摘要:
随着城市轨道交通客流量的日益增长,在国家新型城镇化与“双碳”目标的战略背景下,文章首先提出了一种多路并联高频辅助电源系统拓扑结构,随后对升压斩波与逆变模块进行了建模分析,并设计提出了适用于多路并联系统的均流均压双闭环控制策略,最后通过Simulink仿真试验对该策略进行了验证。仿真结果表明,多路并联高频辅助电源系统在双闭环控制策略下,使得2台并联设备最终达到良好的均流均压控制效果,且系统动态响应迅速,稳态误差较小,所有的稳态误差都能控制在5%以内,最低可达0.058%。在2次负载突增过程中,系统调节时间分别为0.033s和0.046s,2台并联设备的升压斩波模块和整流模块输出电压分别能稳定在960V和650V,由此验证了所提控制策略的可行性与有效性。
随着城市轨道交通客流量的日益增长,在国家新型城镇化与“双碳”目标的战略背景下,对车辆可用性的要求也在持续提高。近年来,出现了供电效率更高、设备更轻、体积更小的中高频辅助变流器,同时,针对高、中、低三电平直流母线供电系统的研究也取得进展,这类系统将各类电气设备作为电源或负载接入相应等级的直流母线,可显著提升系统灵活性、高效性与便利性。面向新时代的城轨交通系统,进一步提出了下一代高频辅助逆变器的结构和功能。在此背景下,本文旨在提出一种提升车辆辅助供电系统可用性的设计理念。
辅助电源作为电力驱动地铁车辆的关键组成部分,能提供AC380V和DC110V两路辅助供电,以满足不同负载设备的用电需求。尽管面向DC/DC电源的控制算法种类较多,例如BP神经网络PID算法等,但在工程实际中仍难以广泛应用。目前,城市轨道交通工业领域仍主要采用传统双闭环PI控制方法。对移相全桥变换器双模块并联时的电流失衡机理与均流控制技术进行了分析。
本文在上述研究的基础上,设计了一种基于新型多路并联均流均压双闭环算法的高频辅助电源,并通过仿真结果验证了该控制方法的可行性。
1、建模与策略
1.1、高频辅助DC/DC电源拓扑结构
针对城市轨道列车对大功率输出的需求,为提升输出电流能力、减小电压纹波值、提高动态响应性能,本文采用移相式电压电流双闭环PI控制策略进行控制器设计。辅助供电系统采用先斩波(升/降压斩波)后逆变方式(DC-DC-AC),最后通过整流、降压转换为DC110V,高频多路并联辅助电源主电路原理图如图1所示。该系统主要包括直流滤波器、升/降压斩波电路、高频逆变器、高频隔离变压器、二极管整流器以及降压斩波电路等电路设备。其中采用高频变压器替代工频变压器,能够减轻设备质量,并提升系统功率密度。
高频辅助电源中的110V直流电在多个领域得到广泛应用:在轨道交通领域,其为车辆的控制系统、照明系统及车门控制系统等提供可靠电力;在通信基站中,其作为备用电源,能在市电停电时维持基站设备、传输与监控设备运行,保障通信网络连续性;在工业自动化控制系统中,其可用于编程逻辑控制器部分模块及工业机器人控制电路,以确保生产精准、动作精确;在电力系统的变电站及发电厂内,则为继电保护装置等关键设备供电,以确保在发生故障时及时准确动作,保障电力系统安全稳定。本文重点在于提出一种新型的控制方法,旨在优化多路并联系统中因负载差异导致的电流、电压不均衡问题,且主要针对设备中的升压斩波电路(Boost电路)提出创新性控制算法,不涉及传统高频辅助电源系统中的三相交流电,在维持车辆安全稳定运行的110V直流电中验证新控制算法的可行性,具有一定的研究意义与实用价值。
图2为2台设备之间不均流情况。由图2可知,当采用移相电压电流双闭环PI控制时,由于2台设备之间电阻的不均衡(包括电感内阻、电路内阻、开关管内阻等因素),将会导致设备1与设备2的电流分配不均。
将2路的电流做差得到Δid,如下:
式中:Ts为开关管的开关周期,i1为流过设备1的电流,I1为流过设备1单位周期内的平均电流,i2为流过设备2的电流,I2为流过设备2单位周期内的平均电流。
1.2、控制器设计
在多路并联大功率DC/DC电源中,支路电流不均会导致部分支路电流过大,造成该支路元件过热甚至损坏,同时也会降低电源整体效率,影响电源的稳定性和可靠性。为解决各支路电流不均衡问题,本文设计了一种适用于高频辅助电源的新型多路并联均流均压控制算法,来平衡各支路电流。该控制模块主要包括:输入与输出电压检测电路、输入电流检测电路、支路电流检测电路、PWM发生器以及均流控制器,其具体结构如图3所示。
由图3作出如下假设:(1)所有开关管在开关过程中均处于线性工作状态;(2)设备1的PWM1与PWM2相位差为180°,设备2的PWM3与PWM4相位差也为180°;(3)2台设备之间的电容和电阻阻抗值相同。
为降低控制复杂度,2台设备的高频逆变电路采用固定占空比控制,占空比为0.5,均流均压控制算法仅应用于Boost电路,直流高压DC1500V经直流滤波器后为设备提供功率。首先,将反馈输出电压Vdc与设定电压Vref进行差值比较,得到误差信号e,该误差经电压环(PI控制器)处理后,生成总的电流参考值iref;接着对iref进行平均分配,得到各支路的电流参考值,在此基础上,叠加来自电流采集的补偿量Δir,形成输入理想电流;之后,该电流通过电流环(PI控制器)进行调节,最终通过调节PWM信号来实现电流自动均衡的双闭环控制。
