CN110350797A - 一种基于tab的真双极中低压变压器拓扑及其控制策略 - Google Patents

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Abstract

一种基于TAB的真双极中低压变压器拓扑及其控制策略，包括N个TAB模块，其中：每个TAB模块包括三绕组高频变压器，高频变压器一次侧连接中压侧DC/AC全桥电路，高频变压器二次侧的第一绕组连接第一低压侧DC/AC全桥电路，第二绕组连接第二低压侧DC/AC全桥电路；N个TAB模块的中压侧接口串联后的两端分别接入中压直流母线的两极，N个TAB模块的低压侧接口并联后形成第一低压侧输出端口，N个TAB模块的低压侧接口并联后形成第二低压侧输出端口。该基于TAB的真双极中低压变压器只需调整相应的控制策略而无需增加新的变流环节，可提高直流变压器的效率，降低直流变压器的成本。

Description

一种基于TAB的真双极中低压变压器拓扑及其控制策略
技术领域
本发明属于中低压直流配网用DC/DC变换器控制与调制领域，特别涉及一种基于TAB的真双极中低压变压器拓扑及其控制策略。
背景技术
在当今能源和环境危机的大背景下，大力推进能源革新、发展可再生能源已成为中国乃至全世界发展的当务之急。但是可再生能源诸如风能、太阳能等具有较强的随机性和波动性,大规模的接入传统电网将引起振荡。大部分新能源(如太阳能)和储能装置(如蓄电池)输出为直流,并入直流电网将减少变换环节，提高效率。此外，直流电网无需频率、相位同步及无功补偿，更容易控制。随着新能源的高速发展，直流电网具有较大的应用前景。直流变压器作为直流配电网的核心装置之一,其性能优劣会对直流配电网的发展具有较大影响。可以说，直流变压器技术是直流配电网发展的关键技术，当前直流变压器的研发有重大的学术价值和工程应用价值。
目前在直流配电网中所使用的直流变压器大多采用的是以DAB(双有源桥)为子模块的ISOP(输入串联输出并联)结构，ISOP结构在中压侧串联以承担大电压，低压侧并联以承担大电流，可以很好的实现由中压到低压电压等级的变换。为了降低设备的绝缘要求，直流电压母线通常采用双极式输出，但现阶段的直流变压器只能实现伪双极输出，即直流变压器输出端口的两级不能带不同负载。当直流变压器输出端口带不同负载时，伪双极的电压会产生偏移，这不利于直流变压器的稳定运行。因此实现直流变压器的真双极输出是非常有意义的。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于TAB(三有源桥)的真双极中低压变压器拓扑及其控制策略，实现直流变压器的真双极输出。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种基于TAB的真双极中低压变压器拓扑，包括N个TAB模块，其中：每个TAB模块包括三绕组高频变压器，三绕组高频变压器一次侧连接有一个中压侧DC/AC全桥电路，所述中压侧DC/AC全桥电路的输出端口为中压侧接口Port1，高频变压器二次侧的第一绕组连接第一低压侧DC/AC全桥电路，第二绕组连接有第二低压侧DC/AC全桥电路，第一低压侧DC/AC全桥电路输出端为低压侧接口Port2，第二低压侧DC/AC全桥电路的输出端为低压侧接口Port3；N个DAB模块的中压侧接口Port1串联后的两端分别接入中压直流母线的两极，N个TAB模块的低压侧接口Port2并联后形成第一低压侧输出端口，N个TAB模块的低压侧接口Port3并联后形成第二低压侧输出端口。
进一步的，中压侧DC/AC全桥电路和低压侧DC/AC全桥电路中的开关器件均为IGBT。
进一步的，中压侧DC/AC全桥电路的输入端和DC/AC全桥电路的输出端均连接有稳压电容。
进一步的，高频变压器一次侧绕组和中压侧DC/AC全桥电路之间连接有电感L1，第一低压侧DC/AC全桥电路与高频变压器二次侧第一绕组之间连接有电感L2，第二低压侧DC/AC全桥电路与高频变压器二次侧第二绕组之间连接有电感L3。
