CN107749715B - 一种直流电力弹簧拓扑及其控制方法 - Google Patents
一种直流电力弹簧拓扑及其控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107749715B CN107749715B CN201711143503.4A CN201711143503A CN107749715B CN 107749715 B CN107749715 B CN 107749715B CN 201711143503 A CN201711143503 A CN 201711143503A CN 107749715 B CN107749715 B CN 107749715B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- direct current
- port
- full
- converter
- bridge circuit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
- H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
- H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/0083—Converters characterised by their input or output configuration
- H02M1/009—Converters characterised by their input or output configuration having two or more independently controlled outputs
Abstract
本发明公开了一种直流电力弹簧拓扑及其控制方法，该直流电力弹簧拓扑结构将三端口变换器与双向直流变换器融合在一起，在三端口直流/直流变换器每一个端口分别并联有一个滤波电容和一个全桥变换器，每一个全桥变换器的一个输出端均与一个滤波电感相连接，每一个滤波电感与一个三端口变压器相应的绕组串联；其中三端口直流/直流变换器的端口I与新能源发电的输出端并联，端口II与非关键负载RNC并联，端口III一方面与关键负载RC并联，同时也与双向直流/直流变换器的一端并联，双向直流/直流变换器的另一端连接蓄电池组。本发明能够避免非关键负载与直流电力弹簧的串联连接，从而有效解决当前电力弹簧拓扑普遍存在的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于微电网的直流电力弹簧拓扑。
背景技术
近年来，能源危机和环境污染问题日益突出，新能源的发展被各国纷纷提上了议程，新能源发电技术不断进步，尤其风电产业更是突飞猛进。微电网是相对于大电网而言的，通过各种智能设备整合各种分布式发电资源以建立的一种新的发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可孤立运行。
随着电气领域负荷需求的不断攀升以及化石燃料量的减少，对新能源的开发和利用已迫在眉睫。新能源分布式发电以其初期建设投资低、发电方式灵活等特点一直获得广泛关注，新能源发电的装机容量也因此逐年攀升。然而，当大量的分布式发电并网尤其是并入微电网后，太阳能、风能等新能源的间歇性和随机性必然会影响直流电网电压的稳定，如何保证直流电网的稳定运行已成为直流电网建设的重要研究课题，这个迫切的问题已经愈来愈成为制约新能源发展的瓶颈。
现有直流电网的控制方法有很多，主流的控制方案是设置大容量储能装置以平抑分布式电源发电功率的波动。但是，与当前交流供电系统面对的困境相似，大容量蓄电池、飞轮储能装置等设备昂贵的造价和可靠性较低的集中式控制方法，无法满足未来智能电网中大范围、高比例的分布式发电并网的需求。近年来问世的交流电力弹簧(AlternativeCurrent Electric Spring，ACES)虽在一定程度上解决了上述问题并被认为可以广泛应用于分布式发电系统中，但是，ACES的问世主要是针对交流微电网应用场合。当前，基于智能负载原理的直流电力弹簧(Direct Current Electric Spring，DCES)应用于直流微电网的已有报道，但还很少见。主流DCES的实现方式仍然是基于ACES拓扑，其中的LC滤波器在直流应用环境下显得尤为笨重，极大地降低了系统的功率密度。更重要的是，到目前为止，还未出现能改变DCES与直流非关键负载串联的形式，这与电力系统的传统连接方式相悖，不利于大规模推广应用。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种直流电力弹簧拓扑，该直流电力弹簧拓扑在保证直流母线电压稳定的同时将输入功率的波动转移给直流非关键负载，从而保证关键负载功率的稳定。
基于上述直流电力弹簧拓扑，本发明公开了该直流电力弹簧拓扑的控制方法，通过此种控制方法能够驱动双向直流/直流变换器工作，使得关键负载输入功率保持稳定。
