CN112398349B - 交直流互联隔离型双向dc-ac变换器及其双向分担控制方法 - Google Patents

交直流互联隔离型双向dc-ac变换器及其双向分担控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力电子领域，旨在提供一种交直流互联隔离型双向DC‑AC变换器及其双向分担控制方法。该DC‑AC变换器由DC‑DC模块和DC‑AC模块相连而成；前者包括隔离变压器、两组由四个开关管组成的原副边H桥、两个端口稳压电容，以及谐振电感；后者包括由六开关管组成的三相半桥变流器、端口稳压电容，以及滤波电感。本发明将整个隔离型两级式DC‑AC变换器看作整个模块，主要采集两端口的电信号；采集信号简单，模块化程度高，易于封装。本发明首先对DC‑DC模块进行恒定变比控制，使其表现出直流变压器的特性。在此基础上再通过两级式变换器两端口的电力测量信号控制DC‑AC模块的控制，从而使得整个变换器具有双向功率分担功能。

Description

交直流互联隔离型双向DC-AC变换器及其双向分担控制方法
技术领域
本发明涉及一种交直流电网互联隔离型双级式DC-AC双向变换器及其模块化双向分担控制方法，属于电力电子领域。
背景技术
能源是当今社会经济发展的强劲动力，而电能是众多一次能源转化后的一种重要二次能源消费形式。由于传统化石能源日益枯竭以及其对环境产生的不利影响，以太阳能、风能和潮汐能等为代表的可再生清洁能源目前受到越来越多的关注。与传统化石能源集中发电、单向输配电不同，可再生能源通常通过分布式发电的方式在近负荷端提供更灵活、高效的电能。
分布式发电大多呈现直流特性，例如光伏和储能本身就是直流电源，风机和柴油发电机等交流电源通常也需要中间的直流环节来匹配传统交流大电网的频率。所以交流电力系统在接纳直流型分布式电源上转换效率低、投资成本大，不具备相应的优势。此外在负荷侧，现代负荷中直流负荷的比例不断提升，LED灯、电子设备(如电脑、显示器等)、数据中心、电动汽车、变频驱动等都是直流供电设备，采用交流系统供电时需要额外的AC/DC环节，这同样增加了系统投资，降低了系统转换效率。所以发展直流供电技术，能够有效提高系统效率。但是目前的配网侧依然是以交流供电模式为主，单独地发展直流网不太现实。同时也要考虑到，系统中仍有大量的交流负荷，所以交直流共存、协调发展将会是未来配电网的发展趋势。
因此，为了提高可再生能源的利用并适应多种交直流负荷的使用，交直流混合微网逐渐发展，交流子网和直流子网之间连接的变流器拓扑及控制也引起了学术和工业界的关注。目前最常采用的是单级式DC-AC变换器，该变换器不具备电流隔离功能，且由于调制比的要求对直流子网电压提出了较高的限制。
目前公开文献中还没有隔离型两级式DC-AC变换器的应用，也没有使用隔离型两级式DC-AC变换器连接的交直流微网提出针对性的调节技术，用以实现电流隔离及适配电压。
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，提出了一种交直流互联隔离型双向DC-AC变换器及其双向分担控制方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种交直流互联隔离型双向DC-AC变换器，其两端分别连接交流子网和直流子网；该DC-AC变换器具有两级式结构，是由DC-DC模块和DC-AC模块相连而成；
所述DC-DC模块包括：原副边匝数比为n∶1的隔离变压器、分别位于隔离变压器两侧的由四个开关管组成的原副边H桥、分别连接原副边H桥的两个端口稳压电容，以及一个连接隔离变压器的谐振电感；
所述DC-AC模块包括：由六开关管组成的三相半桥变流器、连接DC-DC模块的端口稳压电容，以及连接交流子网的滤波电感。
本发明进一步提供了基于前述交直流互联隔离型双向DC-AC变换器的双向分担控制方法，是使用隔离型两级式DC-AC变换器连接混合微网中的交流子网和直流子网，并利用DC-DC模块实现电流隔离和电压适配，利用DC-AC模块实现双向功率分担和流动；该控制方法包括以下内容：
(1)以DC-DC模块中的隔离变压器实现隔离功能；
