雙均流母線的均流電路及其控制方法

張強，張敬南，姚緒梁，霍虹

(哈爾濱工程大學自動化學院，黑龍江哈爾濱150001)

當多個直流電源并聯運行時，為了充分利用每一個電源的有效容量，同時也為了提高運行的安全性和可靠性，需要通過采用均流技術，來合理地分配每個電源所承擔的負載電流。

現有的均流控制方法［1-7］按照電源間是否存在聯系可分為有源均流法和下垂均流法。在有源均流法中，并聯運行的各個電源通過一條均流母線建立起相互間的聯系，根據均流母線與電源的連接方式的不同，有源均流法又可以具體分為主從均流法、外加均流控制器均流法、平均電流均流法和最大電流均流法等多種方法［8-10］。但是現有的這些有源均流方法都存在有一定的不足:

1)在主從均流法中，主從電源間必須相互通訊，致使系統結構復雜。

2)外加均流控制器均流法需要外加一個均流控制器，其缺點與主從均流法近似。

3)平均電流均流法雖然可以精確地實現均流，但是當均流母線發生短路，或接在均流母線上的一個電源不能工作時，各個電源輸出電壓將下調，對負載的正常運行帶來負面影響。

4)最大電流均流法由于主從電源總是處于不斷的切換中，會導致各個電源的輸出電流產生低頻振蕩，并且會產生過電壓現象。

上述缺陷的存在，致使有源均流法在實際中的應用范圍有限，并且對并聯運行的直流電源系統的整體性能也會帶來不利影響。為了提升有源均流法的均流效果，以最大電流均流法為依據，通過對其硬件電路進行改進，提出了雙均流母線均流電路及其控制方法。

1 雙均流母線均流電路

多個并聯運行的直流電源，采用本文所提出的雙均流母線均流電路和控制方法時，其硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 采用雙均流母線均流電路的并聯直流電源結構框圖Fig.1 Connection diagram of DC power supplies with double current-sharing buses circuit

圖1中每一個直流電源的輸出都與直流母線相連，內部的均流控制電路都與均流母線1和均流母線2相連。雙均流母線均流電路與現有其他均流電路相比，區別主要體現在其所特有的2條均流母線和均流信號生成電路等幾個方面。以其中的一個直流電源為例，實現雙均流母線均流控制的具體硬件電路如圖2所示。

圖2所示的電路中，電壓傳感器VT1用于檢測直流電源的輸出電壓，并產生電壓反饋信號Uout饋入A/D轉換電路;電流傳感器CT1用于檢測輸出電流的大小，并產生電流反饋信號Iout，電流反饋信號Iout一方面被送入A/D轉換電路，另一方面被送入均流信號生成電路;均流信號生成電路由二極管D1、D2，運算放大器 A1，電阻 R1、R2、R3、R4構成;運算放大器 A1和電阻 R1、R2、R3、R4接成放大電路;二極管D1的陽極接電流傳感器CT1的輸出，同時通過電阻R1接至運算放大器A1的負輸入端，二極管D1的陰極接均流母線1，同時通過電阻R2接至運算放大器A1的正輸入端;二極管D2的陽極接運算放大器A1的輸出，二極管D2的陰極接均流母線2。由于并聯運行的所有直流電源都將各自電流傳感器輸出的電流信號通過各自的二極管D1與公共的均流母線1連接在一起，根據二極管的工作特性可知，只有輸出電流最大的直流電源才能將自己的輸出電流信號通過二極管送到均流母線1上，而在其他的直流電源中，二極管D1處于反向截止狀態，所以均流母線1上的信號始終為最大輸出電流信號Imax。二極管D1兩端的電壓差通過運算放大器A1和二極管D2送至均流母線2，運算放大器A1正常情況下作為跟隨器使用，即放大倍數為1，但為了提高數據采集精度，也可接成放大器，放大倍數由電阻 R1、R2、R3、R4的阻值決定，具體計算方法與常規運算放大器相同。因為所有直流電源都將各自二極管D1兩端的電壓差信號通過各自的運算放大器和二極管D2送至公共的均流母線2，所以只有最大電壓差信號才能送至均流母線2上。由于二極管D1的一端為最大電流信號，另一端為自身的輸出電流信號，因此其2端的電壓差表明了自身輸出電流與當前最大輸出電流的差值，即均流母線2上的信號始終為并聯運行的直流電源中輸出電流最大值與輸出電流最小值的差值ΔImax。均流母線1上的最大電流信號Imax和均流母線2上的最大電流差信號ΔImax被共同送入A/D轉換電路。

