CN106451576A - 一种单相多输出的电力电子变压器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相多输出的电力电子变压器的控制方法。电力电子变压器的拓扑由整流级与隔离级组成。其中整流级为串联的AC‑DC变换器，隔离级为数个独立的DC‑DC变换器。整流级接到交流电网，隔离级的各个DC‑DC变换器给各自的负载供电。控制方法包括整流级的直流电压控制以及隔离级的输出电压控制，在隔离级负载严重不平衡的情况下，通过在整流级注入无功电流来辅助整流级的直流电压均衡，保证各个模块不出现过调制现象，使得电力电子变压器稳定运行。仿真结果验证了该方法的正确性、可靠性，为工程应用提供了很好的参考价值。

Description

一种单相多输出的电力电子变压器的控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子变压器技术领域，尤其涉及一种单相多输出的电力电子变压器的控制方法。

背景技术

传统电力变压器结构简单、效率高、可靠性高，广泛应用于电力系统。但过低的工作频率导致传统变压器体积大、笨重，而且矿物油、环氧树脂、难燃油等作为绝缘或冷却介质的使用存在火灾和环境污染的潜在隐患。另外，传统电力变压器通常只能够实现电气隔离、电压等级变换和功率双向传递等相对单一的功能，而无网侧电能质量调节、谐波传递隔绝、过载及故障保护、负载电压调节等功能。传统电力变压器的这些弱点使其无法满足诸如智能电网等新应用场合的功能要求。

在过去的几十年中，电力电子技术有了长足全面的快速发展，越来越多的电力电子装置在电力系统中应用。在这个大背景下，针对传统变压器的上述弱点，研究人员和工程师提出了电力电子变压器(Power Electronic Transformer)或者固态变压器(Solid-State Transformer)加以解决。

在智能电网与新能源发电技术迅猛发展的大背景下，未来的电力电子变压器可以作为分布式电源、分布式负载的接口。模块式的电力电子变压器可以提供多个相互电气隔离的直流、交流接口，可以灵活地接入多个电源与负载。

对于单相交流输入、多个负载输出的电力电子变压器，常规的整流级控制中，交流侧电流一般控制成单位功率因数，但是在这种单相交流输入、多个负载输出的电力电子变压器的拓扑中，电流若控制成单位功率因数，在负载严重不平衡的情况下整流级某些模块将出现过调制现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单相多输出的电力电子变压器的控制方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

该电力电子变压器的控制方法包括以下步骤：

1)以整流级模块发生过调制现象作为隔离级负载严重不平衡的判定依据，在发生隔离级负载严重不平衡的情况下，令单相多输出的电力电子变压器的整流级输入一定的无功电流，同时各个整流级模块输出一定的无功电压，使无功电流与各个整流级模块输出的无功电压产生有功功率；

2)利用上述有功功率使各个整流级模块达到功率平衡以及直流侧电压稳定的同时避免过调制现象。

所述步骤1)具体包括以下步骤：令各个整流级模块的d轴电压均等，通过调节各个整流级模块的q轴电压来实现直流电压的均衡，注入的无功电流的幅值刚好令稳态下调制度最大的整流级模块的调制度为1。

所述发生隔离级负载严重不平衡是指导致功率最大的整流级模块出现过调制现象的隔离级负载功率不平衡。

在发生隔离级负载严重不平衡的情况下，所述电力电子变压器的整流级的直流电压控制采用虚拟三相的dq电压电流双闭环控制，具体包括以下步骤：

3.1)检测所述电力电子变压器各个整流级模块的直流侧电压V_{dc_i}，i＝1,2,…,N，N表示整流级模块数，并求出平均电压V_{dc_avr}；

3.2)将V_{dc_avr}与整流级直流参考电压V_dc*比较，通过PI调节器，输出d轴电流指令i_d*；

3.3)检测各个整流级模块所对应的负载功率，并求出平均负载功率P_avr；选取出△P_i的绝对值中的最大值，△P_i＝P_i-P_avr，i＝1,2,…,N，N表示整流级模块数，根据该最大值以及电网电压和整流级模块的直流电压计算q轴的电流指令i_q*；

