CN109560553A - 一种电力电子变压器低压侧可切换功率模块的切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的电力电子变压器低压侧可切换功率模块的切换方法，所述可切换功率模块的切换方法包括以下步骤：步骤1：构建电力电子变压器低压侧可切换功率模块的拓扑结构；步骤2：构建基于BP神经网络的交流负荷预测模型；步骤3：所构建系统运行过程中，可切换功率模块执行切换操作；步骤4：根据步骤2和3得出用户优先选择的快速充电桩和一小时内不断电使用的充电桩数量。

Description

一种电力电子变压器低压侧可切换功率模块的切换方法
技术领域
本发明涉及电子变压器供电技术领域，特别是涉及电力电子变压器低压 侧可切换功率模块的切换方法。
背景技术
电动汽车(Electric Vehicle--EV)作为一种新型交通工具，具有“零 排放”、能量来源广等优点，并且已经成为缓解我国石油资源紧张、城市大 气污染严重问题的重要手段。充电桩作为基础设施中最关键的部分，实现了 电动汽车与电网间能量的转换，是推动电动汽车产业发展的基础。近年来快 速充电技术的发展，使电动汽车应用更加便捷。
与此同时，电力电子变压器(Power Electronic Transformer--PET)具有交直流端口，在配电网中既可以为传统交流负荷供电，也能够为电动汽车提供直流 充电端口。如何优化配置电力电子变压器交直流端口，对于提高电力电子变 压器利用率，有效减少装置功率与容量的同时保证对负荷的优质供电具有重 要意义。
因此希望有一种电力电子变压器低压侧可切换功率模块的切换方法已解 决现有技术中的问题。
发明内容
本发明针对电动汽车快速充电负荷峰值与基础交流负荷峰值不重叠的区 域公开的一种电力电子变压器低压侧可切换功率模块的切换方法能够有效降 低电力电子变压器低压交流侧逆变器容量，降低设备投资，提高电力电子变 压器利用率，并提供充足的直流端口，满足电动汽车快速充电桩供电需求。
本发明公开的一种电力电子变压器低压侧可切换功率模块的切换方法， 所述可切换功率模块的切换方法包括以下步骤：
步骤1：构建电力电子变压器低压侧可切换功率模块的拓扑结构；
步骤2：构建基于BP神经网络的交流负荷预测模型；
步骤3：所构建系统运行过程中，可切换功率模块执行切换操作；
步骤4：根据步骤2和3得出用户优先选择的快速充电桩和一小时内不 断电使用的充电桩数量。
优选地,所述步骤1具体包括以下步骤：所述可切换功率模块在闭锁模 式、DC/AC模式以及DC/DC模式之间切换；
闭锁模式下，所述可切换功率模块既不为交流负荷供电，也不为电动汽 车快速充电桩供电；
DC/AC模式下，所述可切换功率模块通过交流端口与电力电子变压器主 逆变器协同为交流负荷供电；
DC/DC模式下，所述可切换功率模块通过三个直流端口向三个独立的电 动汽车快速充电桩供电。
优选地，所述步骤2中的BP神经网络为三层多输入多输出模型，并且包 括一个隐含层；所述BP神经网络输入层具有六个神经元，分别为：前一天交 流负荷视在功率数据、前两天交流负荷视在功率数据、前三天交流负荷视在 功率数据、前一周的同一天交流负荷视在功率数据、前两周的同一天交流负 荷视在功率数据和当前时刻交流负荷实时视在功率数据；所述BP神经网络输 出层具有两个神经元，即：T时间后交流负荷的预测视在功率数据Sload(t0+T)， 以及一小时内交流负荷最大视在功率预测值Smax，其中T为可切换功率模块从下发模式切换命令到稳定运行所需的时间。
优选地,所述步骤3的切换操作具体包括以下步骤：
步骤3.1：所述电力电子变压器在当前时刻实际投入的总交流容量记为 Sac(t0)，其等于电力电子变压器主逆变器容量以及所有处于DC/AC工作模式的 可切换功率模块容量之和；
