CN109217695A - 级联固态变压器的均压控制方法 - Google Patents

级联固态变压器的均压控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种级联固态变压器的均压控制方法，包括：根据初始步骤、启动步骤、采集步骤和第一调节步骤对级联固态变压器中的级联子模块进行均压控制。本发明根据精确测量的各个级联子模块的原边整流器的输出电压将各个级联子模块的逆变器的工作频率调整到最合适的工作频率点，从而使得各个级联子模块的增益相等，进而达到使各个级联子模块的原边整流器的输出电压相等(即均压)的目的。可见，本发明能够改善各个级联子模块的电气元件的参数差异带来的影响，有利于提高级联固态变压器的性能。

Description

级联固态变压器的均压控制方法
技术领域
本发明涉及固态变压器控制技术领域，尤其涉及一种级联固态变压器的均压控制方法。
背景技术
固态变压器是指一种基于电力电子变流技术和基于电磁感应原理的高频电能变换技术相结合，实现将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电能的静止电气设备。
在中高压领域，为了将功率开关管用在电压数倍于开关管耐压电压的电网下，业内常用级联拓扑。基于电力电子变换技术的级联拓扑固态变压器网侧通过级联拓扑分压，使多个功率器件级联分压可以直接接入数倍于自身耐压等级的中高压电网中。固态变压器不仅能够接入不同电压等级的电网，还能向不同类型负载提供相应的电气接口，同时还可以实现能量的多向流动和对功率流的主动控制。
现有的级联固态变压器控制技术中，网侧高压工频电网通过级联拓扑整流技术输出多个独立的直流稳压源，其后接多个调压变压器，这些变压器的输出侧并联输出直流电压。但级联拓扑各级之间电气元件参数都存在差异，这会导致各级电压产生较大的差异，使各级表现出的电气性能不同。当变压器原边各级输入的整流电压大小一致时，变压器副边输出的电压并不相等。由于各级变压器的输出侧并联，便将各级输出电压强行拉成一致，这会导致原边各级整流电压被强制拉成不一致，使各级电压不均。这样，输出电压较高的某级将会使其它模块截止，甚至产生级间功率环流，使得该级功率器件电流变大、发热增加，从而增加失效危险。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有的级联固态变压器控制技术中，网侧高压工频电网通过级联拓扑整流技术输出多个独立的直流稳压源，其后接多个调压变压器，这些变压器的输出侧并联输出直流电压。但级联拓扑各级之间电气元件参数都存在差异，这会导致各级电压产生较大的差异。当变压器原边各级输入的整流电压大小一致时，变压器副边输出的电压并不相等。由于各级变压器的输出侧并联，便将各级输出电压强行拉成一致，这会导致原边各级整流电压被强制拉成不一致，使各级电压不均。这样，输出电压较高的某级将会使其它模块截止，甚至产生级间功率环流，使得该级功率器件电流变大、发热增加，从而增加失效危险。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种级联固态变压器的均压控制方法，其包括：根据以下步骤对所述级联固态变压器中的级联子模块进行均压控制：
初始步骤，获取所述级联子模块的初始工作频率，所述初始工作频率被配置为使各个级联子模块具有相同的增益；
启动步骤，根据初始工作频率启动所述级联子模块的逆变器；
采集步骤，采集所述级联子模块的原边整流器的输出电压，并计算该输出电压与第一预设电压的差值，得到第一差值；
第一调节步骤，根据所述第一差值对所述级联子模块进行比例积分调节，得到工作频率修正量，将所述初始工作频率与所述工作频率修正量之和作为所述初始工作频率，重复执行所述启动步骤、所述采集步骤和所述第一调节步骤，直到所述第一差值为零时为止。
根据本发明实施例的级联固态变压器的均压控制方法，根据所述初始步骤、启动步骤、采集步骤和第一调节步骤，分别对所述级联固态变压器中的每个级联子模块进行均压控制。
根据本发明实施例的级联固态变压器的均压控制方法，还包括：
计算所述级联固态变压器中所有级联子模块的原边整流器的输出电压的总和，得到总整流电压；
计算所述总整流电压与第二预设电压的差值，得到第二差值；
