基于虛擬阻抗的模塊化直流電源并聯(lián)均流控制研究

王敬莆

（國網(wǎng)山東省電力公司棗莊供電公司，山東 棗莊 277000）

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，直流電源在眾多領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。然而，在模塊化直流電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，由于模塊間參數(shù)差異、負(fù)載變化等導(dǎo)致的均流問題，會影響電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)前，國內(nèi)外已有多種并聯(lián)均流控制方法被提出和研究，張豪等人針對諧振元件參數(shù)偏差引起的LLC 諧振變換器電流不均衡的問題，將二次側(cè)的同步整流替換成可控整流方式，形成均流控制環(huán)路[1]；楊玉崗等人為解決并聯(lián)Boost 變換器全占空比范圍內(nèi)不均流問題，設(shè)計(jì)一種不對稱占空比的均流控制方法，無須增加電流傳感器就可以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)變換器之間的電流共享[2]；董漢菁等人利用混合控制式交錯(cuò)并聯(lián)LLC 諧振技術(shù)，實(shí)現(xiàn)LLC 諧振變換器的均流控制，解決了電動(dòng)汽車充電模塊效率低、功率小等問題[3]。但是，這些方法應(yīng)用于模塊化直流電源并聯(lián)交流控制時(shí)效果不盡如人意，所以本次研究旨在深入探究實(shí)現(xiàn)基于虛擬阻抗的模塊化直流電源并聯(lián)均流控制方法，為各領(lǐng)域的電力電子設(shè)備提供更加可靠的電力保障，為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供有力支持。

1 檢測模塊化直流電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的環(huán)流

環(huán)流的存在不僅會降低電源的效率，還會對電源的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生不良影響。因此，進(jìn)行模塊化直流電源并聯(lián)均流控制至關(guān)重要[4]。首先，在模塊化直流電源并聯(lián)運(yùn)行過程中，檢測各并聯(lián)模塊間的電流環(huán)流。以兩個(gè)直流電源模塊并聯(lián)運(yùn)行為例，假設(shè)兩個(gè)模塊的輸出電壓分別為U1、U2，輸出電流分別為I1、I2[5]。在該模塊化直流電源的并聯(lián)運(yùn)行過程中，產(chǎn)生環(huán)流時(shí)，并聯(lián)系統(tǒng)的等效模型為

式中：U'表示模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)的負(fù)荷電壓；R1、R2分別表示兩個(gè)直流電源模塊的線路阻抗；R3表示并聯(lián)系統(tǒng)的輸出阻抗。

同時(shí)，定義模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)中各模塊間的環(huán)流為

式中：I0表示模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)中的環(huán)流理論定義值。

模塊化直流電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際環(huán)流，具體計(jì)算公式為

式中：I0'表示模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)中環(huán)流實(shí)際檢測值。

由式（3）可知，模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)中環(huán)流的大小主要取決于各模塊輸出電壓的差異和線路阻抗，以此作為后續(xù)環(huán)流抑制的理論依據(jù)。

2 設(shè)計(jì)虛擬阻抗

在模塊化直流電源并聯(lián)時(shí)，通常要求并聯(lián)系統(tǒng)中電流環(huán)流的有效值在負(fù)載電流有效值的3%以下，但如果并聯(lián)的直流電源模塊輸出的阻抗差異較大，系統(tǒng)電流環(huán)流就會超出限值。基于該原理，文章引入虛擬阻抗技術(shù)抑制模塊化直流電源的并聯(lián)環(huán)流。假設(shè)引入虛擬阻抗之后，整個(gè)模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)的輸出阻抗為R(t)，則其計(jì)算公式為

式中：G(t)表示傳遞函數(shù)；R4(t)表示引入的虛擬阻抗；R5(t)表示模塊化直流電源并聯(lián)控制結(jié)構(gòu)的輸出阻抗。

由式（4）可知，在引入虛擬阻抗之后，整個(gè)模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)的輸出阻抗呈增加狀態(tài)，導(dǎo)致環(huán)流對并聯(lián)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的給定電壓變化非常敏感，不利于后續(xù)環(huán)流抑制調(diào)節(jié)。為了抑制環(huán)流的瞬間沖擊，文章設(shè)計(jì)了一種純阻性虛擬阻抗，通過調(diào)整可調(diào)電阻的阻值，精確控制虛擬阻抗[9]。在純阻性虛擬阻抗的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，已知模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)中的虛擬阻抗是一個(gè)比例-積分（Proportional-Integral，PI）控制環(huán)節(jié)，因此可以計(jì)算出環(huán)流阻抗為

式中：R6(t)表示環(huán)流阻抗；μ1表示等效增益；μ2、μ3分別表示兩個(gè)直流模塊電流內(nèi)環(huán)的比例系數(shù)；L表示電感；r表示電阻值；t表示時(shí)間。

