CN111817412A - 一种基于串联数字化稳压器的中高压充电系统控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于串联数字化稳压器的中高压充电系统控制方法，属于中高压电动汽车充电站领域。本发明通过控制串联数字化稳压器的输出电压与高压级联H桥模组配合形成多电平交流调制电压，降低了高压级联H桥模组的开关频率，同时有效降低了网侧滤波电感体积与电感损耗，配合数字串联数字化稳压器后级DC/DC隔离级的稳压控制，保证了系统各个模组的电压稳定与均衡，使系统稳定运行同时提高了系统运行效率。

Description

一种基于串联数字化稳压器的中高压充电系统控制方法
技术领域
本发明涉及中高压充电系统领域，尤其涉及一种基于串联数字化稳压器的中高压充电系统控制方法。
背景技术
中高压充电系统采用输入串联输出并联型拓扑方案，降低了交流侧单个模块的开关频率和器件耐压等级，使得交流侧可直接并入中高压电网；通过后级DC/DC级输出并联得到低压直流母线提供充电负载使用，避免了传统工频变压器的使用，增加了系统的可控性，降低了系统体积，有效提高了系统的功率密度，是作为低压充电系统的有利拓扑；但由于载传统的载波移相调制方法下，交流侧需要通过级联多个模组单元才能合成满足要求的多电平的中高压交流电压，尤其在少模组、低开关频率条件下，为了满足并网标准，更需要较大的网侧滤波电感来达到条件，这对整个系统的体积、成本及效率带来了不利影响。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种基于串联数字化稳压器的中高压充电系统控制方法，本发明的技术方案为：一种基于串联数字化稳压器的中高压充电系统控制方法包括如下步骤：
步骤1：高压侧AC/DC级通过给定低压直流母线给定值Udc_Lv *与低压直流母线电压反馈值做差后将差值输入到电压环PI控制生成并网电流有功轴电流给定值Id *，Id *与电网有功电流Id做差后将差值输入到有功电流环PI控制器输出有功轴电压调整量Ud *，Ud *与电网电压前馈量Ud叠加后生成有功轴调制电压Vd；无功电流给定值0与交流并网电流无功反馈值Iq做差后，将结果输入到无功电流环PI控输出无功轴电压调整量Uq *，Uq *与电网电压前馈量Uq叠加后生成有功轴调制电压Vq；
步骤2：Vd与Vq经过帕克反变换生成三相调制电压Vn(n＝a,b,c)；
步骤3：三相调制电压Vn(n＝a,b,c)输入到调制策略模块以后，根据调制电压Vn确定调制区域，根据调制区域大小与调制电压方向来确定高压输出电平状态，得到高压模组总调制电压UH；
步骤4：调制电压Vn与UH做差得到串联数字化稳压器的输入调制电压UL并与联数字化稳压器模组母线电压的不重复组合得到的总母线电压进行对比，得到串联数字化稳压器中各H桥的输出电压状态；
步骤5：将调制电压Vn减去高压模组与串联数字化稳压器生成的电压后得到电压UM，利用串联数字化稳压器中母线电压最低的模块对UM进行SPWM调制；
步骤6：根据调制电压形成各个H桥功率器件驱动信号，由高压级联模组与串联数字化稳压器共同合成多电平交流调制电压，实现交流侧并网电流有功无功分量控制；
步骤7：DC/DC级输出50％占空比信号同步驱动原副边功率开关管实现直流变压器特性，保证输出输入输出电压比为变压器变比，产生稳定的低压直流母线提供充电负载使用；
其中，中高压充电站交流侧采用N个直流母线电压为Udc的H桥高压模组级联结构与串联数字化稳压器串联后直接并入中、高压交流电网，实现AC/DC变换；串联数字化稳压器有M个H桥串联而成，H桥的直流母线电压依次为U1、U2…UM，每个H桥结构后连接一个串联谐振型双有源H桥隔离变换器实现DC/DC变换与隔离作用，3N+3M个DC/DC变换器输出并联构成低压直流母线供充电负载使用。
优选地，串联数字化稳压器的直流母线电压Un＝Udc/2n，其中n＝1、2、3…M。