一种基于TAB的真双极中低压变压器拓扑的控制策略，每一个TAB的移向角是由分布式控制的方式产生，在控制过程中，只采集直流变压器低压侧接口Port2和低压侧接口Port3的电压和TAB模块两个低压侧接口的输出电流，对所述TAB模块进行控制。
一种基于TAB的真双极中低压变压器控制策略，其特征在于，每一个TAB的移向角是由分布式控制的方式产生的，在控制中只需采集直流变压器两个低压侧输出端口的电压和该TAB模块两个低压侧输出端口的输出电流，不需知道其他模块的状态。
具体包括以下步骤：
步骤1，确定低压侧接口Port2的输出电压参考值upref,和低压侧接口Port3低压侧端口的输出电压参考值unref和各个TAB子模块的输出电流系数；
步骤2，产生频率等于TAB子模块的开关频率、且占空比为50％的方波信号，并将此方波信号作为原始方波信号传送给控制TAB子模块中的开关器件的控制器；
步骤3，采集低压侧接口Port2的输出电压up，低压侧接口Port3的输出电压un，每个TAB模块中低压侧接口Port2的输出电流ipi和低压侧接口Port3的输出电流ini；i＝1，2，……，N；N为TAB模块的数量；
步骤4，设步骤1得到的低压侧接口Port2的输出电压参考值upref和步骤3采集到的TAB模块输出电压up相减得到A1，设步骤1得到的低压侧接口Port3的输出电压参考值unref和步骤3采集到的TAB模块输出电压un相减得到A2；设步骤3得到的该TAB模块中低压侧接口Port2的输出电流ipi与输出电流系数的乘积为B1，步骤3得到的该TAB模块中低压侧接口Port3的输出电流ini与输出电流系数的乘积为B2；将A1+B1和A2+B2分别经过PI调节器后的输出作为该TAB模块DC/AC全桥电路与两个中压侧DC/AC全桥电路的移向角；
步骤5，以步骤2得到的原始方波信号作为中压侧DC/AC全桥电路的控制信号，同时原始方波信号经过移相控制产生与原始方波信号相差一个移向角的方波信号，作为第一低压侧DC/AC全桥电路和第二低压侧DC/AC全桥电路的控制信号；
步骤6，中压侧DC/AC全桥电路、第一低压侧DC/AC全桥电路和第二低压侧DC/AC全桥电路在方波控制信号的控制下在交流侧产生频率相同，相位不同的方波，根据移向角的不同，功率在中压侧和低压侧之间传递；当移向角为-π～0时，功率由低压侧向中压侧传递；当移向角为0～π时，功率由中压侧向低压侧传递；完成直流电压等级的变换。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：相比于采用以DAB为子模块的ISOP结构的两端直流变压器，该基于TAB的真双极中低压变压器内部使用三绕组高频变压器，通过三绕组高频变压器在低压侧引出真双极输出端口。只需调整相应的控制策略而无需增加新的变流环节，可提高直流变压器的效率，降低直流变压器的成本。可以实现由伪双极输入到真双极输出的直流电压等级的变换。能够在输入源为伪双极的条件下实现真双极输出，使得输出端的正负两级可以带不同负载，极大的提高了直流变压器的稳定性。
进一步的，高频变压器一次侧绕组和中压侧DC/AC全桥电路之间连接有电感L1，第一低压侧DC/AC全桥电路与高频变压器二次侧第一绕组之间连接有电感L2，第二低压侧DC/AC全桥电路与高频变压器二次侧第二绕组之间连接有电感L3，相位不同的方波在电感上形成电压差，从而使电感产生电流，由此进行功率的传递。
本发明所提出的控制策略可以分布式的控制各个TAB模块的运行，每一个TAB的移向角是由分布式控制的方式产生的，在控制中只需采集直流变压器两个低压侧端口的电压和该TAB模块两个低压侧输出端口的输出电流，不需知道其他模块的状态。各个TAB模块的控制板只需采集低压侧输出电压和模块自身的低压侧输出电流，就能实现功率自均衡，降低了对TAB模块间通讯能力的要求，使得装置更加灵活。
附图说明
