CN103280987A - 一种三相多模块级联固态变压器均压均功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相多模块级联固态变压器均压均功率控制方法，该方法应用的三相SST系统功率主电路部分由输入级、中间级和输出级三级组成，输入级采用基于三相d-q-0矢量控制的控制策略，同一相中的各个模块采用共同占空比的控制策略，以此实现电网输入端单位功率因数；中间级每个模块同时引入基于电压前馈与后馈的控制策略，电压前馈作为电压后馈的基准，它们的误差经电压PI调节器输出后作为该模块电流内环的基准；前级与中间级两种控制策略相互作用，实现SST各模块电压与功率均衡、电网侧单位功率因数、电网电流正弦度高、开关管电压应力低等功能。

Description

一种三相多模块级联固态变压器均压均功率控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术在电力系统中的应用，尤其涉及一种三相多模块级联SST（固态变压器）均压均功率控制方法。

背景技术

传统电力变压器自被发明以来，因其工作可靠，结构简单的特点已经成为电力系统中不可缺少的重要组成部分，应用数量庞大。但是它存在显著缺点：体积大，笨重；输出电压无法维持恒定等；其主要功能是实现隔离和电压等级变换，功能简单，对电网电能质量没有改善能力。

固态变压器的概念早就被提出，它主要是通过使用电力电子器件和电力电子技术来实现电压转换和能量传递。其突出特点是可以改善电网电能质量，改善输入端的功率因数和输出端电压。因此固态变压器具有比传统变压器更适合智能电网建设的优点，具有很好的发展潜力。

近年来由于电力电子器件的飞速发展使得电力电子技术在电力系统中的应用成为可能。目前的电力电子器件尚不能满足配电等级的要求，这也是一直限制固态变压器发展的重要因素之一，可以使用级联模块的方式来弥补单个模块电压等级的不足。但是级联方式会引入各模块间的均压和均功率不平衡问题，可能导致整个SST系统无法正常工作，必须通过一定的控制策略来实现电压和功率均衡。

本发明控制方式所应用的主功率拓扑通过多模块级联的方式能很好的满足高电压等级的要求，但是在此之前的控制方式要么过于复杂，要么不能很好的实现均压均功率的功能。本发明控制方式不仅能实现均压均功率的要求同时能够保证控制方式简单，容易实现。

发明内容

本发明的目的在于针对现有级联模块中存在的电压和功率不均衡的不足，提供一种三相多模块级联固态变压器均压均功率控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种三相多模块级联固态变压器均压均功率控制方法，其应用的三相SST功率主电路部分由三级组成：输入级为高频有源三相AC/DC整流器，中间级为高频隔离型DC/DC变换器，输出级为高频DC/AC逆变器。输入级交流侧每相采用多模块串联，输入级各个模块的高压直流输出端接对应中间级各模块输入端，中间级各模块输出端并联输出400伏直流，输出级高频逆变器把400伏直流变换成输出220伏/50赫兹交流电。本文所阐述的控制方法包括以下步骤：

1.输入级采用主从d-q-0变换控制方式：三相SST系统每相的输入级为多个模块串联，确定A相的第一个H桥模块H_a#1为主模块，输入级的控制包括以下步骤：

（a）对主模块输出电压进行采样，采样值与给定值进行比较，它们的误差经过电压环PI作为d轴电流环的基准；

（b）三相输入电流采样值经过abc/dq0变换得到d轴，q轴和0轴三个分量，其中abc/dq0变换所用相位基准由三相输入电压采样值经PLL锁相环获得，则d轴分量反应有功电流分量，q轴分量反应无功电流分量，0轴分量反应三相输入电流幅值是否相同；

（c）d轴以上述电压环PI输出作为基准，误差送入d轴电流PI；q轴以0作为基准，误差送入q轴电流PI；0轴以0作为基准，误差送入0轴电流PI然后对三轴PI输出值进行解耦和反dq0/abc变换，得到调制波u_ca,u_cb,u_cc

（d）u_ca,u_cb,u_cc分别为A,B,C相整流的调制波。同一相中的各个整流模块共用同一调制波，三角载波依次相移120°，载波与三角波比较得到各模块的驱动信号。

