CN106685222B - 一种dc/dc变换器及dc/dc变换器内部直流母线电压均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种DC/DC变换器及DC/DC变换器内部直流母线电压均衡控制方法，本发明通过在变换器内部加入直流电压偏差控制器、中点电位控制器、恒功率控制器及恒压浮充控制器，通过直流电压偏差控制器、中点电位控制器、恒功率控制器及恒压浮充控制器的共同协调控制，以直流电压偏差控制器的输出量作为电流指令值，用于生成PWM波控制开关管的闭合与关断，实现对变换器内部直流母线电压的均衡控制，本发明提供的方法能够使系统保持稳定，且该方法控制精确。

Description

一种DC/DC变换器及DC/DC变换器内部直流母线电压均衡控制 方法

技术领域

本发明属于智能电网技术领域，特别涉及一种DC/DC变换器及DC/DC变换器内部直流母线电压均衡控制方法。

背景技术

由于单一的直流微电网或者交流微电网都难以满足各种负荷的高效用电需求，从而产生了将交流配电网和直流微电网集成的交直流混合微电网。采用交直流混合的供电模式更有利于整合各种分布式发电，形成若干交直流混合微电网与大电网协调工作的局面，也是目前解决高密度分布式能源接入并提高其能量利用率的最有效途径之一。

交直流混合微电网主要由子直流微电网和子交流微电网两部分组成，其中子直流微电网包括直流母线、通过DC/DC变换器连接到直流母线的蓄电池和超级电容，直流母线通过DC/AC控制器连接到子交流微电网的交流母线上，直流母线和交流母线上都连接有负载等。

由于交直流混合微电网的系统结构较为复杂，控制目标较多，增加了系统稳定运行和协调控制的难度和复杂性，特别是变换器内部的直流母线电压的稳定难以控制。

比如，公开号为CN105071393A的中国专利，公开了一种交直流混合微电网直流母线电压控制方法，该专利具体阐述了DC/AC和DC/DC的控制方式，其中，对DC/DC变换器内部的直流母线电压采用直流母线电压偏差控制的方式进行控制，但是这种对直流母线电压的控制方式不能够满足正常的运行需求，控制过程不够稳定，控制效果不够精确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种DC/DC变换器及DC/DC变换器内部直流母线电压均衡控制方法，用于解决现有方案对DC/DC变换器内部直流母线电压的均衡控制不稳定及不精确的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种DC/DC变换器内部直流母线电压均衡控制方法，包括如下方法方案：

方法方案一，在DC/DC变换器中设置一个直流电压偏差控制器，所述直流电压偏差控制器的输出量用于生成电流指令值；所述直流电压偏差控制器包括上偏差控制器和下偏差控制器，所述上偏差控制器的上限值由根据储能单元的充放电工况确定；所述上偏差控制器的下限值由系统的最大充电电流确定；所述下偏差控制器的上限值由系统的最大放电电流确定，所述下偏差控制器的下限值由电压上偏差控制器的输出确定。

方法方案二，在方法方案一的基础上，储能单元放电时，所述上偏差控制器的上限值为恒功率控制器的控制输出量；储能单元充电时，电压上偏差控制器的上限值为恒功率控制器的控制输出量与恒压浮充控制器的控制输出量中的较小值。

方法方案三，在方法方案一的基础上，所述最大充电电流取1.1倍额定功率除以电压上偏差控制模式下的的储能单元电压与设定的电流限幅值中的绝对值较小的值；所述最大放电电流取1.1倍额定功率除以电压下偏差控制模式下的的储能单元电压与设定的电流限幅值中的绝对值较小的值。

方法方案四，在方法方案一的基础上，当储能单元放电时，中点电位控制器的控制输出量为均压环PI输出；当储能单元充电时，中点电位控制器的控制输出量为均压环PI输出乘以-1。

方法方案五，在方法方案二的基础上，恒功率控制器的输入量为储能单元的功率参考值，反馈量为储能单元的功率值，输入量与反馈量的偏差经过PI环节与所述输入量的前馈量生成所述恒功率控制器的输出。

方法方案六，在方法方案五的基础上，恒压浮充控制器的输入量为储能单元浮充电压参考值，反馈量为储能单元电压反馈值，输入量与反馈量的偏差经过PI环节生成所述恒压浮充控制器的输出量。