技术方案：本发明所述的直流电力弹簧拓扑，包括一个三端口直流/直流变换器和一个双向直流/直流变换器；其中，三端口直流/直流变换器包含三个全桥电路，每个全桥电路的一个输出端均与一个滤波电感的一端相连，每个滤波电感的另一端与三端口直流/直流变换器内部的三端口变压器相应的绕组相连；三个全桥电路各对应一个端口，且每个端口并联有一个滤波电容；绕组的另一端与相应的全桥电路的另一个输出端相连；三端口直流/直流变换器的端口I与新能源发电的输出端并联，端口II与非关键负载RNC并联，端口III与关键负载RC并联，双向直流/直流变换器的一端与端口III和关键负载RC并联；双向直流/直流变换器的另一端并联有蓄电池组，蓄电池组为双向直流/直流变换器输入侧提供直流电，双向直流/直流变换器输入侧的直流电也可以由PWM整流模块提供。
为了将输入功率的波动转移给非关键负载，关键负载RC必须与双向直流/直流变换器接在所述三端口直流/直流变换器的同一端口，而非关键负载RNC则接在另一端口；三端口直流/直流变换器模块的拓扑结构均是由反并联二极管的第一至第四开关管构成的单相全桥电路。双向直流/直流变换器输入侧的直流电是经由PWM整流模块提供。
上述直流电力弹簧拓扑的控制方法，其中，三端口直流/直流变换器采用移相和解耦控制，双向直流/直流变换器采用峰值电流模式控制，一个控制周期包括如下步骤：
1)设置一个方波电压作为全桥电路I的驱动信号；
2)采集输入电流I1，将之与参考电流值I1_ref作差，将差值经过一个PID控制器之后的输出作为全桥电路II与全桥电路I的移相角φ12，将所设置的方波经过φ12的移相之后作为全桥电路II的驱动信号；
3)采集端口III的电压VC，将之与参考电压值VC_ref作差，将差值经过一个PID控制器之后的输出作为全桥电路III与全桥电路I的移相角φ13，将所设置的方波经过φ13的移相之后作为全桥电路III的驱动信号；
4)将VC与VC_ref的差值的正值经过一个PID调节器后的输出与双向直流/直流变换器中一个开关管的电流值iQ1比较，差值的负值经过另一个PID调节器后的输出与双向直流/直流变换器中另一个开关管的电流值iQ2比较，每个比较器输出值逻辑取反后分别跟另一个比较器输出值进行逻辑与，每个逻辑与的输出分别作为相应开关管的驱动信号。
有益效果：1、本发明提供的电力弹簧装置将输入功率的波动转移给非关键负载，相较于传统的光伏发电系统采用蓄电池组作为储能装置来平抑输入功率的波动，以保证直流母线电压的稳定的方法可以大大减小蓄电池组充放电电流的大小，从而减轻蓄电池组的负担，在应用系统的装置选型上，可大大减少储能单元的容量，在增强可靠性的同时节省成本。
2、在结构上，当前，有关电力弹簧的拓扑均是串联补偿形式，即电力弹簧与非关键负载串联，这与电力系统传统的连接方式相悖。本发明则创新性地提出了利用三端口变换器以及双向直流/直流变换器来实现直流电力弹簧的功能，在结构上首次有所突破，实现了并联的形式。
3、本发明重点解决新能源并网所带来的直流母线电压和功率波动问题，充分利用了新能源发电的电能。不仅如此，由于储能装置容量的减少，在提高可靠性的同时也节省了成本。系统简单可靠，有很高的实用价值和应用前景。
4、若将风力发电并网变流器侧视作是用户用电设备的话，那么本发明中的功率控制系统将能作为解决低电压穿越的问题的方案之一。
附图说明
图1是本发明的新型直流电力弹簧系统结构图；
图2是本发明的直流电力弹簧系统的控制框图。
具体实施方式
如图1所示，直流电力弹簧拓扑系统结构图中1为三端口直流/直流变换器，1.1～1.3为三端口变换器内部的全桥电路I、全桥电路II和全桥电路III，1.4为三端口变压器，1.5～1.7为电感L1、电感L2和电感L3，1.8～1.10为每个端口的滤波电容，1.11为蓄电池组，1.12为双向直流/直流变换器，1.13为滤波电容，1.14为关键负载，1.15为非关键负载，1.16为新能源发电输入端。
如图1所示，直流电力弹簧拓扑包括一个三端口直流/直流变换器，该三端口直流/直流变换器包括三个全桥电路，分别为全桥电路I、全桥电路II和全桥电路III，每个全桥电路的一个输出端对应连接有一个滤波电感，分别为电感L1、电感L2和电感L3；电感L1、电感L2和电感L3一端分别与全桥电路I、全桥电路II和全桥电路III的一个输出端连接，另一端分别与三端口直流/直流变换器内部的三端口变压器相应的绕组N1、N2和N3连接，各绕组的另一端与相应的全桥电路的另一个输出端连接；每一个全桥电路分别对应一个端口，分别为端口I、端口II和端口III，端口I、端口II和端口III分别与滤波电容C1、C2和C3并联；三端口直流/直流变换器的端口I与新能源发电的输出端并联，端口II与非关键负载RNC并联，端口III与关键负载RC并联；端口III还与双向直流/直流变换器的一端并联，双向直流/直流变换器的另一端连接蓄电池组或者PWM整流模块；双向直流/直流变换器与端口III并联的一端还并联有一个滤波电容C4。
由于关键负载RC与双向直流/直流变换器接在三端口直流/直流变换器的同一端口，而非关键负载则接在另一端口，故可将输入功率的波动转移给非关键负载从而减轻蓄电池组的负担。
三端口直流/直流变换器模块的拓扑结构中的全桥电路均是由反并联二极管的第一至第四开关管构成的单相全桥电路。
根据上述实施例，将关键负载RC和非关键负载RNC等效为一个纯电阻。其中，新能源发电输入的直流电压为48V；DCES内部的蓄电池组电压为48V；三端口变压器的匝比为5:15:9；非键负载RC选取纯电阻33Ω；关键负载RNC选取纯电阻330Ω；三端口变压器的原边漏感为80μH；滤波电容C1和C2的容值为220μF，C3的容值为1μF，C4的容值为4700μF；开关频率为10kHz；双向直流/直流模块的直流侧电压由蓄电池获得，该电压约为110V。
