CN110350814B - 一种控制三相多端口变流器中各个直流端口功率的矢量控制方法 - Google Patents

一种控制三相多端口变流器中各个直流端口功率的矢量控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种控制三相多端口变流器中各个直流端口功率的矢量控制方法，包括以下步骤：给定参考电压矢量和三相多端口变流器各端口的目标功率；根据各端口的目标功率，将参考电压矢量分解为各端口的电压矢量；根据各端口的电压矢量，计算各端口的电压矢量在每相上的占空比；在每相上各端口的占空比之和小于或等于1时，根据各端口的电压矢量，对各端口的功率进行调制和驱动。该矢量控制方法通过控制端口电压矢量实现对端口功率的控制，可以实现对各个端口之间的功率分配以及端口之间的能量交换。

Description

一种控制三相多端口变流器中各个直流端口功率的矢量控制 方法
技术领域
本发明属于电力电子系统技术领域，具体涉及一种控制三相多端口变流器中各个直流端口功率的矢量控制方法。
背景技术
在电动汽车、航空电源、混合储能等领域，多端口变流器发挥着重要作用。其中，交流侧可以连接交流电网、三相电机等，直流侧可以同时连接多个直流电压源，如蓄电池、超级电容、光伏阵列等。其中往往由一个电压源承担低频、大功率的能量吞吐，由另一个或另一些承担高频、小容量的能量吞吐，前者例如光伏阵列和蓄电池，后者例如超级电容。因此，需要对各个电压源的功率进行统一的分配和管理。
在多个直流源的场景中，一种传统方法是将各个直流源分别经由DC/DC升压电路和三相逆变电路连接至三相交流母线上。这种方法的优点是可以对各个直流电压源进行独立控制，然而，实现直流源之间的协同控制和功率分配需要各个三相逆变器安装通信装置，并且由于存在较多的三相逆变器，所需滤波器将需要更多的铜和铁，导致成本进一步上升。
多端口变流器的优点在于，其所需的电感、控制单元、通信单元等均较传统方式更少，并且可以使直流侧多个端口协同工作，当其中某些端口电压较低时，仍然具有一定的充放电能力。但是其各个直流源通过桥臂耦合在一起，不能像传统方式进行独立控制，因此，多端口变流器控制的关键在于通过软件控制实现对直流侧各个端口之间的功率进行分配和控制。
多端口变流器的直流侧可以有两个及以上的直流端口。一种典型的多端口变流器如图1所示，其直流侧为两端口。其中，UH、UL分别为高压直流源和低压直流源，UH应高于交流侧线电压的最大值，UL可以为0V和UH之间的任意值。每个电压源均通过开关器件与三相滤波器相连。因此，三相滤波器的每一相在直流侧均有三种可能的电压值，UH、UL和0，则共有27种开关状态。
传统调制方式分为SPWM和SVPWM。其中，SPWM方式可以采用多载波调制，通过选用不同的载波，使每一相在开关周期内的输出电压为UH、UL或者UH、0或者UL、0，实现不同的端口接入电路，从而控制端口能量流动方向；SVPWM通过选用矢量空间中特定的开关状态矢量控制各个端口的接入状态。
然而，SPWM只能控制各个端口在每一相上的占空比，不能确切计算和控制在各个端口工频周期下的平均功率；其对端口平均功率的控制不是无级的，而是逐开关周期调制的，此外，其每一相在开关周期内只能有两个可能的电压值，多端口变流器直流端口数目多于3时，必然有部分直流端口不能参与和控制。SVPWM采用的是矢量等效的原理，但其矢量空间的数目与端口数目为指数关系，端口数目上升时，矢量数目急剧增加，SVPWM计算复杂度大大增加，因此并不完全适用于多端口变流器。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制三相多端口变流器中各个直流端口功率的矢量控制方法，该矢量控制方法通过引入和定义一种称为端口矢量的虚拟矢量，并将其与直流端口一一对应，根据端口矢量与对应端口在开关周期内的平均功率的数学关系，将各个端口的功率分配转换为矢量的分解与合成关系，从而实现对各个端口功率的精确控制。
本发明的技术方案为：
一种控制三相多端口变流器中各个直流端口功率的矢量控制方法，包括以下步骤：
给定参考电压矢量和三相多端口变流器各端口的目标功率；
