CN109390961A - 一种功率单元、功率单元控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种功率单元、功率单元控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种功率单元、功率单元控制系统及其控制方法，功率单元包括交流输入熔断器、三相不控整流桥、直流母线电容、放电电阻、H桥逆变单元、旁路开关、双向DC/DC变换器、功率二极管、直流接触器、直流熔断器、储能电池组及功率单元控制器，功率单元控制器对功率单元进行控制，本发明通过多级串联可构成不同电压等级的电能质量综合治理装置，在电网电压出现暂降、短时中断等异常状态时，可以实现对负荷的不间断供电；在电网电压正常情况下，可实现负载的高质量可靠供电，同时能对功率单元中的储能电池组进行主动充放电管理，进而延长储能电池组使用寿命。

Description

一种功率单元、功率单元控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子装置的控制技术领域，特别涉及一种功率单元、功率单元控制系统及其控制方法。
背景技术
近年来，配电网源网荷的多元化趋势使电能质量问题从单一指标向综合事件发展，各类电能质量问题给企业、社会造成的经济损失和不良影响日益突出，用户对实现多类型电能质量综合治理的需求日趋强烈。多类电能质量问题的分散式治理存在治理设备投资巨大，运维费用昂贵，多目标分散式治理难以实现优化协调控制等问题。
当前本领域关于级联式电能质量治理装置中的功率单元拓扑结构及控制方法，在电网电压出现暂降时，难以实现对负荷的不间断供电；在电网电压正常时，由于缺乏对储能电池组的主动充放电管理，不能有效延长储能电池组的使用寿命。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种功率单元、功率单元控制系统及其控制方法。
本发明提供的一种功率单元、功率单元控制系统及其控制方法，通过多级串联可构成不同电压等级的电能质量综合治理装置，在电网电压出现暂降、短时中断等异常状态时，可以实现对负荷的不间断供电；在电网电压正常情况下，可实现负载的高质量可靠供电，同时能对功率单元中的储能电池组进行主动充放电管理，进而延长储能电池组使用寿命。
本发明的技术方案：
一种功率单元，包括三相不控整流桥、H桥逆变单元、双向DC/DC变换器以及储能电池组，
所述三相不控整流桥的输入端连接移相变压器的副边绕组，用以对移相变压器输入电流进行整流；
所述三相不控整流桥的输出端连接H桥逆变单元的输入端，H桥逆变单元用以将经过三相不控整流桥整流后的电流进行逆变处理；
所述H桥逆变单元的输出端与负载相连接，用以将经过H桥逆变单元逆变处理后的电流输出给负载；
所述双向DC/DC变换器的输入端与三相不控整流桥的输出端连接，双向DC/DC变换器的输出端连接储能电池组，用以控制储能电池组的充电和放电从而延长储能电池组寿命。
所述三相不控整流桥的输入端与移相变压器的副边绕组之间还连接有用以对三相不控整流桥进行过流保护的交流输入熔断器。
所述H桥逆变单元的输出端与负载之间还连接有旁路开关用以对负载供电进行控制。
所述三相不控整流桥与H桥逆变单元之间还并联连接有直流母线电容，直流母线电容上并联连接放电电阻，直流母线电容和放电电阻配合用以滤除经过三相不控整流桥整流后的直流母线电压上的纹波。
所述双向DC/DC变换器的输出端还连接功率二极管，所述功率二极管串联连接直流接触器和直流熔断器后接入到三相不控整流桥输出端正极。
所述双向DC/DC变换器的低压侧正极连接功率二极管的正极，双向DC/DC变换器的高压侧正极连接功率二极管的负极，双向DC/DC变换器的负极接入到三相不控整流桥输出端负极。
一种功率单元控制系统，包括功率单元控制器以及如上所述的功率单元，所述功率单元与功率单元控制器相连接，所述功率单元控制器用于采集功率单元直流母线电压、储能电池组端电压以及功率二极管放电电流，根据采集的直流母线电压、储能电池组端电压以及功率二极管放电电流进行计算比较，并通过控制双向DC/DC变换器对储能电池组进行充放电控制。