图1为本发明的TAB结构示意图；
图2为本发明的真双极直流变压器结构示意图；
图3为移向控制示意图；
图4为交流侧方波移向角示意图；
图5为系统输出电压仿真波形图；
图6为各TAB模块输入电压仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，TAB模块由三个DC/AC全桥和一个三绕组高频变压器组成，TAB模块中的高频变压器为三绕组高频变压器，一般频率为5kHz-10kHz。三绕组高频变压器的每一个绕组都连接着一个DC/AC全桥结构,直流变压器共有N个中压侧DC/AC全桥和2N个低压侧DC/AC全桥。
TAB采用输入串联输出并联(ISOP)的结构。将N个TAB模块进行输入串联输出并联时，N个TAB模块的中压侧接口Port1串联后两端分别接入中压直流母线的两级，N个TAB模块的低压侧接口Port2并联后形成一个直流变压器的低压侧输出端，N个TAB模块的低压侧接口Port3并联后形成另一个直流变压器的低压侧输出端。
如图2所示，直流变压器的输入端为伪双极，两个低压侧端口电压相等，将两个低压侧输出端口接到同一条地线上后，直流变压器的输出端就成为真双极。
本发明的控制策略如图3所示，每一个TAB的移向角是由分布式控制的方式产生的，在控制中只需采集直流变压器两个低压侧端口的电压和该TAB模块两个低压侧输出端口的输出电流，不需知道其他模块的状态。以模块1的移向角生成为例，具体步骤如下：
步骤1，确定中压直流母线电压及需求的低压侧电压等级后，设计TAB子模块数目N、三绕组高频变压器的变比n2,n3，确定输出电压参考信号的值upref和unref，输出电流系数kp；
步骤2，由信号发生器产生频率等于开关频率，占空比为50％的方波信号，并将此方波信号作为原始方波信号传送给控制器；
步骤3，采集直流变压器两个低压侧端口的输出电压up,un和模块1的两个低压侧端口的输出电流ip1,in1；
步骤4，分别将两个低压侧端口的输出电压参考值upref,unref和实际值up,un相减，再加上输出电流ip1,in1与输出电流系数kp的乘积，经过PI调节器后的输出作为该TAB模块中压侧全桥与两个低压侧全桥的移向角
步骤5，原始方波信号作为中压侧全桥的控制信号，同时与原始方波信号相差移向角的方波信号作为模块1的Port2端口全桥的控制信号，与原始方波信号相差移向角的方波信号作为模块1的Port3端口全桥的控制信号；
步骤6，中压侧全桥和低压侧全桥在方波控制信号的控制下在交流侧产生频率相同，相位不同的方波，根据移向角的不同，功率在中压侧和低压侧之间传递，完成了直流电压等级的变换。
移向控制后的效果如图4所示。图4中，u1为原始方波信号，u2为控制Port2端口全桥的方波信号，u3为控制端口3全桥的方波信号，TAB模块通过交流方波之间的相位差实现了功率的传递。
在本发明的某一实施例中：
在PLECS中设置该系统仿真参数：中压母线3750V，低压母线参考电压都为750V，TAB的模块数量为3，两条母线上的负载分别为37.5Ω和47Ω，三绕组变压器变比为1250：750：750。
本仿真实验中，三个TAB模块的移相控制都采用图3所示的移相控制方式，在系统稳定时。每个TAB模块的中压侧理想输入电压为1250V，两个低压侧端口输出电压为750V,低压侧端口电压相同，功率不同。
仿真结果如图5和图6所示。在图5中，系统的两个低压侧端口输出电压曲线几乎重合，稳定时都约为750V，可见系统实现了对输出电压的控制；而输出电流的值不同，说明系统的两个低压侧输出端口可以输出不同的功率，实现了直流变压器的真双极输出。由图6的输入电压波形图可以看出，在所图3所示的控制策略的控制下，三个TAB模块可以在不接收其他模块的信号的情况下实现自均压，直流变压器实现了TAB模块的分布式控制。仿真实例验证了所提出的拓扑和控制策略。

Claims (6)

