CN111490534B - 直流母线间接口变换器端口电压恒定比例控制方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种DC/DC接口变换器的端口电压恒定比例控制方法和系统。DC/DC接口变换器包括串联侧端口和并联侧端口，串联侧端口接入第一直流母线电压uM，并联侧端口接入第二直流母线电压uL，DC/DC接口变换器包括n个变换器子模块，其各自的第一端口串联组成串联侧端口，各自的第二端口并联组成并联侧端口，方法包括：采样变换器子模块两个端口的电压；将第一端口的电压uMi乘以预设常数Nt并将Nt×uMi与第二端口的电压uLi相减，或者，将uLi除以Nt并将1/Nt×uLi与uMi相减；将电压差值输入调节器Gx，获得控制变量
Figure DDA0002439678380000011
将
Figure DDA0002439678380000012
输入调制驱动模块，生成开关管驱动信号，基于开关管驱动信号调节变换器子模块中的各个开关管的导通和关断。该方法简单易行。

Description

直流母线间接口变换器端口电压恒定比例控制方法和系统
技术领域
本发明涉及直流供电系统技术领域，更具体地涉及一种直流母线间接口变换器的端口电压恒定比例控制方法和系统。
背景技术
除光伏、风力发电等新能源发电外，现代负荷，如计算机、运载工具(舰机高铁等)、精密机械加工、高端医疗器械等，均需要直流母线环节。中低压直流配电网以直流母线而非传统配电网中的交流母线为载体，不仅可以减少功率变换环节，提高新能源发电的渗透率和运行效率，而且可以显著提高公共交流电网和配电网的电能质量、可靠性和设备利用率。因此中低压直流配电网是满足新能源发电接入，功率等级日益提高的精密现代负荷供能需要的新一代组网形式。各类电源与负荷需要不同电压等级的直流母线，直接连接两条直流母线的电力电子变换器称为直流母线间接口变换器，即DC/DC接口变换器，该变换器是直流配电系统电能枢纽。随着直流网技术的发展，DC/DC接口变换器得到了越来越多的关注。
中低压直流配电网与现有中低压交流配电网相对应，其直流母线电压等级从48V、270V、±375V到±10kV不等。当两条直流母线电压等级差别较大时，连接两直流母线的DC/DC接口变换器可由n个变换器子模块组成，n为大于或等于1的自然数。n>1时，所有变换器子模块一端并联，形成该DC/DC接口变换器的并联侧端口；同时，所有变换器子模块的另一端串联，形成该DC/DC接口变换器的串联侧端口。n＝1时，单个变换器子模块即为该DC/DC接口变换器，此时，可以将额定电压较低的端口归为并联侧端口，另一端口归为串联侧端口。该DC/DC接口变换器的并联侧端口接入微电网的一条较低电压等级的直流母线，串联侧端口接入微电网的一条较高电压等级的直流母线。DC/DC接口变换器中的各变换器子模块需要均分串联侧端口的电压，在现有技术中，电压均分主要通过对应控制策略实现，例如，文献“Sha D,Guo Z,Liao X.Cross-Feedback Output-Current-Sharing Control for Input-Series-Output-Parallel Modular DC–DC Converters[J].IEEE Transactions on PowerElectronics,2010,25(11):2762-2771.”采用了令各个变换器子模块采样相邻变换器子模块的电流，并进行跟踪，从而实现串联侧端口的电压均分。然而随着变换器子模块数量n的增加，其采样控制系统的复杂度迅速增高，同时跨模块的采样通信系统不适于在复杂电磁环境下的可靠运行。专利(公开号：CN106711994A)中也采用了串并联的结构，虽然同时实现了各变换器输入端口连接的分布式电源的独立控制和输出端口的均压控制，但是上述发明所公开的技术方案中，接口变换器和电源变换器通过开关器件复用耦合，其控制策略也具有较高耦合性，且控制算法较为复杂。
发明内容
考虑到上述问题而提出了本发明。本发明提供了一种直流母线间接口变换器的端口电压恒定比例控制方法和系统。
根据本发明一个方面，提供了一种直流母线间接口变换器的端口电压恒定比例控制方法，其中，所述直流母线间接口变换器包括串联侧端口和并联侧端口，所述串联侧端口用于接入第一直流母线电压uM，所述并联侧端口用于接入第二直流母线电压uL，所述直流母线间接口变换器包括n个变换器子模块，所述n个变换器子模块各自的第一端口串联组成所述串联侧端口，所述n个变换器子模块各自的第二端口并联组成所述并联侧端口，所述方法包括：