2.中间级各个DAB模块控制方式相同，采用电压前馈后馈控制方法，实现了中间级输入输出电压的比例跟随关系

该步骤包括以下子步骤：

（a）对中间级输入和输出电压进行采样，将输入电压采样信号与输出电压采样信号进行比较，误差经过电压环PI，作为电流内环的基准；

（b）对输入电流进行采样，将电流采样值与电流环基准值比较，误差经过电流环PI，然后与三角载波进行比较，产生开关管驱动信号。如果电流环PI输出值为正，则功率正向流动，反之功率反向流动。

（3）输出级采用SPWM控制方法，SPWM控制方法以正弦波作为调制波，与三角载波比较产生开关管驱动信号,这样保证输出电压为正弦波。

本发明的有益效果是：该控制方法可以实现三相级联式SST系统各个级联模块间实现均压和均功率，同时可以实现电网侧单位功率因数、电网电流正弦度高、开关管电压应力低等功能。相比于以前的控制方式，该控制方式使前两级变换器协同工作，相互配合公共实现各模块均压均功率，同时该控制方式控制算法简单，当模块很多时优点明显。该控制方式对加速电力电子变压器的发展具有重要意义。

附图说明

图1是三相整流输入级控制框图；

图2是单个DAB模块控制框图；

图3是中间级9个DAB模块输出端并联控制框图；

图4是单相三模块输入级联SST功率主电路实例图；

图5是为便于表示三相SST系统主电路拓扑而简化的单相SST拓扑示意图；

图6是三相SST系统拓扑示意图。

具体实施方式

本发明三相多模块级联固态变压器均压均功率控制方法应用的三相SST系统功率主电路部分由三级组成：输入级为高频有源三相AC/DC整流器，中间级为高频隔离型DC/DC变换器，输出级为高频DC/AC逆变器。为了满足高电压和高功率等级的要求，输入级交流侧每相采用多模块串联，输入级各个模块的高压直流输出端接对应中间级各模块输入端，中间级各模块输出端并联输出400伏直流，输出级高频逆变器把400伏直流变换成输出220伏/50赫兹交流电。功率可双向流动。

本发明三相多模块级联固态变压器均压均功率控制方法，包括以下步骤：

（1）三相整流输入级采用主从d‐q‐0变换控制方式

三相SST系统输入级每一相为多个模块串联，确定其中一个为主模块，三相整流输入级控制框图如图1所示。图中v_ac1为主模块输出电压采样值，将A相第一个H桥整流模块作为主模块。i_a，i_b，i_c分别为三相输入交流电流；θ为经过锁相环PLL得到的A相的实时相位值；abc/dq0模块和dq0/abc模块分别为d-q-0变换和反变换模块。

（a）.对主模块输出电压进行采样，采样值与给定值进行比较，它们的误差经过电压环PI作为d轴电流环的基准；

（b）.三相输入电流采样值经过abc/dq0变换得到d轴，q轴和0轴三个分量，其中abc/dq0变换所用相位基准由三相输入电压采样值经PLL锁相环获得，则d轴分量反应有功电流分量，q轴分量反应无功电流分量，0轴分量反应三相输入电流幅值是否相同；

（c）.d轴以上述电压环PI输出作为基准，误差送入d轴电流PI；q轴以0作为基准，误差送入q轴电流PI；0轴以0作为基准，误差送入0轴电流PI然后对三轴PI输出值进行解耦和反dq0/abc变换，得到调制波u_ca,u_cb,u_cc（对应d_a,d_b,d_c）；

（d）.u_ca,u_cb,u_cc分别为A,B,C相整流的调制波。同一相中的各个整流模块共用同一调制波，三角载波依次相移120°，载波与三角波比较得到各模块的驱动信号。

（2）中间级各模块控制方式相同，采用电压前馈后馈控制方法

单个DAB模块控制框图如图2所示。其中H_{v_1}和H_{v_2}是电压前馈和反馈系数；H_{i_1}和H_{i_2}都是电流反馈系数，PI_v是电压环比例积分器；PI_i是电流环比例积分器；v_pi,c是电流环比例积分输出值；当v_pi,c＞0时，功率正向流动，当v_pi,c＜0时，功率反向流动。k_PWM是PWM调制增益，G_{i_1}和G_{i_2}分别是正向和反向传输电流与移向角之间的传递函数；Z_{o_1}和Z_{o_2}是前级和后级的等效阻抗。

