CN104993505A - 一种模块化电力电子变压器的电压与功率平衡控制方法 - Google Patents

一种模块化电力电子变压器的电压与功率平衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块化电力电子变压器的电压与功率平衡控制方法，该方法应用的电力电子变压器包括：输入级、隔离级与输出级；输入级采用基于单相dq解耦的共同占空比控制，实现高压侧直流电压的稳定控制、输入电流的正弦与功率因数的灵活调节；隔离级引入一种无电流传感器的电压功率双环控制策略，输出电压外环调节产生各功率内环的统一参考值，各功率内环调节产生隔离级各个模块的移相角；输入级与隔离级的两种控制策略协同作用，实现所述电力电子变压器各模块电压与功率平衡。

Description

一种模块化电力电子变压器的电压与功率平衡控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术在电力系统中的应用，具体涉及一种模块化电力电子变压器的电压与功率平衡控制方法。
背景技术
电力变压器的使用历史已百年有余，因可靠性高、结构简单的优点在现今的输配电系统中占据了重要位置，应用数量巨大。但其主要功能为实现基本电压等级变换与电气隔离，功能相对单一，而且存在一系列缺点：体积重量大；绝缘油对环境造成威胁；无法维持输出电压稳定与改善电能质量。
电力电子变压器的概念早在20世纪70年代被提出，主要是通过电力电子技术与磁耦合技术来实现电压变换与能量传递。其突出的优点有体积小、重量轻与能有效改善电能质量等；此外，其能提供稳定的交直流混合接口，便于整合分布式能源，采用数字化控制易于实现能量的分配管理。因此电力电子变压器相对于传统变压器更加适合未来智能电网的建设，且在分布式微网与新能源发电等领域具有非常大的发展潜力。
目前受功率半导体器件耐压等级的限制，单级型的电力电子变压器无法满足配电网的电压等级，这是限制电力电子变压器工程实用化的一大因素，而模块串并联组合方式可有效的弥补单级型的不足，但是模块的串并联会引入各模块间电压与功率的不平衡问题，严重时甚至导致整个电力电子变压器系统无法正常的工作，所以必须采取相应的控制方法来保证功率与电压的平衡。
发明内容
本发明的目的在于针对模块化电力电子变压器电压与功率的不平衡问题，提供一种简单、有效的功率与电压平衡方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种模块化电力电子变压器的电压与功率平衡控制方法，其应用的电力电子变压器隔离级由多个低压输出端并联的双有源全桥(Dual Active Bridge，DAB)变换器构成，控制方面引入一种无电流传感器的电压功率双环控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)对隔离级的低压直流输出电压进行检测，将检测值与给定值进行比较，误差经电压外环PI调节输出作为功率内环的参考值；
(2)根据输入级级联H桥整流器采用单相dq解耦的共同占空比控制，各H桥模块的共同有功与无功占空比分别为dd与dq，交流输入电流的有功与无功分量分别为Isd与Isq，隔离级DAB模块的输入端与输入级H桥模块输出端连接于高压侧直流端口，可以得到DAB模块的输入平均电流Ihda＝0.5(ddIsd+dqIsq)，流经DAB模块的功率为Phdi＝VhdiIhda，其中，Vhdi为高压直流端口电压；
(3)将上述计算所得的实际功率值与参考值进行比较，误差送入功率内环PI调节输出DAB模块的高低压侧H桥模块驱动信号间的移相角，再通过移相控制产生驱动信号；
进一步的，隔离级采用无电流传感器的电压功率双环控制方法，实现低压直流输出电压的稳定与DAB模块间的功率平衡，且无需检测隔离的高频电流；输入级采用单相dq解耦的共同占空比控制，实现各高压直流端口电压之和的稳定、交流输入电流的高度正弦、功率因数可调与各H桥模块直流输出平均电流即各DAB模块的输入平均电流的相等，隔离级与输入级协同工作，平衡DAB模块间功率的同时自动实现高压侧直流端口间电压平衡。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明不仅可以实现模块化电力电子变压器的功率与电压平衡，而且可以实现功率因数可调、交流输入电流的高度正弦，可用于能量正向流动与反向回馈并网两种模式。相对于以前的控制方式，该控制方式通过输入级与隔离级协同工作，实现电压与功率的平衡，隔离级采用无电流传感器的电压功率双环控制，相对于电压单环动态响应更为迅速，而且无需检测隔离级的高频电流，减少了电流传感器与采样环节，当模块数较多时该优点尤为明显。
附图说明
图1为一种N个H桥模块串联的模块化电力电子变压器主功率电路图；
图2为本发明输入级基于单相dq坐标下的双环控制示意图；
图3为本发明隔离级无电流传感器电压功率双环控制示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述说明。
本发明公开了一种模块化电力电子变压器的电压与功率平衡控制方法，其应用的功率主电路由三级构成：输入级为级联H桥变换器、隔离级隔离型DC/DC变换器、输出级为DC/AC逆变器；输入级采用多模块串联，实现高压侧交流到高压侧直流的变换；隔离级由多个输出端并联的DAB变换器模块组成，各DAB模块的输出端并联连接于低压直流母线，输入端与输入级的输出端连接于高压直流母线，实现高压侧直流到低压侧直流的变换，输出级将低压侧直流电压变换为工频交流。
本发明公开了一种模块化电力电子变压器的电压与功率平衡控制方法，输入级级联H桥变换器采用基于单相dq解耦的共同占空比控制，隔离级各DAB模块采用无电流传感器的电压功率双环控制，输入级与隔离级协同工作，实现功率与电压的平衡。
图1所示为一种输入级N个H桥模块串联隔离级N个DAB单元输出端并联的单相模块化电力电子变压器的功率主电路，N为自然数。
图2所示为输入级级联H桥变换器采用的基于单相dq解耦的共同占空比控制，包括电压外环与电流内环，实现级联H桥变换器各H桥模块直流端电压之和的稳定直流输出平均电流的相等、交流输入电流正弦化、功率因数的调节，该方法包括以下步骤：
(1)对输入级各H桥模块的直流端电压Vhdi进行检测并求取和VhD，将电压之和VhD与给定值VhDr进行比较，它们的误差经过电压外环PI调节输出Isdr作为d轴电流环的参考；VhD的表达式如下：
V h D = Σ i = 1 N V h d i
(2)输入电压vs与输入电流is检测值经单相dq变换分别得到输入电压的d轴、q轴分量Vsd、Vsq与输入电流的d轴、q轴分量Isd、Isq，其中dq变换所用的相位基准θ由输入电压采样经PLL锁相环获得，d轴分量代表有功分量，q轴分量代表无功分量；若d轴电流Isd>0，则输入级工作于整流模式，向低压侧传输能量，反之则输入级工作于并网逆变模式，向电网回馈能量；
(3)d轴电流内环以上述电压环PI的输出Isdr作为参考，误差送人d轴电流环PI；q轴电流内环以给定值Isqr为参考，误差送人q轴电流环PI；然后对两轴PI的输出值进行解耦并加入分别输入电压前馈量Vsd、Vsq，再除以各H桥模块直流端电压之和VhD得到有功占空比dd与无功占空比dq；有功占空比dd与无功占空比dq经单相dq反变换得到调制波ua，各H桥模块共用同一调制波ua，经载波移相调制后得到各H桥模块的驱动信号；
图3所示为隔离级采用无电流传感器的电压功率双环控制方法，各DAB模块功率内环的参考值通过同一电压外环产生，实际功率反馈值根据相关量计算获得；该方法包括以下步骤：
(1)隔离级低压直流输出电压Vld进行检测，将检测值与给定值Vldr进行比较，误差经过电压环PI调节输出Phdr作为功率内环的参考值；
(2)根据输入级级联H桥整流器采用单相dq解耦的共同占空比控制，各H桥模块的共同有功与无功占空比分别为dd与dq，交流输入电流的有功与无功分量分别为Isd与Isq，隔离级DAB模块的输入端与输入级H桥模块输出端连接于高压侧直流端口，可以得到DAB模块的输入平均电流Ihda＝0.5(ddIsd+dqIsq)，流经DAB模块的功率为Phdi＝VhdiIhda，其中，Vhdi为高压直流端口电压；
(3)将上述计算所得的实际功率值Phdi与参考值Phdr进行比较，误差送入功率内环PI调节输出DAB模块的高低压侧H桥模块驱动信号间的移相角，再通过移相控制产生驱动信号；若移相角大于0，则DAB模块功率正向流动，反之功率反向流动。
隔离级采用无电流传感器的电压功率双环控制方法，实现低压直流输出电压的稳定与DAB模块间的功率平衡，且无需检测隔离的高频电流；输入级采用单相dq解耦的共同占空比控制，实现各高压直流端口电压之和的稳定、交流输入电流的高度正弦、功率因数可调与各H桥模块直流输出平均电流即各DAB模块的输入平均电流的相等，隔离级与输入级协同工作，平衡DAB模块间功率的同时自动实现高压侧直流端口间电压平衡。