一种功率单元的控制方法，包括以下具体步骤，
S1.功率单元控制器启动，定时器开始计时；
S2.采集功率单元直流母线电压、储能电池组端电压以及功率二极管放电电流；
S3.功率单元控制器根据采集的直流母线电压、储能电池组端电压以及功率二极管放电电流进行计算比较，并通过双向DC/DC变换器对储能电池组进行充放电控制。
所述步骤S1的具体流程为，功率单元控制器启动，定时器t1开始计时，令位变量flag1＝0、flag2＝0；
所述步骤S2的具体流程为，通过电压传感器，采样得到功率单元直流母线电压udc和储能电池组端电压ub，滤除直流电压中的纹波，得到滤除纹波以后的直流母线电压为Udc、储能电池组端电压为Ub；通过电流传感器，采样得到功率二极管放电电流ig，利用有效值计算得到功率二极管放电电流有效值为Ig；
所述步骤S3的具体流程为，如果Udc＜Ub，储能电池组通过功率二极管放电，此时定时器t2开始计时；如果功率二极管放电电流有效值Ig≥Imax、或者直流母线电压Udc≤Udcmin、或者定时器t2≥60s，功率单元控制器控制功率单元封波，此时令定时器t2＝0、位变量flag1＝1；如果功率二极管放电电流有效值Ig＝0，此时令定时器t2＝0、位变量flag1＝1；其中Imax为常数，Udcmin为功率单元直流母线电压最小值；
如果Umin≤Udc≤Umax，且定时器t1≥A，此时功率单元控制器控制双向DC/DC变换器对储能电池组进行主动放电；如果直流母线电压Udc＜0.9Ur，功率单元控制器控制双向DC/DC变换器封波，停止储能电池组的主动放电；如果储能电池组电压Ub≤Ubmin，控制器控制双向DC/DC变换器封波，停止储能电池组的主动放电，同时令位变量flag2＝1、定时器t1＝0；其中Umin＝0.9Ur,Umax＝1.1Ur，Ur为直流母线电压额定值，A为时间常数，Ubmin为储能电池组端电压最小值；
如果Umin≤Udc≤Umax，且位变量flag1＝1或flag2＝1，此时功率单元控制器控制双向DC/DC变换器对储能电池组以电流Ic进行充电，Ic为储能电池组的最优充电指令值；如果直流母线电压Udc＜0.9Ur，功率单元控制器控制双向DC/DC变换器封波，停止储能电池组的主动充电；如果储能电池组电压Ub≥Ubr，功率单元控制器控制双向DC/DC变换器封波，停止储能电池组的主动充电，同时令位变量flag1＝0、flag2＝0，定时器t1开始重新计时；其中Ubr为储能电池组端电压额定值；
如果Ub≤Udc＜Umin或者Udc＞Umax，同时双向DC/DC变换器处于工作状态，功率单元控制器控制双向DC/DC变换器封波，停止其工作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)在电网电压出现电压暂降时，会导致功率单元直流母线电压大幅度降低，当直流母线电压低于储能电池组电压，功率二极管导通，直流接触器闭合，储能电池组对直流母线电压进行零延时放电，从而提高直流母线电压，保持装置对负荷的正常供电；
2)在电网电压正常时，如果电网电压长时间没有出现电压暂降，功率单元通过双向DCDC变换器对储能电池组实现主动充放电管理从而延长储能电池组寿命；通过功率单元控制器和功率二极管的设置，使得储能电池组的充放电电流可以被控制的很小，因此双向DC/DC变换器的功率可以选择很小，进而节约功率单元整体成本，并减小功率单元体积。
附图说明
图1是一种功率单元拓扑结构图。
图2是一种功率单元控制方法流程图。
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。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：