步骤3.2：单台可切换功率模块的交流容量记为Ssm；令ΔS＝Sac(t0)-Sload(t0+T)，ΔS大于0时表示当前电力电子变压器提供的交流容量满足T时段后的负荷需 求，ΔS小于0时表示电力电子变压器提供的交流容量不满足负荷T时段后的 负荷需求；
步骤3.3：处于DC/AC工作模式的可切换功率模块数量记为kac，处于DC/DC工作模式的可切换功率模块数量记为kdc，处于闭锁模式的可切换功率 模块数量记为klk；
步骤3.4：可切换功率模块在DC/DC模式下输出直流功率记为Pdci，i为可 切换功率模块编号；闭锁模式的可切换功率模块输出直流功率记为0；
步骤3.5：根据步骤3.2计算得到ΔS：
(1)当ΔS大于0时，计算X＝ΔS/Ssm-0.5，对X向下取整并记为Xd，计算 得到退出DC/AC工作模式的可切换功率模块数量，同时避免交流负荷波动导致 模块的频繁投切；
(2)当ΔS小于0时，计算Y＝|ΔS/Ssm|,向上取整并记为Yu，计算得到需 要切换为DC/AC工作模式的可切换功率模块数量；
步骤3.6：当Xd≤kdc时，将Xd个处于DC/AC工作模式的可切换功率模块 切换为闭锁模式；该步骤的目的在于优先退出暂停为电动汽车快速充电桩供电 的可切换模块，暂停充电前，充电功率最大的模块退出优先级最高，进一步降 低了对被切除的电动汽车充电负载的影响；
步骤3.7：当Xd≥kdcc时，将处于DC/AC工作模式的可切换功率模块切换 为闭锁模式；
步骤3.8：当Yu≤klk时，将Yu个处于闭锁模式的可切换功率模块切换为 DC/AC模式；
步骤3.9：当klk＜Yu≤klk+kdc时，全部处于闭锁模式的可切换功率模块切 换为DC/AC工作模式，将Yu-klk个处于DC/DC工作模式的可切换功率模块切换 为DC/AC工作模式，并保存切换时刻输出功率Pdci的数据，供步骤3.7使用； 该步骤的目的在于优先选取直流充电总功率小的可切换模块，暂停为电动汽车 快速充电桩供电，转为DC/AC工作模式，优先满足交流负荷供电，在保证交流 负荷正常供电的前提下，尽量降低对电动汽车快速充电的影响；
步骤3.10：当Yu＞klk+kdc时，全部处于闭锁模式和DC/AC工作模式的可 切换功率模块切换为DC/DC工作模式，控制器发出过载预警，与此同时向低 压交流侧的电动汽车交流充电站发出控制信号，紧急切除电动汽车交流充电 负荷，降低电力电子变压器逆变器及可切换功率模块供电压力，优先保证基 础交流负荷供电。
优选地,所述步骤3.6将处于DC/AC模式的可切换功率模块按照其前一 种工作模式的最后时刻输出功率Pdci降序排列，并选择前Xd个模块作为切换 目标。
优选地,所述步骤3.9Yu-klk个模块选取的方法：将处于DC/DC工作模式 的可切换功率模块按照输出功率Pi的大小升序排列，并选取前Yu-klk个模块 作为切换目标。
优选地,步骤4.1：为了提高单台可切换功率模块的利用率，保证可切 换模块的工作模式切换的灵活性并尽量降低对电动汽车快速充电负荷的影 响，考虑到每个可切换模块为三个电动汽车快速充电桩提供直流电源，所以 将同一模块所对应的三个电动汽车快速充电桩划分为一组，当某一组充电桩 已经接入充电负荷，且该组中仍有空闲状态的充电桩，则该组为优先推荐 组；
步骤4.2：根据具有空闲充电桩的分组在当前时刻充电功率确定优先推 荐组的优先级，充电功率越大的分组具有越高优先级；
步骤4.3：根据所述BP神经网络模型输出的一小时内交流负荷最大视在 功率预测值，结合当前可切换模块及对应充电桩的工作状态，依照步骤3所 述切换操作进行虚拟切换，根据虚拟切换结果得出一小时内能够不断电使用 的充电桩数量。
本发明公开的电力电子变压器低压侧可切换功率模块的切换方法能够为 用户决定是否在该充电站充电提供参考，也为用户在充电桩选择上给出建议。 当一个可切换功率模块对应的充电桩全部被占用后，再推荐用户使用另一个可 切换模块对应的充电桩，以此提高单台可切换功率模块的利用率，提高处于闭 锁模式的可切换模块比例。因此本发明能够在最大程度上保证用户正常充电的 基础上，提高各模块在不同工作模式间切换的灵活性。