优选地，调制策略模块使用的调制控制方法为，取调制电压的绝对值|Vn|除以Udc并向下取整得到高压模组调制区域k；判断如果Vn≥0，选择k个高压模组输出电压Udc剩余N-k个模组输出电压0；如果Vn<0，选择k个高压模组输出电压-Udc，剩余N-k个模组输出电压0，被选择的模组每过周期Tn后进行轮转更新重新选择来保证周期Tn内高压模组功率均衡；高压模组级联生成的电压为UH；将Vn与UH做差得到串联数字化稳压器的输入调制电压UL，将串联数字化稳压器的前M-1个H桥模组直流母线电压进行不重复组合，保证每个组合中的模组不完全相同，并将组合中H桥的直流母线电压进行加和得到总电压UPn(n＝1,2,3…)，将每一组的UPn与|UL|进行比较，如果有|UPn-|UL||≤Udc/2M则选择该组合进行调制，如果UL≥0，被选中的组合中的H桥模组输出正母线电压的电平，前M-1中剩余的H桥模组输出0电平；如果UL<0，被选中的组合中的H桥模组输出负母线电压电平，前M-1中剩余的H桥模组输出0电平；前M-1个H桥模组合成的电压为UD，将UL与UD做差得到串联数字化稳压器中第M个模组的调制电压UM，将UM进行正弦脉宽调制产生调制电压UMpwm从而由高压单元模组与串联数字化稳压器串联合成电压Vnpwm＝UH+UD+UMpwm；如果不存在组合满足|UP-|UL||≤Udc/2M则将调制电压UL直接作为串联数字化稳压器中第M个模组的调制电压UM进行正弦脉宽调制产生调制电压UMpwm，前M-1个模组输出电压为0，从而得到总调制电压Vnpwm＝UH+UMpwm。
优选地，由高压级联模组与串联数字化稳压器共同合成多电平交流调制电压最多电平数量为：
B＝[(N+1)×2M-1]×2+1。
优选地，所述的DC/DC级控制方式为，高压模组单元所对应的DC/DC级原边H桥输出50％占空比方波电压信号，副边为自然整流模式；串联数字化稳压器所对应的DC/DC级原边与副边H桥同步输出50％占空比方波电压信号，实现能量双向流动保证串联数字化稳压器中各模组母线电压稳定。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：本发明方案可以在减少高压模组单元数量时仍然保证产生足够电平数量的电压；利用利用合理的调制方式实现串联数字化稳压器与高压模组单元的配合，在降低高压模组单元开关频率的同时提高了电压电平数量、降低了电压变化率，所以降低了网侧电感需求量以及电感损耗。改进了针对高压模组单元与串联数字化稳压器后级DC/DC的控制方式，在保证了串联数字化稳压器母线电压的稳定。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定
图1为基于串联数字化稳压器的中高压充电系统拓扑图；
图2为本发明串联数字化稳压器拓扑图；
图3为本发明AC/DC级有/无功控制框图；
图4为本发明控制方法流程图；
图5为本发明AC/DC级调制控制方法流程图；
图6为本发明交流侧调制电压波形；
图7传统载波移相式级联H桥交流侧调制电压波形；
图8为本发明交流侧高压模组调制电压波形；
图9传统载波移相式级联H桥交流侧高压模组调制电压波形；
图10为本发明高压模组的DC/DC级驱动信号控制方式示意图；
图11为串联数字化稳压器的DC/DC级驱动信号控制方式示意图。
具体实施方式
以下，结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。
本发明应用的基于串联数字化稳压器的中高压充电系统拓扑图如图1所示，系统交流侧采用N个直流母线电压为Udc的H桥高压模组级联结构与串联数字化稳压器串联后直接并入中、高压交流电网，实现AC/DC变换；串联数字化稳压器拓扑如图2所示，由M个H桥串联而成，H桥的直流母线电压Un＝Udc/2n，其中n＝1、2、3…M；
每个H桥结构后连接一个串联谐振型双有源H桥隔离变换器实现DC/DC变换与隔离作用，3N+3M个DC/DC变换器输出并联构成低压直流母线供充电负载使用；
其高压模组级联串联数字化稳压器的AC/DC级控制框图如图3所示，通过给定低压直流母线给定值Udc_Lv *与低压直流母线电压反馈值做差后将结果输入到电压环PI控制进行控制并产生并网电流有功轴电流给定值与电网有功电流Id做差后将结果输入到有功电流环PI控输出与电网电压前馈量Ud叠加后生成有功轴调制电压Vd；通过无功电流给定值0与交流并网电流无功反馈值Iq做差后将结果输入到无功电流环PI控输出与电网电压前馈量Uq叠加后生成有功轴调制电压Vq经过帕克反变换生成三相调制电压Vn(n＝a,b,c)；