（a）.对中间级输入和输出电压进行采样，将输入电压采样信号与输出电压采样信号进行比较，误差经过电压环PI，作为电流内环的基准；

（b）.对输入电流进行采样，将电流采样值与电流环基准值比较，误差经过电流环PI，然后与三角载波进行比较，产生开关管驱动信号。如果电流环PI输出值为正，则功率正向流动，反之功率反向流动。

中间级通过采用电压前馈后馈控制方法，实现了中间级输入输出电压的比例跟随关系： $V_{\mathrm{in}}=\frac{H_{V\_2}}{H_{V\_1}}{V}_o.$

（3）输出级采用SPWM控制方法。

SPWM控制方法以正弦波作为调制波，与三角载波比较产生开关管驱动信号,这样保证输出电压为正弦波。SPWM控制方法可分为单极性和双极性SPWM两种，这两种方法各有优缺点，可以按需求选择其中一种使用。

输出级的作用是将前级中间级的输出直流电压转换为工频交流市电，实现并网。该级对整个SST系统的均压均功率影响不大，同时控制方法已经较为成熟，不是本发明的重点内容。

上述输入级和中间级控制相互作用，协同工作，可以实现串联的各整流变换器输出电压均压同时实现各路模块的均功率传输。在功率双向流动时均可实现上述功能。

下面结合实例详细描述本发明。

图5是三相SST主电路示意图，图3是单相SST系统主电路示意图。现详细分析本发明的工作及控制过程。

（1）第一级整流级：由于三相SST中第一级三相整流的各相整流原理是一样的，故现只针对A相整流进行阐述。参照图3，在A相整流中，整流级由三个H桥PWM整流器串联构成，三个整流桥串联共用一个滤波电感。满足关系V_an=V_ab+V_bc+V_cn，假设V_ac1=V_ac2=V_ac3=V_d，其中V_ac1,V_ac2,V_ac3分别为A相三个整流模块的输出直流电压，每个模块可产生三个电平，即-V_d,0,V_d。以A相第一个整流桥H_a#1为例，T_a11与T_a12是互补工作的，T_a13与T_a14是互补工作的。当T_a11,T_a14处于通态，T_a12,T_a13处于断态时，V_ab=V_d；当T_a12,T_a13处于通态，T_a11,T_a14处于断态时，V_ab=-V_d；当T_a11,T_a13同处通态且T_a12,T_a14同处断态，或者T_a12,T_a14同处通态且T_a11,T_a13同处断态时，V_ab=0。其余两个H桥整流模块工作原理以此类推即可。B相C相整流级原理与A相相同，故此不再赘述。

三相整流的控制框图如图1所示，为了实现输入电流与输入电压同相位，实现理论上的零静差，并且保证三相输入电流幅值一致，本发明采用三相abc/dq0变换控制方式。为了加快系统的动态响应，本发明使用了外环电压环，内环电流环的控制策略。选择A相的第一个整流模块H_a#1模块作为主模块，电压外环的反馈值是H_a#1整流桥的输出电压，反馈电压与基准电压比较后得到的误差值经过电压环PI，电压环PI输出的值作为电流环d轴的基准值。电流环q轴的基准是0，电流环0轴的基准是0。d，q，0轴的误差分别经过各自的PI后，然后经过解耦，再进行dq0/abc反变换得到三组对称的正弦调制波u_ca,u_cb,u_cc，分别是A相B相和C相的整流调制波。各自的调制波与三角载波比较后将得到各个开关管的驱动信号。为减少输入电流纹波，同一相中的三个整流模块共用一个调制波，三角载波依次相移120°。这样可以提高等效开关频率，减小输入滤波电感的体积，提高系统的功率密度。