根据各端口的目标功率，将参考电压矢量分解为各端口的电压矢量；
根据各端口的电压矢量，计算各端口的电压矢量在每相上的占空比；
在每相上各端口的占空比之和小于或等于1时，根据每相上各端口的占空比，对各端口的功率进行驱动控制。
该矢量控制方法通过控制端口电压矢量实现对端口功率的控制，可以实现对各个端口之间的功率分配以及端口之间的能量交换。
优选地，所述矢量控制方法还包括：
在每相上各端口的占空比之和大于1时，重新根据各端口的目标功率，将参考电压矢量分解为各端口的电压矢量，然后，再根据各端口的电压矢量，计算各端口的电压矢量在每相上的占空比。
由于本发明将参考电压矢量分解成各端口电压矢量时，采用的是根据一定条件的凑试法，凑试获得的各端口电压矢量不一定合适，因此根据各端口电压矢量在各相上的空占比进行验证，在验证成功后直接输出各端口电压，在验证不成功时，还需重新进行试凑，获得新的各端口电压矢量。
优选地，所述根据各端口的目标功率，将参考电压矢量分解为各端口的电压矢量包括：
按照同时满足公式(1)和公式(2)将参考电压矢量分解为各端口的电压矢量：
Figure BDA0002145252800000031
Figure BDA0002145252800000041
其中，Ui表示第i个端口的电压矢量，Uref为参考电压矢量，n为三相多端口变流器的端口的总个数，pi为第i个端口的目标功率，I为电流矢量，电流矢量是电路中三相电流经过clark变换而来的矢量。获得的电压矢量Ui包括电压幅值和电压相位。
优选地，所述根据各端口的电压矢量，计算各端口的电压矢量在每相上的占空比包括：
按照公式(3)～(5)计算各端口的电压矢量在每相上的占空比：
Figure BDA0002145252800000042
Figure BDA0002145252800000043
Figure BDA0002145252800000044
其中，dia，dib，dic分别是第i个端口在A、B、C三相上的占空比，|Ui|为第i个端口的电压端口矢量的模，θ为第i个电压端口矢量的相位，Upi为第i个端口对应直流电压源的电压。
在根据各端口电压矢量在每相上的占空比进行可行性验证成功后，即可进行端口的功率进行驱动控制，具体地，当端口的电压矢量与电流矢量之间的角度为锐角或0度时，该端口的功率为正，吸收功率；
当端口的电压矢量与电流矢量之间的角度为钝角或180度时，该端口的功率为负，发出功率；
当端口的电压矢量与电流矢量垂直时，该端口在开关周期内的平均功率为0；
通过控制端口的电压矢量的相位，控制端口的功率流向；通过控制端口电压矢量的幅值，控制端口的功率大小。
优选地，所述根据每相上各端口的占空比，对各端口的功率进行驱动控制包括：
对每一相上各个端口的占空比，对各端口的电压输出进行合理排序，并输出驱动信号。
在另外一个实施方式中，当所述三相多端口变流器处于并网状态时，所述参考电压矢量来自于闭环反馈控制结果。其中，所述电压电流反馈控制包括单电流环反馈控制、电流电压双环反馈控制。
与现有技术相比，本发明更加适用于多端口变流器和多电平变流器，具有的有益效果为：
本发明计算更少数目的电压矢量。对于N电平变流器，传统SVPWM共需计算3N个矢量数据，本发明则只有N个电压矢量，从而简化多端口变流器和多电平变流器的控制；
本发明可以实现对各个端口功率的直接控制。由于端口矢量和端口功率存在简单、直接的数学关系，可以通过调整端口矢量的相位和大小，实现端口功率的控制；而传统SVPWM需要从3N个开关矢量中选择矢量，计算量大且不能直接控制各个端口的功率；
本发明可以实现任意端口在任意电压条件下的双向能量吞吐，各个端口的功率范围更广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是实施例给出的一种典型多端口变流器拓扑图；
图2是本发明提供的控制三相多端口变流器中各个直流端口功率的矢量控制方法的流程图；
图3是参考电压矢量Uref和电流矢量IL相位关系示意图；
图4是两个端口功率流向相同时的端口矢量示意图；
图5是两端口功率分别为正、负时的端口矢量示意图；
