CN112072684B - 一种电力电子变压器及控制方法、交直流混合微网充电系统 - Google Patents

一种电力电子变压器及控制方法、交直流混合微网充电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电力电子变压器及控制方法、交直流混合微网充电系统，其中，电力电子变压器输入级为级联H桥结构，通过H桥控制器控制各H桥功率的平衡；隔离级为双主动桥并联结构，每一个双主动桥连接一个DAB分控制器，所有DAB分控制器连接DAB总控制器；每一个H桥与双主动桥之间并联电容；每一个DAB分控制器基于对应电容的电压参考值、电容电压反馈值以及DAB输入电流反馈值进行双闭环PI运算，得到每一个双主动桥的控制移相角，从而控制每一个双主动桥的功率。本发明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H桥功率基本均衡。

Description

一种电力电子变压器及控制方法、交直流混合微网充电系统
技术领域
本发明涉及电力智能充电技术领域，尤其涉及一种电力电子变压器及控制方法、交直流混合微网充电系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
传统变压器主要功能为电气隔离、电压变换和电能传输，但存在空载损耗大、两侧谐波耦合、不能隔离故障等一系列问题，并且接口较少，不能满足当下能源互联网及能量路由的技术要求；电力电子变压器将电压等级变换、高频电气隔离、灵活潮流控制以及交直流接口集于一体，克服传统变压器功能不足，提高配电网智能化水平。
传统的电动汽车充电系统一般要配置专用变压器和交、直流充电桩，充电桩接入变压器220V/380V交流侧；此充电系统由于要实现AC/DC变换，需要分两级进行，体积较大，效率较低，电能只能单向传输且不能同时具有交、直流充电功能。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种电力电子变压器及控制方法、交直流混合微网充电系统，用电力电子变压器替代传统变压器，具有交、直流多种接口，便于交、直流充电设施系统集成，并为分布式发电系统及储能系统提供直流并网接口，实现能量双向流动。
根据本发明实施例的第一个方面，提供了一种电力电子变压器，包括：输入级为级联H桥结构，通过H桥控制器控制各H桥功率的平衡；
隔离级为双主动桥并联结构，每一个双主动桥连接一个DAB分控制器，所有DAB分控制器连接DAB总控制器；
每一个H桥与双主动桥之间并联电容；每一个DAB分控制器基于对应电容的电压参考值、电容电压反馈值以及DAB输入电流反馈值进行双闭环PI运算，得到每一个双主动桥的控制移相角，从而控制每一个双主动桥的功率。
根据本发明实施例的第二个方面，提供了一种基于电力电子变压器的交直流混合微网充电系统，包括：通过通信线连接的能量管理系统和上述的电力电子变压器，所述电力电子变压器通过直流母线连接直流负荷、可再生能源系统、V2G模块、储能系统以及DC/DC直流充电桩；所述电力电子变压器通过交流母线连接AC/AC交流充电桩和交流负荷。
根据本发明实施例的第三个方面，提供了一种电力电子变压器的控制方法，包括：
根据直流链电压和电压参考值进行H桥电压外环PI运算，得到H桥电流内环参考值和直流链各电容参考值Uch-ref；
交流采样电流值与所述电流内环参考值进行H桥电流内环运算，得到调制电流幅值；
所述调制电流幅值结合交流电压相位生成交流调制信号，基于所述交流调制信号进行HPWM均衡调制生成各H桥触发信号，从而控制各H桥功率平衡。
每一个DAB分控制器基于对应电容的电压参考值和电容电压反馈值进行电压外环PI运算，得到每一个双主动桥的电流参考值；
所述每一个双主动桥的电流参考值与电流反馈值进行电流内环PI运算，得到每一个双主动桥的控制移相角θ，从而控制每一个双主动桥的功率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)提出了一种级联式电力电子变压器直流链电容电压均衡控制方法，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，解决了整流级直流链电容过电压问题，实现了各直流电压的动态均衡和电力电子变压器稳定协调控制，提高了直流链电压的均衡精度，降低了直流链电压均衡的难度。