对于所述n个变换器子模块中的每个变换器子模块，
采样该变换器子模块的两个端口的电压，以获得第一端口的电压uMi和第二端口的电压uLi，其中，i＝1,2,…n，n为大于或等于1的自然数；
将第一端口的电压uMi乘以预设常数Nt并将放大后的电压Nt×uMi与第二端口的电压uLi相减，以获得电压差值，或者，将第二端口的电压uLi除以预设常数Nt并将缩小后的电压1/Nt×uLi与第一端口的电压uMi相减，以获得所述电压差值；
将所述电压差值输入调节器Gx，以获得所述调节器Gx输出的控制变量
Figure BDA0002439678360000021
将所述控制变量
Figure BDA0002439678360000022
输入调制驱动模块，以生成对应的开关管驱动信号，并基于所述开关管驱动信号调节该变换器子模块中的各个开关管的导通和关断。
示例性地，所述调节器Gx是比例积分调节器。
根据本发明另一方面，提供了一种直流母线间接口变换器的端口电压恒定比例控制系统，其中，所述直流母线间接口变换器包括串联侧端口和并联侧端口，所述串联侧端口用于接入第一直流母线电压uM，所述并联侧端口用于接入第二直流母线电压uL，所述直流母线间接口变换器包括n个变换器子模块，所述n个变换器子模块各自的第一端口串联组成所述串联侧端口，所述n个变换器子模块各自的第二端口并联组成所述并联侧端口，所述系统包括与所述n个变换器子模块一一对应的n个控制模块，每个控制模块包括：
串联侧电压采样电路，用于采样对应变换器子模块的第一端口的电压uMi，其中，i＝1,2,…n，n为大于或等于1的自然数；
并联侧电压采样电路，用于采样对应变换器子模块的第二端口的电压uLi；
电压缩放电路，与所述串联侧电压采样电路或所述并联侧电压采样电路连接，用于将第一端口的电压uMi乘以预设常数Nt或者将第二端口的电压uLi除以预设常数Nt；
减法器，与所述电压缩放电路连接，并与所述串联侧电压采样电路和所述并联侧电压采样电路中未与所述电压缩放电路连接的电路连接，用于将放大后的电压Nt×uMi与第二端口的电压uLi相减，以获得电压差值，或者，将缩小后的电压1/Nt×uLi与第一端口的电压uMi相减，以获得所述电压差值；
调节器Gx，与所述减法器连接，用于接收所述电压差值，并输出对应的控制变量
Figure BDA0002439678360000031
调制驱动模块，与所述调节器Gx连接，用于接收所述控制变量
Figure BDA0002439678360000032
并将对应的开关管驱动信号输出至对应变换器子模块，以调节该变换器子模块中的各个开关管的导通和关断。
示例性地，所述调节器Gx是比例积分调节器。
根据本发明实施例的直流母线间接口变换器的端口电压恒定比例控制方法和系统，可以有效提升直流微电网的稳定性，可实现对模块化DC/DC接口变换器的自动均压控制，可适应直流微电网中多种工作模式及其之间的平滑切换，此外，该控制方法简便易行，复杂度低。
附图说明
通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。
图1示出根据本发明一个实施例的DC/DC接口变换器所处的直流微电网系统的示意图；
图2示出根据本发明一个实施例的直流母线间接口变换器的端口电压恒定比例控制方法的操作步骤的示意图；
图3示出根据本发明一个实施例的直流母线间接口变换器的端口电压恒定比例控制方法的原理示意图；
图4示出根据本发明一个实施例的采用上述端口电压恒定比例控制方法的微电网系统功率电路拓扑图；以及
图5示出与图4对应的实验效果图。
以下是附图中的符号的意义：LVDC1为DC/DC接口变换器的并联侧端口接入的较低电压等级直流母线，uL为其电压；MVDC1为DC/DC接口变换器的串联侧端口接入的较高电压等级直流母线，uM为其电压；Gen1,Gen2,RGen1,RGen2为源端发电和储能部件各自接入直流母线所需的电源变换器；LdC1,LdC2为终端负载接入直流母线各自所需的负载变换器(通常也称为适配器)；SM,SL为供电切换开关；uM1～uMn为第1～n个变换器子模块各自的第一端口的电压；uL1～uLn为第1～n个变换器子模块各自的第二端口的电压；NT为虚拟变比常数；Gx为调节器；