本发明还提供了一种DC/DC变换器，包括如下变换器方案：

变换器方案一，在DC/DC变换器中设置一个直流电压偏差控制器，所述直流电压偏差控制器的输出量用于生成电流指令值；所述直流电压偏差控制器包括上偏差控制器和下偏差控制器，所述上偏差控制器的上限值由根据储能单元的充放电工况确定；所述上偏差控制器的下限值由系统的最大充电电流确定；所述下偏差控制器的上限值由系统的最大放电电流确定，所述下偏差控制器的下限值由电压上偏差控制器的输出确定。

变换器方案二，在变换器方案一的基础上，储能单元放电时，所述上偏差控制器的上限值为恒功率控制器的控制输出量；储能单元充电时，电压上偏差控制器的上限值为恒功率控制器的控制输出量与恒压浮充控制器的控制输出量中的较小值。

变换器方案三，在变换器方案一的基础上，所述最大充电电流取1.1倍额定功率除以电压上偏差控制模式下的的储能单元电压与设定的电流限幅值中的绝对值较小的值；所述最大放电电流取1.1倍额定功率除以电压下偏差控制模式下的的储能单元电压与设定的电流限幅值中的绝对值较小的值。

变换器方案四，在变换器方案一的基础上，当储能单元放电时，中点电位控制器的控制输出量为均压环PI输出；当储能单元充电时，中点电位控制器的控制输出量为均压环PI输出乘以-1。

本发明的有益效果是：

本发明通过在变换器内部加入直流电压偏差控制器、中点电位控制器、恒功率控制器及恒压浮充控制器，通过直流电压偏差控制器、中点电位控制器、恒功率控制器及恒压浮充控制器的共同协调控制，以直流电压偏差控制器的输出量作为电流指令值，用于生成PWM波控制开关管的闭合与关断，实现对变换器内部直流母线电压的均衡控制，本发明提供的方法能够使系统保持稳定，且该方法控制精确。

附图说明

图1为交直流混合微电网系统结构图；

图2为DC/DC变换器拓扑结构图；

图3为并网和孤岛状态下直流电压自主控制示意图；

图4为本发明的变换器内部直流母线电压偏差控制方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

一种交直流混合微电网系统，具体的如图1所示，交直流混合微电网包括子直流微电网和子交流微电网，其中子直流微电网包括直流母线和分别通过DC/DC变换器连接到直流母线的蓄电池和超级电容，直流母线通过DC/AC控制器连接到子交流微电网的交流母线上，交流母线上还连接有负荷等。如图2所示，是本发明的DC/DC变换器的拓扑结构图，且本发明的DC/DC变换器采用三电平双向DC/DC变换器拓扑结构，三电平双向DC/DC变换器控制方法保证了三电平控制的优点，即能够降低开关管的电压应力，双向控制能够实现双方向供电，对变换器双端电压和电流进行控制，使其可以在两个方向实现稳压或限流工作。

对直流母线电压的控制包括并网和孤岛两种模式下的控制，如图3所示，但在并网状态下，直流电压控制权由DC/AC变换器决定，设此时其直流电压稳定在V_{dc_ref}，对接入蓄电池的DC/DC变换器，分别设定偏差上限ΔV_{dc_ref1}、偏差下限-ΔV_{dc_ref1}；对接入超级电容的DC/DC变换器，分别设定偏差上限ΔV_{dc_ref2}、偏差下限-ΔV_{dc_ref2}(设定ΔV_{dc_ref1}小于ΔV_{dc_ref2})，这样在并网状态下有5个电压环同时工作。当整个系统处于孤岛运行模式时，需要考虑以下两种工况下的直流电压自主控制：

1)如果电池及超级电容输出电能超出负荷需求，则直流电压升高，此时图3中指令为V_{dc_ref}+ΔV_{dc_ref1}的控制环退出饱和，电压主导权自动过渡到接入蓄电池的DC/DC变换器控制；如果电压继续上升，则指令为V_{dc_ref}+ΔV_{dc_ref2}的控制环退出饱和，电压主导权自动过渡到接入超级电容的DC/DC变换器控制；

2)如果电池及超级电容输出电能低于负荷需求，则直流电压降低，此时图3中指令为V_{dc_ref}-ΔV_{dc_ref1}的控制环退出饱和，电压主导权自动过渡到接入蓄电池的DC/DC变换器控制；如果电压继续下降，则指令为V_{dc_ref}-ΔV_{dc_ref2}的控制环退出饱和，电压主导权自动过渡到接入超级电容的DC/DC变换器控制。