图6是两端口功率分别为负、正时的端口矢量示意图；
图7是三角载波时的调制方式示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
本发明提供的矢量控制方法可以适用于多端口变流器，其端口数量没有限制，交流侧可以为三相负载或三相电网。为了便于说明，下面以图1所示一种典型的三端口变流器为例进行说明。其直流侧共有两个端口，命名为端口1和端口2，分别对应直流源UH和UL。该变流器处在并网状态。
假设三端口变流器的目标总功率为P0，两个直流端口的目标功率分别为P1和P2，且P0＝P1+P2。不妨假定P0大于0，且变流器处在单位功率因数下。
在上述条件下，如图2所示，本发明提供的控制三相多端口变流器中各个直流端口功率的矢量控制方法，包括以下步骤：
S101，给定参考电压矢量Uref和三相多端口变流器各端口的目标功率pi。
图1所示的多端口变流器处在并网状态，因此，需要进行反馈控制。本发明不涉及反馈控制，因此假定采用某种反馈控制后得到参考电压矢量Uref。由于多端口变流器处在单位功率因数下，因此，参考电压矢量Uref与电流矢量IL重合，其某时刻相位如图3所示。参考电压矢量Uref与电流矢量IL共同以工频旋转，幅值不变。
端口电压矢量定义为：直流侧特定端口的端口矢量为在一个开关周期内在分别在三相上作用的等效电压(端口电压乘以占空比)，经过Clark变换后形成的二维矢量，其表达式如下：
Figure BDA0002145252800000071
参考电压矢量Uref与传统SVPWM的参考电压矢量Uref相同；电流矢量I为三相电流经过Clark变换后形成的二维矢量；可以证明：某直流端口在开关周期内的平均功率等于其对应端口电压矢量与电流矢量内积的1.5倍，即
Figure BDA0002145252800000081
其中pi为第i个端口的开关周期平均功率，矢量Ui为第i个端口的端口电压矢量，矢量I为电流矢量。
S102，根据各端口的目标功率pi，结合端口矢量和端口平均功率的关系，将参考电压矢量Uref分解为各端口的电压矢量Ui。
本实施例中，该多端口变流器共有两个直流端口，因此定义两个虚拟电压矢量U1和电压矢量U2，即端口矢量，分别对应两个直流端口。
根据端口矢量和端口功率存在如下关系：
Figure BDA0002145252800000082
因此，根据设定的目标端口功率P1和P2，可以得到其对应的端口矢量。为了便于说明，下面以各个端口矢量均与参考电压矢量Uref平行时的简单的方式作为说明：
(a)P1>0，P2>0，两个端口矢量的相位如图4所示，两者均与电流矢量方向重合。此时两个端口功率均大于零，其功率之比等于对应端口矢量的长度比。
(b)P1>0，P2<0，两个端口矢量的相位如图5所示，电压矢量U1与电流矢量IL重合，电压矢量U2与电流矢量IL反向，此时P1>0，P2<0，两者功率绝对值之比等于对应端口矢量的长度比。
(c)P1<0，P2>0，两个端口矢量的相位如图6所示。电压矢量U1与电流矢量IL重合，电压矢量U2与电流矢量IL反向，此时P1>0，P2<0，两者功率绝对值之比等于对应端口矢量的长度比。
上述为端口矢量与参考电压矢量平行时的方法，但并不限于此。两个端口矢量可以为任意角度，只要满足端口矢量之和为参考电压矢量Uref即可。
S103，根据各端口的电压矢量，计算各端口的电压矢量在每相上的占空比dia，dib，dic。
按照以下公式计算各端口的电压矢量在每相上的占空比：
Figure BDA0002145252800000091
Figure BDA0002145252800000092
Figure BDA0002145252800000093
其中，dia，dib，dic分别是第i个端口在A、B、C三相上的占空比，|Ui|为第i个端口的电压端口矢量的模，θ为第i个电压端口矢量的相位，Upi为第i个端口的直流电压源电压。
S104，根据各端口的电压矢量在每相上的占空比dia，dib，dic进行可行性验证。
分别对A、B、C三相上各个端口的占空比求和，判断其是否小于等于1：