Figure BDA0002439678360000041
为第1～n个变换器子模块的控制变量；NTr为高频变压器匝数比；VM为MVDC1连接的组网型变换器Gen2的输出电压参考值；RM为MVDC1连接的负载等效电阻值，VL,rL分别为LVDC1连接的组网型变换器Gen2的输出电压参考值与下垂系数。
具体实施方式
为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。基于本发明中描述的本发明实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。
为了至少部分解决上述技术问题，提出一种DC/DC接口变换器的端口电压恒定比例控制方法，其是一种完全分布式模块化的控制方法，可以实现各变换器子模块的完全模块化控制，可以适应直流微电网对DC/DC接口变换器运行控制的多方面基本需求。
首先，为便于理解，下面结合图1描述DC/DC接口变换器的示例性应用场景。图1示出根据本发明一个实施例的DC/DC接口变换器所处的直流微电网系统的示意图。如图1所示，该DC/DC接口变换器的并联侧端口接入微电网的一条较低电压等级直流母线LVDC1，其电压为uL，该DC/DC接口变换器的串联侧端口接入微电网的一条较高电压等级直流母线MVDC1，其电压为uM。源端发电和储能部件通过各自的电源变换器(Gen1,Gen2,RGen1,RGen2)接入直流母线；终端负载通过自身的负载变换器(LdC1,LdC2,通常也称为适配器)接入直流母线。此外，直流微电网系统还包括供电切换开关SM和SL。DC/DC接口变换器的主要作用为实现两条直流母线间的功率交互。处于根据本发明实施例的端口电压恒定比例控制技术控制下的DC/DC接口变换器，可以模拟理想变压器的特性，协助正常运行中的组网型电源变换器(Gen1，或Gen1，或Gen1加Gen1)，同时维持两条母线电压uM和uL。
本发明实施例提供一种DC/DC接口变换器的端口电压恒定比例控制方法。图2示出根据本发明一个实施例的直流母线间接口变换器的端口电压恒定比例控制方法200的操作步骤的示意图。下面结合图2描述直流母线间接口变换器的端口电压恒定比例控制方法200。
所述直流母线间接口变换器包括串联侧端口和并联侧端口，所述串联侧端口用于接入第一直流母线电压uM，所述并联侧端口用于接入第二直流母线电压uL，所述直流母线间接口变换器包括n个变换器子模块，所述n个变换器子模块各自的第一端口串联组成所述串联侧端口，所述n个变换器子模块各自的第二端口并联组成所述并联侧端口，所述方法200包括：
对于所述n个变换器子模块中的每个变换器子模块，执行以下操作：
步骤S210，采样该变换器子模块的两个端口的电压，以获得第一端口的电压uMi和第二端口的电压uLi，其中，i＝1,2,…n，n为大于或等于1的自然数；
步骤S220，将第一端口的电压uMi乘以预设常数Nt并将放大后的电压Nt×uMi与第二端口的电压uLi相减，以获得电压差值，或者，将第二端口的电压uLi除以预设常数Nt并将缩小后的电压1/Nt×uLi与第一端口的电压uMi相减，以获得所述电压差值；
步骤S230，将所述电压差值输入调节器Gx，以获得所述调节器Gx输出的控制变量
Figure BDA0002439678360000061
步骤S240，将所述控制变量
Figure BDA0002439678360000062
输入调制驱动模块，以生成对应的开关管驱动信号，并基于所述开关管驱动信号调节该变换器子模块中的各个开关管的导通和关断。
示例性地，第一直流母线电压uM高于第二直流母线电压uL。图3示出根据本发明一个实施例的直流母线间接口变换器的端口电压恒定比例控制方法的原理示意图。如图3所示，连接两条直流母线的DC/DC接口变换器可由n个变换器子模块组成，n为大于或等于1的自然数。n>1时，变换器子模块为隔离型DC/DC变换器，所有变换器子模块一端并联，形成该整个DC/DC接口变换器的并联侧端口；同时，所有变换器子模块的另一端串联，形成该整个DC/DC接口变换器的串联侧端口。n＝1时，单个变换器子模块即为整个DC/DC接口变换器，此时，可以将额定电压较低的端口归为并联侧端口，另一额定电压较高的端口归为串联侧端口。针对每个变换器子模块，可以各自独立地执行端口电压恒比例控制策略。
