CN111952993B - 一种模块化级联式电力电子变压器均衡控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种模块化级联式电力电子变压器均衡控制系统及方法，根据直流链电压和电压参考进行电压和电流环计算，以控制各个输入级整流模块；根据低压直流母线电压采样和电压参考进行电压外环运算，确定最终的直流链电容电压参考，并进行电流内环计算，得到相应隔离级IBDC模块的移相角，以保持直流链电容电压和各隔离级IBDC模块功率均衡，能够有效的进行模块功率和直流链电压的自主均衡，该方法均衡效果不取决于模块数量，便于系统扩展和维护，即可适用于单相也可适用于三相电力电子变压器。

Description

一种模块化级联式电力电子变压器均衡控制系统及方法

技术领域

本公开属于变压器均衡控制技术领域，涉及一种模块化级联式电力电子变压器均衡控制系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前，随着智能电网、能源互联网等电网技术的快速发展，能实现变压、电气隔离、功率调节与控制、可再生能源接入等多种功能的电力电子变压器相关理论和技术研究得到了越来越多的关注和应用。

模块化级联式电力电子变压器是当前研究和应用的主要拓扑之一，据发明人了解，由于采用多级结构并且每一级有由许多子模块串并联组成，不平衡的直流链电压会恶化整流器多电平波形，导致开关管可能承受过电压而损坏；功率不平衡会导致各模块传递功率大小不等，可能导致模块过载损坏；另外，系统一般采用冗余设计，在异常状态下，模块的数量会有所不同，功率和直流链电压的自主均衡控制也比较困难。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种模块化级联式电力电子变压器均衡控制系统及方法，本公开能够有效的进行模块功率和直流链电压的自主均衡，该方法均衡效果不取决于模块数量，便于系统扩展和维护，即可适用于单相也可适用于三相电力电子变压器。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种模块化级联式电力电子变压器均衡控制系统，包括HB控制器、IBDC总控制器和若干IBDC分控制器，所述HB控制器被配置为根据直流链电压和电压参考进行电压和电流环计算，以控制各个输入级整流模块；

所述IBDC总控制器被配置为根据低压直流母线电压采样和电压参考进行电压外环运算，确定最终的直流链电容电压参考，分送给各分控制器，各分控制器进行电流内环计算，得到相应隔离级IBDC模块的移相角，以保持直流链电容电压和各隔离级IBDC模块功率均衡。

作为可选择的实施方式，模块化级联式电力电子变压器，包括交流电感和若干并联的变压支路，所述变压支路均包括依次连接的输入级整流模块、直流链电容、隔离级IBDC模块和低压直流母线；

所述输入级整流模块采用桥式电路，交流侧串联，直流侧接直流链电容；

所述隔离级IBDC模块采用双向DAB拓扑，输出通过输出电容并联接入低压直流母线。

作为可选择的实施方式，每个隔离级IBDC模块的参考量均相同，均取自直流链总电压。

作为可选择的实施方式，所述HB控制器，被配置为采用电压电流双环控制，将采集到的中间直流链总电压与总电压参考值进行电压环PI运算，得到网侧电流参考量和中间电容直流链电压参考量，网侧电流参考与网侧电流采样值进行电流环PI运算，得到待调制电流信号，将电流信号进行HPWM调制，并按规定的开关函数分配给各输入级整流模块。

作为可选择的实施方式，所述IBDC总控制器，被配置为采用电压环控制，将采集到的低压直流母线电压与直流母线电压参考值进行电压环PI运算，得到隔离级IBDC模块输入直流电流参考量。

作为可选择的实施方式，所述IBDC分控制器，被配置为采用电压电流双环控制，采集到的中间直流链电容电压与中间直流链电流电压参考量进行PI运算，与接收的IBDC控制器发送的直流电流参考量进行比较，得到本隔离级IBDC模块输入直流电流参考量，与采集到的本隔离级IBDC模块电容侧电流进行PI运算，输出移相比信号θx,通过移相PWM控制器输出本隔离级IBDC原副边H桥开关移相脉冲信号。

一种模块化级联式电力电子变压器的均衡控制方法，包括以下步骤：

根据直流链电压和电压参考进行电压和电流环计算，以控制各个输入级整流模块；

根据低压直流母线电压采样和电压参考进行电压外环运算，确定最终的直流链电容电压参考，并进行电流内环计算，得到相应隔离级IBDC模块的移相角，以保持直流链电容电压和各隔离级IBDC模块功率均衡。

作为可选择的实施方式，根据采集到的中间直流链总电压与总电压参考值进行电压环PI运算，得到网侧电流参考量和中间电容直流链电压参考量，网侧电流参考与网侧电流采样值进行电流环PI运算，得到待调制电流信号，将电流信号进行HPWM调制，并按规定的开关函数分配给各输入级整流模块。

作为可选择的实施方式，根据采集到的低压直流母线电压与直流母线电压参考值进行电压环PI运算，得到隔离级IBDC模块输入直流电流参考量。

作为可选择的实施方式，根据采集到的中间直流链电容电压与中间直流链电流电压参考量进行PI运算，与接收的IBDC控制器发送的直流电流参考量进行比较，得到本隔离级IBDC模块输入直流电流参考量，与采集到的本隔离级IBDC模块电容侧电流进行PI运算，输出移相比信号θx，通过移相PWM控制器输出本隔离级IBDC原副边H桥开关移相脉冲信号。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

1、本公开提出了一种模块化级联式电力电子变压器的直流链电容电压多级协调均衡控制方法，解决了各直流电压协调控制的困难，实现了各直流电压的动态均衡和电力电子变压器的稳定协调控制，提高了直流链电压均衡精度，提高了系统对微电网多能扰动的快速响应能力。

2、本公开提出了一种模块化级联式电力电子变压器的模组功率均衡控制方法，解决了各模组电压不易均衡，容易导致并联模组过负荷、级联模组过电压的困难，实现了各并联模组的功率自动动态均衡，降低了直流链电压均衡的难度，增强了在微电网中的系统稳定性。

3、本公开通过中间直流链总电压得到网侧电流参考量和中间直流链电容电压的电压参考量，可以控制中间直流链总电压达到控制值，通过均衡HPWM调制控制HB模块功率基本均衡，在实现总电压控制的基础上，可以实现各分电压的自动分层动态均衡，在总电压PI控制环路添加了输出直流电压影响因子，实现了直流链总电压、分电压和输出直流电压的动态平衡，在实现直流链电压自动动态均衡的基础上实现了各直流电压的协调，实现了系统的快速响应和提高稳定性的有机融合；

4、本公开由于各中间直流量电容电压参考量均相同，通过参与IBDC模块控制，可以控制中间直流量电容电压达到均衡状态，保持整流级联模组功率的大致均衡，通过中间隔离级DAB进行功率精度控制，实现了各并联模组的功率均衡，从而也降低了级联模组电压均衡的控制难度，实现了电压均衡和功率均衡的综合控制，提高了系统的稳定性和响应速度；

5、本公开由于各中间直流量电容电压和模块数量无关，当模块数量发生变化时，中间直流链电容电压可自适应调整电压值以达到中间直流链总电压；

6、本公开的IBDC控制器发送给各IBDC模块的直流电流参考量均相同，且与模块数量无关，提高了各IBDC模块功率可自动均衡的能力；

7、本公开的中间直流链电容电压和低压直流母线电压协调参与IBDC控制，增强了系统对异常响应和中间电容电压的综合控制能力。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本实施例的系统拓扑图；

图2是本实施例的系统控制结构图；

图3是本实施例的系统控制框图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图2所示，一种电力电子变压器的控制系统包括1个HB控制器，1个IBDC总控制器和n个IBDC分控制器。