3.4)将电网电流做虚拟三相变换，然后通过转换运算将虚拟三相电流变换成d、q轴上的分量i_d与i_q；

3.5)把i_d*、i_q*、i_d、i_q，以及电网电压前馈量u_{G_d}和u_{G_q}送入电流内环，生成总的电压指令值u_d*与u_q*；

3.6)将步骤3.1中的各个V_{dc_i}与平均电压V_{dc_avr}比较，通过PI调节器输出各整流级模块q轴电压调节量△u_qi*；

3.7)将u_q*乘以1/N后与△u_qi*分别相加，得到各个整流级模块的q轴电压指令u_qi*；将u_d*乘以1/N后作为各个整流级模块的d轴电压指令u_di*；对u_di*/u_qi*分别做反变换，取出反变换所得的a路输出u_Ai*作为对应整流级模块的指令电压，i＝1,2,…,N。

所述电流指令i_q*按照以下公式计算：

其中，U_G表示电网电压的有效值，V_dc表示稳态下整流级模块的直流电压。

所述电力电子变压器包括整流级以及隔离级，所述整流级包括多个AC-DC变换器，所述多个AC-DC变换器以多模块串联的形式接入交流电网，所述隔离级包括对应数量的DC-DC变换器，整流级每个AC-DC变换器的直流输出端口与对应一个隔离级DC-DC变换器的输入端口相连，隔离级DC-DC变换器的输出端口各自与独立负载相连。

所述隔离级的输出电压控制采用电压闭环控制。

所述电力电子变压器的控制方法还包括以下步骤：在未发生隔离级负载严重不平衡的情况下，所述整流级的直流电压控制采用电流单位功率因数控制，即只注入有功电流，不注入无功电流，通过调整有功电流的大小来实现整流级的总的功率平衡，通过微调各个整流级模块调制波的幅值来实现各个模块的直流电压均衡。

所述未发生隔离级负载严重不平衡是指隔离级负载功率平衡或未导致任何整流级模块出现过调制现象的隔离级负载功率不平衡。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

本发明所提出的控制方法，基于在整流级各个模块中注入无功电压、电流以使各个模块有功功率平衡，可以使系统在任意程度的不平衡负载情况下正常工作，整流级不会出现过调制。仿真结果验证了电力电子变压器的正常功能，验证了所提出的严重不平衡负载下的控制方法的正确性、可靠性，为工程应用提供了很好的参考价值。

本发明可以取得的其他技术效果：

1、可以实现传统变压器的变压、隔离等基本功能；

2、整流级采用级联式模块化功率变换器，面对不同等级的输入电压，只需要计算对应级联模块数，按照对应模块数级联便可承受对应电压；

3、可以给多个独立负载供电。

附图说明

图1为电力电子变压器拓扑图。

图2为整流级电压电流向量图。

图3为隔离级的控制原理图。

图4为单相虚拟三相原理图。

图5为负载平衡、负载大致平衡情况下的整流级控制原理图。

图6为负载严重不平衡情况下的整流级控制原理图。

图7为整流级三个模块的输出功率波形图。

图8为电网电压增益0.2(×0.2)与电网电流波形图。

图9为电网电流在dq坐标系下的分量i_d、i_q波形图。

图10为整流级各模块q轴电压调节量△u_qi*波形图。

图11为整流级各模块的调制波波形图。

图12为整流级直流电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

本发明针对单相输入、多负载输出的电力电子变压器提出了控制方法。

(一)拓扑：

该电力电子变压器拓扑如图1所示。该电力电子变压器的功率主电路由整流级与隔离级组成，其中整流级为AC-DC变换器，隔离级为DC-DC变换器。整流级的AC-DC变换器采用多模块串联的形式接入交流电网，每个整流级模块的直流输出端口接到一个隔离级DC-DC变换器的输入端口；隔离级DC-DC变换器的输出端口各自接独立负载。该电力电子变压器的控制方法包括整流级的直流电压控制和隔离级的输出电压控制。