一种功率单元控制系统，包括交流输入熔断器1、三相不控整流桥2、直流母线电容3、放电电阻4、H桥逆变单元5、旁路开关6、双向DC/DC变换器7、功率二极管8、直流接触器9、直流熔断器10、储能电池组11及功率单元控制器12，所述交流输入熔断器1分别与输入侧的移相变压器、三相不控整流桥2连接；所述三相不控整流桥2与直流母线电容连接3；所述直流母线电容3分别与放电电阻4、H桥逆变单元5、直流熔断器10连接；所述H桥逆变单元5与旁路开关6连接；所述直流熔断器10与直流接触器9连接；所述直流接触器9与功率二极管8连接；所述功率二极管8分别与储能电池组11、双向DC/DC变换器7连接；所述储能电池组11与直流母线电容3连接；所述双向DC/DC变换器7与直流母线电容3连接；所述功率单元控制器12对功率单元进行控制。
如图2所示，本发明提供了一种功率单元控制方法，其直流母线电压额定值Ur＝930V，电池组端电压Ub＝700V，时间常数A＝72h，功率二极管放电电流最大值Imax＝74A，功率单元直流母线电压最小值Udcmin＝650V，储能电池组端电压最小值Ubmin＝670V，储能电池组端电压额定值Ubr＝700V，该控制方法包括以下步骤：
1)功率单元控制器启动，定时器t1开始计时，令位变量flag1＝0、flag2＝0；
2)通过电压传感器，采样得到功率单元直流母线电压udc和储能电池组端电压ub，利用滤波公式，滤除直流电压中2ω的纹波，得到滤除纹波以后的直流母线电压为Udc、储能电池组端电压为Ub；通过电流传感器，采样得到功率二极管放电电流ig，利用有效值计算公式，得到功率二极管放电电流有效值为Ig；
3)如果Udc＜Ub，储能电池组通过功率二极管放电，此时定时器t2开始计时；如果功率二极管放电电流有效值Ig≥Imax、或者直流母线电压Udc≤Udcmin、或者定时器t2≥60s，控制器控制功率单元封波，此时令定时器t2＝0、位变量flag1＝1；如果功率二极管放电电流有效值Ig＝0，此时令定时器t2＝0、位变量flag1＝1；
4)如果Umin≤Udc≤Umax，其中Umin＝0.9Ur,Umax＝1.1Ur，且定时器t1≥A；此时控制器控制双向DC/DC变换器对储能电池组进行主动放电；如果直流母线电压Udc＜Umin，控制器控制双向DC/DC变换器封波，停止储能电池组的主动放电；如果储能电池组电压Ub≤Ubmin，控制器控制双向DC/DC变换器封波，停止储能电池组的主动放电，同时令位变量flag2＝1、定时器t1＝0；
5)如果Umin≤Udc≤Umax，且位变量flag1＝1或flag2＝1，此时控制器控制双向DC/DC变换器对储能电池组以电流Ic进行充电，Ic为储能电池组的最优充电指令值；如果直流母线电压Udc＜Umin，控制器控制双向DC/DC变换器封波，停止储能电池组的主动充电；如果储能电池组电压Ub≥Ubr，控制器控制双向DC/DC变换器封波，停止储能电池组的主动充电，同时令位变量flag1＝0、flag2＝0，定时器t1开始重新计时；
6)如果Ub≤Udc＜Umin或者Udc＞Umax，同时双向DC/DC变换器处于工作状态，控制器控制双向DC/DC变换器封波，停止其工作。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种功率单元，其特征在于：包括三相不控整流桥、H桥逆变单元、双向DC/DC变换器以及储能电池组，
所述三相不控整流桥的输入端连接移相变压器的副边绕组，用以对移相变压器输入电流进行整流；
所述三相不控整流桥的输出端连接H桥逆变单元的输入端，H桥逆变单元用以将经过三相不控整流桥整流后的电流进行逆变处理；
所述H桥逆变单元的输出端与负载相连接，用以将经过H桥逆变单元逆变处理后的电流输出给负载；
所述双向DC/DC变换器的输入端与三相不控整流桥的输出端连接，双向DC/DC变换器的输出端连接储能电池组，用以控制储能电池组的充电和放电从而延长储能电池组寿命。
2.根据权利要求1所述的一种功率单元，其特征在于：所述三相不控整流桥的输入端与移相变压器的副边绕组之间还连接有用以对三相不控整流桥进行过流保护的交流输入熔断器。
3.根据权利要求1所述的一种功率单元，其特征在于：所述H桥逆变单元的输出端与负载之间还连接有旁路开关用以对负载供电进行控制。