具体的，对于其中任一个DC/DC变换器，通过在变换器内部加入直流电压偏差控制器、中点电位控制器、恒功率控制器及恒压浮充控制器，由直流电压偏差控制器、中点电位控制器、恒功率控制器及恒压浮充控制器共同协调控制，以直流电压偏差控制器的输出量作为电流指令值，生成PWM波控制开关管的闭合与关断，实现对变换器内部直流母线电压的均衡控制，下面对各个控制器的具体控制过程进行说明，本发明的储能单元包括电池和超级电容电容，本实施例以电池为例，如图4所示：

其中：

Udc_refL——电压下偏差控制器的下偏差电压参考值；

Vdc_High——直流母线电压反馈值；

Udc_refH——电压上偏差控制器的上偏差电压参考值；

Vdc_up——上母线电压值；

Vdc_down——下母线电压值；

I_battery——电池电流反馈值；

V_battery——电池电压反馈值；

P_ref——电池功率参考值；

Ucharge_ref——电池额定电压参考值。

电压偏差控制器的控制过程：

电压下偏差控制器的下偏差电压参考值Udc_refL与直流母线电压反馈值Vdc_High作差，经过电压外环PI控制得到电流指令值，将电流指令值与电池电流反馈值I_battery作差，经过电流内环PI控制和调制等环节得到PWM波，控制开关管的关断，实现直流母线电压的均衡；电压上偏差控制器的上偏差电压参考值Udc_refH与直流母线电压反馈值Vdc_High作差，经过电压外环PI调制的到控制输出量。

中点电位控制器的控制过程：

上母线电压值Vdc_up与下母线电压值Vdc_down作差，经过电压外环PI控制得到控制输出量，将该输出量与电池电流反馈值I_battery作差，经过电流内环PI控制得到输出量。

恒功率控制器控制过程：

将电池电压反馈值V_battery和电池电流反馈值I_battery相乘作为功率反馈值，与电池功率参考值P_ref作差，经过PI控制得到控制输出量，为了使得充、放电模式能够快速切换，避免了功率环PI调节器退饱和带来的切换缓慢的缺陷，控制输出量中还加入了前馈控制，即将功率参考值除以电池电压反馈值V_battery加入到经过PI调节的控制输出量中。

恒压浮充控制器的控制过程：

将电池浮充电压参考值Ucharge_ref与电池电压反馈值V_battery作差，经过电压外环PI控制得到充电电压环的输出量。

下面结合各个控制器及各个控制器之间的内部运作说明上述变换器内部的电压保持均衡的过程：

Imax_L——电压下偏差控制器的上限值；

Imin_L——电压下偏差控制器的下限值；

Imax_H——电压上偏差控制器的上限值；

Imin_H——电压上偏差控制器的下限值。

1、直流电压偏差控制：直流电压偏差控制器包括电压上偏差控制器和电压下偏差控制器两部分，电压上偏差控制器的下限值Imin_H由系统当前的最大充电电流决定，最大充电电流由1.1倍额定功率除以当前电池电压得到的电流值与后台/触摸屏传来的限幅值综合决定，取两者绝对值较小的值，电压上偏差控制器的上限值Imax_H由功率环的输出决定，装置放电时，功率环的输出直接作为电压上偏差控制器的上限值；装置充电时，功率环的输出与充电电压环的输出取较小者作为电压上偏差控制器的上限值；电压上偏差控制器的输出作为电压下偏差控制器的下限值Imin_L，电压下偏差控制器的上限值由系统当前的最大放电电流决定，最大放电电流由1.1倍额定功率除以当前电池电压得到的电流值与后台/触摸屏传来的限幅值综合决定，取两者绝对值较小的值。

2、中点电位控制：当电池放电时，即I_battery>0时，中点电位控制量为均压环PI输出；当电池充电时，即I_battery<0时，中点电位控制量为均压环PI输出乘以-1。用以控制上下母线电压均衡，防止开关管承受电压不均衡，而导致开关管损坏。

3、恒功率模式：用以实现恒功率充放电功能，即有功调度功能。恒功率充放电控制中加入了电流前馈控制，使得充、放电模式能够快速切换，避免了功率环PI调节器退饱和带来的切换缓慢的缺陷。