基于上述直流电力弹簧拓扑的控制方法，一个控制周期包括如下步骤：
1)设置一个方波电压作为全桥电路I的驱动信号；
2)采集输入电流I1，将之与参考电流值I1_ref作差，将差值经过一个PID控制器之后的输出作为全桥电路II与全桥电路I的移相角φ12，将所设置的方波经过φ12的移相之后作为全桥电路II的驱动信号；
3)采集端口III的电压VC，将之与参考电压值VC_ref作差，该参考电压值VC_ref为关键负载RNC所需电压值，将差值经过一个PID控制器之后的输出作为全桥电路III与全桥电路I的移相角φ13，将所设置的方波经过φ13的移相之后作为全桥电路III的驱动信号；
4)将VC与VC_ref的差值的正值经过一个PID调节器后的输出与双向直流/直流变换器中一个开关管的电流值iQ1比较，差值的负值经过另一个PID调节器后的输出与双向直流/直流变换器中另一个开关管的电流值iQ2比较，每个比较器输出值逻辑取反后分别跟另一个比较器输出值进行逻辑与，两个逻辑与的输出分别作为两个开关管的驱动信号；
5)此策略在保证了关键负载电压的稳定的同时维持了其输入功率的稳定，然后结束本次控制周期的控制流程，等待下一控制周期。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限。非关键负载不以纯电阻性负载为限，也可以是电加热器、照明产品等其他允许电压在较大范围内波动的负载。本发明中的三端口变换器以及双向直流/直流变换器，可以应用到电动汽车充电的相关领域。
Claims (1)
1.一种直流电力弹簧拓扑的控制方法，包括三端口直流/直流变换器的端口I与新能源发电的输出端并联，端口II与非关键负载RNC并联，端口III与关键负载RC并联；双向直流/直流变换器的一端与端口III和关键负载RC并联，另一端与蓄电池组或PWM整流模块并联，三端口直流/直流变换器包括全桥电路I、全桥电路II与全桥电路III三个全桥电路，三个全桥电路的端口分别为所述端口I、端口II和端口III，其特征在于，包括如下步骤：
(1)设置一个方波电压作为全桥电路I的驱动信号；
(2)采集输入电流I1，将之与参考电流值I1_ref作差，将差值经过一个PID控制器之后的输出作为全桥电路II与全桥电路I的移相角φ12，将所设置的方波经过φ12的移相之后作为全桥电路II的驱动信号；
(3)采集端口III的电压VC，将之与参考电压值VC_ref作差，将差值经过一个PID控制器之后的输出作为全桥电路III与全桥电路I的移相角φ13，将所设置的方波经过φ13的移相之后作为全桥电路III的驱动信号；
(4)将VC与VC_ref的差值的正值经过一个PID调节器后的输出通过比较器与双向直流/直流变换器中一个开关管的电流值iQ1比较，差值的负值经过另一个PID调节器后的输出通过比较器与双向直流/直流变换器中另一个开关管的电流值iQ2比较，每个比较器输出值逻辑取反后分别跟另一个比较器输出值进行逻辑与，每个逻辑与的输出分别作为相应的开关管的驱动信号。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711143503.4A CN107749715B (zh) | 2017-11-17 | 2017-11-17 | 一种直流电力弹簧拓扑及其控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711143503.4A CN107749715B (zh) | 2017-11-17 | 2017-11-17 | 一种直流电力弹簧拓扑及其控制方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107749715A CN107749715A (zh) | 2018-03-02 |
| CN107749715B true CN107749715B (zh) | 2020-11-20 |
Family
ID=61252244
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711143503.4A Active CN107749715B (zh) | 2017-11-17 | 2017-11-17 | 一种直流电力弹簧拓扑及其控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107749715B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109378814A (zh) * | 2018-11-01 | 2019-02-22 | 东南大学 | 一种直流电力弹簧系统及其内部储能系统的能量管理方法 |
| CN110086163A (zh) * | 2019-02-20 | 2019-08-02 | 东南大学 | 一种针对多个新型直流电力弹簧并联的分布式协同控制方法 |
| CN113839410B (zh) * | 2020-06-08 | 2023-08-22 | 南京师范大学 | 一种基于虚拟储能的改进虚拟同步发电机拓扑结构 |
