CN104901548A - 智能电能路由器直流单元最佳工作点测定方法 - Google Patents

Abstract

一种智能电能路由器直流单元最佳工作点测定方法，包括以下步骤：实时采集输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的电压电流值；提取特征参量的值，即输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路电流的断流时间；根据开关频率和电压变极性时的电流这两个状态变量，判断智能电能路由器直流单元的工作状态；通过自适应判断逻辑确定智能电能路由器直流单元最佳工作点的计算方法并求解出其理论值。

Description

智能电能路由器直流单元最佳工作点测定方法

技术领域

本发明涉及一种智能电能路由器直流单元测试方法，特别涉及一种智能电能路由器直流单元最佳工作点的测定方法。

背景技术

随着智能电网的发展，采用包含高频隔离变压器的智能电能路由器作为一种先进的电力电子技术，不仅能实现不同直流电压等级的系统的电气隔离和电压匹配，还能实现功率流动的灵活和智能管理。直流单元作为智能电能路由器中的核心部件，其是否在最佳工作点上运行，直接关系到智能电能路由器的工作性能，如最大工作容量，整体损耗，输出电能质量等等。目前智能电能路由器直流单元最佳工作点主要是通过基于相位判断和离线评估等方法得到，主要步骤包括：通过示波器采集输入智能电能路由直流单元的低压侧H桥电路电压电流数据，观察其相位关系，离线调整开关频率，观测调整结果。在直流单元大规模生产制造中，由于其器件实际参数与标称参数之间实际存在的误差，每个模块的最佳工作点都是不相同的。因此，测试人员必须对每一组直流单元进行测量，并观察输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路电压电流的相位关系，从而离线估算出最佳工作点频率参数。此基于相位判断和离线评估的测试方法效率低，成本高而且测试精度低。

发明内容

本发明的目的是克服现有智能电能路由器直流单元最佳工作点基于相位判断和离线评估测定方法所带来的测试成本高，效率低且精度低的缺点，提出一种新型智能电能路由器直流单元最佳工作点测定方法。本发明通过采用基于低压侧电流断流时间的测定方法，不仅能够实现自适应的获取直流单元的最佳工作点，而且测定过程快速精确。

本发明所基于的智能电能路由器直流单元主要由3部分构成：带有谐振电容的高压侧H桥电路，高频变压器和带有谐振电容的低压侧H桥电路。高压侧H桥电路与高频变压器的高压侧相连，低压侧H桥电路与高频变压器的低压侧相连。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明将输入到智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路电流的断流时间作为被提取的特征参量，采用自适应判断逻辑，通过精确的计算，获得智能电能路由器直流单元最佳工作点。具体步骤如下：

1.实时采集输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的电流值

启动智能电能路由器直流单元，在带阻性负载的工况下，给定智能电能路由器直流单元工作频率的初值，且只触发智能电能路由器直流单元的高压侧H桥电路的开关管IGBT，不触发智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的开关管IGBT，使智能电能路由器直流单元进入稳态并输出额定电压。采集输入智能电能路由器直流单元低压侧的电压和电流瞬时值；

2.提取智能电能路由器直流单元最佳工作点的特征参量，即输入智能电能路由器直流单元低压侧H桥电路电流的断流时间；

根据步骤1采集得到的输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的瞬时电流值，在上位机程序中通过计算电流瞬时值为零所持续的时长，得到电流的断流时间t。

3.判断智能电能路由器直流单元的工作状态

首先确定智能电能路由器直流单元当前的工作频率f₁，并测量输入智能电能路由器直流单元低压侧H桥电路电压变极性时的电流值，记为i_c，然后判断本周期的输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的电流的断流时间t是否为零；

4.计算智能电能路由器直流单元最佳工作点的理论值

根据步骤3确定的智能电能路由器直流单元当前的工作频率f₁，和该步骤3计算得到的输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路电压变极性时的电流值i_c，以及对电流断流时间t的判断结果，可以计算出不同情况下智能电能路由器直流单元最佳工作频率的理论值f：

