CN103986173B - 一种电力电子变压器的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电力电子变压器的控制方法及系统，该方法包括：S1.检测各级H桥整流器的直流电容电压；S2.根据H桥整流器的直流电容电压检测值，通过超级电容储能控制进行预充电控制；S3.检测预充电控制后各级H桥整流器的直流电容电压实际值；S4.判断各级H桥整流器的直流电容电压是否达到正常工作电压，若达到，则并入电网，若不达到，则重新进行预充电控制。本发明的电力电子变压器的储能模块，在并网前对直流母线电容进行预充电控制，从而降低了电力电子变压器并网时开关上的冲击电流，在并网后对超级电容进行充放电控制，维持直流母线电压稳定。

Description

一种电力电子变压器的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电力电子控制领域，特别涉及一种电力电子变压器的控制方法及系统。

背景技术

随着大功率电力电子元器件及其控制技术的发展，一种通过电力电子技术实现电力变换和能量传递的新型变压器——电力电子变压器(PowerElectronicTransformer，PET)得到了国内外研究人员越来越多的关注。在电力电子控制领域，研究人员提出了一种新的分布式能源组织方式和结构——微网。其中，电力电子变压器为各种可再生分布式电源、储能设备和负载接入电网提供了接口。

在现有微网技术中，直流微网多采用多代理系统(MultiAgentSystem，MAS)控制直流母线电压，将各分布式电源、储能装置和负载划分为多个小的子系统。不同子系统之间既相对独立又相互联系，相互之间只有信息的交流，通过协同合作的方式进行工作。管理中心发出指令进行统一管理，通过各子系统电压均衡控制实现直流母线电压稳定。

但是，直流微网的多代理系统(MultiAgentSystem，MAS)控制系统一旦管理中心失控或者通讯指令故障会导致电压失衡甚至系统崩溃；并且控制算法相当复杂，增加了难度。电力电子变压器作为分布式电源与电网之间的纽带，起着缓冲协调网源的关系，如何实现PET快速调节低压直流母线电压，提高低压直流系统稳定运行能力，并实现装置本身的平滑并网成为研制电力电子变压器必须要考虑的问题

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供的一种电力电子变压器控制的方法及系统，通过超级电容储能模块对并网前直流母线电容进行预充电和维持直流母线电压稳定，降低电力电子变压器并网时开关器件上的冲击电流，并在直流微网的功率频繁波动情况下稳定直流母线上的电压

(二)技术方案

本发明提供了一种电力电子变压器控制的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1.检测各级H桥整流器的直流电容电压；S2.根据H桥整流器的直流电容电压检测值，通过超级电容储能控制进行预充电控制；S3.检测预充电控制后各级H桥整流器的直流电容电压实际值；S4.判断各级H桥整流器的直流电容电压是否达到正常工作电压，若达到，则并入电网，若不达到，则重新进行预充电控制。

进一步地，所述方法还包括：

S1＇.并入电网后，检测配电网负载的直流母线电容和超级电容的实际电压值；

S2＇.根据超级电容的电压，通过超级电容储能控制，计算出直流母线电容所需的电能并从超级电容传输所述计算的电能到直流母线电容；

S3＇.通过超级电容传输所述计算的电能到直流母线电容，以控制直流母线电容电压保持稳定。

进一步地，所述预充电控制包括：

将H桥整流器的直流电容电压指令值与直流电容的电压实际值做差，对差值进行PI控制，计算出期望的H桥整流器的直流电容电压；

将所述期望的H桥整流器的直流电容电压送输入至隔离型双向全桥DC/DC变换器DAB；

所述DAB通过超级电容的储能控制，将超级电容的电能反向传输给各级H桥整流器的直流电容。

进一步地，所述超级电容储能控制包括：

将配电网负载的直流母线电容电压的指令值与实际检测电压值做差，对差值进行PI控制，计算出期望的直流母线电容电压；

根据直流母线电流指令值和DC/DC变流器的占空比，以超级电容电流限制函数作为范围依据，计算出超级电容的电流指令值；

将所述超级电容的电流指令值与实际值做差，对差值进行滑模控制后，输入至DC/DC变流器。

进一步地，所述超级电容电流限制函数为：限定超级电容电流指令值在可放电电流的最大值和最小值之间。

本发明还提供了一种电力电子变压器，其特征在于，包括以下模块：

电容电压检测模块，用于检测各级H桥整流器的直流电容、预充电控制后各级H桥整流器的直流电容电压、配电网负载的直流母线电容和超级电容的电压实际值；

超级电容储能模块，用于根据所述各级H桥整流器的直流电容电压实际值，通过超级电容储能控制进行预充电控制；

直流电容电压判断模块，用于判断各级H桥整流器的直流电容电压实际值是否达到正常工作电压值，若达到，则并入电网；若不达到，则重新进行预充电控制。

进一步地，所述电力电子变压器，还包括：

H桥级联整流器、隔离型双向全桥DC/DC变换器、逆变器、低压母线接口，所述H桥级联整流器的每一级的直流端与一个所述隔离型双向全桥DC/DC变换器连接；所述隔离型双向全桥DC/DC变换器的低压端与所述超级电容储能模块连接；所述逆变器直流端与所述隔离型双向全桥DC/DC变换器连接；所述逆变器的直流端与超级电容储能模块连接。

进一步地，所述超级电容储能模块包括：

直流母线电容电压处理模块，用于将配电网负载的直流母线电容电压的指令值与直线母线电容的电压实际值做差，对差值进行PI控制，并计算出期望的直流母线电容电压；

超级电容的指令电流处理模块，用于根据直流母线电流指令值和双向DC/DC变流器的占空比，通过超级电容电流限制模块限定超级电容电流指令值在可放电电流的最大值和最小值之间，计算出超级电容的电流指令值；

超级电容滑模控制模块，用于将所述超级电容的电流指令值与实际值做差，对差值进行滑模控制，并将所述滑模控制后的差值输入至双向DC/DC变流器控制环节；

双向DC/DC变流器控制模块，用于通过双向DC/DC变流器控制超级电容的充放电。

进一步地，所述超级电容存储模块还包括：

超级电容组，用于释放和存储电能；

超级电容等效串联电阻，用于分析电流和电压瞬态过程；

超级电容升压电感，用于提升负载电压；

双向DC/DC变流器，用来实现电路的BUCK和BOOST功能。

进一步地，所述双向DC/DC变流器包括：

BUCK开关，由MOS管和二极管组成，用于控制超级电容的充电；

BOOST开关，由MOS管和二级管组成，用于控制超级电容的放电。

(三)有益效果

本发明提供的一种电力电子变压器控制的控制方法和系统，在并入电网前判断各级H桥整流器的直流电容电压是否达到正常工作电压，若不达到，则重新进行预充电控制，直到达到工作正常工作电压才并入电网，降低了电力电子变压器并网时开关器件上的冲击电流。，有效减小并网电流冲击，保证开关器件的安全、稳定。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的一种电力电子变压器控制的控制方法流程图；

图2是本发明实施例1提供的一种电力电子变压器控制的另一种控制方法流程图；

图3是本发明实施例2提供的一种电力电子变压器的控制系统结构示意图；

图4是本发明实施例1提供的预充电控制结构图；

图5是本发明实施例1提供的储能控制结构图；

图6是本发明实施例1提供的超级电容电流限制函数图；

图7是本发明实施例2提供的级联电力电子变压器整体结构图；

图8是本发明实施例2提供的超级电容储能模块拓补图。

具体实施方式

为使本发明实施例目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明实施例提供了一种电力电子变压器控制的控制方法，参见图1，该方法包括以下步骤：

S1.检测各级H桥整流器的直流电容电压；

S2.根据H桥整流器的直流电容电压检测值，通过超级电容储能控制进行预充电控制；

S3.检测预充电控制后各级H桥整流器的直流电容电压实际值；

S4.判断各级H桥整流器的直流电容电压是否达到正常工作电压，若达到，则并入电网，若不达到，则重新进行预充电控制。

可选地，参见图2，所述方法还包括：

S1＇.并入电网后，检测配电网负载的直流母线电容和超级电容的实际电压值；

S2＇.根据超级电容的电压，通过超级电容储能控制，计算出直流母线电容所需的电能并从超级电容传输所述计算的电能到直流母线电容；

S3＇.通过超级电容传输所述计算的电能到直流母线电容，以控制直流母线电容电压保持稳定。

可选地，所述预充电控制，参见图4，包括：

将H桥整流器的直流电容电压指令值Vdc_ref与直流电容的电压实际值Vdc1做差，对差值进行PI控制，计算出期望的H桥整流器的直流电容电压；

将所述期望的H桥整流器的直流电容电压送输入至隔离型双向全桥DC/DC变换器DAB；

所述DAB通过超级电容的储能控制，将超级电容的电能反向传输给各级H桥整流器的直流电容。

可选地，所述超级电容储能控制，参见图5，包括：

将配电网负载的直流母线电容电压的指令值Vdc_ref与实际检测电压值Vdc做差，对差值进行PI控制，计算出期望的直流母线电容电压，消除了稳态误差；

根据能量守恒，忽略开关器件损耗，可以认为VdcIdc＝VscIsc，因此根据直流母线电流指令值Idc_ref和DC/DC变流器的占空比δ，以超级电容电流限制函数作为范围依据，计算出超级电容的电流指令值Isc_ref，其中，占空比保持直流侧电压恒定的目的，是通过调节超级电容器的电流实际值Isc来实现的，鉴于超级电容的时间常数很大，因此不需要频繁调节Vsc；

