CN112564500B - 用于三有源桥电力电子变压器电压支撑的控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于三有源桥电力电子变压器电压支撑的控制方法及系统,该方法包括:以低压端口间的桥间移相角作为第一控制自由度,以保持低压端口的输出电压比值一定,使得任一侧的低压子网都能支撑另一侧低压子网的电压,实现低压子网间的互相电压支撑;以高压端口与低压一侧端口的桥间移相角作为第二控制自由度,以控制高压侧向低压侧的传输功率,实现高压侧直接或间接支撑低压侧电压稳定的控制目标。通过引入前馈补偿,提高系统动态响应性能。本发明方案不需要进行解耦,简化了控制的复杂度,另外低压侧在发生电压跌落时,高压直流母线和另一侧低压子网能同时对其进行电压支撑。
Description
技术领域
本发明涉及直流配用电技术领域,特别涉及一种用于三有源桥电力电子变压器电压支撑的控制方法及系统。
背景技术
直流配电网由于其效率高、易控制等优点而受到广泛关注,其中DC-DC电力电子变换器作为直流配电的关键设备,对直流配网的发展有重要的推动作用。三有源桥电力电子变压器具有电气隔离、功率双向流动、软开关易实现等优点,因此能在实现直流配网的高低压间电气隔离和电压变换中发挥重要作用。相较于双端口的变换器,三有源桥电力电子变压器同时互联多个不同电压等级子网,减少了互联所需的器件和变换环节,对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。
当使用移相控制的三有源桥电力电子变压器接入多电压等级的直流配网工作时,变压器的多个控制量之间存在耦合关系,当一个输出量受到扰动后,在控制量抑制扰动的过程中,受耦合作用其它输出量也会产生波动。因此往往需要进行解耦控制。传统的解耦控制策略可分为硬件解耦和软件解耦。硬件解耦通过在一侧支路中加入谐振电容,当开关频率在谐振频率附近时,等效Δ电路中相应一条支路的阻抗将近似断路,实现硬件上的解耦。硬件解耦不需要额外的计算量,但只能针对特定的使用场景进行解耦。软件解耦策略是在稳态工作点附近进行线性化处理,得到控制量和输出量的线性耦合关系后,通过解耦矩阵进行解耦。软件解耦在不同的工作点都需重新计算解耦矩阵,计算量较大。针对高压直流母线同时支撑两侧低压子网,低压子网互相支撑的应用场景,解耦策略下只有一个控制量作用,无法实现多电压等级互相支撑的控制目标。
发明内容
本发明提供了一种用于三有源桥电力电子变压器电压支撑的控制方法及系统,以解决现有技术无法实现多电压等级互相支撑的控制目标的技术问题。
为解决上述技术问题,本发明提供了如下技术方案:
一方面,本发明提供了一种用于三有源桥电力电子变压器电压支撑的控制方法,所述三有源桥电力电子变压器包括第一端口、第二端口、第三端口;其中,所述第一端口连接高压直流母线,所述第二端口和所述第三端口分别连接低压子网;所述用于三有源桥电力电子变压器电压支撑的控制方法包括:
获取第一端口的输入电信号以及所述第二端口和第三端口的输出电信号;
基于所述第二端口和第三端口的输出电信号,获取第二端口和第三端口间的桥间移相角,以所述第二端口和第三端口间的桥间移相角作为第一控制自由度,以保持所述第二端口和第三端口的输出电压比值一定,使得任一侧的低压子网都能支撑另一侧低压子网的电压,实现低压子网间的互相电压支撑;
基于所述第二端口和第三端口的输出电信号,获取所述第一端口与所述第二端口或所述第三端口间的桥间移相角,作为第二控制自由度,以控制高压侧向低压侧的传输功率,实现高压侧直接或间接支撑低压侧电压稳定的控制目标。
进一步地,所述获取第一端口的输入电信号以及所述第二端口和第三端口的输出电信号,包括:
获取所述第二端口的输出电压u2和第三端口的输出电压u3;
其中,所述基于所述第二端口和第三端口的输出电信号,获取第二端口和第三端口间的桥间移相角,包括:
其中,KP和KI分别为PI控制器的参数,M为预设的u2和u3的恒定比值。
进一步地,所述获取第一端口的输入电信号以及所述第二端口和第三端口的输出电信号,还包括:
获取所述第一端口的输入电压u1、所述第一端口的输入电流i1、所述第二端口的输出电流i2以及所述第三端口的输出电流i3;
其中,所述基于所述第二端口和第三端口的输出电信号,获取所述第一端口与所述第二端口或所述第三端口间的桥间移相角,包括:
将u2与第一设定电压值u2N做差,得到第一差值,将u3与第二设定电压值u3N做差,得到第二差值;所述第一差值通过PI控制器,得到第一桥间移相角;所述第二差值通过PI控制器,得到第二桥间移相角;
其中,Φ12表示经过u1、i1、u2、i2、u3、i3得到的前馈补偿。
进一步地,Φ12的计算公式为:
其中,X12=2πfsL12,X23=2πfsL23,fs为开关频率,L12和L23为Δ等效电路中相应支路折算后的电感,n12和n13分别表示变压器原副边匝数比。
另一方面,本发明还提供了一种用于三有源桥电力电子变压器电压支撑的控制系统,所述三有源桥电力电子变压器包括第一端口、第二端口、第三端口;其中,所述第一端口连接高压直流母线,所述第二端口和所述第三端口分别连接低压子网;所述用于三有源桥电力电子变压器电压支撑的控制系统包括:
输入输出电信号获取模块,用于获取第一端口的输入电信号以及所述第二端口和第三端口的输出电信号;
第一控制模块,用于基于所述输入输出电信号获取模块所获取的所述第二端口和第三端口的输出电信号,获取第二端口和第三端口间的桥间移相角,以所述第二端口和第三端口间的桥间移相角作为第一控制自由度,以保持所述第二端口和第三端口的输出电压比值一定,使得任一侧的低压子网都能支撑另一侧低压子网的电压,实现低压子网间的互相电压支撑;
第二控制模块,用于基于所述输入输出电信号获取模块所获取的所述第二端口和第三端口的输出电信号,获取所述第一端口与所述第二端口或所述第三端口间的桥间移相角,作为第二控制自由度,以控制高压侧向低压侧的传输功率,实现高压侧直接或间接支撑低压侧电压稳定的控制目标。
进一步地,所述输入输出电信号获取模块具体用于:
获取所述第二端口的输出电压u2和第三端口的输出电压u3;
其中,所述第一控制模块具体用于:
其中,KP和KI分别为PI控制器的参数,M为预设的u2和u3的恒定比值。
进一步地,所述输入输出电信号获取模块具体还用于:
获取所述第一端口的输入电压u1、所述第一端口的输入电流i1、所述第二端口的输出电流i2以及所述第三端口的输出电流i3;
其中,所述第二控制模块具体用于:
将u2与第一设定电压值u2N做差,得到第一差值,将u3与第二设定电压值u3N做差,得到第二差值;所述第一差值通过PI控制器,得到第一桥间移相角;所述第二差值通过PI控制器,得到第二桥间移相角;
其中,Φ12表示经过u1、i1、u2、i2、u3、i3得到的前馈补偿。
进一步地,Φ12的计算公式为:
其中,X12=2πfsL12,X23=2πfsL23,fs为开关频率,L12和L23为Δ等效电路中相应支路折算后的电感,n12和n13分别表示变压器原副边匝数比。
再一方面,本发明还提供了一种电子设备,其包括处理器和存储器;其中,存储器中存储有至少一条指令,所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。
又一方面,本发明还提供了一种计算机可读存储介质,所述存储介质中存储有至少一条指令,所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。
本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括:
1、本发明提出用于三有源桥电力电子变压器电压支撑的控制方法,使得高压直流母线能同时支撑两侧低压子网,同时低压子网之间能够互相支撑。当低压一侧发生电压跌落时,受恒变比控制下低压子网的互相支撑作用影响,另一低压侧能对其进行电压支撑;同时高压直流母线受电压控制策略影响,直接加强对电压跌落侧的支撑作用,以及通过另一低压侧以恒变比的方式间接地支撑跌落侧。该方法简洁易用,对多电压等级直流配电网的支撑作用较好。
2、本发明的方法不需要解耦控制,能根据低压侧的电压偏差自动切换对不同低压侧的电压支撑效果,简化了系统控制的复杂度。
3、本发明的方法通过引入输入、输出电压和输入、输出电流前馈补偿,提高了系统动态响应性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为三有源桥电力电子变压器拓扑结构示意图;
图2为本发明实施例提供的三有源桥电力电子变压器控制方法原理示意图;