根据所述第二差值对所述级联固态变压器进行比例积分调节，直到所述第二差值为零时为止。
根据本发明实施例的级联固态变压器的均压控制方法，根据所述初始步骤、启动步骤、采集步骤和第一调节步骤，分别对所述级联固态变压器中的N-1个级联子模块进行均压控制，以使进行均压控制的级联子模块的原边整流器的输出电压等于总整流电压除以N，其中N为所述级联固态变压器中级联子模块的个数。
根据本发明实施例的级联固态变压器的均压控制方法，所述初始步骤包括：
启动所述级联子模块的原边整流器；
对所述级联子模块进行扫频，得到该级联子模块的谐振频率和频率-增益曲线；
根据所述级联子模块的原边整流电压和所需的副边整流输出电压，得到所述级联子模块的目标增益；
根据所述级联子模块的目标增益和频率-增益曲线，确定所述级联子模块的初始工作频率。
根据本发明实施例的级联固态变压器的均压控制方法，在所述级联子模块的频率-增益曲线的工作区域中，确定所述级联子模块的初始工作频率。
根据本发明实施例的级联固态变压器的均压控制方法，对所述级联固态变压器中的级联子模块进行均压控制，还包括：
检测步骤，通过所述级联子模块的谐振频率来检测该级联子模块中的电气元件是否老化。
根据本发明实施例的级联固态变压器的均压控制方法，对所述级联固态变压器中的级联子模块进行均压控制，还包括：
旁路步骤，在检测出所述级联子模块中的电气元件老化时，旁路所述级联子模块。
根据本发明实施例的级联固态变压器的均压控制方法，所述电气元件为所述级联子模块的LLC谐振变换器中的电气元件。
根据本发明实施例的级联固态变压器的均压控制方法，所述级联子模块包括顺次连接的旁路开关、原边整流器、逆变器、LLC谐振变换器、变压器以及副边整流器。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
根据本发明实施例的级联固态变压器的均压控制方法，能够改善各个级联子模块的电气元件的参数差异带来的影响。根据精确测量的各个级联子模块的原边整流器的输出电压将各个级联子模块的逆变器的工作频率调整到最合适的工作频率点，从而使得各个级联子模块的增益相等，进而达到使各个级联子模块的原边整流器的输出电压相等(即均压)的目的，有利于提高级联固态变压器的性能。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是作为本发明控制对象的级联固态变压器的电路框图；
图2是级联固态变压器的级联子模块中的LLC谐振变换器的电路图；
图3是当K＝4时，LLC谐振变换器不同品质因数下的增益特性曲线；
图4a、图4b和图4c是LLC谐振变换器在fm<f<fr，f＝fr，f>fr三种情况下的谐振电流波形图；
图5是本发明实施例的级联固态变压器的级联子模块的均压控制方法的流程示意图；
图6a为级联固态变压器中旁路开关的一种结构示意图；
图6b为级联固态变压器中旁路开关的另一种结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
图1是作为本发明控制对象的级联固态变压器的电路框图。如图1所示，级联固态变压器具有N个相同的级联子模块。下面以第n级级联子模块为例，来说明级联固态变压器中各个级联子模块的结构。
第n级级联子模块包括顺次连接的旁路开关BSn、原边整流器SM1n、逆变器SM2n、LLC谐振变换器LLCn、变压器Tn以及副边整流器SM3n。其中，原边整流器SM1n通过连接电抗L1接入到电网中，变压器Tn的原边与LLC谐振变换器LLCn连接，变压器Tn的副边与副边整流器SM3n连接。各个级联子模块的输出端并联连接至直流母线，负载直接接入直流母线。这里，原边整流器SM11-SM1n优选地为高压整流器，副边整流器SM31-SM3n为一般整流器，变压器T1-Tn优选地为高频变压器。
该级联固态变压器的工作原理如下：电网输入的高压工频交流电经过级联原边整流器SM11-SM1n分别输出多个直流电压，而后经过逆变器SM21-SM2n，逆变器SM21-SM2n将原边整流器SM11-SM1n变换过来的直流电压调制成高频方波电压送给变压器T1-Tn，变压器T1-Tn耦合到另外一侧，送给副边整流器SM31-SM3n，副边整流器SM31-SM3n将变压器T1-Tn耦合过来的高频方波电压还原成高品质的直流电压输出给低压直流母线送给负载。