A/D轉換電路將輸出電壓信號Uout、輸出電流信號Iout、最大電流信號Imax和最大電流差信號ΔImax轉換成數字信號后，傳送至中央處理器(CPU)。CPU根據這些數據，按照一定的均流控制方法控制PWM生成電路產生PWM信號。PWM信號用于驅動直流電源中的電力電子器件，通過控制電力電子器件的開關狀態，最終在輸出電壓滿足直流電壓母線需求的前提下，使自身的輸出電流與其他直流電源輸出電流近似相等，當誤差滿足均流精度要求，即實現了均流控制。

圖2 雙均流母線均流電路硬件電路圖Fig.2 Hardware circuit diagram of double current-sharing buses circuit

2 均流算法

針對如何利用輸出電壓信號Uout、輸出電流信號Iout、最大電流信號Imax和最大電流差信號ΔImax來實現高精度的均流控制進行了深入的研究，提出了以下2種具體的均流控制策略。

1)最小電流均流控制方法。在這種均流控制方法中，控制電路中的CPU根據A/D轉換電路傳送來的均流母線1和均流母線2上的信號，即最大電流值Imax和最大電流差值ΔImax，可以計算出在并聯運行的所有直流電源中的輸出電流最小值Imin，即Imin=Imax－ΔImax，并以該電流最小值Imin作為輸出電流的基準值，來調節輸出電流的大小。由于所有并聯運行的直流電源都以Imin為輸出電流基值，除實際輸出電流值等于最小值的直流電源外，其他直流電源的輸出電流都要向下調節，在動態調節過程中，輸出電流最小值Imin是不斷變化的，但是隨著調節過程的持續，所有直流電源的輸出電流都會最終趨近于某一個逐漸穩定的電流最小值Imin。當每一個直流電源的輸出電流Iout與Imin的誤差都滿足均流精度要求時，即實現了并聯運行的直流電源間的均流控制。

2)中間電流均流控制方法。在中間電流均流控制方法中，每個直流電源的CPU根據最大電流值Imax和最大電流差值ΔImax計算出一個中間電流值Imid，Imid=Imax－ΔImax/2，并以Imid作為電流基準值，來調節輸出電流的大小。輸出電流大于中間電流值Imid的直流電源會減小其輸出電流，而輸出電流小于中間電流值Imid的直流電源會增加其輸出電流。隨著調節過程的持續，最大電流值Imax和最大電流差值ΔImax不斷減小，電流中間值Imid也不斷變化，但變化幅度逐漸減小，各個直流電源輸出電流與Imid的差值也逐漸減小，當差值滿足均流精度要求時，即實現了均流控制。

3 仿真驗證

利用仿真軟件對雙均流母線均流電路及控制策略進行了仿真驗證，并與現有的最大電流均流法在均流效果上進行了比較、分析。在仿真過程中，采用2個直流電源并聯運行，直流電源電路為BUCK電路，器件參數和控制算法完全相同，通過改變電源內部線路阻抗參數的方法，驗證均流控制效果。直流電源額定輸出電壓為100 V，負載等效電阻為3Ω。

圖3所示為沒有采用均流控制時，并聯運行的2個直流電源輸出電流的仿真波形。仿真結果表明，不采用均流控制時，2個電源輸出電流波形的幅值存在明顯的差異。

圖3 沒有均流控制的2個直流電源輸出電流仿真波形Fig.3 DC power supply output current waveform results without current-sharing control

圖4和圖5分別為現有的最大電流均流法控制框圖和仿真結果。圖4及后續圖中的Uref為輸出電壓給定值，即100 V，IL為BUCK電路中的電感電流，圖中略去了各控制環中的限幅環節。

圖6和圖7分別為本文提出的最小電流均流法控制框圖和仿真結果。圖6中的控制環節“MIN”的作用是利用最大電流信號Imax和最大電流差信號ΔImax計算出一個最小電流信號Imin。

圖4 最大電流均流法控制框圖Fig.4 Control block diagram of the maximum current current-sharing control method

