CN107302223A - 一种电能双向传输系统及其控制方法 - Google Patents

一种电能双向传输系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种电能双向传输系统及其控制方法，包括两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器、直流母线电容Cdc和隔离式双向全桥DC/DC变换器，直流母线电容Cdc连接在所述两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器和所述隔离式双向全桥DC/DC变换器之间，实现第一级功率电路和第二级功率电路的解耦和级联，该直流母线电容Cdc的存在使得前后级功率电路可以相互独立工作；两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器，实现交流电网与直流母线之间的电能双向传输；隔离式双向全桥DC/DC变换器，实现直流母线与储能元件之间的电能双向传输。进而实现了储能元件与电网之间能量的双向流动的目的。

Description

一种电能双向传输系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子变换器领域，更具体地说，涉及一种电能双向传输系统及其控制方法。
背景技术
目前，电源系统，如风能/太阳能户用系统、太阳能路灯、后备电源，通常采用电池组来来完成系统的储能和功能工作。随着现代电网的智能化水平不断提高，实现储能元件和电网互通的需求日益迫切。将各个系统的储能元件作为智能电网的分布式储能单元。在电网负荷高峰期时起到缓冲作用，由此提高电网利用率；增加电网的有效备用容量，提升电网可靠性。
传统的储能元件的充电系统由PWM电压源型整流器和隔离式DC/DC变换器组成充电主回路，实现对储能元件的充电功能。但是，其无法实现电能由储能元件向电网的流动，即无法实现电能的双向流动。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种电能双向传输系统及其控制方法，欲实现储能元件与电网之间能量的双向流动的目的。
为了实现上述目的，现提出的方案如下：
一种电能双向传输系统，包括：两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器、直流母线电容和隔离式双向全桥DC/DC变换器，其中，
所述两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器，用于交流电网和直流母线之间的电能双向传输；
所述直流母线电容连接在所述两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器和所述隔离式双向全桥DC/DC变换器之间，用于所述两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器和所述隔离式双向全桥DC/DC变换器的解耦和级联；
所述隔离式双向全桥DC/DC变换器，用于所述直流母线与储能元件之间的电能双向传输。
优选的，所述两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器的功率开关管类型均为：SiCMOSFET。
优选的，所述隔离式双向全桥DC/DC变换器的开关管类型为：SiCMOSFET。
优选的，所述隔离式双向全桥DC/DC变换器的变压器具体为：高频变压器。
一种上述系统的控制方法，包括：
接收充放电电能流动方向命令和充放电电能传输功率命令；
获取所述储能元件的电压信号和电流信号；
根据所述充放电电能流动方向命令和充放电电能传输功率命令，以及所述储能元件的电压信号和电流信号，控制所述直流母线与储能元件之间的电能流动的方向和传输功率；
调节所述直流母线的电压保持恒定。
优选的，所述根据所述充放电电能流动方向命令和充放电电能传输功率命令，以及所述储能元件的电压信号和电流信号，控制所述直流母线与储能元件之间的电能流动的方向和传输功率，包括：
根据所述电压信号和所述电流信号，计算得到所述储能元件的功率信号；
根据所述功率信号计算得到平均功率；
将所述充放电电能传输功率命令作为功率参考值减去所述平均功率，得到功率误差信号；
根据所述功率误差信号计算得到移相角；
根据所述移相角和所述充放电电能流动方向命令，生成驱动所述隔离式双向全桥DC/DC变换器的PWM信号，以控制所述直流母线与所述储能元件之间电能流动的方向和传输功率。
优选的，所述调节所述直流母线的电压保持恒定，包括：
获取交流电网的三相电压信号和三相电流信号；
根据所述三相电压信号计算得到所述交流电网的电压的相角信号；