该控制策略的操作过程如下：
(1)采样对应变换器子模块的两个端口的电压uMi和uLi；
(2)按照一个称为“虚拟变比”的预设常数Nt，将uMi乘以Nt，再和uLi作差(参见图3)，当然，也可将uLi乘以1/Nt，再和uMi作差)；
(3)将获得的电压差值作为调节器Gx的输入，调节器Gx的输出为对应变换器子模块的控制变量
Figure BDA0002439678360000063
该控制变量
Figure BDA0002439678360000064
可以包括例如占空比和/或移相角等；
(4)可以由调制驱动模块基于控制变量
Figure BDA0002439678360000065
生成对应的开关管驱动信号，基于所述开关管驱动信号调节该变换器子模块中的各个开关管的导通和关断，以调节变换器子模块变换的功率。
上述控制方法各部分的极性设置，使得各个变换器子模块的控制模块形成负反馈系统，这样可以保证稳态时，变换器子模块的两个端口的电压uMi和uLi基本保持恒定比例关系，即Nt×uMi≈uLi。
进一步地，执行该控制方法的各个变换器子模块依据变压器的电压比例关系原理，而并联侧端口可以保证uLi＝uL，从而使得各个变换器子模块均分串联侧电压uM，即uM1≈uM2≈...≈uMn≈uM/n；且使得整个DC/DC接口变换器具有端口电压成恒比例的特性，即(Nt/n)×uM≈uL。
上述控制方法可以通过数字控制系统，也可通过模拟控制系统实现。
根据本发明实施例的DC/DC接口变换器的端口电压恒定比例控制方法，可以有效提升直流微电网的稳定性，可实现对模块化DC/DC接口变换器的自动均压控制，可适应直流微电网中多种工作模式及其之间的平滑切换，此外，该控制方法简便易行，复杂度低。
示例性地，所述调节器Gx可以是比例积分调节器。
图4示出根据本发明一个实施例的采用上述端口电压恒定比例控制方法的微电网系统功率电路拓扑图。在图4中，变换器子模块的模块数量n＝3，其中调节器Gx为比例积分调节器，
Figure BDA0002439678360000071
为原副边桥驱动之间的移相角。电源变换器Gen1简化为电压源支路VM；电源变换器Gen2简化为电压源电阻支路VL和rL。图5示出与图4对应的实验效果图。从图5中可以看到，在离网模式下，Gen2通过VL和rL建立uL，DC/DC接口变换器依照变压器原理建立uM；在并网模式下，Gen1通过VM建立uM，DC/DC接口变换器依照变压器原理建立uL。不论是在并网模式还是离网模式中，微电网系统都平稳运行，且各变换器子模块良好均分串联侧电压uM。模式切换动态过程平滑，说明了本发明所述控制方法的有效性。
根据本发明另一方面，提供一种直流母线间接口变换器的端口电压恒定比例控制系统，其中，所述直流母线间接口变换器包括串联侧端口和并联侧端口，所述串联侧端口用于接入第一直流母线电压uM，所述并联侧端口用于接入第二直流母线电压uL，所述直流母线间接口变换器包括n个变换器子模块，所述n个变换器子模块各自的第一端口串联组成所述串联侧端口，所述n个变换器子模块各自的第二端口并联组成所述并联侧端口，所述系统包括与所述n个变换器子模块一一对应的n个控制模块，每个控制模块包括：
串联侧电压采样电路，用于采样对应变换器子模块的第一端口的电压uMi，其中，i＝1,2,…n，n为大于或等于1的自然数；
并联侧电压采样电路，用于采样对应变换器子模块的第二端口的电压uLi；
电压缩放电路，与所述串联侧电压采样电路或所述并联侧电压采样电路连接，用于将第一端口的电压uMi乘以预设常数Nt或者将第二端口的电压uLi除以预设常数Nt；
减法器，与所述电压缩放电路连接，并与所述串联侧电压采样电路和所述并联侧电压采样电路中未与所述电压缩放电路连接的电路连接，用于将放大后的电压Nt×uMi与第二端口的电压uLi相减，以获得电压差值，或者，将缩小后的电压1/Nt×uLi与第一端口的电压uMi相减，以获得所述电压差值；
调节器Gx，与所述减法器连接，用于接收所述电压差值，并输出对应的控制变量
Figure BDA0002439678360000081
调制驱动模块，与所述调节器Gx连接，用于接收所述控制变量
Figure BDA0002439678360000082
并将对应的开关管驱动信号输出至对应变换器子模块，以调节该变换器子模块中的各个开关管的导通和关断。