(2)根据交流子网和直流子网的电压等级选取合适的调制比，计算DC-DC模块作为直流变压器的控制变比；通过控制DC-DC变比恒定，实现不同电压等级的交流子网和直流子网的电压适配；
(3)采集DC-AC变换器两个端口的电信号，包括直流子网的电压值和交流子网的频率值；由于电压值和频率值是异质量，对其分别进行标幺化；标幺后的电压值和频率值经PI控制器后作为DC-AC模块控制器外环，进而控制DC-AC模块使其具有双向功率分担和流动的功能。
由于DC-DC模块的控制无方向性，因而无需切换整个隔离型两级式DC-AC变换器的控制方法，即可实现交直流子网的互相支撑以及功率双向流动。
本发明中，对于DC-AC模块中三相半桥变流器的三相桥臂，施加频率和幅值相等而相位互差120度的三相对称正弦波调制信号进行控制。
本发明中，所述控制方法具体包括：
(1)确定交流子网和直流子网的大致电压等级，根据电压等级以及调制要求估算DC-DC模块作为直流变压器的控制变比rref；
例如，为了实现200V电压等级的直流子网和380V电压等级的交流子网之间的互联，由于调制比一般需要大于2.34，因此可以选择将DC-DC模块控制为1:5的直流变压器。如果将200V电压等级的直流子网抬升至1000V用于实现满足调制要求的交流子网与直流子网互联，此时DC-DC模块作为直流变压器的控制变比为5。
(2)采集DC-DC模块两端的电压，分别为直流子网电压vdc和模块内电压vmatch；
计算两者的比值为：
Figure GDA0003188427130000031
将rref与r的差值经过PI控制器给出移相角信号用于控制DC-DC模块；将DC-DC模块控制为理想直流变压器特性，实现电流隔离和电压适配；
DC-DC模块相移信号获取公式如下：
Figure GDA0003188427130000032
其中KdcP，KdcI为DC-DC模块的PI控制环参数，s为拉普拉斯算子；
(3)测量交流子网的频率信号fac；
由于频率信号fac与直流子网电压vdc为异质量，为了将两者带入控制环路，分别进行标幺化处理：
Figure GDA0003188427130000033
Figure GDA0003188427130000034
fac-pu，vdc-pu为标幺化后的频率值和电压值，fac-max，fac-min为交流子网最大频率和最小频率，vdc-max，vdc-min为直流子网最高电压和最低电压；
采集交流端口三相电流信号为iabc，对其进行abc/dq变换后分别为d轴电流id和q轴电流iq；为了实现单位功率因数控制，将q轴电流参考值
Figure GDA0003188427130000035
设为0；
将标幺后的电压值和频率值经PI控制器后给定d轴电流参考值
Figure GDA0003188427130000036
DC-AC模块的调制信号dd，dq分别由电流环经PI给定：
Figure GDA0003188427130000037
Figure GDA0003188427130000038
Figure GDA0003188427130000039
其中KvfP，KvfI为外环PI控制参数，KidP，KidI为d轴电流PI控制参数，KiqP，KiqI为q轴电流PI控制参数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明将整个隔离型两级式DC-AC变换器看作整个模块，主要采集隔离型两级式DC-AC变换器两端口的电信号；采集信号简单，模块化程度高，易于封装。
(2)本发明首先对于隔离型两级式DC-AC变换器中的DC-DC模块进行恒定变比控制，使其表现出直流变压器的特性。在此基础上，再通过两级式变换器两端口的电力测量信号控制DC-AC模块的控制，从而使得整个变换器具有双向功率分担功能。
附图说明
图1为基于隔离型两级式DC-AC变换器的交直流微网拓扑图；
图2为模块化的双向分担控制方式原理图；
图3为采用所提控制方法的系统频率图；
图4位采用所提控制方法的中间级电压图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