附图说明
图1是融合电动汽车快速充电与保证优质供电的高利用率电力电子变压 器整体拓扑图。
图2是本发明提出的含有可切换功率模块的电力电子变压器低压侧拓扑 图。
图3是BP神经网络交流负荷预测模型示意图。
图4是可切换功率模块模式切换简略流程图。
图5是可切换功率模块模式切换详细流程图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附 图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似 功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施 例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而 不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员 在没有作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。
电力电子变压器低压侧可切换功率模块的切换方法包括以下步骤：
步骤1：构建PET低压侧含可切换功率模块的拓扑结构。
在本实例中，如图1与图2所示的拓扑图，PET低压侧逆变器数量为1 个，容量为600kVA，可切换功率模块数量为5个，单台交流容量(Ssm)为 80kVA。可切换模块从下发模式切换命令到稳定投入运行所需要的时间为2 秒。单台电动汽车最大充电功率约为25kW，在充电接近饱和后，充电功率将 逐渐降低。
步骤2：构建基于BP神经网络的交流负荷预测模型
如图3所示，将以下六组数据输入到BP神经网络模型中，即：前一天交 流负荷视在功率数据；前两天交流负荷视在功率数据；前三天交流负荷视在 功率数据；前一周的同一天交流负荷视在功率数据；前两周的同一天交流负 荷视在功率数据；当前时刻交流负荷实时视在功率数据。
经过运算得到：T时段后交流负荷的预测视在功率Sload(t0+T)，其中T为2 秒；一小时内交流负荷最大视在功率预测值Smax。
本实例根据预测数据，选取其中两个具有代表性的时间点，对其切换策 略做详细介绍。PET交流总容量、负荷预测功率及各工作模式的模块数量如 表1PET交流总容量、T时段后负荷预测功率、一小时内负荷预测功率最大 值以及各工作模式的模块数量表所示：
t1时刻处于DC/AC模式的可切换功率模块为模块1；处于DC/DC模式的 可切换功率模块为模块2，模块3，模块4；处于闭锁模式的可切换功率模块 为模块5。其中模块2所对应充电桩分组接入的电动汽车数量为3个，模块3 所对应充电桩分组接入的电动汽车数量为1个，模块4所对应充电桩分组接 入的电动汽车数量为2个。
t2时刻处于DC/AC模式的可切换功率模块为模块1，模块2，模块3，模 块5；处于DC/DC模式的可切换功率模块为模块4。模块4所对应充电桩分组 接入的电动汽车数量为2个。
处于DC/DC模式的模块直流输出功率，以及处于DC/AC模式的模块在切 换为DC/AC模式前的直流输出功率如表2各可切换功率模块直流输出功率表 所示：
时刻 P<sub>dc1</sub>(kW) P<sub>dc2</sub>(kW) P<sub>dc</sub>(kW) P<sub>dc4</sub>(kW) P<sub>dc5</sub>(kW)
t<sub>1</sub> 0 75 25 50 0
t<sub>2</sub> 0 45 25 50 0
步骤3：可切换功率模块的具体切换策略
根据图4所提出的可切换功率模块模式切换流程图，以及表1与表2所 给数据:
步骤3.1：t1时刻切换策略：
步骤3.11：计算ΔS＝Sac(t1)-Sload(t1+T)＝680-730＝-50kW；
步骤3.12：计算
