具体的均流控制策略。

1)最小电流均流控制方法。在这种均流控制方法中，控制电路中的CPU根据A/D转换电路传送来的均流母线1和均流母线2上的信号，即最大电流值Imax和最大电流差值ΔImax，可以计算出在并联运行的所有直流电源中的输出电流最小值Imin，即Imin=Imax－ΔImax，并以该电流最小值Imin作为输出电流的基准值，来调节输出电流的大小。由于所有并联运行的直流电源都以Imin为输出电流基值，除实际输出电流值等于最小值的直流电源外，其他直流电源的输出电流都要向下调节，在动态调节过程中，输出电流最小值Imin是不断变化的，但是随着调节过程的持续，所有直流电源的输出电流都会最终趋近于某一个逐渐稳定的电流最小值Imin。当每一个直流电源的输出电流Iout与Imin的误差都满足均流精度要求时，即实现了并联运行的直流电源间的均流控制。

2)中间电流均流控制方法。在中间电流均流控制方法中，每个直流电源的CPU根据最大电流值Imax和最大电流差值ΔImax计算出一个中间电流值Imid，Imid=Imax－ΔImax/2，并以Imid作为电流基准值，来调节输出电流的大小。输出电流大于中间电流值Imid的直流电源会减小其输出电流，而输出电流小于中间电流值Imid的直流电源会增加其输出电流。随着调节过程的持续，最大电流值Imax和最大电流差值ΔImax不断减小，电流中间值Imid也不断变化，但变化幅度逐渐减小，各个直流电源输出电流与Imid的差值也逐渐减小，当差值满足均流精度要求时，即实现了均流控制。

3 仿真验证

利用仿真软件对双均流母线均流电路及控制策略进行了仿真验证，并与现有的最大电流均流法在均流效果上进行了比较、分析。在仿真过程中，采用2个直流电源并联运行，直流电源电路为BUCK电路，器件参数和控制算法完全相同，通过改变电源内部线路阻抗参数的方法，验证均流控制效果。直流电源额定输出电压为100 V，负载等效电阻为3Ω。

图3所示为没有采用均流控制时，并联运行的2个直流电源输出电流的仿真波形。仿真结果表明，不采用均流控制时，2个电源输出电流波形的幅值存在明显的差异。

图3 没有均流控制的2个直流电源输出电流仿真波形Fig.3 DC power supply output current waveform results without current-sharing control

图4和图5分别为现有的最大电流均流法控制框图和仿真结果。图4及后续图中的Uref为输出电压给定值，即100 V，IL为BUCK电路中的电感电流，图中略去了各控制环中的限幅环节。

图6和图7分别为本文提出的最小电流均流法控制框图和仿真结果。图6中的控制环节“MIN”的作用是利用最大电流信号Imax和最大电流差信号ΔImax计算出一个最小电流信号Imin。

图4 最大电流均流法控制框图Fig.4 Control block diagram of the maximum current current-sharing control method

图8和图9分别为本文提出的中间电流均流法控制框图和仿真结果。图8中的控制环节“MID”的作用是利用最大电流信号Imax和最大电流差信号ΔImax计算出一个中间电流信号Imid。

图5 最大电流均流法仿真结果Fig.5 Simulation results of the maximum current current-sharing control method

图6 最小电流均流法控制框图Fig.6 Control block diagram of the minimum current current-sharing control method

图7 最小电流均流法仿真结果Fig.7 Simulation results of the minimum current current-sharing control method

图8 中间电流均流法控制框图Fig.8 Control block diagram of the intermediate current current-sharing control method

1)在最大电流均流法控制过程中，由于每一个直流电源的输出电流Iout总是小于或等于最大电流Imax，因此均流环只能设计成为比例控制环，致使该均流方法只能实现动态均流，均流过程中直流母线电压和直流电源的输出电流的幅值波动较大，其中直流母线电压的变化范围为99.5～107 V，2个直流电源输出电流的变化范围均在11.5～22.5 A。