4.根据权利要求1所述的一种功率单元，其特征在于：所述三相不控整流桥与H桥逆变单元之间还并联连接有直流母线电容，直流母线电容上并联连接放电电阻，直流母线电容和放电电阻配合用以滤除经过三相不控整流桥整流后的直流母线电压上的纹波。
5.根据权利要求1所述的一种功率单元，其特征在于：所述双向DC/DC变换器的输出端还连接功率二极管，所述功率二极管串联连接直流接触器和直流熔断器后接入到三相不控整流桥输出端正极。
6.根据权利要求5所述的一种功率单元，其特征在于：所述双向DC/DC变换器的低压侧正极连接功率二极管的正极，双向DC/DC变换器的高压侧正极连接功率二极管的负极，双向DC/DC变换器的负极接入到三相不控整流桥输出端负极。
7.一种功率单元控制系统，其特征在于：包括功率单元控制器以及如权利要求1-6任一项所述的功率单元，所述功率单元与功率单元控制器相连接，所述功率单元控制器用于采集功率单元直流母线电压、储能电池组端电压以及功率二极管放电电流，根据采集的直流母线电压、储能电池组端电压以及功率二极管放电电流进行计算比较，并通过控制双向DC/DC变换器对储能电池组进行充放电控制。
8.一种功率单元的控制方法，其特征在于：包括以下具体步骤，
S1.功率单元控制器启动，定时器开始计时；
S2.采集功率单元直流母线电压、储能电池组端电压以及功率二极管放电电流；
S3.功率单元控制器根据采集的直流母线电压、储能电池组端电压以及功率二极管放电电流进行计算比较，并通过双向DC/DC变换器对储能电池组进行充放电控制。
9.根据权利要求8所述的一种功率单元的控制方法，其特征在于：所述步骤S1的具体流程为，功率单元控制器启动，定时器t1开始计时，令位变量flag1＝0、flag2＝0；
所述步骤S2的具体流程为，通过电压传感器，采样得到功率单元直流母线电压udc和储能电池组端电压ub，滤除直流电压中的纹波，得到滤除纹波以后的直流母线电压为Udc、储能电池组端电压为Ub；通过电流传感器，采样得到功率二极管放电电流ig，利用有效值计算得到功率二极管放电电流有效值为Ig。
10.根据权利要求9所述的一种功率单元的控制方法，其特征在于：所述步骤S3的具体流程为，
如果Udc＜Ub，储能电池组通过功率二极管放电，此时定时器t2开始计时；如果功率二极管放电电流有效值Ig≥Imax、或者直流母线电压Udc≤Udcmin、或者定时器t2≥60s，功率单元控制器控制功率单元封波，此时令定时器t2＝0、位变量flag1＝1；如果功率二极管放电电流有效值Ig＝0，此时令定时器t2＝0、位变量flag1＝1；其中Imax为常数，Udcmin为功率单元直流母线电压最小值；
如果Umin≤Udc≤Umax，且定时器t1≥A，此时功率单元控制器控制双向DC/DC变换器对储能电池组进行主动放电；如果直流母线电压Udc＜0.9Ur，功率单元控制器控制双向DC/DC变换器封波，停止储能电池组的主动放电；如果储能电池组电压Ub≤Ubmin，控制器控制双向DC/DC变换器封波，停止储能电池组的主动放电，同时令位变量flag2＝1、定时器t1＝0；其中Umin＝0.9Ur,Umax＝1.1Ur，Ur为直流母线电压额定值，A为时间常数，Ubmin为储能电池组端电压最小值；
如果Umin≤Udc≤Umax，且位变量flag1＝1或flag2＝1，此时功率单元控制器控制双向DC/DC变换器对储能电池组以电流Ic进行充电，Ic为储能电池组的最优充电指令值；如果直流母线电压Udc＜0.9Ur，功率单元控制器控制双向DC/DC变换器封波，停止储能电池组的主动充电；如果储能电池组电压Ub≥Ubr，功率单元控制器控制双向DC/DC变换器封波，停止储能电池组的主动充电，同时令位变量flag1＝0、flag2＝0，定时器t1开始重新计时；其中Ubr为储能电池组端电压额定值；
如果Ub≤Udc＜Umin或者Udc＞Umax，同时双向DC/DC变换器处于工作状态，功率单元控制器控制双向DC/DC变换器封波，停止其工作。
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