调制控制策略模块流程图如图4所示，三相调制电压Vn(n＝a,b,c)输入到调制策略模块，然后取调制电压的绝对值|Vn|除以高压模组电压Udc并向下取整得到高压模组调制区域k；然后判断如果Vn≥0，选择k个高压模组输出电压Udc，剩余N-k个模组输出电压0；如果Vn<0，选择k个高压模组输出电压-Udc，剩余N-k个模组输出电压0，被选择的模组每过周期Tn后进行轮转更新重新选择来保证周期Tn内高压模组功率均衡；高压模组级联生成的电压为UH；将Vn与UH做差得到串联数字化稳压器的输入调制电压UL，将串联数字化稳压器的前M-1个H桥模组直流母线电压进行不重复组合，保证每个组合中的模组不完全相同，并将组合中H桥的直流母线电压进行加和得到总电压UPn(n＝1,2,3…)，将每一组的UPn与|UL|进行比较，如果有|UPn-|UL||≤Udc/2M则选择该组合进行调制，如果UL≥0，被选中的组合中的H桥模组输出正母线电压的电平，前M-1中剩余的H桥模组输出0电平；如果UL<0，被选中的组合中的H桥模组输出负母线电压电平，前M-1中剩余的H桥模组输出0电平；前M-1个H桥模组合成的电压为UD，将UL与UD做差得到串联数字化稳压器中第M个模组的调制电压UM，将UM进行正弦脉宽调制产生调制电压UMpwm从而由高压单元模组与串联数字化稳压器串联合成电压Vnpwm＝UH+UD+UMpwm；如果不存在组合满足|UP-|UL||≤Udc/2M则将调制电压UL直接作为串联数字化稳压器中第M个模组的调制电压UM进行正弦脉宽调制产生调制电压UMpwm，前M-1个模组输出电压为0，从而得到总调制电压Vnpwm＝UH+UMpwm，实现交流侧并网电流有功无功分量控制；
本发明提出的拓扑与调制策略下的调制电压波形与传统载波移相式级联H桥交流侧调制电压波形对比如图6与7所示，其中图6中高压单元数量N＝9，辅助模组数量M＝4，图7级联H桥高压单元模组数量为N＝12，对比可知本发明调制出的电压电平数量更多，更加趋近于正弦信号，本发明交流侧合成多电平交流调制电压最多电平数量为：
B＝[(N+1)×2M-1]×2+1；
传统载波移相级联H桥拓扑结构能够产生的最多电平数量为：
B＝2N+1
图8与图9，分别展示了基于串联数字化稳压器的能量路由器拓扑在本发明所提的调制方法下的其中一个高压模组单元的端口调制电压与传统载波移相方法下的级联H桥拓扑结构的高压模组单元端口调制电压，图8高压H桥轮转周期Tn取100ms，图9载波频率为500Hz，对比可以知本方案的高压模组单元端口电压变化频率更低，即开关频率更低；
高压模组与串联数字化稳压器的DC/DC级驱动信号控制方式如图10与11所示；高压模组单元所对应的DC/DC级原边H桥输出50％占空比方波电压信号，副边为自然整流模式；串联数字化稳压器所对应的DC/DC级原边与副边H桥同步输出50％占空比方波电压信号，实现能量双向流动保证串联数字化稳压器中各模组母线电压稳定。
综上所述，一种基于串联数字化稳压器的中高压充电系统控制方法，通过控制串联数字化稳压器的输出电压与高压级联H桥模组配合形成多电平交流调制电压，在相同或更少的高压模组单元数量下，能够调制生成更多电平数量、更低电压变化率的电压，降低了高压级联H桥模组的开关频率，同时能够保证降低网侧滤波电感体积与电感损耗，配合数字串联数字化稳压器后级DC/DC隔离级的稳压控制，保证了系统各个模组的电压稳定与均衡，使系统稳定运行的同时提高了系统效率。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于串联数字化稳压器的中高压充电系统控制方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
步骤1：高压侧AC/DC级通过给定低压直流母线给定值Udc_Lv *与低压直流母线电压反馈值做差后将差值输入到电压环PI控制生成并网电流有功轴电流给定值Id *，Id *与电网有功电流Id做差后将差值输入到有功电流环PI控制器输出有功轴电压调整量Ud *，Ud *与电网电压前馈量Ud叠加后生成有功轴调制电压Vd；无功电流给定值0与交流并网电流无功反馈值Iq做差后，将结果输入到无功电流环PI控输出无功轴电压调整量Uq *，Uq *与电网电压前馈量Uq叠加后生成有功轴调制电压Vq；