然而，在该级联固态变压器中，各个级联子模块之间的电气元件参数都存在差异，这会导致各级电压产生较大的差异。当变压器原边各级输入的整流电压大小一致时，变压器副边输出的电压并不相等。由于各级变压器的输出侧并联，便将各级输出电压强行拉成一致，这会导致原边各级整流电压被强制拉成不一致，使各级电压不均。这样，输出电压较高的某级将会使其它模块截止，甚至产生级间功率环流，使得该级功率器件电流变大、发热增加，从而增加失效危险。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种级联固态变压器的均压控制方法。在该方法中，通过原边整流器控制级联固态变压器的总直流电压，但由于原边整流器在调整时输出电压存在波动，为了安全起见，使用电压外环中单独的比例积分调节器来闭环控制总直流电压，保证总直流电压稳定在预设值，然后通过逆变器控制各个级联子模块的电压，对N个级联子模块中的N-1个级联子模块进行均压调节。
与单独控制N个级联子模块的电压的控制策略相比，单独控制策略中每个级联子模块的权重都相同，这样无法保证整个调整过程中总直流电压的稳定。而总直流电压外环加N-1个级联子模块的均压控制策略，总直流电压外环的控制速度更快，效果更快，那么即使N-1个级联子模块在各自调节，也能优先保证总直流电压保持稳定。
下面对本发明的级联固态变压器的均压控制方法进行详细描述。
第一，对级联固态变压器的总直流电压进行控制，具体操作步骤如下：
首先，假定各个级联子模块的原边整流器的输出电压分别为U1,U2,U3…Un，网侧电流为Id。计算级联固态变压器中所有级联子模块的原边整流器的输出电压的总和，得到总整流电压Uall(Uall＝U1+U2+…+Un)。
其次，计算上述总整流电压Uall与预设电压U*的差值ΔU。
然后，根据上述计算的差值ΔU对级联固态变压器进行比例积分调节，得到网侧电流修正量ΔId。然后，将Id+ΔId作为网侧电流，重复执行上述步骤，直至差值ΔU为零时为止。当差值ΔU为零时，级联固态变压器的总整流电压Uall与预设电压U*相等。这样，即完成对级联固态变压器的总直流电压的控制，使总直流电压保持为预设电压U*。
第二，对级联固态变压器中的级联子模块进行均压控制，以使各个级联子模块的原边整流电压保持在第一预设电压U*/N。这里，既可以对构成级联固态变压器中的每个级联子模块都进行均压控制，也可以只对其中的N-1个级联子模块进行均压控制(N为级联固态变压器中级联子模块的个数)。
这里，为了便于更好地理解本发明，在介绍对级联子模块进行均压控制的方法之前，先对LLC谐振变换器的结构以及工作原理进行详细介绍。
如图2所示，是LLC谐振变换器的电路图。该LLC谐振变换器由谐振电感Lr、谐振电容Cr和变压器励磁电感Lm组成。LLC谐振变换器存在两个谐振频率，一个是LC谐振频率fr，另一个是LLC谐振频率fm，两者的计算表达式如下。
基于上述表达式，显然有fr>fm。
从理论模型可推导得到LLC谐振变换器的增益特性公式：
其中，为归一化频率，f为逆变方波频率，为励磁电感和谐振电感的归一化量，为谐振电路的品质因数，Rac为谐振网络等效阻抗，n为变压器变比，R为副边负载阻值。
由上式可知，当逆变方波频率f变化时，LLC谐振变换器的增益M也随之改变，即可绘制频率-增益曲线。当fn＝1时，即逆变器的工作频率在谐振频率点时，LLC谐振变换器的增益恒为1，且与负载无关。
当逆变方波频率变化时，LLC谐振变换器输出的电压也会随之变化。通过调整逆变方波频率可以调整LLC谐振变换器的输出电压。但在本发明中，LLC谐振变换器的输出电压并联被嵌位，故各级输出电压相等，此时，可以通过调整逆变方波频率来调整原边整流电压。
图3是当K＝4时，LLC谐振变换器不同品质因数下的增益特性曲线。在图3中，横坐标为归一化频率fn，纵坐标为增益M。图中5条实线从上往下分别为Q＝0.1,0.2,0.5,1.0,5.0几种情况。fm为用实线表示的边界线的切线。由图3可知：LLC谐振变换器有三个工作区域，分别是ZCS区域、ZVS区域1和ZVS区域2。如图3所示，当f<fm时，LLC谐振变换器工作在ZCS区域；当fm<f<fr时，边界线以上为ZVS区域2，边界线以下为ZCS区域，LLC谐振变换器可能工作在ZVS区域2或ZCS区域，具体工作在哪个区域与品质因数Q有关；当f>fr时，LLC谐振变换器工作在ZVS区域1。