结合图1基于交直流互联隔离型双向DC-AC变换器的交直流微网拓扑图，交流子网和直流子网通过隔离型的两级式DC-AC变换器进行连接，该两级式变换器由相连的DC-DC模块和DC-AC模块构成。其中，DC-DC模块包括：原副边匝数比为n∶1的隔离变压器、分别位于隔离变压器两侧的由四个开关管组成的原副边H桥、分别连接原副边H桥的两个端口稳压电容，以及一个连接隔离变压器的谐振电感；DC-AC模块包括：由六开关管组成的三相半桥变流器、连接DC-DC模块的端口稳压电容，以及连接交流子网的滤波电感。对于DC-AC模块中三相半桥变流器的三相桥臂，施加频率和幅值相等而相位互差120度的三相对称正弦波调制信号进行控制。
图2为模块化的双向分担控制方式(上图为DC-DC模块的原理图，下图为DC-AC模块的原理图)。
基于隔离型双向DC-AC变换器的交直流微网模块化双向分担的控制方法，是使用隔离型两级式DC-AC变换器连接混合微网中的交流子网和直流子网，并利用DC-DC模块实现电流隔离和电压适配，利用DC-AC模块实现双向功率分担和流动；该控制方法包括以下内容：
(1)以DC-DC模块中的隔离变压器实现隔离功能；
(2)根据交流子网和直流子网的电压等级选取合适的调制比，计算DC-DC模块作为直流变压器的控制变比；通过控制DC-DC变比恒定，实现不同电压等级的交流子网和直流子网的电压适配；
(3)采集DC-AC变换器两个端口的电信号，包括直流子网的电压值和交流子网的频率值；由于电压值和频率值是异质量，对其分别进行标幺化；标幺后的电压值和频率值经PI控制器后作为DC-AC模块控制器外环，进而控制DC-AC模块使其具有双向功率分担和流动的功能。
具体应用示例如下：
(1)首先根据交直流子网电压水平确定DC-DC模块控制变比rref；以常见的200V直流电压水平和380V交流电压水平为例，为了满足2.34倍的调制比要求并留有一定裕度，设定DC-DC模块变比为5，因此可以将200V直流电压在模块中抬升到1000V，一方面实现隔离要求，一方面满足电压幅值适配。
(2)通过采样获得直流子网电压vdc和模块内电压vmatch，计算两者的比值为r。
Figure GDA0003188427130000051
将rref与r的差值经过PI控制器给出移相角信号控制DC-DC模块，这样可以将DC-DC模块控制为理想直流变压器特性，从而实现隔离和电压适配的功能。DC-DC模块相移信号获取公式如下。
Figure GDA0003188427130000052
其中KdcP，KdcI为DC-DC模块PI控制环参数，s为拉普拉斯算子；
(3)DC-AC模块主要测量两级式变流器两端的电力信号，测量直流子网电压为vdc，检测交流子网电压信号为vg，交流电压信号经过锁相环后可以检测出交流侧的相角θ和交流子网频率信号fac。由于频率信号fac与直流子网电压vdc为异质量，不能直接用于控制，因此首先进行标幺化处理，处理方法如下。
Figure GDA0003188427130000053
Figure GDA0003188427130000054
其中fac-pu，vdc-pu为标幺化后的频率值和电压值，fac-max，fac-min为交流子网最大频率和最小频率，vdc-max，vdc-min为直流子网最高电压和最低电压。
测量交流子网端口电流信号iabc，结合锁相环得到的相角信号对其进行abc/dq变换得到d轴和q轴电流分别为id和iq。为了实现单位功率因数控制，q轴电流参考值
Figure GDA0003188427130000055
设为0。标幺化后的直流电压和交流频率信号经过PI控制器后给定d轴电流参考值
Figure GDA0003188427130000061
DC-AC模块的调制信号dd，dq分别由电流环经PI给定：
Figure GDA0003188427130000062
Figure GDA0003188427130000063
Figure GDA0003188427130000064
其中KvfP，KvfI为外环PI控制参数，KidP，KidI为d轴电流PI控制参数，KiqP，KiqI为q轴电流PI控制参数。