根据所述三相电流信号和所述相角信号，经过坐标变换得到第一有功电流和第一无功电流；
采集直流母线的电压信号；
预设的电压参考值减去所述电压信号，得到电压误差信号；
所述电压误差信号经过电压控制器处理，得到第二有功电流；
所述第二有功电流减去所述第一有功电流，得到第一电流误差信号；
所述第一电流误差信号经过第一电流控制器处理，得到有功电压信号；
预设的第二无功电流减去所述第一无功电流，得到第二电流误差信号，所述第二无功电流为零；
所述第二电流误差信号经过第二电流控制器处理，得到无功电压信号；
根据所述有功电压信号、所述无功电压信号和所述相角信号，经过坐标变换得到三相电压控制信号；
根据所述三相电压控制信号生成驱动所述两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器的PWM信号，以使所述直流母线的电压保持恒定。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
上述技术方案提供的一种电能双向传输系统，包括两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器、直流母线电容Cdc和隔离式双向全桥DC/DC变换器，直流母线电容Cdc连接在所述两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器和所述隔离式双向全桥DC/DC变换器之间，实现第一级功率电路(PWM电压源型换流器)和第二级功率电路(隔离式双向全桥DC/DC变换器)的解耦和级联，该直流母线电容Cdc的存在使得前后级功率电路可以相互独立工作；两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器，实现交流电网与直流母线之间的电能的双向传输；隔离式双向全桥DC/DC变换器，实现流母线与储能元件之间的电能的双向传输。进而实现了储能元件与电网之间能量的双向流动的目的。
上述技术方案提供的一种电能双向传输系统的控制方法，包括：根据所述充放电电能流动方向命令和充放电电能传输功率命令，以及所述储能元件的电压信号和电流信号，通过隔离式双向全桥DC/DC变换器，控制所述直流母线与储能元件之间的电能流动的方向和传输功率；并通过两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器，调节所述直流母线的电压保持恒定，控制直流母线与交流电网之间的电能的双向传输。最终实现储能元件与电网之间能量的双向流动的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种电能双向传输系统的电路图；
图2为本发明实施例提供的一种电能双向传输系统的控制方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种隔离式双向全桥DC/DC变换器的移相控制方法的控制框图；
图4为本发明实施例提供的一种两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器的矢量控制方法的控制框图。
具体实施方式
下面将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，所描述的实施例仅仅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。
本实施例提供一种电能双向传输系统，参见图1，该系统包括：两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器11、直流母线电容Cdc和隔离式双向全桥DC/DC变换器12，其中，
两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器11，用于交流电网13和直流母线14之间的电能双向传输。两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器11为第一级功率变换电路，包括三相电感器La、Lb、Lc、功率开关管S1～S6组成的三相全桥电路。
直流母线电容Cdc连接在两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器11和隔离式双向全桥DC/DC变换器12之间，用于两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器11和隔离式双向全桥DC/DC变换器12的解耦和级联。该直流母线电容Cdc的存在使得前后级功率电路可以相互独立的工作。
