CN112234828A - 一种多有源桥电力电子变压器及其软启动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及直流配用电技术领域，旨在提供一种多有源桥电力电子变压器及其软启动方法。是利用辅助电源和软启动策略对输出侧端口电容进行预充电，使得端口电压基本达到额定值，然后在辅助电源的切除和分布式电源的接入的过程中，通过控制模式的切换实现变压器平滑进入稳态控制模式。在多模式控制策略中有三个自由度，分别控制高压端口向中低压端口的传输功率的大小和方向。本发明能在保证端口电压稳定启动的同时，从高压侧实行的预充电成功限制电感电流峰值的大小，避免系统冲击电流的出现。多种控制模式均只需采用PI控制器，控制方法简单，能够保证模式切换后输出的连续性。

Description

一种多有源桥电力电子变压器及其软启动方法
技术领域
本发明涉及一种多有源桥电力电子变压器及其软启动方法，属于直流配用电技术领域。
背景技术
直流配电网由于其高效性、可控性等优点而逐渐受到广泛关注。其中，多电压等级直流配电网可以兼容不同电压等级的分布式源储与负荷，有利于进一步发挥直流配电网的优势。
多电压等级直流配电网包含多个不同电压等级的直流母线，通常通过DC/DC电力电子变压器变换电压来实现多电压等级的互联。目前，DC/DC电力电子变压器可分为隔离型和非隔离型，其中隔离型DC/DC电力电子变压器因具有电气隔离、可靠性高而被广泛应用。相较于传统的两端口隔离型DC/DC变换器，基于多绕组变压器的多有源桥电力电子变压器可减少互联所需的器件和变换环节，有利于提高电力电子变压器的功率密度和传输效率，具有重要的应用意义。
多有源桥电力电子变压器由于初始状态下输出侧端口电压为零，输出侧端口的稳压电容可认为短路状态，因而在启动时系统中会出现较大的冲击电流。为解决此问题，现有的软启动策略通过在硬件上增加辅助电路或者软件上设置多阶段的启动过程，来实现对端口并联电容的预充电，从而避免了冲击电流的出现。上述的软启动策略研究主要针对双有源桥电力电子变压器从高压侧启动的情况，而多有源桥电力电子变压器由于存在端口耦合，因此在启动过程中限制电流的问题更为复杂，相应的启动策略研究较少。如果是低压侧支撑高压侧控制模式，现有方法也是从低压侧开始启动充电，导致电容电流过大。针对这一问题，本发明提出了一种多有源桥电力电子变压器及其软启动方法,通过多模式的切换解决低压侧支撑高压侧时的电流冲击问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种多有源桥电力电子变压器及其软启动方法，是通过辅助电源和多控制模式切换实现电感电流峰值受限的软启动过程。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种多有源桥电力电子变压器，包括三绕组变压器和三组由开关管构成的H桥；三绕组变压器中的高压绕组、中压绕组和低压绕组分别通过电感串接一组H桥，各H桥的输出端口分别并联一个端口稳压电容；其中，高压绕组的输出端口处还并联一个辅助电源，且在该并联支路上设开关；低压绕组的输出端口接至分布式电源，在该连接线路上串联有开关。
本发明进一步提供了基于前述多有源桥电力电子变压器的软启动方法，包括步骤：
(1)高压绕组、中压绕组和低压绕组的输出端口分别为高压端口、中压端口和低压端口；在初始状态下，高压端口处的辅助电源处于接入状态，低压端口处的分布式电源处于切除状态，中压端口和低压端口的电压为零；
启动电压控制模式，从高压侧向低压侧的两个端口稳压电容进行预充电；通过PI控制器对中压端口和低压端口进行电压控制，使端口电压跟踪电压设定值；在启动后，使电压设定值线性地从零增大至端口电压的额定值，同时高压端口的桥内移相角从π线性减小至零；在高压端口向中压端口和低压端口处的端口稳压电容预充电的过程中，中压端口和低压端口处的端口电压稳定上升至额定值，串联在H桥与变压器绕组之间的电感上的电流峰值从零增大，并在经过一定超调之后减小至稳态值；
(2)当中压端口和低压端口的端口电压达到额定值后，使中压端口一直维持在电压控制模式不变，保持输出电压的稳定；