示例性地，所述调节器Gx是比例积分调节器。
根据上述实施例，端口电压恒定比例控制系统可以是与直流母线间接口变换器分离的系统，即控制模块设置在直流母线间接口变换器外部，这样便于设备安装和检修，也便于在已配置好的微电网中进行设备扩展。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个设备，或一些特征可以忽略，或不执行。
本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的DC/DC接口变换器的端口电压恒定比例控制系统或DC/DC接口变换器中的一些模块的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
以上，仅为本发明的具体实施方式或对具体实施方式的说明，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种直流母线间接口变换器的端口电压恒定比例控制方法，其中，所述直流母线间接口变换器包括串联侧端口和并联侧端口，所述串联侧端口用于接入第一直流母线电压uM，所述并联侧端口用于接入第二直流母线电压uL，所述直流母线间接口变换器包括n个变换器子模块，所述n个变换器子模块各自的第一端口串联组成所述串联侧端口，所述n个变换器子模块各自的第二端口并联组成所述并联侧端口，所述方法包括：
对于所述n个变换器子模块中的每个变换器子模块，
采样该变换器子模块的两个端口的电压，以获得第一端口的电压uMi和第二端口的电压uLi，其中，i＝1,2,…n，n为大于1的自然数；
将第一端口的电压uMi乘以预设常数Nt并将放大后的电压Nt×uMi与第二端口的电压uLi相减，以获得电压差值，或者，将第二端口的电压uLi除以预设常数Nt并将缩小后的电压1/Nt×uLi与第一端口的电压uMi相减，以获得所述电压差值；
将所述电压差值输入调节器Gx，以获得所述调节器Gx输出的控制变量
Figure FDA0003223422580000011
将所述控制变量
Figure FDA0003223422580000012
输入调制驱动模块，以生成对应的开关管驱动信号，并基于所述开关管驱动信号调节该变换器子模块中的各个开关管的导通和关断。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述调节器Gx是比例积分调节器。
3.一种直流母线间接口变换器的端口电压恒定比例控制系统，其中，所述直流母线间接口变换器包括串联侧端口和并联侧端口，所述串联侧端口用于接入第一直流母线电压uM，所述并联侧端口用于接入第二直流母线电压uL，所述直流母线间接口变换器包括n个变换器子模块，所述n个变换器子模块各自的第一端口串联组成所述串联侧端口，所述n个变换器子模块各自的第二端口并联组成所述并联侧端口，所述系统包括与所述n个变换器子模块一一对应的n个控制模块，每个控制模块包括：
串联侧电压采样电路，用于采样对应变换器子模块的第一端口的电压uMi，其中，i＝1,2,…n，n为大于1的自然数；
并联侧电压采样电路，用于采样对应变换器子模块的第二端口的电压uLi；
电压缩放电路，与所述串联侧电压采样电路或所述并联侧电压采样电路连接，用于将第一端口的电压uMi乘以预设常数Nt或者将第二端口的电压uLi除以预设常数Nt；
减法器，与所述电压缩放电路连接，并与所述串联侧电压采样电路和所述并联侧电压采样电路中未与所述电压缩放电路连接的电路连接，用于将放大后的电压Nt×uMi与第二端口的电压uLi相减，以获得电压差值，或者，将缩小后的电压1/Nt×uLi与第一端口的电压uMi相减，以获得所述电压差值；
调节器Gx，与所述减法器连接，用于接收所述电压差值，并输出对应的控制变量
Figure FDA0003223422580000021
调制驱动模块，与所述调节器Gx连接，用于接收所述控制变量
Figure FDA0003223422580000022
并将对应的开关管驱动信号输出至对应变换器子模块，以调节该变换器子模块中的各个开关管的导通和关断。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述调节器Gx是比例积分调节器。
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