（2）第二级中间级：中间级使用一种新型的DAB桥式拓扑，这种拓扑具有无源元件少，功率密度高，开关管软开关等优点，同时又能满足功率双向传输的需求，在大功率电路中得到广泛应用。九个DAB模块输出端并联，输入端接各自前级的输出端。其控制框图如附图3所示。以A相第1个DAB模块为例，其中H_{v_a11}和H_{v_a12}分别为电压前馈和反馈系数，H_{i_a11}和H_{i_a12}分别为输入电流和输出电流反馈系数，PI_v是电压环比例积分器；PI_i是电流环比例积分器；v_pi,c是电流环比例积分输出值；当v_pi,c＞0时，功率正向流动，当v_pi,c＜0时，功率反向流动。k_PWM是PWM调制增益，G_{i_1}和G_{i_2}分别是正向和反向传输电流与移向角之间的传递函数；Z_{o_1}和Z_{o_2}是前级和后级的等效阻抗。其余8个模块各部分功能与第一块类似。

从控制框图可知，这是一种新型的控制方式。在传统的前馈或后馈方式中，基准值一般为定值，通常通过电压前馈或后馈可以稳定输入电压或输出电压。而该控制方式将前馈值和后馈值进行比较，然后进行误差放大。这样控制使得输入输出电压满足一定的比例关系，比例由前馈后馈系数决定。

即有 $V_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ij}1}=\frac{H_{v\_\mathrm{ij}2}}{H_{v\_\mathrm{ij}1}}{V}_o$

其中i=a,b,c，j=1,2,3，V_o为DAB并联输出电压。H_{v_ij1}是系统i相中第j个DAB模块输入电压的采样系数，H_{v_ij2}是系统i相中第j个DAB模块输出电压的采样系数。

由整流知，A相第一个整流模块H_a#1桥的输出电压V_ac1稳定，故知DAB并联输出电压

稳定

由之前导出的公式

知，当各个模块反馈和前馈比例系数相等时，则可以保证整流级输出电压均衡。

（3）第三级逆变级：亦可采用H桥型结构，采用SPWM控制，其输入阻抗可以近似等于

该级将400V直流逆变为50HZ交流，同时400V直流段可用于可再生能源并网，是智能电网建设的趋势。H桥型结构便于实现功率的双向传输，亦可满足大功率的要求，可使用一个或多个H桥并联。

（4）系统电压功率均衡动态过程分析：以上公式描述的是在理想状态下的静态工作状态，但在实际中，存在许多非理想状况，比如各个模块的寄生参数不一致以及各种扰动会导致系统偏离静态工作点，下面分析系统的动态均压调整过程。

现针对A相的三个DAB模块分析，假设功率正向传输时某一时刻V_ac2＞V_ac1＞V_ac3，此时A相第二个DAB模块DAB_a#2的电压环PI_v输出值将会增加，使得其移向角增大，输出功率增大，则V_ac2有下降趋势，同时由于DAB_a#2输出功率增大使得DAB输出电压V_o升高，此时V_ac1H_{v_a11}＜V_oH_{v_a12},所以DAB_a#1移向角减小，输出功率减小，此时整流模块H_a#1输入功率不变，使得V_ac1有增大趋势，同时DAB_a#3调整过程与DAB_a#1类似，从上述分析可知3个DAB通过调整使得V_ac1增大，V_ac2减小，V_ac3增大，三者有趋于一致的趋势。但此时由于V_ac1电压比整流输出给定值高，所以整流级H_a#1模块（主模块）闭环通过调整，使得整流级输出电压V_ac1,V_ac2,V_ac3下降。因此V_ac1,V_ac2,V_ac3不仅电压会趋于均衡同时会稳定在给定输出值，使得V_o保持在给定值。

B相和C相的各自三个DAB调整过程与A相的DAB调整过程是一样的，最终，9个DAB模块的输入电压都会稳定在一个给定值上。

对于同一相里的三个DAB模块，由三相拓扑可知，三个DAB模块的输入电流是相同的，如对于A相，三个DAB的输入电流都为d_ai_a，所以知三个DAB的输入功率，即对应的三个整流桥输出功率有如下关系：

$P_{a1}:P_{a2}:P_{a3}=k_{a1}:(k_{a2}\·\frac{H_{v\_a22}}{H_{v\_a21}}\·\frac{H_{v\_a11}}{H_{v\_a12}}):(k_{a3}\·\frac{H_{v\_a32}}{H_{v\_a31}}\·\frac{H_{v\_a11}}{H_{v\_a12}})$