电流补偿量Δir的计算方法如下:
式中:m(根据经验一般取5~15)为单位周期内进行平均计算的次数,a为平均计算的起始序号,n为设备编号,K为比例系数。
通过将Δir与电流差值的阈值Δirth进行比较,可判断是否发生电流不均衡现象,判定条件如下:
当发生电流不均流时,需通过Δir对各支路电流进行补偿,补偿方法如下:
式中:iref1[n]与iref2[n]分别为设备1和设备2的支路总电流,通过式(2)~式(4)的计算,即可完成各支路电流的均衡调节;iout1和iout2为补偿计算后支路总电流。
如图3所示,每台设备包含2个结构完全相同的升压斩波模块,二者串联连接。以设备1为例,PWM1与PWM2信号分别控制开关管V111、V113和V112、V114。在高频逆变电路中,V151与V153由同一个固定占空比信号控制,V152与V154由另一固定占空比信号控制,2个信号之间相位差为180°。经控制后,每个Boost电路都输出DC960V,因此每台设备在经过Boost电路后总输出为DC1920V。
2、控制系统的仿真
为验证上述分析的正确性,本文基于MATLAB仿真软件中Simulink中的SpecializedPowerSystems模块,对图1所示的高频多路并联辅助电源进行仿真,通过对比2台设备的支路电流、总电流和输出电压波形,来验证数字式电流自动均衡型双闭环控制器的均流效果。2台设备仿真参数一致,以设备1为例,具体仿真参数见表1。
在仿真中,系统设计要求如下:高压直流母线电压为1500V,Boost电路输出参考电压为960V×2,整流后输出参考电压为650V,降压电路输出参考电压为110V,逆变模块开关管采用固定占空比控制,Boost电路开关管采用均流均压双闭环控制。
首先,在负载未发生突变的情况下,采用均流均压双闭环控制,测量得到电源各部分输出电压仿真结果如图4所示。
各部分输出电压约在0.15s后基本达到稳定,表明系统在均流均压双闭环控制下能够快速、稳定地达到预期参考电压值,且在达到预期参考电压后电压波动较小,满足电源设计要求。
再对电源系统中的二极管不控整流电路施加具有2次突变的负载,即负载电阻第一次从7.225Ω突变至5.725Ω,第二次从5.725Ω突变至1.5Ω。负载在0.4s时刻和0.7s时刻减小,观察Boost电路和整流电路的输出电压波形以及2台设备之间的均流情况,
其仿真结果如图5所示,具体如下:
(1)、在0~0.4s无负载突变时,负载电阻为7.225Ω,直流母线电流稳定在350A左右,设备1和设备2的支路电流为170A左右,2台设备之间实现均流,Boost电路输出电压稳定在参考值960V左右,设备1与设备2Boost电路输出电压相同,整流电路输出电压稳定在650V,表明该控制策略具有良好的均流均压效果;
(2)、在0.4s负载突然减小至5.725Ω时,电源在0.033s后基本达到稳定,直流母线电流下降至200A,设备1与设备2的支路电流下降至100A,二者均流效果依然保持良好,2台设备的Boost电路输出电压仍稳定在960V左右,均压效果良好,不控整流电路输出电压先稳定在600V,之后稳态误差逐渐减小;
(3)、在0.7s负载继续减小至1.5Ω时,电源在0.046s后基本达到稳定,负载减小引起设备电流进一步下降,直流母线电流降至100A,2台设备仍然保持良好的均流均压特性,支路电流下降至50A,且Boost电路和整流电路的输出电压分别稳定在960V和600V左右,此时稳态误差较前2次明显减小。
上述结果表明,该控制策略的动态响应良好,满足高频辅助电源的设计要求。各个输出波形稳态误差如表2所示,也验证了上述理论方案与算法的可行性。
3、结论
本文创新性地将均流均压双闭环控制策略应用于城轨交通中的新型多路并联高频辅助电源系统,利用电压环精确地将电压稳定在参考值,并将其与2台设备支路电流的差值进行数理计算,得到电流内环输入值;电流内环进一步调节开关器件的PWM信号,最终实现2台设备之间的均流与均压控制,且控制效果良好。
该控制算法有效改善了高频辅助电源系统中2台设备之间的电流不均衡问题,显著降低了各输出部分的电压与电流纹波,且能够快速适应负载突变,表现出良好的动态响应性能,在2次负载减小的突变过程中,系统分别在约0.033s和0.046s内完成了稳定控制。
随着碳化硅(SiC)等新一代高效功率半导体技术的发展及其在城市轨道交通领域的广泛应用,电源系统的效率有望进一步提升。
如您对我们的产品感兴趣，欢迎联系
我们将为您提供高效、贴心的解决方案！
咨询电话：135 1009 9916（微信同号）
↓ ↓ 点击图片免费领取产品规格书 ↓ ↓ 
想深入了解碳化硅功率器件产品知识？点击→「碳化硅（SiC）课堂」获取详情！