HB控制器根据直流链电压Udc和电压参考Udcref进行HB电压外环PI运算，得到HB电流内环参考I_sA-ref和直流链各电容参考U_ch-ref。交流采样电流is进行电流幅值计算得到IsA，交流电压Us锁相得到电压相位φ。HB电流内环参考I_sA-ref和交流采样电流IsA进行HB电流内环运算，得到调制电流幅值I_sA-o，结合电压相位φ生成交流调制信号ism，然后进行HPWM均衡调制生成HB1～HBn模块触发信号H1～Hn，可保持各HB模块功率基本平衡。

在控制时，采集网侧电压、电流信号，中间直流链总电压、中间直流链电容电压、低压直流母线电压、IBDC1～n电容侧电流等信号。

HB控制器：采用电压电流双环控制，将采集到的中间直流链总电压与总电压参考值进行电压环PI运算，得到网侧电流参考量和中间电容直流链电压参考量，网侧电流参考与网侧电流采样值进行电流环PI运算，得到待调制电流信号，将电流信号进行HPWM调制，并按规定的开关函数分配给各HB模块。

IBDC控制器：电压环控制，将采集到的低压直流母线电压与直流母线电压参考值进行电压环PI运算，得到IBDC1～n输入直流电流参考量，并通过广播发送。

IBDC分控制器：采用电压电流双环控制，采集到的中间直流链电容电压与中间直流链电流电压参考量进行PI运算，与接收的IBDC控制器发送的直流电流参考量进行比较，得到本IBDC模块输入直流电流参考量，然后与采集到的本IBDC模块电容侧电流进行PI运算，输出移相比信号θx,然后通过移相PWM控制器输出本IBDC原副边H桥开关移相脉冲信号。

当然，上面提供的控制系统，且被控制对象的电力电子变压器可以有多少形式，只要是模块化级联式电力电子变压器即可。为了让本领域技术人员更加清楚技术方案，进行举例说明，但并不代表本公开提供的控制系统仅能控制所提出的电力电子变压器。

如图1所示，电力电子变压器包括1个交流电感Ls，n套输入级整流模块HB1～HBn，n个直流链电容C1～Cn，n套隔离级IBDC模块和低压直流母线。HB模块采用桥式电路，交流侧串联，直流侧接直流链电容，IBDC模块采用双向DAB拓扑，输出通过n个输出电容Co1～Con并联接入低压直流母线，其中每套IBDC模块包括2个桥式电路和一个高频隔离变压器和1个输出电容。

如图3所示，IBDC总控制器根据低压直流母线电压采样Uo和电压参考Uoref进行电压外环PI运算，得到直流链各电容参考U_co-ref，与HB控制器产生的电容电压参考U_ch-ref求代数和后产生最终的直流链电容电压参考U_c-ref，发送给IBDC1～IBDCn分控制器。IBDC1～IBDCn分控制器对电容电压参考和个反馈电容电压进行电压外环PI运算，得到各模块电流参考I_c1-ref～I_cn-ref，然后与各模块电流反馈Ic1～Icn进行电流内环PI运算，最终得到IBDC1～n双向DAB控制的移相角θ，从而控制IBDC各模块功率。

系统启动过程中，通过HB模块建立中间直流链电容电压后，建立低压直流母线电压，低压直流母线电压建立过程中，IBDCx电流控制参考量以IBDC控制器发送的直流电流参考量为主，低压直流母线电压建立后，IBDCx电流控制参考量以中间直流链电压得到的直流电流参考量为主。

HB控制器控制建立直流链总电压，由于采用均衡PWM调制，直流链各电容电压基本均衡，IBDC总控制器低压直流母线电压逐渐建立，IBDC1～IBDCn模块电压外环运算控制参量U_c-ref以输出电压控制参量U_co-ref为主，可快速建立低压直流母线电压，同时由于各IBDC该控制参量均相同，可保持直流链电容电压和IBDC各模块功率均衡。