1.一种基于TAB的真双极中低压变压器拓扑，其特征在于，包括N个TAB模块，其中：每个所述TAB模块包括三绕组高频变压器，所述三绕组高频变压器一次侧连接有中压侧DC/AC全桥电路，所述中压侧DC/AC全桥电路的输出端口为中压侧接口Port1，所述高频变压器二次侧的第一绕组连接第一低压侧DC/AC全桥电路，第二绕组连接有第二低压侧DC/AC全桥电路，第一低压侧DC/AC全桥电路输出端为低压侧接口Port2，第二低压侧DC/AC全桥电路的输出端为低压侧接口Port3；N个所述TAB模块的中压侧接口Port1串联后的两端分别接入中压直流母线的两极，N个所述TAB模块的低压侧接口Port2并联后形成第一低压侧输出端口，N个所述TAB模块的低压侧接口Port3并联后形成第二低压侧输出端口。
2.根据权利要求1所述的一种基于TAB的真双极中低压变压器拓扑，其特征在于，所述中压侧DC/AC全桥电路和低压侧DC/AC全桥电路中的开关器件均为IGBT。
3.根据权利要求1所述的一种基于TAB的真双极中低压变压器拓扑，其特征在于，所述中压侧DC/AC全桥电路的输入端和DC/AC全桥电路的输出端均连接有稳压电容。
4.根据权利要求1所述的一种基于TAB的真双极中低压变压器拓扑，其特征在于，所述高频变压器一次侧绕组和中压侧DC/AC全桥电路之间连接有电感L1，第一低压侧DC/AC全桥电路与高频变压器二次侧第一绕组之间连接有电感L2，第二低压侧DC/AC全桥电路与高频变压器二次侧第二绕组之间连接有电感L3。
5.一种基于权利要求1所述的TAB的真双极中低压变压器拓扑的控制策略，其特征在于，每个所述TAB的移向角是由分布式控制的方式产生，在控制过程中，只采集直流变压器低压侧接口Port2和低压侧接口Port3的电压和TAB模块两个低压侧接口的输出电流，对所述TAB模块进行控制。
6.根据权利要求5所述的一种基于TAB的真双极中低压变压器拓扑的控制策略，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，确定低压侧接口Port2的输出电压参考值upref,和低压侧接口Port3低压侧端口的输出电压参考值unref和各个TAB子模块的输出电流系数；
步骤2，产生频率等于TAB子模块的开关频率、且占空比为50％的方波信号，并将此方波信号作为原始方波信号传送给控制TAB子模块中的开关器件的控制器；
步骤3，采集低压侧接口Port2的输出电压up，低压侧接口Port3的输出电压un，每个TAB模块中低压侧接口Port2的输出电流ipi和低压侧接口Port3的输出电流ini；i＝1，2，……，N；N为TAB模块的数量；
步骤4，设步骤1得到的低压侧接口Port2的输出电压参考值upref和步骤3采集到的TAB模块输出电压up相减得到A1，设步骤1得到的低压侧接口Port3的输出电压参考值unref和步骤3采集到的TAB模块输出电压un相减得到A2；设步骤3得到的该TAB模块中低压侧接口Port2的输出电流ipi与输出电流系数的乘积为B1，步骤3得到的该TAB模块中低压侧接口Port3的输出电流ini与输出电流系数的乘积为B2；将A1+B1和A2+B2分别经过PI调节器后的输出作为该TAB模块DC/AC全桥电路与两个中压侧DC/AC全桥电路的移向角；
步骤5，以步骤2得到的原始方波信号作为中压侧DC/AC全桥电路的控制信号，同时原始方波信号经过移相控制产生与原始方波信号相差一个移向角的方波信号，作为第一低压侧DC/AC全桥电路和第二低压侧DC/AC全桥电路的控制信号；
步骤6，中压侧DC/AC全桥电路、第一低压侧DC/AC全桥电路和第二低压侧DC/AC全桥电路在方波控制信号的控制下在交流侧产生频率相同，相位不同的方波，根据移向角的不同，功率在中压侧和低压侧之间传递；当移向角为-π～0时，功率由低压侧向中压侧传递；当移向角为0～π时，功率由中压侧向低压侧传递；完成直流电压等级的变换。
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