Claims (2)

1.一种模块化电力电子变压器的电压与功率平衡控制方法，其应用的电力电子变压器隔离级由多个低压输出端并联的双有源全桥(Dual Active Bridge，DAB)变换器构成，控制方面引入一种无电流传感器的电压功率双环控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)对隔离级的低压直流输出电压进行检测，将检测值与给定值进行比较，误差经电压外环PI调节输出作为功率内环的参考值；
(2)根据输入级级联H桥整流器采用单相dq解耦的共同占空比控制，各H桥模块的共同有功与无功占空比分别为dd与dq，交流输入电流的有功与无功分量分别为Isd与Isq，隔离级DAB模块的输入端与输入级H桥模块输出端连接于高压侧直流端口，可以得到DAB模块的输入平均电流Ihda＝0.5(ddIsd+dqIsq)，流经DAB模块的功率为Phdi＝VhdiIhda，其中，Vhdi为高压直流端口电压；
(3)将上述计算所得的实际功率值与参考值进行比较，误差送入功率内环PI调节输出DAB模块的高低压侧H桥模块驱动信号间的移相角，再通过移相控制产生驱动信号。
2.根据权利1所述的模块化电力电子变压器的电压与功率平衡控制方法，其特征在于，隔离级采用无电流传感器的电压功率双环控制方法，实现低压直流输出电压的稳定与DAB模块间的功率平衡，且无需检测隔离的高频电流；输入级采用单相dq解耦的共同占空比控制，实现各高压直流端口电压之和的稳定、交流输入电流的高度正弦、功率因数可调与各H桥模块直流输出平均电流即各DAB模块的输入平均电流的相等，隔离级与输入级协同工作，平衡DAB模块间功率的同时自动实现高压侧直流端口间电压平衡。
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