计算公式为：f＝f₁/(1-2t f₁)；

如果t>0，则智能电能路由器直流单元最佳工作频率的理论值为f＝f₁/(1-2t f₁)；

如果t＝0，i_c>0，则将开关频率减小□f，其中□f为开关频率调整步长，典型取值为200Hz；之后在下一个计算周期，判断t是否大于0，如果t>0，则智能电能路由器直流单元最佳工作频率的理论值为f＝f₁/(1-2t f₁)，否则，不断将开关频率逐次减小□f，直到满足t>0，可以计算出最佳开关频率为止。

进一步地，所述的步骤1中，如果将智能电能路由器直流单元开关频率的初始值设置为小于理论最佳工作点时的开关频率，可以进一步加快最佳工作点的寻找速度。

进一步地，所述的步骤2中，根据采集到的输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的电压值，在上位机的计算程序中，判断电压极性翻转的时间间隔□t，从而得到直流单元当前的工作频率f₁＝1/(2t)。

进一步地，所述的步骤3中，通过智能电能路由器直流单元当前的工作频率f₁和输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路电压变极性时的电流值i_c，可以对直流单元的工作状态作如下判断，如果i_c>0，则说明此刻直流单元的工作频率f₁高于最佳工作点的工作频率。

本发明基于低压侧电流断流时间的智能电能路由器直流单元最佳工作点测定方法，利用了二极管的单向导通特性对智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路电流的影响，通过提取与智能电能路由器直流单元最佳工作点密切相关的变量，即断流时间，作为特征变量，从而快速、精确地求解出智能电能路由器直流单元最佳工作点。

本发明可以在不改变电路拓扑，仅改变低压侧IGBT的控制策略的情况下，通过输入到智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路电流的断流时间以及当前周期的开关频率，自适应并且快速精确地计算出智能电能路由器直流单元最佳工作点。相比目前基于相位判断和离线评估测定的测定方法，本发明所述的方法将输入到智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路电流的断流时间作为被提取的特征参量，并采用了自适应判断逻辑和精确的计算方法，能够大幅度地减少直流单元最佳工作点的测试成本，提高测试直流单元最佳工作点的效率和精确度。

附图说明

图1为本发明智能电能路由器直流单元的电路原理图；

图2为本发明智能电能路由器直流单元的最佳工作点测定方法流程图；

图3为智能电能路由器直流单元在开关频率小于最佳工作点频率时，智能电能路由器直流单元低压侧H桥电路的输入电压电流波形图；

图4为智能电能路由器直流单元在开关频率大于最佳工作点频率时，智能电能路由器直流单元低压侧H桥电路的输入电压电流波形图；

图5为利用本发明智能电能路由器直流单元在最佳工作点时，智能电能路由器直流单元低压侧H桥电路的输入电压电流波形图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明的智能电能路由器直流单元由带有谐振电容的高压侧H桥电路，高频变压器和带有谐振电容的低压侧H桥电路组成。高压侧H桥电路与高频变压器的高压侧相连，低压侧H桥电路与高频变压器的低压侧相连。

如图1所示，智能电能路由器直流单元高压侧H桥的储能电容C₀与直流电源U_dc并联，为整个智能电能路由器直流单元提供能量；负载与智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的储能电容C₁相连，使负载获得稳定的直流电压；带有谐振电容C_pre的智能电能路由器直流单元高压侧H桥和带有谐振电容C_sec的智能电能路由器直流单元低压侧H桥通过高频变压器T相连，实现电压转换的功能；智能电能路由器直流单元高压侧H桥和低压侧H桥的IGBT的触发脉冲均由上位机控制下发。

基于图1所示的智能电能路由器直流单元，本发明基于低压侧电流断流时间的智能电能路由器直流单元最佳工作点测定方法如图2所示。其中，智能电能路由器直流单元开关频率初始值是由测试人员根据理论最佳工作点开关频率，通过上位机设定的。理论最佳工作点开关频率记为f_switch，表达式如下式(1)所示：

$f_{\mathrm{switch}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{1}{\mathrm{LC}}}---\left(1\right)$

式(1)中，L为高频变压器的谐振电感值，C为直流单元的总谐振电容值。

通过式(1)可计算得到理论最佳工作点开关频率。

以下分别为在智能电能路由器直流单元开关频率初始值小于理论最佳工作点开关频率和开关频率初始值大于理论最佳工作点开关频率两种情况下，实施本发明测定方法的步骤。

(1)智能电能路由器直流单元开关频率初始值小于理论最佳工作点开关频率时，本发明测定方法的步骤如下：

1.接通给智能电能路由器直流单元测试电路的直流电源，在上位机中，将开关频率初始值设置为小于理论最佳工作点开关频率的值，同时，触发智能电能路由器直流单元高压侧的开关管IGBT，闭锁低压侧的开关管IGBT，当智能电能路由器直流单元进入稳态并输出额定电压，实时采集输入智能电能路由器直流单元低压侧的电压和电流值；

2.通过采集的输入智能电能路由器直流单元低压侧H桥电路的电压电流瞬时值，上位机可计算出输入被测智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路电流的断流时间t；

3.智能电能路由器直流单元开关频率初始值f₁小于最佳工作点开关频率f。由于与IGBT反并联的二极管的单向导电性，当输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的电流过零点后，无法反向流动，因此会出现一段时间的断流现象。此时，根据初始开关频率和输入智能电能路由器直流单元低压侧H桥电路电流的断流时间t，利用公式f＝f₁/(1-2t f₁)，可以得到智能电能路由器直流单元最佳工作点对应的开关频率；

4.根据计算出来的智能电能路由器直流单元最佳工作点对应的开关频率，上位机同时触发被测智能电能路由器直流单元的高压侧H桥电路和低压侧H桥电路的IGBT，使整个智能电能路由器直流单元在最佳工作点运行。

(2)智能电能路由器直流单元开关频率初始值大于理论最佳工作点开关频率时，本发明测定方法的步骤如下：

1.启动智能电能路由器直流单元测试平台，在上位机中，将初始开关频率设置为大于理论最佳工作点开关频率的值，同时，触发被测智能电能路由器直流单元的高压侧H桥电路的IGBT，闭锁低压侧H桥电路的IGBT。当智能电能路由器直流单元进入稳态并输出额定电压，实时采集输入智能电能路由器直流单元低压侧H桥电路的电压和电流值；

2.通过采集的输入智能电能路由器直流单元低压侧H桥电路的电压电流瞬时值，在上位机计算出电流的断流时间t；

3.被测直流单元开关频率初始值f₁大于最佳工作点开关频率f，由于与IGBT反并联的二极管的单向导电性，当高频输入被测智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的电流还未过零点时，输入低压侧的电压极性翻转，强行关断正流过二极管的电流，因此在这种情况下，不会出现断流现象。此时，将开关频率减小□f，其中，□f为开关频率调整步长，典型取值为200Hz，并返回步骤2和步骤3，判断是否t>0。如果t>0，则执行步骤4，否则继续将开关频率减小□f，直到t>0；

4.根据t>0时刻的开关频率和被测智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路电流的断流时间t，利用公式f＝f₁/(1-2t f₁)可以得到被测直流单元最佳工作点对应的开关频率；

5.根据被测直流单元最佳工作点对应的开关频率，计算出最佳工作点，上位机同时触发被测智能电能路由器直流单元的高压侧H桥电路和低压侧H桥电路的IGBT，使被测智能电能路由器直流单元在最佳工作点运行。