(2)提出了一种级联式电力电子变压器功率动态均衡控制方法，级联整流级采用直流链总电压+混合PWM调制，保持整流级联模组功率的大致均衡，通过中间隔离级DAB进行功率精度控制解决了隔离级各功率单元过负荷问题，实现了各功率单元的功率自动动态均衡，增强了在微电网中的系统稳定性。
(3)提出了一种基于电力电子变压器的交直流混合微网充电策略，并构建了相关系统模型，用电力电子变压器替代传统变压器，具有交、直流多种接口，实现了交、直流充电设施系统集成，解决了两级式直流充电桩体积较大、效率较低的问题，满足分布式发电系统、储能系统、DC/DC直流充电桩等灵活接入配电网需求，提高了整个微网充电系统经济可靠性，实现能量双向流动，提高微网充电系统的经济可靠性
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为根据本发明实施例的基于电力电子变压器交直流混合微网系统结构示意图；
图2为电力电子变压器结构示意图；
图3为电力电子变压器控制框图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
根据本发明实施例，提供了一种基于电力电子变压器的交直流混合微网充电系统，如图1所示，包括调度中心、EMS能量管理系统、监控平台、电力电子变压器、可再生能源系统、V2G模块、DC/DC直流充电桩、储能系统、直流负荷、AC/AC交流充电桩、交流负荷；DC/DC直流充电桩通过750V直流母线与电力电子变压器连接；储能系统通过750V直流母线与电力电子变压器连接；V2G模块通过750V直流母线与电力电子变压器连接；可再生能源发电系统通过750V直流母线与电力电子变压器连接；直流负荷通过750V直流母线与电力电子变压器连接；所述AC/AC交流充电桩通过380V交流母线与电力电子变压器连接；交流负荷通过380V交流母线与电力电子变压器连接；EMS能量管理系统通过通讯线与电力电子变压器连接；监控平台通过通讯线与EMS能量管理系统连接；调度中心通过通讯线与EMS能量管理系统连接。
电力电子变压器将10kV高压交流电转换成750V直流电和380V低压交流电，构成高低压、交直流一体的混合微网系统，满足分布式发电系统、储能系统、DC/DC直流充电桩等灵活接入配电网需求。
调度中心传递下发上一级调度指令；监控平台跟踪整个微网充电系统内所有设备运行状态；所述EMS能量管理系统协调整个微网充电系统内所有设备的能量流动。
可再生能源发电系统出力较大时，EMS能量管理系统调度协调微网系统内各设备运行状态，此时所述储能系统充电储存能量，V2G模块给电动汽车充电，从而优先保证可再生能源发电系统出力，提高整个系统经济运行性。
可再生能源发电系统出力较小时，EMS能量管理系统调度协调微网系统内各设备运行状态，可再生能源发电系统和大电网共同为各充电设备和交直流负荷供电。
大电网故障断电，EMS能量管理系统调度微网系统内所述储能系统、V2G模块放电，为整个微网充电系统充电设备及负荷供电，提高了微网充电系统的供电可靠性。
如图2所示，电力电子变压器拓扑采用交流侧H桥级联，双主动桥(DAB)并联拓扑结构；所述电感L与10kV交流母线连接；所述H桥串联后与电感L和10kV交流母线连接；DAB原边侧与H桥连接；DAB副边侧并联构成基于电力电子变压器的交直流混合微网充电系统750V直流母线；逆变器直流侧与750V直流母线连接；逆变器交流侧构成基于电力电子变压器的交直流混合微网充电系统380V交流母线。
控制系统包括1个H桥控制器，1个DAB总控制器和n个DAB分控制器。
电力电子变压器输入级采用级联H桥结构，通过PWM控制使电压电流同相位实现高功率因数整流；此外，级联H桥结构拓扑降低了单个功率开关管承受的电压应力，降低了功率器件选型难度，提高了等效开关频率。
电力电子变压器隔离级采用双主动桥(DAB)并联拓扑结构，实现电气隔离、电压等级转换，提供直流母线，实现多类型可再生能源发电系统及储能系统直接并网，提高了整个微网充电系统的效率；同时可以接受EMS能量管理系统的调度，实现能量的双向流动，提高微网充电系统的经济可靠性。
