CN103441678B - 大容量隔离型直流换流器变pi变频率控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力电子领域，具体涉及一种大容量隔离型直流换流器变PI变频率控制方法。本发明根据控制器不同的工作模式设置对应的档位，每个档位设置不同的PI参数，档位随着工作模式的转变进行切换。本发明通过设置换流器稳态对应档位的PI参数，有效保证换流器稳态时控制频率较低，变压器原边电压正负半波对称，无中点电位偏移，长期运行时变压器偏磁及噪声均显著改善。

Description

大容量隔离型直流换流器变PI变频率控制方法
技术领域
本发明属于电力电子领域，具体涉及一种大容量隔离型直流换流器变PI变频率控制方法。
背景技术
大容量隔离型直流换流器能够将中高压直流电变换为低压直流，并提供输入输出的电气隔离功能。随着直流电制在陆地电力系统以及机车、船舶、孤岛等独立电力系统的广泛应用，同时，未来分布式智能电网也将被普遍推广，大容量隔离型直流换流器有着广阔的市场前景。
大容量隔离型直流换流器属于间接式DC/AC/DC结构，内部包含中频隔离变压器，与传统工频变压器相比，工作频率的提高大大减小了变压器的体积、重量，提高了换流器整体的功率密度，但中频隔离变压器的应用带来如下问题：
1)噪声：限制于大容量电力电子器件的工作频率，中频隔离变压器工作频率在1k～3kHz范围，由于铁芯软磁材料的磁致伸缩效应，一部分能量将以声波的形式散发出去。根据生理学关于耳的听觉功能相关研究可知，人耳最敏感的声波频率在1k～3kHz之间，人类的语言频率也主要分布在300～3kHz范围内。因此，大容量中频变压器产生的噪声可能对操作人员或相关用户的语言交流、工作、休息等活动造成极大不便。
2)直流偏磁：变压器前级逆变单元实际工作过程中，变压器磁路应达到动态的“伏秒平衡”。若变压器原边电压正负波形对称，正负半波伏秒值相等，铁心磁工作点以0点为中心沿磁滞回线对称往复运动。若变压器原边电压正负波形不对称，正负半波伏秒值不等，会使正负半波磁感应强度幅值不同，磁工作区域将偏向第一或第三象限，即形成直流偏磁，可能会引起变压器磁路饱和，从而触发变压器、IGBT过流保护，严重影响逆变器的安全稳定运行。引起变压器伏秒不平衡可能的原因包括：直流输入电压波动，支撑电容中点电位不平衡；主电路中功率开关管导通时饱和压降不同；由于逆变器在短路保护或关机时采用驱动脉冲瞬时封锁，工作周期不完整；非线性负载扰动所带来的偏磁。
传统直流变换器由于容量小，工作电压低，开关频率可达到10kHz以上，噪声问题不明显。在变压器回路中串联隔直电容可以基本上解决变压器直流偏磁问题，但必须考虑隔直电容耐压、额定电流、体积、重量等因素。但不能直接用于大容量变换场合。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种大容量隔离型直流换流器变PI变频率控制方法，降低换流器噪声，在不增加隔直电容的前提下抑制变压器直流偏磁，同时确保直流换流器动态、静态、噪声、短路限流等各项指标满足要求。
本发明提供了一种大容量隔离型直流换流器变PI变频率控制方法，包括以下步骤：
A.设置控制器的三个档位及其控制参数，其中档位1控制频率较低，PI参数偏小，控制作用最柔和，适用于长期稳定运行，在DCM、CCM两种模式下PI参数不同；档位3控制频率快，PI参数较大，主要保证系统动态性能，响应速度快；档位2控制频率快，PI参数比档位3的参数小，降档过程中衔接档位3及档位1；
B.设置档位切换判断条件，根据输出电压纹波指标要求，结合控制器采样精度选取稳态误差Ubs及持续时间Tsta的值，作为降档判断条件；根据输出电压暂态指标要求，结合控制器采样精度选取电压偏差上限值Ubu或下限值Ubd，作为升档判断条件；
C.判断换流器的工作状态，若电压偏差ErrU＝Uref-Ufdk(即电压指令值Uref及电压反馈值Ufdk之差)超出电压偏差上限值Ubu或下限值Ubd即认为换流器进入动态；若电压偏差绝对值小于稳态误差Ubs并持续一段时间Tsta，即认为换流器进入稳态；
当换流器处于稳态时，若输出滤波电感电流断续，在一个周期内的一段时间电感电流等于零，换流器处于DCM模式，若输出滤波电感电流连续，整个周期内电感电流大于零，则换流器处于CCM模式；
D.实现档位切换，不同的工作状态对应不同的档位，系统稳态时控制器工作于档位1，根据CCM、DCM模式选取不同的PI参数；系统动态时控制器工作于档位3，档位2为档位3降档至档位1时的过渡档位。
所述步骤A具体分为以下步骤：
a.在理论分析基础上，结合实际情况选取控制频率、PI参数作为3档的控制参数，要求在此组参数下换流器突加、突卸负载及短路限流等动态指标满足要求；