4、恒压浮充：当电池充电至额定电压时，自动转为恒压浮充模式，小电流充电有利于保护电池。

本发明方法的核心思路在于上述的直流偏差电压控制器，本发明的直流电压偏差控制器解决了混合交流配电网系统不稳定的问题，和对DC/DC变换器内部直流母线电压均衡控制的控制方法控制不精确的问题。关于中点电位控制器的控制可以根据需要进行增删。

本发明还提供了一种变换器，变换器包括直流电压偏差控制器、中点电位控制器、恒功率控制器及恒压浮充控制器，由直流电压偏差控制器、中点电位控制器、恒功率控制器及恒压浮充控制器共同协调控制，以直流电压偏差控制器的输出量作为电流指令值，生成PWM波控制开关管的闭合与关断，实现对变换器内部直流母线电压的均衡控制。

变换器的核心在于变换器内部直流母线电压的均衡控制方法，由于具体的对变换器内部直流母线电压的均衡控制的过程已经在上述实施例中详细的说明，故不再赘述。

以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种DC/DC变换器内部直流母线电压均衡控制方法，其特征在于，在DC/DC变换器中设置一个直流电压偏差控制器，所述直流电压偏差控制器的输出量用于生成电流指令值；所述直流电压偏差控制器包括上偏差控制器和下偏差控制器，所述上偏差控制器的上限值由根据储能单元的充放电工况确定；所述上偏差控制器的下限值由系统的最大充电电流确定；所述下偏差控制器的上限值由系统的最大放电电流确定，所述下偏差控制器的下限值由电压上偏差控制器的输出确定；

储能单元放电时，所述上偏差控制器的上限值为恒功率控制器的控制输出量；储能单元充电时，电压上偏差控制器的上限值为恒功率控制器的控制输出量与恒压浮充控制器的控制输出量中的较小值。

2.根据权利要求1所述的DC/DC变换器内部直流母线电压均衡控制方法，其特征在于，所述最大充电电流取1.1倍额定功率除以电压上偏差控制模式下的的储能单元电压与设定的电流限幅值中的绝对值较小的值；所述最大放电电流取1.1倍额定功率除以电压下偏差控制模式下的的储能单元电压与设定的电流限幅值中的绝对值较小的值。

3.根据权利要求1所述的DC/DC变换器内部直流母线电压均衡控制方法，其特征在于，当储能单元放电时，中点电位控制器的控制输出量为均压环PI输出；当储能单元充电时，中点电位控制器的控制输出量为均压环PI输出乘以-1。

4.根据权利要求1所述的DC/DC变换器内部直流母线电压均衡控制方法，其特征在于，恒功率控制器的输入量为储能单元的功率参考值，反馈量为储能单元的功率值，输入量与反馈量的偏差经过PI环节与所述输入量的前馈量生成所述恒功率控制器的输出。

5.根据权利要求4所述的DC/DC变换器内部直流母线电压均衡控制方法，其特征在于，恒压浮充控制器的输入量为储能单元浮充电压参考值，反馈量为储能单元电压反馈值，输入量与反馈量的偏差经过PI环节生成所述恒压浮充控制器的输出量。

6.一种DC/DC变换器，其特征在于，在DC/DC变换器中设置一个直流电压偏差控制器，所述直流电压偏差控制器的输出量用于生成电流指令值；所述直流电压偏差控制器包括上偏差控制器和下偏差控制器，所述上偏差控制器的上限值由根据储能单元的充放电工况确定；所述上偏差控制器的下限值由系统的最大充电电流确定；所述下偏差控制器的上限值由系统的最大放电电流确定，所述下偏差控制器的下限值由电压上偏差控制器的输出确定；

储能单元放电时，所述上偏差控制器的上限值为恒功率控制器的控制输出量；储能单元充电时，电压上偏差控制器的上限值为恒功率控制器的控制输出量与恒压浮充控制器的控制输出量中的较小值。

7.根据权利要求6所述的DC/DC变换器，其特征在于，所述最大充电电流取1.1倍额定功率除以电压上偏差控制模式下的的储能单元电压与设定的电流限幅值中的绝对值较小的值；所述最大放电电流取1.1倍额定功率除以电压下偏差控制模式下的的储能单元电压与设定的电流限幅值中的绝对值较小的值。

8.根据权利要求6所述的DC/DC变换器，其特征在于，当储能单元放电时，中点电位控制器的控制输出量为均压环PI输出；当储能单元充电时，中点电位控制器的控制输出量为均压环PI输出乘以-1。