在中大功率应用中，由于电压较高，LLC谐振变换器工作在ZVS区域更有意义，故LLC谐振变换器主要工作在ZVS区域1和ZVS区域2。当工作在ZVS区域1时，开关频率高于串联谐振频率(f>fr)，LLC谐振变换器的电压增益小于1。当工作在ZVS区域2时，开关频率低于串联谐振频率(f<fr)，励磁电感部分参与谐振，LLC谐振变换器的电压增益大于1。
在ZVS区域1，开关管ZVS导通，但整流二极管不能实现ZCS关断，存在严重的反向恢复问题；在ZVS区域2，可以同时实现开关管的ZVS导通和整流二极管的ZCS关断，且此时开关管关断电流很小，减少了开关损耗，提高了变换器效率。
综上所述，LLC谐振变换器的工作频率需要控制在fm<f<fr，且保证LLC谐振变换器工作在ZVS区域2，此时开关管ZVS导通，关断电流很小，整流二极管ZCS关断，变换器损耗最小，效率最高。为了保证LLC谐振变换器工作在ZVS区域2，Q存在最大值，即负载存在最小值，输出功率存在最大值。实际使用时对应的最恶劣情况为满载，只需要保证满载时LLC谐振变换器工作在ZVS区域2即可。
图4a、4b和4c依次是LLC谐振变换器在fm<f<fr，f＝fr，f>fr三种情况下的谐振电流波形图。由图4a、4b和4c可知，当f＝fr时，谐振电流ir为正弦波，故此时谐振电流的谐波含量最小。
基于上述内容，对本发明实施例的级联固态变压器的级联子模块的均压控制方法进行说明。
如图5所示，是本发明实施例的级联固态变压器的级联子模块的均压控制方法的流程图，该方法包括步骤S1至步骤S6。
在步骤S1(即初始步骤)中，获取级联子模块的初始工作频率，所述初始工作频率被配置为使各个级联子模块具有相同的增益。
具体地，启动级联子模块的原边整流器SM11-SM1n，当各级整流电压稳定后，分别开启各个级联子模块的逆变器SM21-SM2n，对逆变器SM21-SM2n的工作频率进行扫频操作，即：使逆变器SM21-SM2n的工作频率在某一个范围内逐渐增加，分别记录下各个工作频率下变压器的副边输出电压和变压器的原副边谐振电流。对变压器的原副边谐振电流做傅里叶频谱分析，当谐波含量最小时，此时工作频率为该级联子模块的谐振频率。当扫频完成后，可以得到各个级联子模块的频率-增益曲线。根据上述操作，即可得到各个级联子模块的谐振频率fr1-frn和频率-增益曲线。
根据各个级联子模块的原边整流电压和所需的副边整流输出电压，得到各个级联子模块的目标增益。
根据目标增益和扫频得到的各个级联子模块的频率-增益曲线，各个级联子模块在各自的ZVS区域2选择一个增益相同的工作频率，即为各个级联子模块的初始工作频率。
在步骤S2(即检测步骤)中，通过上述各个级联子模块的谐振频率来检测该级联子模块中的电气元件是否老化。
具体地，将上述各个级联子模块的谐振频率与预设频率进行比较，若两者差值较大(本领域技术人员在具体实施过程中设定具体的阈值)，则说明该级联子模块的电气元件发生老化。优选地，所述电气元件为级联子模块的LLC谐振变换器中的电气元件。
在步骤S3(即旁路步骤)中，在通过步骤S2检测到级联子模块中的电气元件发生老化时，利用旁路开关旁路该级联子模块。这里，旁路开关的具体实施例详见图6a和图6b所示。
在步骤S4(即启动步骤)中，根据相应的初始工作频率启动各个级联子模块的逆变器。
在步骤S5(即采集步骤)中，采集N-1个级联子模块的原边整流器SM12至SM1n的输出电压U2至Un，并计算该输出电压U2至Un与第一预设电压的差值，得到第一差值ΔU2至ΔUn。这里，第一预设电压优选地为U*/N，N为级联子模块的个数，U*为针对总整流电压的预设电压。
在步骤S6(即第一调节步骤)中，根据上述第一差值ΔU2至ΔUn对各个级联子模块进行比例积分调节，得到各个级联子模块的工作频率修正量Δf2至Δfn。此时，将f1,f2+Δf2,f3+Δf3,…fn+Δfn作为各个级联子模块的逆变器的初始工作频率，重复执行上述步骤S4(即启动步骤)、步骤S5(即采集步骤)和步骤S6(即第一调节步骤)，直到第一差值ΔU2至ΔUn为零时为止。
依照上述步骤，使进行均压控制的N-1个级联子模块的原边整流器的输出电压等于总整流电压除以级联数N，即完成对级联固态变压器中的N-1个级联子模块的均压控制。