步骤3.13：对Y向上取整并记为Yu,则Yu＝1；
步骤3.14：由表1数据可得：Yu＝klk；
步骤3.15：将模块5由闭锁模式切换为DC/AC模式。
步骤3.2：t2时刻切换策略：
步骤3.21：计算ΔS＝Sac(t2)-Sload(t2+T)＝920-780＝140kW；
步骤3.22：计算
步骤3.23：对X向下取整并记为Xd，则Xd＝1；
步骤3.24：由表1数据可得：Xd＜klk；
步骤3.25：由表2数据可得Pdc2＞Pdc3＞Pdc1＝Pdc5
步骤3.26：将模块2由DC/AC模式切换为DC/DC模式，继续为电动汽车 充电。
步骤4：得出用户可优先选择的快速充电桩以及一小时内可不断电使用 的充电桩数量。由于过程的相似性，接下来的实例将只针对t1时刻数据进行 分析。
步骤4.1：t1时刻，得出一小时内可不断电使用的充电桩数量
步骤4.11：计算ΔS＝Sac(t1)–Smax＝680-820＝-140kW；
步骤4.12：计算
步骤4.13：对Y向上取整并记为Yu,则Yu＝2；
步骤4.14：由表1数据可得：klk＜Yu≤klk+kdc；
步骤4.15：结合图5所示的切换策略，模块5将由闭锁模式切换为 DC/AC模式，模块3将暂停为电动汽车快速充电桩供电，并切换为DC/AC模 式。模块4将继续保持DC/DC模式运行。
步骤4.16：得出模块4的一个空闲状态充电桩能够在一小时内不断电为 电动汽车充电。
步骤4.2：t1时刻，用户可优先选择的快速充电桩
步骤4.21：由表2可知，模块3、模块4所对应的充电桩分组既接入了 充电负荷，且该组中仍有空闲状态的充电桩，故将模块3、模块4所对应分 组定义为优先推荐组。
步骤4.22：由表2数据可知，由于Pdc3＜Pdc4，所以模块4所对应分组具 有最高优先级
步骤4.23：将模块4所对应分组的空闲充电桩设置为用户可优先选择的 快速充电桩。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对 其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技 术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应 技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种电力电子变压器低压侧可切换功率模块的切换方法，其特征在于，所述可切换功率模块的切换方法包括以下步骤：
步骤1：构建电力电子变压器低压侧可切换功率模块的拓扑结构；
步骤2：构建基于BP神经网络的交流负荷预测模型；
步骤3：所构建系统运行过程中，可切换功率模块执行切换操作；
步骤4：根据步骤2和3得出用户优先选择的快速充电桩和一小时内不断电使用的充电桩数量。
2.根据权利要求1所述的电力电子变压器低压侧可切换功率模块的切换方法，其特征在于：所述步骤1具体包括以下步骤：所述可切换功率模块在闭锁模式、DC/AC模式以及DC/DC模式之间切换；
闭锁模式下，所述可切换功率模块既不为交流负荷供电，也不为电动汽车快速充电桩供电；
DC/AC模式下，所述可切换功率模块通过交流端口与电力电子变压器主逆变器协同为交流负荷供电；
DC/DC模式下，所述可切换功率模块通过三个直流端口向三个独立的电动汽车快速充电桩供电。
3.根据权利要求1所述的电力电子变压器低压侧可切换功率模块的切换方法，其特征在于：所述步骤2中的BP神经网络为三层多输入多输出模型，并且包括一个隐含层；所述BP神经网络输入层具有六个神经元，分别为：前一天交流负荷视在功率数据、前两天交流负荷视在功率数据、前三天交流负荷视在功率数据、前一周的同一天交流负荷视在功率数据、前两周的同一天交流负荷视在功率数据和当前时刻交流负荷实时视在功率数据；所述BP神经网络输出层具有两个神经元，即：T时间后交流负荷的预测视在功率数据Sload(t0+T)，以及一小时内交流负荷最大视在功率预测值Smax，其中T为可切换功率模块从下发模式切换命令到稳定运行所需的时间。