对本发明智能电能路由器直流单元最佳工作点测定方法实施例的仿真分析如下：

仿真电路如图1所示。直流单元高压侧额定电压为1000V，低压侧额定电压为750V，电容C₀、C₁为800F，放电电阻R为350k，谐振电容C_pre和C_sec为20F，负载电阻为12，为高频变压器，且U_dc为1000V，此时直流单元的理论谐振频率为10kHz。在仿真中只向直流单元高压侧的H桥电路发送固定开关频率的开关信号，然后通过上位机实现如图2所示的智能电能路由器直流单元最佳工作点确定方法，从而获得整个直流单元的最佳工作点频率，并将此频率作为开关频率供此单元使用。在仿真过程中，分别在初始开关频率(9kHz)，初始开关频率(11kHz)和最终得到自适应调整得到最佳工作点频率的时刻，采集了输入到智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的电压u_sec和电流i_sec波形，如图3、4、5所示。通过图3所示的电压电流波形，可知，当开关频率为9kHz时，输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的电流会发生6.27s的断流。通过图4所示的电压电流波形，可知，当开关频率为11kHz时，输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的电流没有发生断流现象，而是在输入电压极性翻转时，电流被强行关断，关断电流的大小为24.1A。从图5所示的输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的电压电流波形可知，当直流单元工作在最佳工作点时，能够实现IGBT的零电流关断，并且电流谐波含量很低。由这些仿真计算结果可见，本发明基于低压侧电流断流时间的智能电能路由器直流单元最佳工作点测定方法能够精确地获得直流单元的最佳工作点。

Claims (4)

1.一种智能电能路由器直流单元最佳工作点测定方法，其特征在于，所述的测定方法将输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路电流的断流时间作为被提取的特征参量，采用自适应判断逻辑，通过计算获得智能电能路由器直流单元最佳工作点；所述的测定方法包括以下步骤：

(1)实时采集输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的电流值；

启动智能电能路由器直流单元，在带阻性负载的工况下，给定智能电能路由器直流单元工作频率的初值，仅触发智能电能路由器直流单元高压侧H桥电路的开关管IGBT，使智能电能路由器直流单元进入稳态并输出额定电压；采集输入智能电能路由器直流单的低压侧H桥电路的电压和电流瞬时值；

(2)提取智能电能路由器直流单元最佳工作点的特征参量的值，即输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路电流的断流时间t；

根据步骤(1)采集得到的输入智能电能路由器直流单元的瞬时电流值，在上位机中通过计算电流瞬时值为零所持续的时长，得到所述电流的断流时间t；

(3)判断直流单元的工作状态

首先确定智能电能路由器直流单元当前的工作频率f₁，并测量输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路电压变极性时的电流值，记为i_c，然后判断本周期输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的电流的断流时间t是否为零；

(4)计算智能电能路由器直流单元最佳工作点的频率

根据步骤(3)确定的智能电能路由器直流单元当前的工作频率f₁，和该步骤(3)计算得到的输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路电压变极性时的电流值i_c，以及对电流断流时间t的判断结果，计算出不同情况下智能电能路由器直流单元最佳工作频率f：

f＝f₁/(1-2t f₁)；

如果t>0，则智能电能路由器直流单元最佳工作频率为f＝f₁/(1-2t f₁)；

如果t＝0，i_c>0，则将开关频率减小□f，其中□f为开关频率调整步长，典型取值为200Hz；

之后，在下一个计算周期，判断t是否大于0，如果t>0，则智能电能路由器直流单元最佳工作频率为f＝f₁/(1-2t f₁)，否则，不断将开关频率逐次减小□f，直到满足t>0，能够计算出最佳开关频率为止。

2.根据权利要求1所述的智能电能路由器直流单元最佳工作点测定方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，将智能电能路由器直流单元开关频率的初始值设置为小于理论最佳工作点时的开关频率，加快最佳工作点的寻找速度。

3.根据权利要求1所述的智能电能路由器直流单元最佳工作点测定方法，其特征在于：所述步骤(2)中，将输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路电流的断流时间t作为智能电能路由器直流单元最佳工作点的特征参量。

4.根据权利要求1所述的智能电能路由器直流单元最佳工作点测定方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，通过智能电能路由器直流单元当前的工作频率f₁和输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路电压变极性时的电流值i_c，判断直流单元的工作状态：如果i_c>0，则说明此刻直流单元的工作频率f₁高于最佳工作点的工作频率。