由于级联固态变压器的总直流电压控制保持在预设电压U*，N-1个级联子模块的原边整流电压控制保持在第一预设电压U*/N，因此第一个级联子模块的原边整流电压也必然被控制为第一预设电压U*/N，即完成对级联固态变压器的均压控制。
综上所述，应用本发明实施例提供的级联固态变压器的均压控制方法，能够在LLC谐振变换器开环控制技术的基础上，通过比例积分调节器对各个级联子模块的参数进行闭环控制，从而实现各个级联子模块的原边整流电压均压。另外，本实施例能够有效发现级联子模块的电气元件老化现象，并自动旁路出现电气元件老化现象的级联子模块。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种级联固态变压器的均压控制方法，其特征在于，包括：根据以下步骤对所述级联固态变压器中的级联子模块进行均压控制：
初始步骤，获取所述级联子模块的初始工作频率，所述初始工作频率被配置为使各个级联子模块具有相同的增益；
启动步骤，根据初始工作频率启动所述级联子模块的逆变器；
采集步骤，采集所述级联子模块的原边整流器的输出电压，并计算该输出电压与第一预设电压的差值，得到第一差值；
第一调节步骤，根据所述第一差值对所述级联子模块进行比例积分调节，得到工作频率修正量，将所述初始工作频率与所述工作频率修正量之和作为所述初始工作频率，重复执行所述启动步骤、所述采集步骤和所述第一调节步骤，直到所述第一差值为零时为止。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述初始步骤、启动步骤、采集步骤和第一调节步骤，分别对所述级联固态变压器中的每个级联子模块进行均压控制。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
计算所述级联固态变压器中所有级联子模块的原边整流器的输出电压的总和，得到总整流电压；
计算所述总整流电压与第二预设电压的差值，得到第二差值；
根据所述第二差值对所述级联固态变压器进行比例积分调节，直到所述第二差值为零时为止。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述初始步骤、启动步骤、采集步骤和第一调节步骤，分别对所述级联固态变压器中的N-1个级联子模块进行均压控制，以使进行均压控制的级联子模块的原边整流器的输出电压等于所述总整流电压除以N，其中N为所述级联固态变压器中级联子模块的个数。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述初始步骤包括：
启动所述级联子模块的原边整流器；
对所述级联子模块进行扫频，得到该级联子模块的谐振频率和频率-增益曲线；
根据所述级联子模块的原边整流电压和所需的副边整流输出电压，得到所述级联子模块的目标增益；
根据所述级联子模块的目标增益和频率-增益曲线，确定所述级联子模块的初始工作频率。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述级联子模块的频率-增益曲线的工作区域中，确定所述级联子模块的初始工作频率。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述级联固态变压器中的级联子模块进行均压控制，还包括：
检测步骤，通过所述级联子模块的谐振频率来检测该级联子模块中的电气元件是否老化。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，对所述级联固态变压器中的级联子模块进行均压控制，还包括：
旁路步骤，在检测出所述级联子模块中的电气元件老化时，旁路所述级联子模块。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述电气元件为所述级联子模块的LLC谐振变换器中的电气元件。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述级联子模块包括顺次连接的旁路开关、原边整流器、逆变器、LLC谐振变换器、变压器以及副边整流器。
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