一種模塊化電力電子變壓器的電壓與功率平衡控制方法
【技術(shù)領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用，具體涉及一種模塊化電力電子變 壓器的電壓與功率平衡控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電力變壓器的使用歷史已百年有余，因可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點在現(xiàn)今的輸配 電系統(tǒng)中占據(jù)了重要位置，應用數(shù)量巨大。但其主要功能為實現(xiàn)基本電壓等級變換與電氣 隔離，功能相對單一，而且存在一系列缺點：體積重量大；絕緣油對環(huán)境造成威脅；無法維 持輸出電壓穩(wěn)定與改善電能質(zhì)量。
[0003] 電力電子變壓器的概念早在20世紀70年代被提出，主要是通過電力電子技術(shù)與 磁耦合技術(shù)來實現(xiàn)電壓變換與能量傳遞。其突出的優(yōu)點有體積小、重量輕與能有效改善電 能質(zhì)量等；此外，其能提供穩(wěn)定的交直流混合接口，便于整合分布式能源，采用數(shù)字化控制 易于實現(xiàn)能量的分配管理。因此電力電子變壓器相對于傳統(tǒng)變壓器更加適合未來智能電網(wǎng) 的建設，且在分布式微網(wǎng)與新能源發(fā)電等領域具有非常大的發(fā)展?jié)摿Α?br>[0004] 目前受功率半導體器件耐壓等級的限制，單級型的電力電子變壓器無法滿足配 電網(wǎng)的電壓等級，這是限制電力電子變壓器工程實用化的一大因素，而模塊串并聯(lián)組合方 式可有效的彌補單級型的不足，但是模塊的串并聯(lián)會引入各模塊間電壓與功率的不平衡問 題，嚴重時甚至導致整個電力電子變壓器系統(tǒng)無法正常的工作，所以必須采取相應的控制 方法來保證功率與電壓的平衡。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明的目的在于針對模塊化電力電子變壓器電壓與功率的不平衡問題，提供一 種簡單、有效的功率與電壓平衡方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：
[0007] -種模塊化電力電子變壓器的電壓與功率平衡控制方法，其應用的電力電子變壓 器隔離級由多個低壓輸出端并聯(lián)的雙有源全橋（Dual Active Bridge，DAB)變換器構(gòu)成，控 制方面引入一種無電流傳感器的電壓功率雙環(huán)控制方法，其特征在于，該方法包括以下步 驟：
[0008] (1)對隔離級的低壓直流輸出電壓進行檢測，將檢測值與給定值進行比較，誤差經(jīng) 電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)輸出作為功率內(nèi)環(huán)的參考值；
[0009] (2)根據(jù)輸入級級聯(lián)H橋整流器采用單相dq解耦的共同占空比控制，各H橋模塊 的共同有功與無功占空比分別為d d與dq，交流輸入電流的有功與無功分量分別為13(1與I sq， 隔離級DAB模塊的輸入端與輸入級H橋模塊輸出端連接于高壓側(cè)直流端口，可以得到DAB 模塊的輸入平均電流I hda= 〇. 5 (CldIst^dJstl),流經(jīng)DAB模塊的功率為Phdi= VhdiIhda，其中， VhdiS高壓直流端口電壓；
[0010] (3)將上述計算所得的實際功率值與參考值進行比較，誤差送入功率內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié) 輸出DAB模塊的高低壓側(cè)H橋模塊驅(qū)動信號間的移相角，再通過移相控制產(chǎn)生驅(qū)動信號；
[0011] 進一步的，隔離級采用無電流傳感器的電壓功率雙環(huán)控制方法，實現(xiàn)低壓直流輸 出電壓的穩(wěn)定與DAB模塊間的功率平衡，且無需檢測隔離的高頻電流；輸入級采用單相dq 解耦的共同占空比控制，實現(xiàn)各高壓直流端口電壓之和的穩(wěn)定、交流輸入電流的高度正弦、 功率因數(shù)可調(diào)與各H橋模塊直流輸出平均電流即各DAB模塊的輸入平均電流的相等，隔離 級與輸入級協(xié)同工作，平衡DAB模塊間功率的同時自動實現(xiàn)高壓側(cè)直流端口間電壓平衡。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術(shù)效果：