隔离式双向全桥DC/DC变换器12，用于直流母线14与储能元件Bat之间的电能双向传输。隔离式双向全桥DC/DC变换器12，实现交流电网13与储能元件Bat之间的电气隔离和电压匹配，隔离式双向全桥DC/DC变换器12作为第二级功率变换电路，包括DC/DC原边H全桥Q11～Q14、电感Lr、电容Cb、变压器T、DC/DC副边H全桥Q21～Q24和输出电容Co。
对于两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器11和隔离式双向全桥DC/DC变换器12而言，功率开关管的类型可以是IGBT、Si MOSFET或SiCMOSFET。优选的，本实施例中两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器11功率开关管(S1～S6)类型和隔离式双向全桥DC/DC变换器12的功率开关管(Q11～Q14、Q21～Q24)类型均为：SiC MOSFET。SiC MOSFET具有理想的栅极绝缘特性、高击穿电压、高速的开关性能、低导通电阻和良好的热稳定性。本实施例中PWM电压源型换流器11和隔离式双向全桥DC/DC变换器12的功率开关管均采用SiC MOSFET，开关频率高，电磁元件体积小，可有效提高系统的功率密度。
优选的，隔离式双向全桥DC/DC变换器12的变压器T为：高频变压器。通过高频变压器实现电气隔离，取代传统的体积庞大的工频隔离变压器，实现电感Lr和变压器T组成高频交流网络，呈现感性。高频交流网络内电流滞后电压，从而可以实现DC/DC原边、副边所有功率开关管的零电压开通(ZVS)。零电压开通技术的实现，使得功率开关管的开通损耗为零，进而可提高开关频率，从而减少了电感Lr和变压器T等磁性元件的体积。零电压开通的另一个优点是有效减小电压跳变处的dV/dt的变化率，减小系统电磁干扰。
本实施例提供了一种上述电能双向传输系统的控制方法，参见图2，该方法包括：
步骤S11：接收充放电电能流动方向命令和充放电电能传输功率命令；
充放电电能流动方向命令和充放电电能传输功率命令可以是用户输入的，也可以是预先设定的某种条件。例如，可以通过通信的方式接收充放电电能流动方向命令和充放电电能传输功率命令。充放电电能流动方向命令为正向对应电能从交流电网13流向储能元件Bat；充放电电能流动方向命令为反向对应电能从储能元件Bat流向交流电网13。
步骤S12：获取储能元件Bat的电压信号Vbat和电流信号Ibat。
具体的，可以经电压采集电路得到储能元件Bat的电压信号Vbat；可以经电流采集电路得到储能元件Bat的电流信号Ibat。对于电压采集电路和电流采集电路均为现有技术，本实施例不再赘述。
步骤S13：根据所述充放电电能流动方向命令和充放电电能传输功率命令，以及储能元件Bat的电压信号Vbat和电流信号Ibat，控制所述直流母线14与储能元件Bat之间的电能流动的方向和传输功率。
根据电压信号Vbat和电流信号Ibat，可以计算得到移相角θ。根据隔离式双向全桥DC/DC变换器12的工作原理，移相角θ越大，则对应传输功率越大。隔离式双向全桥DC/DC变换器12的原边超前副边，则电能从原边流向副边；隔离式双向全桥DC/DC变换器12的原边滞后副边，则电能从副边流向原边。若充放电电能流动方向命令为正向，则控制隔离式双向全桥DC/DC变换器12的原边超前副边；若充放电电能流动方向命令为反向，则控制控制隔离式双向全桥DC/DC变换器12的原边滞后副边。即通过电压信号Vbat和电流信号Ibat，以及充放电电能流动方向命令和充放电电能传输功率命令可以生成相应的8路PWM信号，驱动隔离式双向全桥DC/DC变换器12，实现直流母线14和储能元件Bat之间的电能流动的方向和传输功率。
步骤S14：调节所述直流母线14的电压保持恒定。
通过驱动两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器11，调节所述直流母线的电压保持恒定。例如，通过驱动隔离式双向全桥DC/DC变换器12，实现电能由直流母线14向储能元件Bat传输时，则直流母线14的电压有下降的趋势，这时通过控制器和PWM控制逻辑产生的驱动信号，驱动两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器11，使得电能由交流电网13流向直流母线14，进而实现电能由交流电网13向储能元件Bat的传输；通过驱动隔离式双向全桥DC/DC变换器12，实现电能由储能元件Bat向直流母线14传输时，则直流母线14的电压有升高的趋势，这时通过控制器和PWM控制逻辑产生的驱动信号，驱动两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器11，使得电能由直流母线14流向交流电网13，进而实现电能由储能元件Bat向交流电网13的传输。