图3为采用该控制方式下交流子网频率，图4为中间级直流电压，可以看出系统均工作在允许范围内，控制效果良好。

Claims (3)

1.一种交直流互联隔离型双向DC-AC变换器的双向分担控制方法，其特征在于，该方法是基于下述交直流互联隔离型双向DC-AC变换器实现的：
该DC-AC变换器具有两级式结构，是由DC-DC模块和DC-AC模块相连而成；所述DC-DC模块包括：原副边匝数比为n∶1的隔离变压器、分别位于隔离变压器两侧的由四个开关管组成的原副边H桥、分别连接原副边H桥的两个端口稳压电容，以及一个连接隔离变压器的谐振电感；所述DC-AC模块包括：由六开关管组成的三相半桥变流器、连接DC-DC模块的端口稳压电容，以及连接交流子网的滤波电感；
所述双向分担控制方法，是使用隔离型两级式DC-AC变换器连接混合微网中的交流子网和直流子网，并利用DC-DC模块实现电流隔离和电压适配，利用DC-AC模块实现双向功率分担和流动；该控制方法具体包括以下内容：
(1)以DC-DC模块中的隔离变压器实现隔离功能；
(2)根据交流子网和直流子网的电压等级选取合适的调制比，计算DC-DC模块作为直流变压器的控制变比；通过控制DC-DC变比恒定，实现不同电压等级的交流子网和直流子网的电压适配；
(3)采集DC-AC变换器两个端口的电信号，包括直流子网的电压值和交流子网的频率值；由于电压值和频率值是异质量，对其分别进行标幺化；标幺后的电压值和频率值经PI控制器后作为DC-AC模块控制器外环，进而控制DC-AC模块使其具有双向功率分担和流动的功能。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于DC-AC模块中三相半桥变流器的三相桥臂，施加频率和幅值相等而相位互差120度的三相对称正弦波调制信号进行控制。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制方法具体包括：
(1)确定交流子网和直流子网的大致电压等级，根据电压等级以及调制要求估算DC-DC模块作为直流变压器的控制变比rref；
(2)采集DC-DC模块两端的电压，分别为直流子网电压vdc和模块内电压vmatch；
计算两者的比值为：
Figure FDA0003188427120000011
将rref与r的差值经过PI控制器给出移相角信号用于控制DC-DC模块；将DC-DC模块控制为理想直流变压器特性，实现电流隔离和电压适配；
DC-DC模块相移信号获取公式如下：
Figure FDA0003188427120000012
其中KdcP，KdcI为DC-DC模块的PI控制环参数，s为拉普拉斯算子；
(3)测量交流子网的频率信号fac；
由于频率信号fac与直流子网电压vdc为异质量，为了将两者带入控制环路，分别进行标幺化处理：
Figure FDA0003188427120000021
Figure FDA0003188427120000022
fac-pu，vdc-pu为标幺化后的频率值和电压值，fac-max，fac-min为交流子网最大频率和最小频率，vdc-max，vdc-min为直流子网最高电压和最低电压；
采集交流端口三相电流信号为iabc，对其进行abc/dq变换后分别为d轴电流id和q轴电流iq；为了实现单位功率因数控制，将q轴电流参考值
Figure FDA0003188427120000023
设为0；
将标幺后的电压值和频率值经PI控制器后给定d轴电流参考值
Figure FDA0003188427120000024
DC-AC模块的调制信号dd，dq分别由电流环经PI给定：
Figure FDA0003188427120000025
Figure FDA0003188427120000026
Figure FDA0003188427120000027
其中KvfP，KvfI为外环PI控制参数，KidP，KidI为d轴电流PI控制参数，KiqP，KiqI为q轴电流PI控制参数。
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