如图3所示，H桥控制器根据直流链电压Udc和电压参考Udcref进行H桥电压外环PI运算，得到H桥电流内环参考IsA-ref和直流链各电容参考Uch-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
Figure BDA0002677466820000061
H桥电流内环参考IsA-ref和交流采样电流IsA进行H桥电流内环运算，得到调制电流幅值IsA-o，结合电压相位
Figure BDA0002677466820000062
生成交流调制信号ism，然后进行HPWM均衡调制生成H桥1～H桥n模块触发信号H1～Hn，可保持各H桥模块功率基本平衡。
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Uco-ref，与H桥控制器产生的电容电压参考Uch-ref求代数和后产生最终的直流链电容电压参考Uc-ref，发送给DAB1～DABn控制器。DAB1～DABn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Ic1-ref～Icn-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DAB1～n控制的移相角θ，从而控制各双主动桥DAB模块的功率。
系统启动过程中，H桥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，DAB控制器低压直流母线电压逐渐建立，由于此时H桥控制器产生的电容电压参考Uch-ref基本为零，DAB1～DABn模块电压外环运算控制参量Uc-ref以输出电压控制参量Uco-ref为主，可快速建立低压直流母线电压，同时由于各DAB该控制参量均相同，可保持直流链电容电压和DAB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，此时Uco-ref基本为零，各DAB1～DABn模块电压外环运算控制参量Uc-ref以直流链总电压控制参量Uch-ref为主，由于各DAB模块控制参量相同，可保持直流链电容电压和DAB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H桥和DAB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。
智能电网是未来电网发展的方向，即数字化、智能化、高安全性、高自愈性、高电能质量、高可再生能源接入；电力电子变压器融合现代电力电子技术、信号处理技术及现代控制理论等前沿技术，实现对电网内可再生能源发电系统、V2G模块、储能系统等调度控制，具有隔离故障和自我保护功能，在未来智能电网发展中充当能量路由和电能传输控制节点作用；随着电动汽车的普及和可再生能源发电渗透率的提高，基于电力电子变压器的交直流混合微网充电系统也将是智能电网未来发展方向之一。
实施例二
根据本发明实施例，提供了一种电力电子变压器的控制方法，包括：
根据直流链电压和电压参考值进行H桥电压外环PI运算，得到H桥电流内环参考值和直流链各电容参考值Uch-ref；
交流采样电流值与所述电流内环参考值进行H桥电流内环运算，得到调制电流幅值；
调制电流幅值结合交流电压相位生成交流调制信号，基于交流调制信号进行HPWM均衡调制生成各H桥触发信号，从而控制各H桥功率平衡；
每一个DAB分控制器基于对应电容的电压参考值和电容电压反馈值进行电压外环PI运算，得到每一个双主动桥的电流参考值；
每一个双主动桥的电流参考值与电流反馈值进行电流内环PI运算，得到每一个双主动桥的控制移相角θ，从而控制每一个双主动桥的功率。
其中，每一个DAB分控制器基于对应电容的电压参考值Uc-ref具体为：
由低压直流母线电压采样值和电压参考值进行电压外环PI运算，得到直流链各电容参考值Uco-ref；
直流链各电容参考值Uco-ref与由H桥控制器产生的对应电容电压参考值Uch-ref进行代数求和，得到最终的对应电容的电压参考值Uc-ref。
上述过程的具体实施方式参照实施例一中的介绍，此处不再赘述。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明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发明的保护范围以内。