(二)无功电流注入控制的原理：

整流级的电压、电流向量如图2所示。其中u_G为电网电压，u_L为电感压降，i_G为电网电流即整流级电流，u_A为三个整流级模块的总的输出电压，u_A1，u_A2，u_A3为三个整流级模块各自的输出电压；

以电网电压方向为d轴，垂直于电网电压方向为q轴，电网电流、整流级电压及其各分量的有效值可以表达为：

其中，j为虚数，U_L为电感压降有效值，ω为电网电压角频率，L为电感量；U_A为整流级总的输出电压有效值，U_d为u_A的d轴分量有效值，U_q为u_A的q轴分量有效值；U_d1为第一个整流级模块输出的d轴分量电压有效值，U_q1为第一个整流级模块输出的q轴分量电压有效值，U_d2为第二个整流级模块输出的d轴分量电压有效值，U_q2为第二个整流级模块输出的q轴分量电压有效值，U_d3为第三个整流级模块输出的d轴分量电压有效值，U_q3为第三个整流级模块输出的q轴分量电压有效值；I_G为电网电流有效值，I_d、I_q分别为i_G的d轴、q轴分量有效值；

显而易见：

根据向量图，整流级总输出电压与电网电压、电网电流的关系为：

u_A＝|u_G+i_G·jωL| (3)

由于电感压降较小，在本发明中近似认为电感压降为0，电网电压与整流级输出电压相等，以简化分析，即：

其中，U_G是指电网电压的有效值。

整流级各个模块的功率、电压、电流关系为：

在控制中，令整流级三个模块的d轴电压相等，即：

其中P_avr为三个模块的平均负载功率

则整流级各个模块的q轴电压有效值可以表达为：

为了简化表示，可以定义：

为了避免模块过调制，整流级各模块的d、q轴电压需满足合成的交流电压的总幅值不超过模块直流电压，即：

V_dc为稳态下各个模块的直流电压。当一个整流级模块调制度为1的时候，该模块的交流基波电压的幅值与直流电压相等，d轴电压有效值与q轴电压有效值的平方和为直流电压平方的一半。

根据式(8)和(9)，可以求出I_q需满足的条件：

I_q需要同时满足式(10)中的三个表达式，因此I_q的取值需要大于式(10)中三个表达式里的最大值，即：

式(11)的q轴电流取值可以令三个模块中调制度最高的模块调制度为1，恰好不进入过调制；剩余的两个模块调制度小于1，自然也不存在过调制问题。

(三)控制实现：

参见图3，隔离级的输出电压控制包括如下的实现步骤：

步骤1.1检测电力电子变压器隔离级的各个DC-DC变换器的输出电压V_{o_1}、V_{o_2}、V_{o_3}；

步骤1.2将步骤1.1中检测的各个输出电压与对应参考电压V_{o_1}*、V_{o_2}*、V_{o_3}*比较，通过PI调节器得到各个隔离级DC-DC变换器的控制指令

隔离级的控制是一种较常规的控制。

整流级的控制分负载平衡、负载大致平衡与负载严重不平衡三种情况，并对应采用两种不同的控制方法。

负载平衡定义为：P₁＝P₂＝P₃

负载大致平衡定义为：采用常规的电流单位功率因数控制，即只注入有功电流而不注入无功电流，i_q*＝0时，负载功率的不平衡不会导致任何整流级模块出现过调制现象，用公式表达如下：

负载严重不平衡定义为：采用常规的电流单位功率因数控制，即只注入有功电流而不注入无功电流，i_q*＝0时，负载功率的不平衡导致功率最大的整流级模块出现过调制现象的情况，用公式表达如下：

整流级的直流电压控制在负载平衡以及负载大致平衡的情况下包括如下的实现步骤：

步骤2.1整流级的控制以虚拟三相的dq电压电流双闭环控制为基础；

步骤2.2检测电力电子变压器整流级的三个AC-DC变换器(即三个整流级模块)的直流侧电压V_{dc_1}，V_{dc_2}，V_{dc_3}，并求出平均电压V_{dc_avr}；

步骤2.3将步骤2.2所得的V_{dc_avr}与整流级直流参考电压V_dc*比较，通过PI调节器，输出d轴电流指令i_d*，如图5(a)所示；

步骤2.4将q轴电流的参考值i_q*设定为0，如图5(a)所示；

步骤2.5将检测的电网电流做虚拟三相变换，如图4所示，并通过abc-dq转换运算，将虚拟三相电流转换成d、q轴上的分量i_d与i_q；

步骤2.6将步骤2.3、2.4与2.5的i_d*、i_q*、i_d、i_q，以及电网电压前馈量u_{G_d}和u_{G_q}送入电流内环，生成总的电压指令值u_d*与u_q*，如图5(b)所示；

步骤2.7将步骤2.6得到的u_d*与u_q*做dq-abc变换，取出变换所得的a路输出u_A*作为整流级的总的调制波，如图5(c)所示；

步骤2.8将步骤2.2中的V_{dc_1}、V_{dc_2}、V_{dc_3}与平均电压V_{dc_avr}比较，通过PI调节器输出各整流级模块的调制波微调系数k₁、k₂、k₃，如图5(d)所示；

步骤2.9用步骤2.8所得的k₁、k₂、k₃对步骤2.7所得的u_A*进行幅值微调，各乘以1/3后得到三个幅值不同的指令电压u_A1*，u_A2*，u_A3*，三个指令电压除以直流电压(归一化)后分别作为三个整流级模块的调制波m_A1，m_A2，m_A3，如图5(e)所示。

整流级在负载平衡以及负载大致平衡情况下的控制是一种较为常规的控制。

整流级的直流电压控制在负载严重不平衡的情况下包括如下的实现步骤：

步骤3.1整流级的控制仍然以虚拟三相的dq电压电流双闭环控制为基础；

步骤3.2检测电力电子变压器整流级的三个AC-DC变换器(即三个整流级模块)的直流侧电压V_{dc_1}，V_{dc_2}，V_{dc_3}，并求出平均电压V_{dc_avr}；

步骤3.3将步骤3.2所得的V_{dc_avr}与整流级直流参考电压V_dc*比较，通过PI调节器，输出d轴电流指令i_d*(用平均直流电压生成i_d*)，如图6(a)所示；

步骤3.4检测各个整流级模块所对应的负载功率P₁，P₂，P₃，并求出平均负载功率P_avr。分别求出△P₁＝P₁-P_avr，△P₂＝P₂-P_avr，△P₃＝P₃-P_avr，选取出△P₁、△P₂、△P₃的绝对值中的最大值，用下面的公式得到q轴的电流指令i_q*，如图6(a)所示

步骤3.5将检测的电网电流做虚拟三相变换，如图4所示，并通过abc-dq转换运算，将虚拟三相电流转换成d、q轴上的分量i_d与i_q；

步骤3.6把步骤3.3、3.4、3.5所得的i_d*、i_q*、i_d、i_q，以及电网电压前馈量u_{G_d}和u_{G_q}送入电流内环，生成总的电压指令值u_d*与u_q*，图如6(b)所示；

步骤3.7将步骤3.2中的V_{dc_1}、V_{dc_2}、V_{dc_3}与平均电压V_{dc_avr}比较，通过PI调节器输出各整流级模块q轴电压调节量△u_q1*，△u_q2*，△u_q3*，图如6(c)所示；

步骤3.8将步骤3.6得到的u_q*乘以1/3后与△u_qi*(i＝1,2,3)分别相加，得到各个整流级模块的q轴电压指令u_q1*，u_q2*，u_q3*；将步骤3.6得到的u_d*乘以1/3后作为三个模块的d轴电压指令u_d1*，u_d2*，u_d3*。对u_d1*/u_q1*，u_d2*/u_q2*，u_d3*/u_q3*分别做dq-abc反变换，取出反变换所得的a路输出u_A1*，u_A2*，u_A3*作为三个整流模块的指令电压u_A1*，u_A2*，u_A3*，三个指令电压除以直流电压(归一化)后分别作为三个整流级模块的调制波m_A1，m_A2，m_A3，如图6(d)所示。