4.根据权利要求3所述的电力电子变压器低压侧可切换功率模块的切换方法，其特征在于：所述步骤3的切换操作具体包括以下步骤：
步骤3.1：所述电力电子变压器在当前时刻实际投入的总交流容量记为Sac(t0)，其等于电力电子变压器主逆变器容量以及所有处于DC/AC工作模式的可切换功率模块容量之和；
步骤3.2：单台可切换功率模块的交流容量记为Ssm；令ΔS＝Sac(t0)-Sload(t0+T)，ΔS大于0时表示当前电力电子变压器提供的交流容量满足T时段后的负荷需求，ΔS小于0时表示电力电子变压器提供的交流容量不满足负荷T时段后的负荷需求；
步骤3.3：处于DC/AC工作模式的可切换功率模块数量记为kac，处于DC/DC工作模式的可切换功率模块数量记为kdc，处于闭锁模式的可切换功率模块数量记为klk；
步骤3.4：可切换功率模块在DC/DC模式下输出直流功率记为Pdci，i为可切换功率模块编号；闭锁模式的可切换功率模块输出直流功率记为0；
步骤3.5：根据步骤3.2计算得到ΔS：
(1)当ΔS大于0时，计算X＝ΔS/Ssm-0.5，对X向下取整并记为Xd，计算得到退出DC/AC工作模式的可切换功率模块数量，同时避免交流负荷波动导致模块的频繁投切；
(2)当ΔS小于0时，计算Y＝|ΔS/Ssm|,向上取整并记为Yu，计算得到需要切换为DC/AC工作模式的可切换功率模块数量；
步骤3.6：当Xd≤kdc时，将Xd个处于DC/AC工作模式的可切换功率模块切换为闭锁模式；
步骤3.7：当Xd≥kdcc时，将处于DC/AC工作模式的可切换功率模块切换为闭锁模式；
步骤3.8：当Yu≤klk时，将Yu个处于闭锁模式的可切换功率模块切换为DC/AC模式；
步骤3.9：当klk＜Yu≤klk+kdc时，全部处于闭锁模式的可切换功率模块切换为DC/AC工作模式，将Yu-klk个处于DC/DC工作模式的可切换功率模块切换为DC/AC工作模式，并保存切换时刻输出功率Pdci的数据，供步骤3.7使用；
步骤3.10：当Yu＞klk+kdc时，全部处于闭锁模式和DC/AC工作模式的可切换功率模块切换为DC/DC工作模式，控制器发出过载预警，与此同时向低压交流侧的电动汽车交流充电站发出控制信号，紧急切除电动汽车交流充电负荷，降低电力电子变压器逆变器及可切换功率模块供电压力，优先保证基础交流负荷供电。
5.根据权利要求4所述的电力电子变压器低压侧可切换功率模块的切换方法，其特征在于：所述步骤3.6将处于DC/AC模式的可切换功率模块按照其前一种工作模式的最后时刻输出功率Pdci降序排列，并选择前Xd个模块作为切换目标。
6.根据权利要求4所述的电力电子变压器低压侧可切换功率模块的切换方法，其特征在于：所述步骤3.9Yu-klk个模块选取的方法：将处于DC/DC工作模式的可切换功率模块按照输出功率Pi的大小升序排列，并选取前Yu-klk个模块作为切换目标。
7.根据权利要求1所述的电力电子变压器低压侧可切换功率模块的切换方法，其特征在于：所述步骤4的具体步骤包括：
步骤4.1：每个可切换模块为三个电动汽车快速充电桩提供直流电源，同一模块所对应的三个电动汽车快速充电桩为一组，当某一组充电桩已经接入充电负荷，且该组中仍有空闲状态的充电桩，则该组为优先推荐组；
步骤4.2：根据具有空闲充电桩的分组在当前时刻充电功率确定优先推荐组的优先级，充电功率越大的分组具有越高优先级；
步骤4.3：根据所述BP神经网络模型输出的一小时内交流负荷最大视在功率预测值，结合当前可切换模块及对应充电桩的工作状态，依照步骤3所述切换操作进行虚拟切换，根据虚拟切换结果得出一小时内能够不断电使用的充电桩数量。
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