一般來說，模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)參考電壓的變化值和環(huán)流的變化值是一個(gè)純比例關(guān)系，根據(jù)環(huán)流瞬時(shí)值即可計(jì)算出參考電壓需要變化的瞬時(shí)值。

3 引入虛擬阻抗抑制并聯(lián)電源環(huán)流

完成純阻性虛擬阻抗的設(shè)計(jì)后，即可將該虛擬阻抗引入模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，抑制環(huán)流。文章在模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)中引入純阻性虛擬阻抗，促使給定的輸出電壓變化值和輸出電流瞬時(shí)值成正比例。引入虛擬阻抗后的直流電源并聯(lián)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型為

式中：U0(t)表示模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的輸出電壓；U0'(t)表示未引入虛擬阻抗的控制結(jié)構(gòu)的給定電壓瞬時(shí)值；I3(t)表示模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)的負(fù)載電流。

為使各直流電源模塊之間的輸出電流達(dá)到均衡狀態(tài)，需要將各直流電源模塊之間的輸出環(huán)流控制為0。為了讓模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流趨于0，將虛擬阻抗代入環(huán)流阻抗的表達(dá)式，促使控制結(jié)構(gòu)中的環(huán)流阻抗R6(t)調(diào)整到足夠大的值，此時(shí)環(huán)流I0'的表達(dá)式為

式中：G1(t)表示模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)；G2(t)表示模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；G3(t)表示頻率到點(diǎn)電壓的傳遞函數(shù)；G4(t)表示等效輸出電壓和實(shí)際輸出電壓之間的傳遞函數(shù)；R7(t)表示模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)的阻抗和。

假設(shè)各直流電源模塊間的參考電壓一致，如果設(shè)置的環(huán)流阻抗足夠大，那么模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)中各模塊之間的容差可以忽略，進(jìn)而達(dá)到輸出均流目的，也就是近似得到

式中：In表示并聯(lián)系統(tǒng)中第n個(gè)直流電源模塊的輸出電流。

總而言之，在直流電源并聯(lián)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)中加入虛擬阻抗，可以等效為在并聯(lián)系統(tǒng)電壓控制環(huán)路中引入環(huán)流反饋。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 仿真準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的可行性，利用MATLAB 仿真軟件對其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，搭建模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)的仿真模型，如圖1 所示。

圖1 模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)仿真模型

由圖1 可知，本次實(shí)驗(yàn)中搭建了3 個(gè)直流電源模塊并聯(lián)的仿真模型。在該仿真模型的直流電源模塊空載運(yùn)行過程中，突加一組2.1 Ω 的電阻負(fù)載，此時(shí)得到各模塊的輸出電流仿真波形，如圖2 所示。

圖2 未采用均流控制的負(fù)載電流仿真波形

由圖2 可知，未采用均流控制策略時(shí)，模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)在突加負(fù)載后，各模塊的負(fù)載電流分配不均，模塊一承擔(dān)3.35 A，模塊二承擔(dān)10.82 A，模塊三承擔(dān)16.71 A，導(dǎo)致各模塊的輸出特性有顯著差異。在總負(fù)載較大的情況下，這種情況可能導(dǎo)致某個(gè)模塊過載，而其他模塊的容量未被充分利用。因此，該模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)需要引入均流控制策略。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以本文設(shè)計(jì)的基于虛擬阻抗的均流控制方法為實(shí)驗(yàn)組，選擇基于數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）的均流控制方法和基于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)（Dynamic Stability Control，DSC）的均流控制方法為對照組。然后，采用各方法處理并聯(lián)系統(tǒng)仿真模型中的各直流電源模塊的負(fù)載電流，所得均流控制后模塊化直流電源并聯(lián)系統(tǒng)的負(fù)載電流仿真波形對比如圖3 所示。

圖3 均流控制后的負(fù)載電流仿真波形

圖3 顯示了3 種均流控制方法下的模塊電流分布。其中：DSC 方法下，模塊間的最大偏差為3.01 A；DSP 方法下，最大偏差為4.16 A；虛擬阻抗方法下，最大偏差僅為0.58 A。顯然，與DSC 和DSP 相比，虛擬阻抗方法在均流效果上表現(xiàn)更佳。這說明，本文研究的基于虛擬阻抗的均流控制方法具有一定的實(shí)用價(jià)值。

5 結(jié) 論

文章引入虛擬阻抗技術(shù)設(shè)計(jì)一種模塊化直流電源并聯(lián)均流控制方法，通過仿真實(shí)驗(yàn)的形式驗(yàn)證了該方法具有優(yōu)越的均流控制效果。雖然文章已經(jīng)取得一定研究成果，但是仍存在一些不足之處。未來研究工作將致力于解決這些問題，并進(jìn)一步探究虛擬阻抗與其他控制策略的結(jié)合方式，實(shí)現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定的模塊化直流電源并聯(lián)均流控制。