将低压端口切换至开环运行模式，控制低压端口电压的自由度保持步骤(1)中的输出值；由于低压端口的控制已经达到稳态，切换开环模式后系统将运行在稳态工作点附近，此时低压端口电压保持在额定值附近且未锁死；在接入分布式电源后，低压端口电压得到支撑；
(3)切换至功率控制模式，控制低压端口向高压端口的输送功率；在已知高压端口处负荷的情况下，控制输入功率和负荷消纳的平衡；在切除高压端口处的辅助电源后，由于输入功率与消耗功率平衡，高压端口的电压也会维持在额定值附近；
(4)切换至电压控制模式，通过PI闭环控制，使高压端口电压保持在额定值。
本发明中，在所述步骤(2)中，当中压端口和低压端口的端口电压达到额定值后，通过控制高压端口与中压端口之间的桥间移相角保持输出电压的稳定；在开环模式下，保持高压端口与低压端口之间的桥间移相角不变。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提出的多有源桥电力电子变压器软启动方法，是针对多端口电力电子变压器支撑电源在低压侧的情况；能在保证端口电压稳定启动的同时，从高压侧实行的预充电成功限制电感电流峰值的大小，避免系统冲击电流的出现。
(2)该方法的多种控制模式均只需采用PI控制器，控制方法简单。且在控制模式切换时，相关量会折算到下一模式PI控制器的积分量中，能够保证模式切换后输出的连续性。
附图说明
图1为多有源桥电力电子变压器软启动电路拓扑示意图；
图2为多有源桥电力电子变压器控制结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
考虑图1所示的多有源桥电力电子变压器拓扑。变压器的主体包括：三绕组变压器和串联在变压器与H桥之间的电感L1、L2、L3；三组H桥(开关管S1到S12)和端口稳压电容C1、C2、C3。三个绕组分别通过电感串接一组H桥，各H桥的输出端口分别并联一个端口稳压电容。
三个H桥输出端口的编号分别为#1到#3，其中：端口#1称为高压端口，额定电压为750V，额定功率20kW；端口#2称为中压端口，额定电压为650V，额定功率10kW；端口#3称为低压端口，额定电压为375V，额定功率10kW。此外，端口#1连接750V/20kW标准负荷R，同时并联750V辅助电源E1，并联支路上有开关；端口#3连接375V分布式电源E2，连接线路上串联有开关。
本发明所述多有源桥电力电子变压器的软启动方法，是利用辅助电源和软启动策略对输出侧端口电容进行预充电，使得端口电压基本达到额定值，然后在辅助电源的切除和分布式电源的接入的过程中，通过控制模式的切换实现变压器平滑进入稳态控制模式。在多模式控制策略中有三个自由度，端口#1处H桥的桥内移相角φ作为一个自由度，桥内移相角的线性减小可等效为端口#1侧输入电压的线性增大；端口#1与端口#2和端口#3之间的桥间移相角
Figure BDA0002688074510000031
和
Figure BDA0002688074510000032
作为另外的两个自由度，分别控制端口#1向端口#2和端口#3传输功率的大小和方向。
针对上述拓扑的多有源桥电力电子变压器，其软启动方法包括下述步骤：
(1)通过电压控制模式，从高压侧向低压侧端口电容进行预充电。初始状态，端口#1处750V辅助电源处于接入状态，端口#3处分布式电源处于切除状态，端口#2和端口#3电压为零。启动电压控制模式，对端口#2和端口#3的电压采样后构成闭环控制。启动过程中电压设定值u2ref和u3ref从零线性增大至额定值，通过PI控制器使端口电压u2和u3跟踪设定值，最终上升至电压额定值。
同时，端口#1的桥内移相角φ在启动后随电压设定值同步从π线性减小至零。桥内移相角的线性减小可等效为端口#1侧输入电源的线性增大，因而预充电的过程中，电感上的电流峰值开始从零增大，避免了启动时冲击电流的出现。启动过程中电流峰值有一定超调之后减小至稳态值，从高压侧预充电的超调相对比从低压侧预充电的要小，因此限制了电感上电流峰值的大小。
(2)端口#2和端口#3的电压达到额定值后，端口#2维持电压控制模式不变，通过控制
Figure BDA0002688074510000041
保持输出电压的稳定，端口#3切换至开环运行模式。开环模式下，PI控制器采用上一阶段电压控制模式在切换时刻的输出值，并维持不变，即保持端口#1与端口#3之间的桥间移相角