Claims (11)

1.一种电力电子变压器，其特征在于，包括：
输入级为级联H桥结构，通过H桥控制器控制各H桥功率的平衡；具体过程包括：
根据直流链电压和电压参考值进行H桥电压外环PI运算，得到H桥电流内环参考值和直流链各电容参考值；
交流采样电流值与所述电流内环参考值进行H桥电流内环运算，得到调制电流幅值；
所述调制电流幅值结合交流电压相位生成交流调制信号，基于所述交流调制信号进行HPWM均衡调制生成各H桥触发信号，从而控制各H桥功率平衡；
隔离级为双主动桥并联结构，每一个双主动桥连接一个DAB分控制器，所有DAB分控制器连接DAB总控制器；
每一个H桥与双主动桥之间并联电容；每一个DAB分控制器基于对应电容的电压参考值、电容电压反馈值以及DAB输入电流反馈值进行双闭环PI运算，得到每一个双主动桥的控制移相角，从而控制每一个双主动桥的功率。
2.如权利要求1所述的一种电力电子变压器，其特征在于，所述级联H桥结构串联电感L后接入电网，每一个H桥结构两端并联电容；
每一个H桥结构两端与双主动桥DC/DC变换器的原边并联连接，双主动桥DC/DC变换器的副边并联连接后的输出作为直流母线，所述直流母线通过连接逆变器后的输出作为交流母线。
3.如权利要求2所述的一种电力电子变压器，其特征在于，所述逆变器为三相全桥逆变结构。
4.如权利要求1所述的一种电力电子变压器，其特征在于，所述对应电容的电压参考值Uc-ref具体为：
由低压直流母线电压采样值和电压参考值进行电压外环PI运算，得到直流链各电容参考值Uco-ref；
所述直流链各电容参考值Uco-ref与由H桥控制器产生的对应电容电压参考值Uch-ref进行代数求和，得到最终的对应电容的电压参考值Uc-ref。
5.如权利要求1所述的一种电力电子变压器，其特征在于，所述DAB总控制器将低压直流母线电压采样值与给定值的偏差经PI运算后给定到每一个DAB分控制器，作为每一个双主动桥的电压参考值。
6.如权利要求1所述的一种电力电子变压器，其特征在于，所述电力电子变压器拓扑具体包括：
若干串联连接的H桥结构，串联后的H桥结构串联电感L后接入电网，每一个H桥结构两端并联电容；
每一个H桥结构两端与双主动桥DC/DC变换器的原边并联连接，双主动桥DC/DC变换器的副边并联连接后的输出作为直流母线，所述直流母线通过连接逆变器后的输出作为交流母线。
7.一种基于电力电子变压器的交直流混合微网充电系统，其特征在于，包括：通过通信线连接的能量管理系统和权利要求1-6任一项所述的电力电子变压器，所述电力电子变压器通过直流母线连接直流负荷、可再生能源系统、V2G模块、储能系统以及DC/DC直流充电桩；所述电力电子变压器通过交流母线连接AC/AC交流充电桩和交流负荷。
8.如权利要求7所述的一种基于电力电子变压器的交直流混合微网充电系统，其特征在于，所述能量管理系统与调度中心和监控平台分别通信。
9.一种基于权利要求1-6任一所述的电力电子变压器的控制方法，其特征在于，包括：
根据直流链电压和电压参考值进行H桥电压外环PI运算，得到H桥电流内环参考值和直流链各电容参考值Uch-ref；
交流采样电流值与所述电流内环参考值进行H桥电流内环运算，得到调制电流幅值；
所述调制电流幅值结合交流电压相位生成交流调制信号，基于所述交流调制信号进行HPWM均衡调制生成各H桥触发信号，从而控制各H桥功率平衡。
10.如权利要求9所述的一种电力电子变压器的控制方法，其特征在于，还包括：
每一个DAB分控制器基于对应电容的电压参考值和电容电压反馈值进行电压外环PI运算，得到每一个双主动桥的电流参考值；
所述每一个双主动桥的电流参考值与电流反馈值进行电流内环PI运算，得到每一个双主动桥的控制移相角θ，从而控制每一个双主动桥的功率。
11.如权利要求9所述的一种电力电子变压器的控制方法，其特征在于，所述每一个DAB分控制器基于对应电容的电压参考值Uc-ref具体为：
由低压直流母线电压采样值和电压参考值进行电压外环PI运算，得到直流链各电容参考值Uco-ref；
所述直流链各电容参考值Uco-ref与由H桥控制器产生的对应电容电压参考值Uch-ref进行代数求和，得到最终的对应电容的电压参考值Uc-ref。
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