整流级在负载严重不平衡的情况下的控制方法是本发明的核心内容。

仿真验证：

参照图1的主电路在MATLAB里搭建了电力电子变压器仿真模型。整流级三个模块串联，隔离级为三个DAB变流器。

在仿真中使用的参数如下：

整流级电网电压：220V(有效值)

整流级模块数：3

整流级模块的直流母线电压：150V

隔离级模块的功率：1500W

仿真过程：0～0.5秒，隔离级三个模块的功率均为1500W，此时系统采用步骤2.1-2.9描述的控制；0.5秒之后，隔离级三个模块的负载功率变为1500W、0W与0W，负载严重不平衡。如果系统仍然采用步骤2.1-2.9描述的控制方法，则0W对应的整流级模块交流电压为0V，1500W对应的整流级模块交流电压与电网电压大致相等，这会造成严重的过调制，系统无法稳定运行。因此从0.5秒开始，系统采用步骤3.1-3.8描述的控制。

仿真结果如图7-图12所示：

整流级三个模块的负载功率如图7。0-0.5秒，三个模块的负载功率相等；0.5秒以后，两个模块的负载功率减为0，剩下的一个模块负载功率维持不变，负载严重不平衡。

电网电压与电流波形见图8。0-0.5秒，电网电流与电网电压同相位，功率因数为1；0.5秒以后，系统的功率因数低于1。dq坐标系下的电网电流见图9。由图8与图9可知，当负载平衡，采用步骤2.1-2.9描述的控制时，电网采用单位功率因数控制，没有无功电流；当负载严重不平衡，采用步骤3.1-3.8描述控制时，电网中注入了无功电流。

各个整流级模块注入的q轴电压如图10。这显示了步骤3.7描述的控制环节，整流级的直流电压均衡控制是靠调整各个模块的q轴电压实现。

各个整流级模块的调制波m_A1，m_A2和m_A3的波形如图11。可见当负载平衡时，各个模块的调制波幅值、相位完全一样，调制度均为0.8左右；当负载不是完全平衡，但也没有到前面所述的严重不平衡，也就是处于大致平衡状态时，系统各个模块的调制波相位仍然一样，但将出现幅值差异，不过并不会出现过调制现象；当负载严重不平衡时，各个模块的调制波在幅值与相位上都出现了差别。其中调制度最高的1#模块，调制度刚好等于1，这验证了步骤3.4所述的q轴指令电流计算公式；三个模块都没有出现过调制现象。

整流级三个直流电压的波形如图12。可见系统在负载平衡、负载严重不平衡情况下都能保证直流电压均衡。负载大致平衡下也是如此。

从仿真结果可见，该电力电子变压器可以正常运行，能够实现电力电子变压器的常规功能。并且当负载从平衡转变为严重不平衡时，在所提出的步骤3.1-3.8描述的控制方法下，系统可以稳定运行，没有出现过调制现象。

Claims (9)

1.一种单相多输出的电力电子变压器的控制方法，其特征在于：该电力电子变压器的控制方法包括以下步骤：

1)以整流级模块发生过调制现象作为隔离级负载严重不平衡的判定依据，在发生隔离级负载严重不平衡的情况下，令单相多输出的电力电子变压器的整流级输入一定的无功电流，同时各个整流级模块输出一定的无功电压，使无功电流与各个整流级模块输出的无功电压产生有功功率；

2)利用上述有功功率使各个整流级模块达到功率平衡以及直流侧电压稳定的同时避免过调制现象。

2.根据权利要求1所述一种单相多输出的电力电子变压器的控制方法，其特征在于：所述步骤1)具体包括以下步骤：令各个整流级模块的d轴电压均等，通过调节各个整流级模块的q轴电压来实现直流电压的均衡，注入的无功电流的幅值刚好令稳态下调制度最大的整流级模块的调制度为1。