系统运行过程中，低压侧直流母线电压已经建立，各IBDC1～IBDCn模块电压外环运算控制参量U_c-ref以直流链总电压控制参量U_ch-ref为主，由于各IBDC模块控制参量相同，可保持直流链电容电压和IBDC各模块功率均衡。

当因故障或其他原因需要增加或减少时，模块数量由n变为m时，由于每个模块的参考量均相同，均取自直流链总电压，而直流链总电压由各直流链电容电压串联组成，因此控制系统可自动调整直流链各电容电压，实现直流链电压自动调整和均衡，有利于系统的维护和扩展。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种模块化级联式电力电子变压器均衡控制系统，其特征是：包括HB控制器、IBDC总控制器和若干IBDC分控制器，所述HB控制器被配置采用电压电流双环控制，将采集到的直流链电容总电压Udc和直流链电容总电压参考值Udcref进行电压环PI运算，得到网侧电流参考量和中间电容直流链电压参考量Uch-ref，网侧电流参考量与网侧电流采样值进行电流环PI运算，得到待调制电流信号，将电流信号进行HPWM调制，并按规定的开关函数分配给各输入级整流模块，以控制各个输入级整流模块；

所述IBDC总控制器被配置为根据低压直流母线电压Uo和低压直流母线电压参考值Uoref进行电压外环运算，与中间电容直流链电压参考量Uch-ref求代数和后确定最终的直流链电容电压参考Uc-ref，分送给各IBDC分控制器；

所述IBDC分控制器，被配置为采用电压电流双环控制，采集到的中间直流链电容电压Uc1～Ucn与输入的直流链电容电压参考Uc-ref进行PI运算，得到本隔离级IBDC模块输入直流电流参考量Ic1-ref～Icn-ref，与采集到的本隔离级IBDC模块电容侧电流Ic1～Icn进行PI运算，输出移相比信号θ1～θn，以保持直流链电容电压和各隔离级IBDC模块功率均衡；通过移相PWM控制器输出本隔离级IBDC模块原副边H桥开关移相脉冲信号；

当模块数量发生变化时，中间直流链电容电压自适应调整电压值以达到中间直流链总电压。

2.如权利要求1所述的均衡控制系统，其特征是：所述模块化级联式电力电子变压器，包括交流电感和若干并联的变压支路，所述变压支路均包括依次连接的输入级整流模块、直流链电容、隔离级IBDC模块和低压直流母线；

所述输入级整流模块采用桥式电路，交流侧串联，直流侧接直流链电容；

所述隔离级IBDC模块采用双向DAB拓扑，输出通过输出电容并联接入低压直流母线。

3.如权利要求1所述的均衡控制系统，其特征是：每个隔离级IBDC模块的参考量均相同，均取自直流链总电压。

4.一种模块化级联式电力电子变压器的均衡控制方法，其特征是：包括以下步骤：

采用电压电流双环控制，将采集到的直流链电容总电压Udc和直流链电容总电压参考值Udcref进行电压环PI运算，得到网侧电流参考量和中间电容直流链电压参考量Uch-ref，网侧电流参考量与网侧电流采样值进行电流环PI运算，得到待调制电流信号，将电流信号进行HPWM调制，并按规定的开关函数分配给各输入级整流模块，以控制各个输入级整流模块；

根据低压直流母线电压Uo和低压直流母线电压参考值Uoref进行电压外环运算，与中间电容直流链电压参考量Uch-ref求代数和后确定最终的直流链电容电压参考Uc-ref；

采用电压电流双环控制，根据采集到的中间直流链电容电压Uc1～Ucn与输入的直流链电容电压参考Uc-ref进行PI运算，得到本隔离级IBDC模块输入直流电流参考量Ic1-ref～Icn-ref，与采集到的本隔离级IBDC模块电容侧电流Ic1～Icn进行PI运算，输出移相比信号θ1～θn，通过移相PWM控制器输出本隔离级IBDC模块原副边H桥开关移相脉冲信号；

当模块数量发生变化时，中间直流链电容电压自适应调整电压值以达到中间直流链总电压。

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