圖8和圖9分別為本文提出的中間電流均流法控制框圖和仿真結果。圖8中的控制環節“MID”的作用是利用最大電流信號Imax和最大電流差信號ΔImax計算出一個中間電流信號Imid。

圖5 最大電流均流法仿真結果Fig.5 Simulation results of the maximum current current-sharing control method

圖6 最小電流均流法控制框圖Fig.6 Control block diagram of the minimum current current-sharing control method

圖7 最小電流均流法仿真結果Fig.7 Simulation results of the minimum current current-sharing control method

圖8 中間電流均流法控制框圖Fig.8 Control block diagram of the intermediate current current-sharing control method

1)在最大電流均流法控制過程中，由于每一個直流電源的輸出電流Iout總是小于或等于最大電流Imax，因此均流環只能設計成為比例控制環，致使該均流方法只能實現動態均流，均流過程中直流母線電壓和直流電源的輸出電流的幅值波動較大，其中直流母線電壓的變化范圍為99.5～107 V，2個直流電源輸出電流的變化范圍均在11.5～22.5 A。

2)最小電流均流法與最大電流均流法一樣，在均流環節只能采取比例控制，致使該均流方法也只能實現動態均流，直流母線電壓的變化范圍為98～106 V，平均值低于最大電流均流法時的直流母線電壓值。2個直流電源輸出電流的變化范圍主要在14～19 A，均流效果略好于最大電流均流法，但是均流過程中的電流最大和最小值仍能分別達到20 A和12 A左右。考慮到為了便于和最大電流均流法進行比較，在最大、最小電流均流法的仿真過程中，均流環的比例系數、電壓和電流環的比例、積分系數取值均完全相同。

3)在中間電流均流法控制過程中，由于每一個直流電源的輸出電流Iout與中間電流Imid的差值可正、負變化，因此均流環可以設計成為比例積分控制環節，即該均流方法能夠實現穩態均流。均流仿真過程中直流母線電壓的波動范圍為99.5～101.5 V，2個直流電源輸出電流的最大變化范圍主要在14.5～18.5 A，均流效果明顯好于最大電流均流法和最小電流均流法。

圖9 中間電流均流法仿真結果Fig.9 Simulation results of the intermediate current current-sharing control method

4 實驗驗證

以DSP-TMS320F28335為控制核心，搭建了2個結構相同的BUCK型直流電源，對最大電流均流法和雙母線均流法進行了實驗驗證。主電路中開關器件選用的是 IGBT，其型號為FF400R33KF2C，電路中的電感L=5 mH，電容C=470μF，額定輸出電壓為100 V，負載等效阻值為3Ω。其中雙均流母線均流控制采用的是中間電流值均流法。

圖10(a)為最大電流均流法控制過程中，通過電流傳感器采集到的2路輸出電流波形(電流傳感器輸出的電壓信號)，可以看出在均流控制下，2個電源輸出電流的波形包絡線基本重合，即實現了均流控制，但是在均流過程中，電流幅值變化較大。圖10(b)為最大電流均流法控制過程中直流母線電壓波形。由于受到均流控制的影響，直流母線電壓平均值為101 V，高于額定值100 V，且電壓波形中存在有較多的“毛刺”。

圖11(a)為雙均流母線均流法控制過程中，通過電流傳感器采集到的2個電源輸出電流波形(電流傳感器輸出的電壓信號)，可以看出采用雙均流母線均流法后，2個直流電源的輸出電流波形基本重合，且不存在明顯的波動。實現了穩態無誤差均流。圖11(b)為雙均流母線均流法控制過程中直流母線電壓波形，電壓波形平穩，沒有明顯的波動，幅值的平均值為100.05 V，與額定電壓100 V之間的誤差為0.05%。

圖10 最大電流均流法實驗驗證波形Fig.10 Experimental waveform of the maximum current current-sharing control method

圖11 雙均流母線均流法實驗驗證波形Fig.11 Experimental waveform of the intermediate current current-sharing control method

5 結論

仿真分析和實驗驗證表明，提出的“雙均流母線均流電路及其控制方法”，具有以下特點和創新性:

1)雙均流母線結構，不僅為控制電路中的CPU提供了所有并聯運行直流電源輸出電流中的最大電流值Imax，而且還提供了現有各種均流控制硬件電路所無法提供的最大電流差信號 ΔImax，從而使CPU可以更好地了解當前系統的運行狀況，為均流控制方法的制定提供了更為精準的依據。

2)與現有的最大電流均流法相比，在最小電流均流法中，并聯運行的各個直流電源是以最小輸出電流為基準來調節自身的輸出電流，即通過降低輸出電壓來減小輸出電流。在各控制環節的P、I參數選取適當的前提下，均流過程中，各直流電源的輸出電壓應不大于額定電壓，可避免出現最大電流均流法中的過電壓現象，因而有利于提高直流電源系統和負載的可靠性和安全性。仿真結果中出現了過電壓現象，是為了與最大電流均流法進行比較，故而沒有對P、I參數予以優化。

3)采用中間電流均流法時，各個直流電源的輸出電壓都不會出現類似于最大電流均流法產生的過電壓現象，都穩定在額定電壓附近，從而有效提高了直流母線電壓的精度和穩定性。

4)在最大電流均流法控制過程中，由于均流誤差信號始終為正值，因此均流環只能采用比例控制，致使最大電流均流法只能實現動態均流，每一個電源輸出的電流值總在一定范圍內波動，波動范圍的大小與均流環的比例系數有關。而在中間電流均流法控制過程中，均流誤差信號正負變化，因此均流環可采用比例積分控制，進而實現了穩態均流控制，從根本上消除了輸出電流的低頻振蕩，確保了每個電源的輸出電流值都基本相等。

［1］李明，戴棟，馬西奎，等.自主均流控制的并聯Buck變換器穩定性分析［J］.中國電機工程學報，2008，28(15):7-15.LIMing，DAI Dong，MA Xikui，et al.Stability analysis of paralleled buck converters under automatic master control［J］.Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering，2008，28(15):7-15.

［2］劉學超，張波，丘東元，等.直流變換器并聯系統動態均流的非線性控制［J］.中國電機工程學報，2005，25(24):67-72.LIU Xuechao，ZHANG Bo，QIU Dongyuan，et al.THhe nonlinear dynamic current sharing control of paralleled DC/DC converter［J］.Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering，2005，25(24):67-72.

［3］張軍明，謝小高，吳新科，等.DC/DC模塊有源均流技術研究［J］.中國電機工程學報，2005，25(19):31-36.ZHANG Junming，XIE Xiaogao，WU Xinke，et al.Research on active current-sharing methods for DC/DC converter［J］.Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering，2005，25(19):31-36.

［4］PANOV Y，RAJAGOPALAN J，LEE FC.Analysis and design of N paralleled DC-DC converters with master-slave current-sharing control［C］//Conference Proceedings-IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition-APEC，1997:436-442.

［5］IRVING B T，JOVANOVIC M M.Analysis，design，and performance evaluation of droop current-sharing method［C］//IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition-APEC.［S.l.］，2000:235-241.

［6］IU H H C，TSE C K.Instability and bifurcation in parallel connected buck converters under amaster-slave current sharing scheme［C］//IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference.［S.l.］，2000:708-713.

［7］ESTHER D J，VILLAREJO J A，JACINTO J.Moreno，miguel current sharing in multiphase ZVT boost converter［C］//2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition，［S.l.］，2010:3022-3029.

［8］張亮，陳淵睿.平均電流法均流在數字DC/DC電源中的應用［J］.電源技術，2012，136(6):858-860，897.ZHANG Liang，CHEN Yuanrui.Average current-sharing control in digitally controlled DC/DC converters［J］.Chinese Journal of Power Sources，2012，136(6):858-860，897.

［9］周偉成，周永忠，張海軍，等.最大電流均流技術及應用［J］.電力電子技術，2008，42(1):45-47.ZHOU Weicheng，ZHOU Yongzhong，ZHANG Haijun，et al.Maximal current sharing method and its application［J］.Power Electronics，2008，42(1):45-47.

［10］張強，姚緒梁，張敬南.大功率直流電源并聯運行的均流控制［J］.電力電子技術，2011，45(3):73-75.ZHANG Qiang，YAO Xuliang，ZHANG Jingnan.Current sharing control in the parallel operation of DC power supplies［J］.Power Electronics，2011，45(3):73-75.