2)最小电流均流法与最大电流均流法一样，在均流环节只能采取比例控制，致使该均流方法也只能实现动态均流，直流母线电压的变化范围为98～106 V，平均值低于最大电流均流法时的直流母线电压值。2个直流电源输出电流的变化范围主要在14～19 A，均流效果略好于最大电流均流法，但是均流过程中的电流最大和最小值仍能分别达到20 A和12 A左右。考虑到为了便于和最大电流均流法进行比较，在最大、最小电流均流法的仿真过程中，均流环的比例系数、电压和电流环的比例、积分系数取值均完全相同。

3)在中间电流均流法控制过程中，由于每一个直流电源的输出电流Iout与中间电流Imid的差值可正、负变化，因此均流环可以设计成为比例积分控制环节，即该均流方法能够实现稳态均流。均流仿真过程中直流母线电压的波动范围为99.5～101.5 V，2个直流电源输出电流的最大变化范围主要在14.5～18.5 A，均流效果明显好于最大电流均流法和最小电流均流法。

图9 中间电流均流法仿真结果Fig.9 Simulation results of the intermediate current current-sharing control method

4 实验验证

以DSP-TMS320F28335为控制核心，搭建了2个结构相同的BUCK型直流电源，对最大电流均流法和双母线均流法进行了实验验证。主电路中开关器件选用的是 IGBT，其型号为FF400R33KF2C，电路中的电感L=5 mH，电容C=470μF，额定输出电压为100 V，负载等效阻值为3Ω。其中双均流母线均流控制采用的是中间电流值均流法。

图10(a)为最大电流均流法控制过程中，通过电流传感器采集到的2路输出电流波形(电流传感器输出的电压信号)，可以看出在均流控制下，2个电源输出电流的波形包络线基本重合，即实现了均流控制，但是在均流过程中，电流幅值变化较大。图10(b)为最大电流均流法控制过程中直流母线电压波形。由于受到均流控制的影响，直流母线电压平均值为101 V，高于额定值100 V，且电压波形中存在有较多的“毛刺”。

图11(a)为双均流母线均流法控制过程中，通过电流传感器采集到的2个电源输出电流波形(电流传感器输出的电压信号)，可以看出采用双均流母线均流法后，2个直流电源的输出电流波形基本重合，且不存在明显的波动。实现了稳态无误差均流。图11(b)为双均流母线均流法控制过程中直流母线电压波形，电压波形平稳，没有明显的波动，幅值的平均值为100.05 V，与额定电压100 V之间的误差为0.05%。

图10 最大电流均流法实验验证波形Fig.10 Experimental waveform of the maximum current current-sharing control method

图11 双均流母线均流法实验验证波形Fig.11 Experimental waveform of the intermediate current current-sharing control method

5 结论

仿真分析和实验验证表明，提出的“双均流母线均流电路及其控制方法”，具有以下特点和创新性:

1)双均流母线结构，不仅为控制电路中的CPU提供了所有并联运行直流电源输出电流中的最大电流值Imax，而且还提供了现有各种均流控制硬件电路所无法提供的最大电流差信号 ΔImax，从而使CPU可以更好地了解当前系统的运行状况，为均流控制方法的制定提供了更为精准的依据。

2)与现有的最大电流均流法相比，在最小电流均流法中，并联运行的各个直流电源是以最小输出电流为基准来调节自身的输出电流，即通过降低输出电压来减小输出电流。在各控制环节的P、I参数选取适当的前提下，均流过程中，各直流电源的输出电压应不大于额定电压，可避免出现最大电流均流法中的过电压现象，因而有利于提高直流电源系统和负载的可靠性和安全性。仿真结果中出现了过电压现象，是为了与最大电流均流法进行比较，故而没有对P、I参数予以优化。

3)采用中间电流均流法时，各个直流电源的输出电压都不会出现类似于最大电流均流法产生的过电压现象，都稳定在额定电压附近，从而有效提高了直流母线电压的精度和稳定性。

4)在最大电流均流法控制过程中，由于均流误差信号始终为正值，因此均流环只能采用比例控制，致使最大电流均流法只能实现动态均流，每一个电源输出的电流值总在一定范围内波动，波动范围的大小与均流环的比例系数有关。而在中间电流均流法控制过程中，均流误差信号正负变化，因此均流环可采用比例积分控制，进而实现了稳态均流控制，从根本上消除了输出电流的低频振荡，确保了每个电源的输出电流值都基本相等。

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