其中k_a1,k_a2,k_a3是A相三个整流模块调制波的比值。

从上式可知当忽略调制波之间误差以及当设置3个DAB模块前馈系数与反馈系数比例相同时，就可实现一相中的3路等功率传输。

B相中的三个整流桥的输出功率也是等功率的，C相也是等功率的。上面的分析只能保证同一相中的三个整流桥等功率输出，而不能保证9个整流桥等功率输出。

系统稳定工作后，A相的输出功率B相的输出功率

C相的输出功率

由于P_a=P_a1+P_a2+P_a3,P_b=P_b1+P_b2+P_b3，P_c=P_c1+P_c2+P_c3，所以当使P_a=P_b=P_c且I_a=I_b=I_c时，可知九个整流模块方可实现等功率输出。

参见图1，三相输入电流i_a,i_b,i_c经过abc/dq0变换后得到i_d,i_q,i₀，电流环d轴的PI和q轴PI使得输入电流同相应的输入电压同相位，即

电流环的0轴PI可调整使三相电流幅值一致，当三相输入电流幅值不一致时，0轴的PI输出值d₀会对三个调制波u_ca,u_cb,u_cc进行微调进而使得三相输入电流趋于一致，最终达到幅值相等。因此可知，当系统稳定工作时I_a=I_b=I_c，进而有P_a=P_b=P_c。由前面分析知，此时九个整流桥的输出功率是一致均衡的。至此可知当系统稳定工作时，各个模块是处于均压均功率状态的。同时根据400V直流母线上可再生能源功率大小，该控制策略自动实现功率双向流动，同时保证各模块均压均功率。

以上分析可以推广到功率主电路每相由任意N个AC/DC模块输入端串联以及N个DC/DC输出端并联构成的三相SST系统。

Claims (1)

1.一种三相多模块级联固态变压器均压均功率控制方法，其应用的SST功率主电路部分由三级组成：输入级为高频有源三相AC/DC整流器，中间级为高频隔离型DC/DC变换器，输出级为高频DC/AC逆变器。输入级交流侧采用多模块串联，输入级各个模块的高压直流输出端接对应中间级各模块输入端，中间级各模块输出端并联输出400伏直流，输出级高频逆变器把400伏直流变换成输出220伏/50赫兹交流电。其特征在于，它包括以下步骤：

（1）输入级采用主从d-q-0变换控制方式：三相SST系统每相的输入级为多个模块串联，确定一个主模块，所述主从d-q-0变换控制方式包括以下子步骤：

（1.1）对主模块输出电压进行采样，采样值与给定值进行比较，它们的误差经过电压环PI作为d轴电流环的基准；

（1.2）三相输入电流采样值经过abc/dq0变换得到d轴，q轴和0轴三个分量，其中abc/dq0变换所用相位基准由三相输入电压采样值经PLL锁相环获得，则d轴分量反映有功电流分量，q轴分量反映无功电流分量，0轴分量反映三相输入电流幅值是否相同；

（1.3）d轴以电压环PI的输出作为基准，误差送入d轴电流PI；q轴以0作为基准，误差送入q轴电流PI；0轴以0作为基准，误差送入0轴电流PI然后对三轴PI输出值进行解耦和反dq0/abc变换，得到调制波u_ca,u_cb,u_cc；

（1.4）u_ca,u_cb,u_cc分别为A,B,C相整流的调制波。同一相中的各个整流模块共用同一调制波，三角载波依次相移120°，载波与三角波比较得到各模块的驱动信号。

（2）中间级各个DAB模块控制方式相同，采用电压前馈后馈控制方法，实现了中间级输入输出电压的比例跟随关系

该步骤包括以下子步骤：

（2.1）对中间级输入和输出电压进行采样，将输入电压采样信号与输出电压采样信号进行比较，误差经过电压环PI，作为电流内环的基准；

（2.2）对输入电流进行采样，将电流采样值与电流环基准值比较，误差经过电流环PI，然后与三角载波进行比较，产生开关管驱动信号。如果电流环PI输出值为正，则功率正向流动，反之功率反向流动。

（3）输出级采用SPWM控制方法，SPWM控制方法以正弦波作为调制波，与三角载波比较产生开关管驱动信号,这样保证输出电压为正弦波。

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