[0013] 本發(fā)明不僅可以實現(xiàn)模塊化電力電子變壓器的功率與電壓平衡，而且可以實現(xiàn)功 率因數(shù)可調(diào)、交流輸入電流的高度正弦，可用于能量正向流動與反向回饋并網(wǎng)兩種模式。相 對于以前的控制方式，該控制方式通過輸入級與隔離級協(xié)同工作，實現(xiàn)電壓與功率的平衡， 隔離級采用無電流傳感器的電壓功率雙環(huán)控制，相對于電壓單環(huán)動態(tài)響應更為迅速，而且 無需檢測隔離級的高頻電流，減少了電流傳感器與采樣環(huán)節(jié)，當模塊數(shù)較多時該優(yōu)點尤為 明顯。
【附圖說明】
[0014] 圖1為一種N個H橋模塊串聯(lián)的模塊化電力電子變壓器主功率電路圖；
[0015] 圖2為本發(fā)明輸入級基于單相dq坐標下的雙環(huán)控制示意圖；
[0016] 圖3為本發(fā)明隔離級無電流傳感器電壓功率雙環(huán)控制示意圖；
【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細描述說明。
[0018] 本發(fā)明公開了 一種模塊化電力電子變壓器的電壓與功率平衡控制方法，其應用的 功率主電路由三級構(gòu)成：輸入級為級聯(lián)H橋變換器、隔離級隔離型DC/DC變換器、輸出級為 DC/AC逆變器；輸入級采用多模塊串聯(lián)，實現(xiàn)高壓側(cè)交流到高壓側(cè)直流的變換；隔離級由多 個輸出端并聯(lián)的DAB變換器模塊組成，各DAB模塊的輸出端并聯(lián)連接于低壓直流母線，輸入 端與輸入級的輸出端連接于高壓直流母線，實現(xiàn)高壓側(cè)直流到低壓側(cè)直流的變換，輸出級 將低壓側(cè)直流電壓變換為工頻交流。
[0019] 本發(fā)明公開了 一種模塊化電力電子變壓器的電壓與功率平衡控制方法，輸入級級 聯(lián)H橋變換器采用基于單相dq解耦的共同占空比控制，隔離級各DAB模塊采用無電流傳感 器的電壓功率雙環(huán)控制，輸入級與隔離級協(xié)同工作，實現(xiàn)功率與電壓的平衡。
[0020] 圖1所示為一種輸入級N個H橋模塊串聯(lián)隔離級N個DAB單元輸出端并聯(lián)的單相 模塊化電力電子變壓器的功率主電路，N為自然數(shù)。
[0021] 圖2所示為輸入級級聯(lián)H橋變換器采用的基于單相dq解耦的共同占空比控制，包 括電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)，實現(xiàn)級聯(lián)H橋變換器各H橋模塊直流端電壓之和的穩(wěn)定直流輸出 平均電流的相等、交流輸入電流正弦化、功率因數(shù)的調(diào)節(jié)，該方法包括以下步驟：
[0022] (1)對輸入級各H橋模塊的直流端電壓Vhdi進行檢測并求取和V M，將電壓之和Vho 與給定值Vhte進行比較，它們的誤差經(jīng)過電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)輸出I 作為d軸電流環(huán)的參考； Vm的表達式如下：
[0024] (2)輸入電壓Vs與輸入電流i s檢測值經(jīng)單相dq變換分別得到輸入電壓的d軸、q 軸分量Vsd、Vsq與輸入電流的d軸、q軸分量I sd、Isq，其中dq變換所用的相位基準0由輸入 電壓米樣經(jīng)PLL鎖相環(huán)獲得，d軸分量代表有功分量，q軸分量代表無功分量；若d軸電流 I sd>〇,則輸入級工作于整流模式，向低壓側(cè)傳輸能量，反之則輸入級工作于并網(wǎng)逆變模式， 向電網(wǎng)回饋能量；
[0025] (3)d軸電流內(nèi)環(huán)以上述電壓環(huán)PI的輸出U作為參考，誤差送人d軸電流環(huán)PI ; q軸電流內(nèi)環(huán)以給定值Isv為參考，誤差送人q軸電流環(huán)PI ;然后對兩軸PI的輸出值進行 解耦并加入分別輸入電壓前饋量Vsd、Vsq，再除以各H橋模塊直流端電壓之和V ho得到有功占 空比dd與無功占空比d 有功占空比d d與無功占空比d q經(jīng)單相dq反變換得到調(diào)制波u a， 各H橋模塊共用同一調(diào)制波Ua，經(jīng)載波移相調(diào)制后得到各H橋模塊的驅(qū)動信號；
[0026] 圖3所示為隔離級采用無電流傳感器的電壓功率雙環(huán)控制方法，各DAB模塊功率 內(nèi)環(huán)的參考值通過同一電壓外環(huán)產(chǎn)生，實際功率反饋值根據(jù)相關量計算獲得；該方法包括 以下步驟：
[0027] (1)隔離級低壓直流輸出電壓Vld進行檢測，將檢測值與給定值Vlte進行比較，誤差 經(jīng)過電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)輸出Phte作為功率內(nèi)環(huán)的參考值；