| CN112467990B (zh) * | 2020-11-12 | 2022-05-31 | 东南大学 | 一种基于三有源桥变换器的直流电力弹簧拓扑及控制方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103339815A (zh) * | 2010-10-04 | 2013-10-02 | 香港城市大学 | 用于稳定电源的功率控制电路和方法 |
| CN103904638A (zh) * | 2014-04-17 | 2014-07-02 | 南京航空航天大学 | 一种基于三端口变换器的直流分布式负载系统及其控制方法 |
| CN106712091A (zh) * | 2017-01-20 | 2017-05-24 | 厦门大学 | 新型直交流混合微电网系统及其控制策略 |
| CN107017615A (zh) * | 2017-05-23 | 2017-08-04 | 华中科技大学 | 一种基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法及系统 |
-
2017
- 2017-11-17 CN CN201711143503.4A patent/CN107749715B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103339815A (zh) * | 2010-10-04 | 2013-10-02 | 香港城市大学 | 用于稳定电源的功率控制电路和方法 |
| CN103904638A (zh) * | 2014-04-17 | 2014-07-02 | 南京航空航天大学 | 一种基于三端口变换器的直流分布式负载系统及其控制方法 |
| CN106712091A (zh) * | 2017-01-20 | 2017-05-24 | 厦门大学 | 新型直交流混合微电网系统及其控制策略 |
| CN107017615A (zh) * | 2017-05-23 | 2017-08-04 | 华中科技大学 | 一种基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法及系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107749715A (zh) | 2018-03-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107749715B (zh) | 一种直流电力弹簧拓扑及其控制方法 | |
| CN107230983B (zh) | 一种基于功率控制的电力弹簧应用系统及其控制方法 | |
| CN100563086C (zh) | 有源双向电力调节器 | |
| CN108777494A (zh) | 集散式光储充电系统及其控制方法 | |
| CN101707443A (zh) | 一种新型电力电子变压器 | |
| CN110148939B (zh) | 一种家庭电力能源路由器 | |
| CN105514968A (zh) | 一种基于升降压式和隔离型dc/dc电路的直流电力弹簧拓扑及其控制方法 | |
| CN112467990B (zh) | 一种基于三有源桥变换器的直流电力弹簧拓扑及控制方法 | |
| CN103269178A (zh) | 单级式隔离型三相双向ac/dc变换器及其控制方法 | |
| CN108306281A (zh) | 一种基于双向全桥dc/dc变换器的部分隔离型四端口变换器及其控制方法 | |
| CN103915856A (zh) | 一种基站并网-充电光伏微逆变器系统及其控制方法 | |
| CN103490448A (zh) | 一种基于级联h桥和多端口直流变换器的发电储能装置 | |
| CN105048453A (zh) | 一种新型电力弹簧拓扑及其控制方法 | |
| CN104333036B (zh) | 一种多源协调控制系统 | |
| CN102957335A (zh) | 用于并网发电系统的双向储能逆变器 | |
| CN113595431B (zh) | 级联H桥Buck型高频环节单级多输入双向DC/AC变换器 | |
| CN204465377U (zh) | 一种并串联交错式三端口变换器 | |
| CN203398799U (zh) | 一种采用混合型功率器件的光伏逆变器 | |
| CN201821130U (zh) | 一种太阳能光伏发电控制器 | |
| CN203574386U (zh) | 多电平多端口发电储能混合装置 | |
| CN104682395A (zh) | 一种综合电能质量控制器 | |
| CN201018416Y (zh) | 隔离式高频双向直流电路 | |
| CN202696465U (zh) | 多电平变换器的功率器件驱动电源及高压变频器 | |
| CN201479046U (zh) | 一种基于太阳能发电储能的动态电压恢复系统 | |
| CN204928192U (zh) | 一种适用于分布式发电的光储一体化装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |