CN110768563B - 一种中压ac-dc变换器的功率动态分配控制方法 - Google Patents

一种中压ac-dc变换器的功率动态分配控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种中压AC‑DC变换器的功率动态分配控制方法，步骤是：根据变换器输出直流电压参考值与实际值的差值计算变换器三相总输出功率参考值；根据三相电网电压和给定的功率因数角计算三相功率的动态分配系数；根据所述的三相总输出功率参考值和三相功率动态分配系数计算每相输出功率参考值，并根据每相级联的子模块数计算每个DC‑DC子模块输出功率参考值；利用每个DC‑DC子模块的输出功率参考值与实际值的差值，采用比例‑积分‑谐振控制器计算每个DC‑DC子模块的移相角，并采用载波移相调制算法产生每个DC‑DC子模块的开关信号。此种功率分配控制方法可消除中压AC‑DC变换器电容电压二倍频波动，显著减小装置体积，有效提高系统功率密度。

Description

一种中压AC-DC变换器的功率动态分配控制方法
技术领域
本发明属于功率变换器领域，特别涉及一种中压AC-DC变换器的功率动态分配控制方法。
背景技术
中压AC-DC变换器是实现中压直流配网和交流电网之间功率交互的核心装置，其主要功能是在保证高低压侧电气隔离的条件下实现对功率的双向流动控制，具有无功补偿、功率因数校正、电压暂降补偿、故障隔离、谐波隔离、直流输出等优点。中压AC-DC变换器需满足高电能质量和高功率密度等要求。
目前被广泛认可和采用的中压AC-DC变换器的拓扑如图1所示。该拓扑由3相堆栈构成，每相堆栈的输入对应于中压交流的每一相，三个堆栈的输出并联产生中压或低压直流。每一个堆栈由多个输入串联、输出并联的子模块构成。每个子模块由单相PWM整流器和隔离DC/DC变换器组成。单相PWM整流器的拓扑可以为二电平或多电平，也可直接采用高压器件形成中压输出整流器。
但这类方案面临着“子模块电容电压以二倍工频波动，子模块体积庞大，功率密度较低”的问题。如图1所示，若10kV交流电压和电流均为正弦波，则整流级直流母线电容前级有功功率呈现二倍工频波动。由于各子模块的对称性，现有控制方案常采用平均功率的分配模式，即每一个子模块输出相同的功率，均为恒定的直流功率。在此情况下，前述二倍工频功率波动需由直流母线电容吸收，由此产生二倍工频电压波动，需要大容值的电容才能减小电容电压波动，因此导致子模块体积庞大，整个装置的功率密度较低。由上述分析可知，二倍工频功率波动产生的原因在于母线电容前后功率的不平衡，与器件开关频率无关，采用SiC等高频开关器件也无法消除该低频波动。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种中压AC-DC变换器的功率动态分配控制方法，其可消除中压AC-DC变换器电容电压二倍频波动，显著减小装置体积，有效提高系统功率密度。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种中压AC-DC变换器的功率动态分配控制方法，包括如下步骤：
步骤1，根据变换器输出直流电压参考值与实际值的差值计算变换器三相总输出功率参考值；
步骤2，根据三相电网电压和给定的功率因数角计算三相功率的动态分配系数；
步骤3，根据所述的三相总输出功率参考值和三相功率动态分配系数计算每相输出功率参考值，并根据每相级联的子模块数计算每个DC-DC子模块输出功率参考值；
步骤4，利用每个DC-DC子模块的输出功率参考值与实际值的差值，采用比例-积分-谐振控制器计算每个DC-DC子模块的移相角，并采用载波移相调制算法产生每个DC-DC子模块的开关信号。
上述步骤1中，计算变换器三相总输出功率参考值的方法是：
S1.1：采集变换器输出直流电压udc，作为闭环控制器的反馈信号；
S1.2：将变换器输出直流电压的参考值udcref与测量值udc的差值作为闭环控制的输入信号，经比例-积分控制器作用，产生的信号作为变换器总输出功率参考值Pref。
上述步骤2中，计算三相功率的动态分配系数的方法是：
S2.1：采集三相电网电压ua、ub和uc；
S2.2：根据下式计算出三相电网电压ua、ub和uc在两相静止坐标系下的分量uα和uβ：
Figure BDA0002240682340000021