[0028] (2)根據(jù)輸入級級聯(lián)H橋整流器采用單相dq解耦的共同占空比控制，各H橋模塊 的共同有功與無功占空比分別為d d與dq，交流輸入電流的有功與無功分量分別為13(1與I sq， 隔離級DAB模塊的輸入端與輸入級H橋模塊輸出端連接于高壓側(cè)直流端口，可以得到DAB 模塊的輸入平均電流I hda= 〇. 5 (CldIst^dJstl),流經(jīng)DAB模塊的功率為Phdi= VhdiIhda，其中， VhdiS高壓直流端口電壓；
[0029] (3)將上述計算所得的實際功率值Phd^參考值Phd^S行比較，誤差送入功率內(nèi)環(huán) PI調(diào)節(jié)輸出DAB模塊的高低壓側(cè)H橋模塊驅(qū)動信號間的移相角，再通過移相控制產(chǎn)生驅(qū)動 信號；若移相角大于〇,則DAB模塊功率正向流動，反之功率反向流動。
[0030] 隔離級采用無電流傳感器的電壓功率雙環(huán)控制方法，實現(xiàn)低壓直流輸出電壓的穩(wěn) 定與DAB模塊間的功率平衡，且無需檢測隔離的高頻電流；輸入級采用單相dq解耦的共同 占空比控制，實現(xiàn)各高壓直流端口電壓之和的穩(wěn)定、交流輸入電流的高度正弦、功率因數(shù)可 調(diào)與各H橋模塊直流輸出平均電流即各DAB模塊的輸入平均電流的相等，隔離級與輸入級 協(xié)同工作，平衡DAB模塊間功率的同時自動實現(xiàn)高壓側(cè)直流端口間電壓平衡。
【主權(quán)項】
1. 一種模塊化電力電子變壓器的電壓與功率平衡控制方法，其應用的電力電子變壓器 隔離級由多個低壓輸出端并聯(lián)的雙有源全橋（Dual Active Bridge，DAB)變換器構(gòu)成，控 制方面引入一種無電流傳感器的電壓功率雙環(huán)控制方法，其特征在于，該方法包括以下步 驟： (1) 對隔離級的低壓直流輸出電壓進行檢測，將檢測值與給定值進行比較，誤差經(jīng)電壓 外環(huán)PI調(diào)節(jié)輸出作為功率內(nèi)環(huán)的參考值； (2) 根據(jù)輸入級級聯(lián)H橋整流器采用單相dq解耦的共同占空比控制，各H橋模塊的共 同有功與無功占空比分別為dd與d q，交流輸入電流的有功與無功分量分別為13(1與Isq，隔離 級DAB模塊的輸入端與輸入級H橋模塊輸出端連接于高壓側(cè)直流端口，可以得到DAB模塊 的輸入平均電流I hda= 〇. 5 (d dIsd+dJS(1)，流經(jīng)DAB模塊的功率為Phdi= VhdiIhda，其中，VhdiS 高壓直流端口電壓； (3) 將上述計算所得的實際功率值與參考值進行比較，誤差送入功率內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)輸出 DAB模塊的高低壓側(cè)H橋模塊驅(qū)動信號間的移相角，再通過移相控制產(chǎn)生驅(qū)動信號。2. 根據(jù)權(quán)利1所述的模塊化電力電子變壓器的電壓與功率平衡控制方法，其特征在 于，隔離級采用無電流傳感器的電壓功率雙環(huán)控制方法，實現(xiàn)低壓直流輸出電壓的穩(wěn)定與 DAB模塊間的功率平衡，且無需檢測隔離的高頻電流；輸入級采用單相dq解耦的共同占空 比控制，實現(xiàn)各高壓直流端口電壓之和的穩(wěn)定、交流輸入電流的高度正弦、功率因數(shù)可調(diào)與 各H橋模塊直流輸出平均電流即各DAB模塊的輸入平均電流的相等，隔離級與輸入級協(xié)同 工作，平衡DAB模塊間功率的同時自動實現(xiàn)高壓側(cè)直流端口間電壓平衡。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種模塊化電力電子變壓器的電壓與功率平衡控制方法，該方法應用的電力電子變壓器包括：輸入級、隔離級與輸出級；輸入級采用基于單相dq解耦的共同占空比控制，實現(xiàn)高壓側(cè)直流電壓的穩(wěn)定控制、輸入電流的正弦與功率因數(shù)的靈活調(diào)節(jié)；隔離級引入一種無電流傳感器的電壓功率雙環(huán)控制策略，輸出電壓外環(huán)調(diào)節(jié)產(chǎn)生各功率內(nèi)環(huán)的統(tǒng)一參考值，各功率內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)產(chǎn)生隔離級各個模塊的移相角；輸入級與隔離級的兩種控制策略協(xié)同作用，實現(xiàn)所述電力電子變壓器各模塊電壓與功率平衡。
【IPC分類】H02J3/26, H02M5/458, H02M3/335
【公開號】CN104993505
【申請?zhí)枴緾N201510372949
【發(fā)明人】盤宏斌, 肖志勇
【申請人】湘潭大學
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年6月30日