本实施例提供的控制方法，通过两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器11控制直流母线14的电压值保持恒定，并通过隔离式双向全桥DC/DC变换器12控制电能的流向和大小。无论电能从交流电网13流向储能元件Bat，还是从储能元件Bat流向交流电网13，PWM电压源型换流器11的控制对象和控制逻辑完全一样，即控制直流母线14的电压值保持恒定。可见该控制方法具备对电能流向的自适应能力，无需控制模态的切换，避免了模态切换带来的系统不稳定，瞬态冲击等问题，提高了系统的稳定性。
本实施例提供了一种隔离式双向全桥DC/DC变换器的移相控制方法，参见图3，该方法包括：
步骤S21：根据储能元件Bat的电压信号Vbat和电流信号Ibat，计算得到储能元件Bat的功率信号Pfb_t＝Vbat×Ibat；
步骤S22：根据功率信号Pfb_t计算得到平均功率Pfb；
将瞬时的功率信号Pfb_t经过低通滤波器LPF处理后得到流入或流出储能元件Bat的平均功率Pfb。低通滤波器的种类有很多，且均为现有技术，本实施例不再赘述。
步骤S23：将所述充放电电能传输功率命令作为功率参考值Pref减去平均功率Pfb，得到功率误差信号Err；
步骤S24：根据功率误差信号Err计算得到移相角θ；
功率误差信号Err经过功率控制器运算得到隔离式双向全桥DC/DC变换器12的控制信号，即移相角θ。控制器的功能是通过对误差信号的矫正得到相应的控制信号，属于经典控制理论的内容，有多种设计方法，如PI控制器。本实施例设计的功率控制器、电压控制器、电流控制器均属于现有技术，因此，不再赘述。
步骤S25：根据移相角θ和充放电电能流动方向命令Dir，生成驱动隔离式双向全桥DC/DC变换器12的PWM信号，以控制直流母线14与储能元件Bat之间电能流动的方向和传输功率。
PWM控制逻辑单元根据移相角θ和充放电电能流动方向命令Dir，生成8路PWM信号，驱动隔离式双向全桥DC/DC变换器12，确保电能按照预设规则在直流母线14与储能元件Bat之间传输。
本实施例提供了一种两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器的矢量控制方法，参见图4，该方法包括：
步骤S311：获取交流电13的三相电压信号Uga，Ugb，Ugc和三相电流信号ia，ib，ic；
具体的，可以经电压采集电路得到交流电网的三相电压信号Uga，Ugb，Ugc；可以经电流采集电路得到交流电玩的三相电流信号ia，ib，ic。
步骤S312：根据三相电压信号Uga，Ugb，Ugc计算得到交流电网13的电压的相角信号θg；
将三相电压信号Uga，Ugb，Ugc经过PLL锁相环同步跟踪，得到交流电网的相角信号θg。
步骤S313：根据三相电流信号ia，ib，ic和相角信号θg，经过坐标变换得到第一有功电流Id_fb和第一无功电流Iq_fb；
三相电流信号ia，ib，ic为abc坐标系下的；第一有功电流Id_fb和第一无功电流Iq_fb为DQ坐标系下的。坐标变换即abc/DQ坐标变换。abc/DQ坐标变换公式如下：
步骤S314：采集直流母14的电压信号Vdc；
经电压采集电路得到直流母线14的电压信号Vdc。
步骤S315：预设的电压参考值Vdc_ref减去电压信号Vdc，得到电压误差信号Err1；
步骤S316：电压误差信号Err1经过电压控制器处理，得到第二有功电流Id_ref；
步骤S317：第二有功电流Id_ref减去第一有功电流Id_fb，得到第一电流误差信号Err2；
步骤S318：第一电流误差信号Err2经过第一电流控制器处理，得到有功电压信号Ud；
步骤S319：预设的第二无功电流Iq_ref减去第一无功电流Iq_fb，得到第二电流误差信号Err3，第二无功电流Iq_ref为零；
通过预设第二无功电流Iq_ref为零，控制无功功率为零，实现系统单位功率因数运行。在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即PF＝cosΦ＝P/S。所谓单位功率因数就是cosΦ＝±1，使电流完全跟踪电压相位，功率因数为1。
步骤S320：第二电流误差信号Err3经过第二电流控制器处理，得到无功电压信号Uq；
步骤S321：根据有功电压信号Ud、无功电压信号Uq和相角信号θg，经过坐标变换得到三相电压控制信号Ua，Ub，Uc；
三相电压控制信号Ua，Ub，Uc为abc坐标系下的；有功电压信号Ud、无功电压信号Uq为DQ坐标系下的。坐标变换即DQ/abc坐标变换。DQ/abc坐标变换如下：