Figure BDA0002145252800000101
当每相上各端口的占空比之和小于或等于1时，执行S105，当每相上各端口的占空比之和大于1时，各个端口矢量不能正常输出，跳转执行S102，重新设计端口矢量的大小和相位。
S105，根据各端口的电压矢量，对各端口的功率进行驱动控制。
根据每一相上的每个端口的占空比，对其进行调制和驱动。一种典型的调制方式如图7所示。其采用三角载波，一个开关周期内的电压输出对称，有利于减小谐波。
上述矢量控制方法通过控制端口电压矢量实现对端口功率的控制，可以实现对各个端口之间的功率分配以及端口之间的能量交换。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种控制三相多端口变流器中各个直流端口功率的矢量控制方法，包括以下步骤：
给定参考电压矢量和三相多端口变流器各端口的目标功率；
根据各端口的目标功率，将参考电压矢量分解为各端口的电压矢量；
根据各端口的电压矢量，计算各端口的电压矢量在每相上的占空比，端口电压矢量定义为：直流侧特定端口的端口矢量为在一个开关周期内在分别在三相上作用的等效电压，经过Clark变换后形成的二维矢量；
在每相上各端口的占空比之和小于或等于1时，根据每相上各端口的占空比，对各端口的功率进行驱动控制；
所述根据各端口的目标功率，将参考电压矢量分解为各端口的电压矢量包括：
按照同时满足公式(1)和公式(2)将参考电压矢量分解为各端口的电压矢量：
Figure FDA0002409071280000011
Figure FDA0002409071280000012
其中，Ui表示第i个端口的电压矢量，Uref为参考电压矢量，n为三相多端口变流器的直流端口的总个数，pi为第i个端口的目标功率，I为电流矢量，是电路中三相电流经过clark变换而来的矢量。
2.如权利要求1所述的控制三相多端口变流器中各个直流端口功率的矢量控制方法，其特征在于，所述矢量控制方法还包括：
在每相上各端口的占空比之和大于1时，重新根据各端口的目标功率，将参考电压矢量分解为各端口的电压矢量，然后，再根据各端口的电压矢量，计算各端口的电压矢量在每相上的占空比。
3.如权利要求1或2所述的控制三相多端口变流器中各个直流端口功率的矢量控制方法，其特征在于，所述根据各端口的电压矢量，计算各端口的电压矢量在每相上的占空比包括：
按照公式(3)～(5)计算各端口的电压矢量在每相上的占空比：
Figure FDA0002409071280000021
Figure FDA0002409071280000022
Figure FDA0002409071280000023
其中，dia，dib，dic分别是第i个端口在A、B、C三相上的占空比，|Ui|为第i个端口的电压端口矢量的模，θ为第i个电压端口矢量的相位，Upi为第i个端口直流电压源的电压。
4.如权利要求1或2所述的控制三相多端口变流器中各个直流端口功率的矢量控制方法，其特征在于，
当端口的电压矢量与电流矢量之间的角度为锐角或0度时，该端口的功率为正，吸收功率；
当端口的电压矢量与电流矢量之间的角度为钝角或180度时，该端口的功率为负，发出功率；
当端口的电压矢量与电流矢量垂直时，该端口在开关周期内的平均功率为0；
通过控制端口的电压矢量的相位，控制端口的功率流向；通过控制端口电压矢量的幅值，控制端口的功率大小。
5.如权利要求1或2所述的控制三相多端口变流器中各个直流端口功率的矢量控制方法，其特征在于，所述根据每相上各端口的占空比，对各端口的功率进行驱动控制包括：
对每一相上各个端口的占空比，对各端口的输出电压进行合理排序，并输出驱动信号。
6.如权利要求1所述的控制三相多端口变流器中各个直流端口功率的矢量控制方法，其特征在于，当所述三相多端口变流器处于并网状态时，所述参考电压矢量来自于闭环反馈控制结果。
7.如权利要求1所述的控制三相多端口变流器中各个直流端口功率的矢量控制方法，其特征在于，电压电流反馈控制包括单电流环反馈控制、电流电压双环反馈控制。
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