S2.3：根据无功控制需求，给定功率因数角
Figure BDA0002240682340000022
根据下式计算u′α和u′β：
Figure BDA0002240682340000031
S2.4：根据下式计算出u′α和u′β在三相静止坐标系下的分量u′a、u′b和u′c：
Figure BDA0002240682340000032
S2.5：根据下式计算三相功率动态分配系数：
Figure BDA0002240682340000033
式中，Um为三相电网电压的幅值。
上述步骤3中，根据三相总输出功率参考值和三相功率动态分配系数计算每相输出功率参考值的公式是：
Figure BDA0002240682340000034
其中，Pref是三相总输出功率参考值，ka,kb,kc是三相功率动态分配系数，Paref、Pbref和Pcref是每相输出功率参考值。
上述步骤3中，计算每个DC-DC子模块的输出功率参考值的公式是：
Figure BDA0002240682340000035
式中，N为每一相级联的子模块数，PaDC-DCref、PbDC-DCref和PcDC-DCref分别为A、B、C三相DC-DC子模块的输出功率参考值，Paref、Pbref和Pcref是每相输出功率参考值。
上述步骤4中，计算每个DC-DC子模块的移相角的方法是：
S4.1：采集每个DC-DC子模块的输出功率PDC-DC，作为闭环控制器的反馈信号；
S4.2：将该相DC-DC子模块的输出功率参考值与该DC-DC子模块输出功率实际值PDC-DC的差值作为输入信号，经下式所示的比例-积分-谐振控制器作用，产生的信号作为该DC-DC子模块的移相角
Figure BDA0002240682340000041
Figure BDA0002240682340000042
式中，Kp、Ki、Kr分别为控制器的比例、积分和谐振系数；ω0为谐振频率，即二倍工频；ωc为截止频率。
采用上述方案后，本发明具有如下有益效果：
1)母线电容的选择无需考虑低频波动，只需满足滤除高次谐波的要求。因此，采用很小的电容就可以实现变流器的正常运行，有利于减小装置体积、提高系统的功率密度；
2)无需改变电路拓扑结构，仅需改进控制器的控制算法，不增加硬件成本。
附图说明
图1是传统中压AC-DC变换器的拓扑结构及控制框图；
图2是本发明具体实施方式中提出的中压AC-DC变换器的功率动态分配控制方法的控制框图；
图3是本发明具体实施方式中产生u′a、u′b和u′c的原理框图；
图4是本发明具体实施方式中电容电压波形图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
本具体实施方式公开了一种能够消除中压AC-DC变换器电容电压二倍频波动的功率动态分配控制方法，如图2所示，包括以下步骤：
(1)利用变换器输出直流电压参考值与实际值的差值计算变换器三相总输出功率参考值；
(2)利用三相电网电压和给定的功率因数角计算三相功率的动态分配系数；
(3)利用所述的三相总输出功率参考值和三相功率动态分配系数计算每相输出功率参考值，并根据每相级联的子模块数计算每个DC-DC子模块输出功率参考值；
(4)利用每个DC-DC子模块的输出功率参考值与实际值的差值，采用比例-积分-谐振控制器计算出每个DC-DC子模块的移相角，并采用载波移相调制算法产生每个DC-DC子模块的开关信号。
进一步，所述计算变换器三相总输出功率参考值的方法包括以下步骤：
S1.1：采集变换器输出直流电压udc，作为闭环控制器的反馈信号；
S1.2：将变换器输出直流电压的参考值udcref与测量值udc的差值作为闭环控制的输入信号，经比例-积分控制器作用，产生的信号作为变换器总输出功率参考值Pref。
进一步，所述计算三相功率动态分配系数的方法包括以下步骤：
S2.1：采集三相电网电压ua、ub和uc；
S2.2：根据式(1)计算出三相电网电压ua、ub和uc在两相静止坐标系下的分量uα和uβ，如图3所示：
Figure BDA0002240682340000051
S2.3：根据无功控制需求，给定功率因数角
Figure BDA0002240682340000052
根据式(2)计算u′α和u′β，如图3所示：
Figure BDA0002240682340000053
S2.4：根据式(3)计算出u′α和u′β在三相静止坐标系下的分量u′a、u′b和u′c，如图3所示：
Figure BDA0002240682340000054
S2.5：根据式(4)计算三相功率动态分配系数：
Figure BDA0002240682340000061
式中，Um为三相电网电压的幅值。
进一步，所述计算每相输出功率参考值和每个DC-DC子模块输出功率参考值的方法包括以下步骤：
S3.1：根据式(5)计算每相输出功率参考值Paref、Pbref和Pcref：
Figure BDA0002240682340000062
S3.2：根据式(6)计算每个DC-DC子模块的输出功率参考值：
Figure BDA0002240682340000063
式中，N为每一相级联的子模块数，PaDC-DCref、PbDC-DCref和PcDC-DCref分别为A、B、C三相DC-DC子模块的输出功率参考值。
进一步，所述计算每个子模块的移相角的方法包括以下步骤：
S4.1：采集每个DC-DC子模块的输出功率PDC-DC，作为闭环控制器的反馈信号；
S4.2：将该相DC-DC子模块的输出功率参考值与该DC-DC子模块输出功率实际值PDC-DC的差值作为输入信号，经式(7)所示的比例-积分-谐振控制器作用，产生的信号作为该DC-DC子模块的移相角
Figure BDA0002240682340000064
Figure BDA0002240682340000065
式中，Kp、Ki、Kr分别为控制器的比例、积分和谐振系数；ω0为谐振频率，即2倍工频；ωc为截止频率。
针对该控制方法中的各个步骤，并结合图2、图3和图4，对该控制方法进行具体说明：
将变换器输出直流电压的参考值udcref与测量值udc的差值作为闭环控制的输入信号，经比例-积分控制器作用，产生的信号作为变换器总输出功率参考值Pref。
假设三相电网电压分别为：
Figure BDA0002240682340000071
三相电网电压ua、ub和uc在两相静止坐标系下的分量uα和uβ为：
Figure BDA0002240682340000072
根据给定的功率因数角
Figure BDA0002240682340000073
计算u′α和u′β：
Figure BDA0002240682340000074
u′α和u′β在三相静止坐标系下的分量u′a、u′b和u′c为：
Figure BDA0002240682340000075
三相功率分配系数为：
Figure BDA0002240682340000076
由式(12)可知，三相功率分配系数满足：ka+kb+kc＝1。
三相分配功率Paref、Pbref和Pcref分别为：
Figure BDA0002240682340000081
由式(12)可知，本发明在三相功率给定值中引入了二倍频分量，实现了三相功率的动态分配，使得母线电容前后功率平衡，从而消除了电容电压的二倍频波动。图4为本发明提出的方案与传统方案下的电容电压波形图。
每个DC-DC子模块的输出功率参考值为：
Figure BDA0002240682340000082
将该相DC-DC子模块的输出功率参考值与该DC-DC子模块输出功率实际值PDC-DC的差值作为输入信号，经式(15)所示的比例-积分-谐振控制器作用，产生的信号作为该DC-DC子模块的移相角
Figure BDA0002240682340000083
并采用载波移相调制算法产生该DC-DC子模块的开关信号。
Figure BDA0002240682340000084
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种中压AC-DC变换器的功率动态分配控制方法，该控制方法所采用的中压AC-DC变换器的结构包括3相堆栈，每相堆栈的输入对应于中压交流的每一相，三个堆栈的输出并联产生中压或低压直流，每一个堆栈由多个子模块级联构成，这些子模块输入串联、输出并联；每个子模块由单相PWM整流器模块和隔离DC/DC变换器串联组成；其特征在于，该控制方法包括如下步骤：
步骤1，根据变换器输出直流电压参考值与实际值的差值计算变换器三相总输出功率参考值；
步骤2，根据三相电网电压和给定的功率因数角计算三相功率的动态分配系数；
步骤3，根据所述的三相总输出功率参考值和三相功率动态分配系数计算每相输出功率参考值，并根据每相级联的子模块数计算每个DC-DC子模块输出功率参考值；
步骤4，利用每个DC-DC子模块的输出功率参考值与实际值的差值，采用比例-积分-谐振控制器计算每个DC-DC子模块的移相角，并采用载波移相调制算法产生每个DC-DC子模块的开关信号。
2.根据权利要求1所述的一种中压AC-DC变换器的功率动态分配控制方法，其特征在于：所述步骤1中，计算变换器三相总输出功率参考值的方法是：
S1.1：采集变换器输出直流电压udc，作为闭环控制器的反馈信号；
S1.2：将变换器输出直流电压的参考值udcref与测量值udc的差值作为闭环控制的输入信号，经比例-积分控制器作用，产生的信号作为变换器总输出功率参考值Pref。
3.根据权利要求1所述的一种中压AC-DC变换器的功率动态分配控制方法，其特征在于：所述步骤2中，计算三相功率的动态分配系数的方法是：
S2.1：采集三相电网电压ua、ub和uc；
S2.2：根据下式计算出三相电网电压ua、ub和uc在两相静止坐标系下的分量uα和uβ：
Figure FDA0002908963180000021
S2.3：根据无功控制需求，给定功率因数角
Figure FDA0002908963180000022
根据下式计算u′α和u′β：
Figure FDA0002908963180000023
S2.4：根据下式计算出u′α和u′β在三相静止坐标系下的分量u′a、u′b和u′c：
Figure FDA0002908963180000024
S2.5：根据下式计算三相功率动态分配系数：
Figure FDA0002908963180000025
式中，Um为三相电网电压的幅值。
4.根据权利要求1所述的一种中压AC-DC变换器的功率动态分配控制方法，其特征在于：所述步骤3中，根据三相总输出功率参考值和三相功率动态分配系数计算每相输出功率参考值的公式是：
Figure FDA0002908963180000026
其中，Pref是三相总输出功率参考值，ka,kb,kc是三相功率动态分配系数，Paref、Pbref和Pcref是每相输出功率参考值。
5.根据权利要求1所述的一种中压AC-DC变换器的功率动态分配控制方法，其特征在于：所述步骤3中，计算每个DC-DC子模块的输出功率参考值的公式是：
Figure FDA0002908963180000031
式中，N为每一相级联的子模块数，PaDC-DCref、PbDC-DCref和PcDC-DCref分别为A、B、C三相DC-DC子模块的输出功率参考值，Paref、Pbref和Pcref是每相输出功率参考值。
6.根据权利要求1所述的一种中压AC-DC变换器的功率动态分配控制方法，其特征在于：所述步骤4中，计算每个DC-DC子模块的移相角的方法是：
S4.1：采集每个DC-DC子模块的输出功率PDC-DC，作为闭环控制器的反馈信号；
S4.2：将该相DC-DC子模块的输出功率参考值与该DC-DC子模块输出功率实际值PDC-DC的差值作为输入信号，经下式所示的比例-积分-谐振控制器作用，产生的信号作为该DC-DC子模块的移相角
Figure FDA0002908963180000032
Figure FDA0002908963180000033
式中，Kp、Ki、Kr分别为控制器的比例、积分和谐振系数；ω0为谐振频率，即二倍工频；ωc为截止频率。
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CN104868762B (zh) * 2015-06-04 2017-11-28 广西电网有限责任公司电力科学研究院 一种分散储能的电力电子变压器及其控制方法
CN105450038A (zh) * 2015-12-29 2016-03-30 中国电力科学研究院 模块化h桥级联多电平电力电子变压器控制系统
CN106953365A (zh) * 2017-05-05 2017-07-14 云南电网有限责任公司 一种逆变器并联运行优化控制方法
CN109980948A (zh) * 2019-03-07 2019-07-05 全球能源互联网欧洲研究院 一种三相间耦合五端口电力电子变压器

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