将所述超级电容的电流指令值Isc_ref与实际值Isc做差，对差值进行滑模控制后，输入至DC/DC变流器，其中，滑模控制提高系统的响应速度和鲁棒性。

可选地，参见图6，所述超级电容电流限制函数为：限定超级电容电流指令值在可放电电流的最大值和最小值之间。为了保护超级电容器，在控制模块中加入超级电容电流限制函数，从而使电流参考值Isc_ref在[Iscmin,Iscmax]之间，如图5，其中：

$I_{SCMin}=-I_{SCN}\min (1,\frac{U_{SCMax}-V_{SC}}{\mathrm{\Δ}u})$

$I_{SCMax}=I_{SCN}\min (1,\frac{U_{SC}-V_{SCMin}}{\mathrm{\Δ}u})$

I_SCN是超级电容额定电流，V_SC是理想电容器端电压，Δu是超级电容等效电阻上的电压降，I_SCMin，I_SCMax分别是超级电容放电电流的最小值和最大值。

实施例2：

本发明实施例提供了一种电力电子变压器，参见图3，包括以下模块：

电容电压检测模块301，用于检测各级H桥整流器的直流电容、预充电控制后各级H桥整流器的直流电容电压、配电网负载的直流母线电容和超级电容的电压实际值；

超级电容储能模块303，用于根据所述各级H桥整流器的直流电容电压实际值，通过超级电容储能控制进行预充电控制；

直流电容电压判断模块302，用于判断各级H桥整流器的直流电容电压实际值是否达到正常工作电压值，若达到，则并入电网；若不达到，则重新进行预充电控制。

可选地，参见图7，所述电力电子变压器，还包括：

H桥级联整流器、隔离型双向全桥DC/DC变换器、逆变器、低压母线接口，所述H桥级联整流器的每一级的直流端与一个所述隔离型双向全桥DC/DC变换器连接；所述隔离型双向全桥DC/DC变换器的低压端与所述超级电容储能模块连接；所述逆变器直流端与所述隔离型双向全桥DC/DC变换器连接；所述逆变器的直流端与超级电容储能模块连接。

可选地，所述超级电容储能模块包括：

直流母线电容电压处理模块304，用于将配电网负载的直流母线电容电压的指令值与直流母线电容的电压实际值做差，对差值进行PI控制，并计算出期望的直流母线电容电压；

超级电容的指令电流处理模块305，用于根据直流母线电流指令值和双向DC/DC变流器的占空比，通过超级电容电流限制模块限定超级电容电流指令值在可放电电流的最大值和最小值之间，计算出超级电容的电流指令值；

超级电容滑模控制模块306，用于将所述超级电容的电流指令值与实际值做差，对差值进行滑模控制，并将所述滑模控制后的差值输入至双向DC/DC变流器控制环节；

双向DC/DC变流器控制模块307，用于通过双向DC/DC变流器控制超级电容的充放电。

可选地，参见图8，所述超级电容存储模块还包括：

超级电容组，用于释放和存储电能；

超级电容等效串联电阻，用于分析电流和电压瞬态过程；

超级电容升压电感，用于提升负载电压；

双向DC/DC变流器，用来实现电路的BUCK和BOOST功能。

可选地，所述双向DC/DC变流器包括：

BUCK开关，由MOS管和二极管组成，用于控制超级电容的充电；

BOOST开关，由MOS管和二级管组成，用于控制超级电容的放电。

通过上述描述可见，本发明实施例具有如下有益效果：

本发明提供的一种电力电子变压器控制的控制方法和系统，在并入电网前进判断各级H桥整流器的直流电容电压是否达到正常工作电压，若不达到，则重新进行预充电控制，直到达到工作正常工作电压才并入电网，降低了电力电子变压器并网时开关器件上的冲击电流。，有效减小并网电流冲击，保证开关器件的安全、稳定；通过超级电容储能模块的储能控制，将超级电容和直流母线电容的电能之间进行传输，从而在直流微网的功率频繁变动情况下，稳定直流母线电压，提高电能质量，确保直流用电设备的稳定运行。

需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的原则之内所有的任何修改、同等替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电力电子变压器的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1.检测各级H桥整流器的直流电容电压；

S2.根据H桥整流器的直流电容电压检测值，通过超级电容储能控制进行预充电控制；

S3.检测预充电控制后各级H桥整流器的直流电容电压实际值；

S4.判断各级H桥整流器的直流电容电压是否达到正常工作电压，若达到，则并入电网，若不达到，则重新进行预充电控制；

S1＇.并入电网后，检测配电网负载的直流母线电容和超级电容的实际电压值；

S2＇.根据超级电容的电压，通过超级电容储能控制，计算出直流母线电容所需的电能并从超级电容传输所述计算的所述电能到直流母线电容；其中，所述超级电容储能控制包括：

将配电网负载的直流母线电容电压的指令值与实际检测电压值做差，对差值进行PI控制，计算出期望的直流母线电容电压；

根据直流母线电流指令值和DC/DC变流器的占空比，以超级电容电流限制函数作为范围依据，计算出超级电容的电流指令值；

将所述超级电容的电流指令值与实际值做差，对差值进行滑模控制后，输入至DC/DC变流器；

S3＇.通过超级电容传输所述计算的所述电能到直流母线电容，以控制直流母线电容电压保持稳定。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述预充电控制包括：

将H桥整流器的直流电容电压指令值与直流电容的电压实际值做差，对差值进行PI控制，计算出期望的H桥整流器的直流电容电压；

将所述期望的H桥整流器的直流电容电压输入至隔离型双向全桥DC/DC变换器DAB；

所述DAB通过超级电容的储能控制，将超级电容的电能反向传输给各级H桥整流器的直流电容。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述超级电容电流限制函数为：限定超级电容电流指令值在可放电电流的最大值和最小值之间。

4.一种电力电子变压器，其特征在于，包括以下模块：

电容电压检测模块，用于检测各级H桥整流器的直流电容、预充电控制后各级H桥整流器的直流电容电压、配电网负载的直流母线电容和超级电容的电压实际值；

超级电容储能模块，用于根据所述各级H桥整流器的直流电容电压实际值，通过超级电容储能控制进行预充电控制；

直流电容电压判断模块，用于判断各级H桥整流器的直流电容电压实际值是否达到正常工作电压值，若达到，则并入电网；若不达到，则重新进行预充电控制；

其中，所述超级电容储能模块包括：

直流母线电容电压处理模块，用于将配电网负载的直流母线电容电压的指令值与直流母线电容的电压实际值做差，对差值进行PI控制，并计算出期望的直流母线电容电压；

超级电容的指令电流处理模块，用于根据直流母线电流指令值和双向DC/DC变流器的占空比，通过超级电容电流限制模块限定超级电容电流指令值在可放电电流的最大值和最小值之间，计算出超级电容的电流指令值；该模块采用以下表达式获取可放电电流的最大值与最小值：

$I_{SCMin}=-I_{SCN}min(1,\frac{U_{SCMax}-V_{SC}}{\mathrm{\Δ}u})$

$I_{SCMax}=I_{SCN}min(1,\frac{V_{SC}-U_{SCMin}}{\mathrm{\Δ}u})$

式中，I_SCN是超级电容额定电流，V_SC是理想电容器端电压，Δu是超级电容等效电阻上的电压降，I_SCMin，I_SCMax分别是超级电容放电电流的最小值和最大值；

超级电容滑模控制模块，用于将所述超级电容的电流指令值与实际值做差，对差值进行滑模控制，并将所述滑模控制后的差值输入至双向DC/DC变流器控制环节；

双向DC/DC变流器控制模块，用于通过双向DC/DC变流器控制超级电容的充放电。

5.根据权利要求4所述电力电子变压器，其特征在于，还包括：

H桥级联整流器、隔离型双向全桥DC/DC变换器、逆变器、低压母线接口，所述H桥级联整流器的每一级的直流端与一个所述隔离型双向全桥DC/DC变换器连接；所述隔离型双向全桥DC/DC变换器的低压端与所述超级电容储能模块连接；所述逆变器直流端与所述隔离型双向全桥DC/DC变换器连接；所述逆变器的直流端与超级电容储能模块连接。

6.根据权利要求4所述电力电子变压器，其特征在于，所述超级电容存储模块还包括：

超级电容组，用于释放和存储电能；

超级电容等效串联电阻，用于分析电流和电压瞬态过程；

超级电容升压电感，用于提升负载电压；

双向DC/DC变流器，用来实现电路的BUCK和BOOST功能。

7.根据权利要求6所述电力电子变压器，其特征在于，所述双向DC/DC变流器包括：

BUCK开关，由MOS管和二极管组成，用于控制超级电容的充电；

BOOST开关，由MOS管和二级管组成，用于控制超级电容的放电。