步骤S322：根据三相电压控制信号Ua，Ub，Uc生成驱动两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器11的PWM信号，以使直流母线14的电压保持恒定；
PWM控制逻辑单元根据三相电压控制信号Ua，Ub，Uc生成6路PWM信号，驱动两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器11，确保电能按照预设规则在直流母线14与交流电网13之间传输，以使直流母线13的电压保持恒定。
对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对本发明所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种电能双向传输系统，其特征在于，包括：两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器、直流母线电容和隔离式双向全桥DC/DC变换器，其中，
所述两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器，用于交流电网和直流母线之间的电能双向传输；
所述直流母线电容连接在所述两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器和所述隔离式双向全桥DC/DC变换器之间，用于所述两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器和所述隔离式双向全桥DC/DC变换器的解耦和级联；
所述隔离式双向全桥DC/DC变换器，用于所述直流母线与储能元件之间的电能双向传输。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器的功率开关管类型均为：SiC MOSFET。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述隔离式双向全桥DC/DC变换器的开关管类型为：SiC MOSFET。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述隔离式双向全桥DC/DC变换器的变压器具体为：高频变压器。
5.一种如权利要求1～4任意一项所述系统的控制方法，其特征在于，包括：
接收充放电电能流动方向命令和充放电电能传输功率命令；
获取所述储能元件的电压信号和电流信号；
根据所述充放电电能流动方向命令和充放电电能传输功率命令，以及所述储能元件的电压信号和电流信号，控制所述直流母线与储能元件之间的电能流动的方向和传输功率；
调节所述直流母线的电压保持恒定。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述充放电电能流动方向命令和充放电电能传输功率命令，以及所述储能元件的电压信号和电流信号，控制所述直流母线与储能元件之间的电能流动的方向和传输功率，包括：
根据所述电压信号和所述电流信号，计算得到所述储能元件的功率信号；
根据所述功率信号计算得到平均功率；
将所述充放电电能传输功率命令作为功率参考值减去所述平均功率，得到功率误差信号；
根据所述功率误差信号计算得到移相角；
根据所述移相角和所述充放电电能流动方向命令，生成驱动所述隔离式双向全桥DC/DC变换器的PWM信号，以控制所述直流母线与所述储能元件之间电能流动的方向和传输功率。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述调节所述直流母线的电压保持恒定，包括：
获取交流电网的三相电压信号和三相电流信号；
根据所述三相电压信号计算得到所述交流电网的电压的相角信号；
根据所述三相电流信号和所述相角信号，经过坐标变换得到第一有功电流和第一无功电流；
采集直流母线的电压信号；
预设的电压参考值减去所述电压信号，得到电压误差信号；
所述电压误差信号经过电压控制器处理，得到第二有功电流；
所述第二有功电流减去所述第一有功电流，得到第一电流误差信号；
所述第一电流误差信号经过第一电流控制器处理，得到有功电压信号；
预设的第二无功电流减去所述第一无功电流，得到第二电流误差信号，所述第二无功电流为零；
所述第二电流误差信号经过第二电流控制器处理，得到无功电压信号；
根据所述有功电压信号、所述无功电压信号和所述相角信号，经过坐标变换得到三相电压控制信号；
根据所述三相电压控制信号生成驱动所述两电平拓扑结构的PWM电压源型换流器的PWM信号，以使所述直流母线的电压保持恒定。
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