3.根据权利要求1所述一种单相多输出的电力电子变压器的控制方法，其特征在于：所述发生隔离级负载严重不平衡是指导致功率最大的整流级模块出现过调制现象的隔离级负载功率不平衡。

4.根据权利要求1所述一种单相多输出的电力电子变压器的控制方法，其特征在于：在发生隔离级负载严重不平衡的情况下，所述电力电子变压器的整流级的直流电压控制采用虚拟三相的dq电压电流双闭环控制，具体包括以下步骤：

3.1)检测所述电力电子变压器各个整流级模块的直流侧电压V_{dc_i}，i＝1,2,…,N，N表示整流级模块数，并求出平均电压V_{dc_avr}；

3.2)将V_{dc_avr}与整流级直流参考电压V_dc*比较，通过PI调节器，输出d轴电流指令i_d*；

3.3)检测各个整流级模块所对应的负载功率，并求出平均负载功率P_avr；选取出△P_i的绝对值中的最大值，△P_i＝P_i-P_avr，i＝1,2,…,N，N表示整流级模块数，根据该最大值以及电网电压和整流级模块的直流电压计算q轴的电流指令i_q*；

3.4)将电网电流做虚拟三相变换，然后通过转换运算将虚拟三相电流变换成d、q轴上的分量i_d与i_q；

3.5)把i_d*、i_q*、i_d、i_q，以及电网电压前馈量u_{G_d}和u_{G_q}送入电流内环，生成总的电压指令值u_d*与u_q*；

3.6)将步骤3.1中的各个V_{dc_i}与平均电压V_{dc_avr}比较，通过PI调节器输出各整流级模块q轴电压调节量△u_qi*；

3.7)将u_q*乘以1/N后与△u_qi*分别相加，得到各个整流级模块的q轴电压指令u_qi*；将u_d*乘以1/N后作为各个整流级模块的d轴电压指令u_di*；对u_di*/u_qi*分别做反变换，取出反变换所得的a路输出u_Ai*作为对应整流级模块的指令电压，i＝1,2,…,N。

5.根据权利要求4所述一种单相多输出的电力电子变压器的控制方法，其特征在于：所述电流指令i_q*按照以下公式计算：

$i_q*=\frac{Max\left(\right|{\mathrm{\ΔP}}_i\left|\right)}{\sqrt{\frac{V_{dc}^2}{2}-{\left(\frac{1}{3}{U}_G\right)}^2}}$

其中，U_G表示电网电压的有效值，V_dc表示稳态下各整流级模块的直流电压。

6.根据权利要求1所述一种单相多输出的电力电子变压器的控制方法，其特征在于：所述电力电子变压器包括整流级以及隔离级，所述整流级包括多个AC-DC变换器，所述多个AC-DC变换器以多模块串联的形式接入交流电网，所述隔离级包括对应数量的DC-DC变换器，整流级每个AC-DC变换器的直流输出端口与对应一个隔离级DC-DC变换器的输入端口相连，隔离级DC-DC变换器的输出端口各自与独立负载相连。

7.根据权利要求1所述一种单相多输出的电力电子变压器的控制方法，其特征在于：所述隔离级的输出电压控制采用电压闭环控制。

8.根据权利要求1所述一种单相多输出的电力电子变压器的控制方法，其特征在于：所述电力电子变压器的控制方法还包括以下步骤：在未发生隔离级负载严重不平衡的情况下，所述整流级的直流电压控制采用电流单位功率因数控制，即只注入有功电流，不注入无功电流，通过调整有功电流的大小来实现整流级的总的功率平衡，通过微调各个整流级模块调制波的幅值来实现各个模块的直流电压均衡。

9.根据权利要求8所述一种单相多输出的电力电子变压器的控制方法，其特征在于：所述未发生隔离级负载严重不平衡是指隔离级负载功率平衡或未导致任何整流级模块出现过调制现象的隔离级负载功率不平衡。