b.在理论分析基础上，结合实际情况选取控制频率、PI参数作为1档DCM模式时的控制参数，要求在此组参数下换流器处于DCM工作模式时噪声、输出电压纹波、稳态电压调整率等稳态指标满足要求；
c.在理论分析基础上，结合实际情况选取控制频率、PI参数作为1档CCM模式时的控制参数，要求在此组参数下换流器处于CCM工作模式时噪声、输出电压纹波、稳态电压调整率等稳态指标满足要求；
d.根据上述步骤得到的1档、3档PI参数，选取中间过渡作为2档的PI参数，2档的控制频率与3档控制频率相同，要求在此组参数下换流器DCM或CCM工作模式时噪声、输出电压纹波、稳态电压调整率等稳态指标满足要求。
所述步骤D具体分为以下步骤:
a.换流器进行降档判断，换流器处于稳态时，计时器进行累加；换流器处于非稳态时，计时器清零，换流器进行升档判断；
b.计时器累积时间大于设置的持续时间，计时器清零；计时器的累积时间不大于设置的持续时间，换流器作升档判断；
c.计时器清零后，若换流器处于3档，则降至2档后进行升档判断；若换流器处于2档则降至1档后进行升档判断；若换流器处于1档，则维持1档并进行升档判断；
d.换流器进行升档判断，若换流器处于动态则升至3档后实现参数输出；若换流器处于非动态则直接实现参数输出。
本发明通过设置换流器稳态对应档位的PI参数，有效保证换流器稳态时控制频率较低，变压器原边电压正负半波对称，无中点电位偏移，长期运行时变压器偏磁及噪声均显著改善。本发明根据实际工况，针对直流换流器存在DCM、CCM两种工作模式的固有特征，稳态时使用两组不同的PI参数，以保证输出电压纹波、稳态电压调整率等稳态指标。本发明通过设置换流器动态对应档位的PI参数，换流器突加、突卸负载及短路限流等动态过程中控制频率快，PI参数较大，动态响应迅速，确保突加、突卸负载及短路限流等动态指标满足要求。
附图说明
图1是大容量隔离型直流变换器结构示意图；
图2是大容量隔离型直流变换器变PI变频率控制方法状态切换图；
图3是变PI变频率控制方法档位选择软件流程图；
图4是降档判断流程图；
图5是升档判断流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明：
本发明提供了一种大容量隔离型直流换流器变PI变频率控制方法，包括以下步骤：
A.设置控制器的三个档位，其中档位1控制频率较低，PI参数偏小，控制作用最柔和，适用于长期稳定运行，在DCM、CCM两种模式下PI参数不同；档位3控制频率快，PI参数较大，主要保证系统动态性能，响应速度快；档位2控制频率快，PI参数比档位3的参数小，降档过程中衔接档位3及档位1；
B.设置档位切换判断条件，根据输出电压纹波指标要求，结合控制器采样精度选取稳态误差及持续时间Tsta的值，作为降档判断条件；根据输出电压暂态指标要求，结合控制器采样精度选取电压偏差上限值或下限值，作为升档判断条件；
C.判断换流器的工作状态，若电压偏差(即电压指令值及电压反馈值之差)超出电压偏差上限值或下限值即认为换流器进入动态；若电压偏差绝对值小于稳态误差并持续一段时间Tsta，即认为换流器进入稳态；当换流器处于稳态时，若输出滤波电感电流断续，在一个周期内的一段时间电感电流等于零，换流器处于DCM模式，若输出滤波电感电流连续，整个周期内电感电流大于零，则换流器处于CCM模式；
D.实现档位切换，不同的工作状态对应不同的档位，系统稳态时控制器工作于档位1，根据判断CCM、DCM模式选取不同的PI参数；系统动态时控制器工作于档位3，档位2为档位3降档至档位1时的过渡档位。
上述技术方案中，步骤A具体分为以下步骤：
a.在理论分析基础上，结合实际情况选取控制频率、PI参数作为3档的控制参数，要求在此组参数下换流器突加、突卸负载及短路限流等动态指标满足要求；
b.在理论分析基础上，结合实际情况选取控制频率、PI参数作为1档DCM模式时的控制参数，要求在此组参数下换流器处于DCM工作模式时噪声、输出电压纹波、稳态电压调整率等稳态指标满足要求；
c.在理论分析基础上，结合实际情况选取控制频率、PI参数作为1档CCM模式时的控制参数，要求在此组参数下换流器处于CCM工作模式时噪声、输出电压纹波、稳态电压调整率等稳态指标满足要求；
d.根据上述步骤得到的1档、3档PI参数，选取中间过渡作为2档的PI参数，2档的控制频率与3档控制频率相同，要求在此组参数下换流器DCM或CCM工作模式时噪声、输出电压纹波、稳态电压调整率等稳态指标满足要求。
上述技术方案中，步骤D具体分为以下步骤:
a.换流器进行降档判断，换流器处于稳态时，计时器进行累加；换流器处于非稳态时，计时器清零，换流器进行升档判断；
b.计时器累积时间大于设置的持续时间，计时器清零；计时器的累积时间不大于设置的持续时间，换流器作升档判断；