Figure BDA0002688074510000042
不变。由于端口#3电压在电压控制模式下已经达到稳态，切换开环模式后将运行在稳态工作点附近，此时端口#3的电压在额定值左右且电压未锁死，可将375V分布式电源接入。接入后端口#3电压得到支撑。
(3)对于桥间移相角
Figure BDA0002688074510000043
的控制切换至功率控制模式，采样端口#3处电压电流后构成功率闭环控制，通过PI控制器控制端口#3向端口#1的灌输功率。且对功率控制模式中PI控制器的积分器进行折算，保证模式切换后
Figure BDA0002688074510000044
变化的平滑性。在端口#1处负荷已知的情况下，控制输出功率和负荷消纳的平衡，在切除750V辅助电源后，端口#1的电压会维持在额定值附近。
(4)对于桥间移相角
Figure BDA0002688074510000045
切换至电压控制模式，将功率控制模式在切换时刻的
Figure BDA0002688074510000046
值折算到电压控制模式的积分器中，使得
Figure BDA0002688074510000047
平滑变换。将端口#1电压采样后与额定值比较，构成电压闭环控制，通过PI控制器维持端口#1电压在额定值。
通过上述步骤，可以使得该多有源桥电力电子变压器工作在额定工况，即支撑电源在低压侧，负荷连接在高压侧，各端口保持额定电压输出。并且启动过程中的电感电流峰值得到限制，实现了变压器的软启动。
需要说明的是，实施例中所示例的三端口的电压等级和额定功率数据是一个典型设计数据，其他电压等级和功率的设计也适合本发明方法，也是本发明的保护范围。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种多有源桥电力电子变压器，包括三绕组变压器和三组由开关管构成的H桥；其特征在于，三绕组变压器中的高压绕组、中压绕组和低压绕组分别通过电感串接一组H桥，各H桥的输出端口分别并联一个端口稳压电容；其中，高压绕组的输出端口处还并联一个辅助电源，且在该并联支路上设开关；低压绕组的输出端口接至分布式电源，在该连接线路上串联有开关。
2.基于权利要求1所述多有源桥电力电子变压器的软启动方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)高压绕组、中压绕组和低压绕组的输出端口分别为高压端口、中压端口和低压端口；在初始状态下，高压端口处的辅助电源处于接入状态，低压端口处的分布式电源处于切除状态，中压端口和低压端口的电压为零；
启动电压控制模式，从高压侧向低压侧的两个端口稳压电容进行预充电；通过PI控制器对中压端口和低压端口进行电压控制，使端口电压跟踪电压设定值；在启动后，使电压设定值线性地从零增大至端口电压的额定值，同时高压端口的桥内移相角从π线性减小至零；在高压端口向中压端口和低压端口处的端口稳压电容预充电的过程中，中压端口和低压端口处的端口电压稳定上升至额定值，串联在H桥与变压器绕组之间的电感上的电流峰值从零增大，并在经过一定超调之后减小至稳态值；
(2)当中压端口和低压端口的端口电压达到额定值后，使中压端口一直维持在电压控制模式不变，保持输出电压的稳定；
将低压端口切换至开环运行模式，控制低压端口电压的自由度并保持步骤(1)中的输出值；由于低压端口的控制已经达到稳态，切换开环模式后系统将运行在稳态工作点附近，此时低压端口电压保持在额定值附近且未锁死；在接入分布式电源后，低压端口电压得到支撑；
(3)切换至功率控制模式，控制低压端口向高压端口的输送功率；在已知高压端口处负荷的情况下，控制输入功率和负荷消纳的平衡；在切除高压端口处的辅助电源后，由于输入功率与消耗功率平衡，高压端口的电压也会维持在额定值附近；
(4)切换至电压控制模式，通过PI闭环控制，使高压端口电压保持在额定值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，当中压端口和低压端口的端口电压达到额定值后，通过控制高压端口与中压端口之间的桥间移相角保持输出电压的稳定；在开环模式下，保持高压端口与低压端口之间的桥间移相角不变。
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