步骤2：Vd与Vq经过帕克反变换生成三相调制电压Vn(n＝a,b,c)；
步骤3：三相调制电压Vn(n＝a,b,c)输入到调制策略模块以后，根据调制电压Vn确定调制区域，根据调制区域大小与调制电压方向来确定高压输出电平状态，得到高压模组总调制电压UH；
步骤4：调制电压Vn与UH做差得到串联数字化稳压器的输入调制电压UL并与联数字化稳压器模组母线电压的不重复组合得到的总母线电压进行对比，得到串联数字化稳压器中各H桥的输出电压状态；
步骤5：将调制电压Vn减去高压模组与串联数字化稳压器生成的电压后得到电压UM，利用串联数字化稳压器中母线电压最低的模块对UM进行SPWM调制；
步骤6：根据调制电压形成各个H桥功率器件驱动信号，由高压级联模组与串联数字化稳压器共同合成多电平交流调制电压，实现交流侧并网电流有功无功分量控制；
步骤7：DC/DC级输出50％占空比信号同步驱动原副边功率开关管实现直流变压器特性，保证输出输入输出电压比为变压器变比，产生稳定的低压直流母线提供充电负载使用；
其中，中高压充电站交流侧采用N个直流母线电压为Udc的H桥高压模组级联结构与串联数字化稳压器串联后直接并入中、高压交流电网，实现AC/DC变换；串联数字化稳压器有M个H桥串联而成，H桥的直流母线电压依次为U1、U2…UM，每个H桥结构后连接一个串联谐振型双有源H桥隔离变换器实现DC/DC变换与隔离作用，3N+3M个DC/DC变换器输出并联构成低压直流母线供充电负载使用。
2.根据权利要求1所述的一种基于串联数字化稳压器的中高压充电系统控制方法，其特征在于，所述的串联数字化稳压器的直流母线电压Un＝Udc/2n，其中n＝1、2、3…M。
3.根据权利要求1所述的一种基于串联数字化稳压器的中高压充电系统控制方法，其特征在于，所述调制策略模块使用的调制控制方法为，取调制电压的绝对值|Vn|除以Udc并向下取整得到高压模组调制区域k；判断如果Vn≥0，选择k个高压模组输出电压Udc剩余N-k个模组输出电压0；如果Vn<0，选择k个高压模组输出电压-Udc，剩余N-k个模组输出电压0，被选择的模组每过周期Tn后进行轮转更新重新选择来保证周期Tn内高压模组功率均衡；高压模组级联生成的电压为UH；将Vn与UH做差得到串联数字化稳压器的输入调制电压UL，将串联数字化稳压器的前M-1个H桥模组直流母线电压进行不重复组合，保证每个组合中的模组不完全相同，并将组合中H桥的直流母线电压进行加和得到总电压UPn(n＝1,2,3…)，将每一组的UPn与|UL|进行比较，如果有|UPn-|UL||≤Udc/2M则选择该组合进行调制，如果UL≥0，被选中的组合中的H桥模组输出正母线电压的电平，前M-1中剩余的H桥模组输出0电平；如果UL<0，被选中的组合中的H桥模组输出负母线电压电平，前M-1中剩余的H桥模组输出0电平；前M-1个H桥模组合成的电压为UD，将UL与UD做差得到串联数字化稳压器中第M个模组的调制电压UM，将UM进行正弦脉宽调制产生调制电压UMpwm从而由高压单元模组与串联数字化稳压器串联合成电压Vnpwm＝UH+UD+UMpwm；如果不存在组合满足|UP-|UL||≤Udc/2M则将调制电压UL直接作为串联数字化稳压器中第M个模组的调制电压UM进行正弦脉宽调制产生调制电压UMpwm，前M-1个模组输出电压为0，从而得到总调制电压Vnpwm＝UH+UMpwm。
4.根据权利要求1所述的一种基于串联数字化稳压器的中高压充电系统控制方法，其特征在于，由高压级联模组与串联数字化稳压器共同合成多电平交流调制电压最多电平数量为：
B＝[(N+1)×2M-1]×2+1。
5.根据权利要求1所述的一种基于串联数字化稳压器的中高压充电系统控制方法，其特征在于，所述的DC/DC级控制方式为，高压模组单元所对应的DC/DC级原边H桥输出50％占空比方波电压信号，副边为自然整流模式；串联数字化稳压器所对应的DC/DC级原边与副边H桥同步输出50％占空比方波电压信号，实现能量双向流动保证串联数字化稳压器中各模组母线电压稳定。
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