c.计时器清零后，若换流器处于3档，则降至2档后进行升档判断；若换流器处于2档则降至1档后进行升档判断；若换流器处于1档，则维持1档并进行升档判断；
d.换流器进行升档判断，若换流器处于动态则升至3档后实现参数输出；若换流器处于非动态则直接实现参数输出。
典型大容量隔离型直流变换器的结构如图1所示，主要由DC/AC逆变单元、中频变压器、整流桥、输出滤波器依次连接组成。DC/AC逆变单元将输入的直流电转换为交流电并输出至中频变压器实现隔离变换，其生成的交流电经过整流器变换为直流电，由输出滤波器滤波后实现直流输出。控制器通过传感器得到输出的电流电压信息，通过一系列控制计算后实现DC/AC逆变单元的移相PWM控制。
变PI变频率控制方法状态切换图如图2所示。上图中虚线表示升档过程；实线表示降档过程。升档时主要注重快速性，以保证动态响应速度。为了降档时的平滑切换，三个档位积分参数取相同数值，降档时比例系数斜坡下降，尽可能减少降档引起的扰动。
变PI变频率控制方法档位选择软件流程图如图3所示，先进行降档判断，再进行升档判断，根据当前档位选择控制参数。其中，降档判断流程图如图4所示，电压偏差绝对值小于稳态误差并持续一段时间Tsta，即认为换流器进入稳态，可以降档，若控制器处于3档则先降至3档，若系统处于2档则降至1档，若系统处于1档则维持1档。控制器处于1档则进入稳态，适宜长期运行。升档判断流程图如图5所示，电压偏差超出上限值或下限值即认为换流器处于动态，控制器立即采用3档控制参数。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种大容量隔离型直流换流器变PI变频率控制方法，其特征在于包括以下步骤：
A.设置控制器的三个档位，其中档位1控制频率较低，PI参数偏小，控制作用最柔和，适用于长期稳定运行，在DCM、CCM两种模式下PI参数不同；档位3控制频率快，PI参数较大，主要保证系统动态性能，响应速度快；档位2控制频率快，PI参数比档位3的参数小，降档过程中衔接档位3及档位1；
B.设置档位切换判断条件，根据输出电压纹波指标要求，结合控制器采样精度选取稳态误差及持续时间Tsta的值，作为降档判断条件；根据输出电压暂态指标要求，结合控制器采样精度选取电压偏差上限值或下限值，作为升档判断条件；
C.判断换流器的工作状态，若电压偏差超出电压偏差上限值或下限值即认为换流器进入动态；若电压偏差绝对值小于稳态误差并持续一段时间Tsta，即认为换流器进入稳态；上述电压偏差是指电压指令值及电压反馈值之差；当换流器处于稳态时，若输出滤波电感电流断续，在一个周期内的一段时间电感电流等于零，换流器处于DCM模式，若输出滤波电感电流连续，整个周期内电感电流大于零，则换流器处于CCM模式；
D.实现档位切换，不同的工作状态对应不同的档位，系统稳态时控制器工作于1档，根据判断CCM、DCM模式选取不同的PI参数；系统动态时控制器工作于3档，2档为3档降档至档位1时的过渡档位；其中档位切换分为以下步骤:
a.换流器进行降档判断，换流器处于稳态时，计时器进行累加；换流器处于非稳态时，计时器清零，换流器进行升档判断；
b.计时器累积时间大于设置的持续时间Tsta，计时器清零；计时器的累积时间不大于设置的持续时间Tsta，换流器作升档判断；
c.计时器清零后，若换流器处于3档，则降至2档后进行升档判断；若换流器处于2档则降至1档后进行升档判断；若换流器处于1档，则维持1档并进行升档判断；
d.换流器进行升档判断，若换流器处于动态则升至3档后实现参数输出；若换流器处于非动态则直接实现参数输出。
2.根据权利要求1所述的一种大容量隔离型直流换流器变PI变频率控制方法，其特征在于步骤A具体分为以下步骤：
a.在理论分析基础上，结合实际情况选取控制频率、PI参数作为3档的控制参数，要求在此组参数下换流器突加、突卸负载及短路限流这三个动态指标满足要求；
b.在理论分析基础上，结合实际情况选取控制频率、PI参数作为1档DCM模式时的控制参数，要求在此组参数下换流器处于DCM工作模式时噪声、输出电压纹波、稳态电压调整率这三个稳态指标满足要求；
c.在理论分析基础上，结合实际情况选取控制频率、PI参数作为1档CCM模式时的控制参数，要求在此组参数下换流器处于CCM工作模式时噪声、输出电压纹波、稳态电压调整率这三个稳态指标满足要求；
d.根据上述步骤得到的1档、3档PI参数，选取中间过渡作为2档的PI参数，2档的控制频率与3档控制频率相同，要求在此组参数下换流器DCM或CCM工作模式时噪声、输出电压纹波、稳态电压调整率这三个稳态指标满足要求。
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