图3为本发明实施例提供的用于三有源桥电力电子变压器电压支撑的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
第一实施例
本实施例提供了一种用于三有源桥电力电子变压器电压支撑的控制方法,在保持低压侧端口电压恒比例的基础上,能通过移相角直接或间接维持低压端口电压稳定,实现不解耦情况下各端口电压互相支撑的控制目标。
其中,三有源桥电力电子变压器主体结构如图1所示,其包括:原副边匝数比为1:n12:n13的三绕组隔离变压器T,三组由开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12构成的H桥和辅助电感L1、L2、L3,以及输入、输出直流母线电容C1、C2、C3。变压器三个端口相应编号为#1、#2、#3,端口#1连接高压直流母线,端口#2和端口#3分别连接低压子网。
三有源桥电力电子变压器的控制框架及恒变比控制策略为:对于一个全桥,驱动信号为占空比50%的方波,在一个开关周期内,上下桥臂交替导通,两个上桥臂交替导通,此时在全桥的桥臂中点将产生占空比为50%的方波电压。三个全桥驱动信号之间的相位差决定端口间功率流动的方向和大小,所以选定高压端口#1与低压端口#2的桥间移相角和低压端口间的桥间移相角为控制自由度。低压侧恒变比控制方法为控制端口#2输出电压u2和端口#3根据匝比折算后的输出电压Mu3之差恒为零,实现输出电压u2和u3之比恒为M的控制目标。其中M为低压端口#2和低压端口#3额定输出电压的比值。
在上述的三有源桥电力电子变压器的控制框架上,电压支撑控制策略同时考虑两侧电压偏差,控制等效如图2所示。在低压子网中同时存在分布式电源(DG)、储能系统(ESS)和负载(Load),若子网发生电压跌落且自身不足以恢复电压水平时,就需要来自高压直流母线和另一侧低压子网的电压支撑。在Δ等效电路中,恒变比控制使低压侧可等效为通过理想变压器连接,此时低压子网之间互相支撑;稳压控制策略通过高压直流母线维持低压侧输出电压的稳定,当一侧电压发生跌落后,高压直流母线首先对跌落侧的电压支撑作用加强,同时对于另一低压侧的支撑也加强,并通过恒变比控制间接支撑子网的跌落电压恢复。
基于上述的三有源桥电力电子变压器的控制框架,本实施例提供的用于三有源桥电力电子变压器电压支撑的控制方法以桥间移相角作为另一个控制自由度,控制器同时考虑端口#2和端口#3输出电压与设定值之差,通过直接或间接实现控制端口#2和端口#3输出电压稳定的控制目标。通过引入输入、输出电压和输入、输出电流前馈补偿的方法,提高系统动态响应能力。
具体地,如图3所示,本实施例提供的用于三有源桥电力电子变压器电压支撑的控制方法包括以下步骤:
S1,获取端口#1的输入电信号以及端口#2和端口#3的输出电信号。
具体地,在本实施例中,上述步骤包括:
S11,测量输入输出的电压电流信号;
S12,将采集到的信号通过低通滤波器后,分别得到端口#1的输入电压u1,端口#1的输入电流i1,端口#2的输出电压u2,端口#2的输出电流i2,端口#3的输出电压u3,端口#3的输出电流i3。
S2,基于端口#2和端口#3的输出电信号,获取端口#2和端口#3间的桥间移相角,以端口#2和端口#3间的桥间移相角作为第一控制自由度,以保持端口#2和端口#3的输出电压比值一定,使得任一侧的低压子网都能支撑另一侧低压子网的电压,实现低压子网间的互相电压支撑。
具体地,在本实施例中,上述步骤为:
S21,将端口#2输出电压u2和端口#3经变比折算后的输出电压Mu3做差,
S3,基于端口#2和端口#3的输出电信号,获取端口#1与端口#2或端口#3间的桥间移相角,作为第二控制自由度,以控制高压侧向低压侧的传输功率,实现高压侧直接或间接支撑低压侧电压稳定的控制目标。
具体地,在本实施例中,上述步骤为:
S31,将u2与u2N做差,得到第一差值,将u3与u3N做差,得到第二差值;
S32,第一差值和第二差值分别通过PI控制器(对应PI参数分别为KP1、KI1和KP2、KI2),得到第一桥间移相角和第二桥间移相角;
S35,根据传输功率等式:
可计算得到前馈补偿量Φ12为:
其中,X12=2πfsL12,X23=2πfsL23,fs为开关频率,L12和L23为折算后Δ等效电路中的电感。
综上,本实施例基于三有源桥电力电子变压器的移相控制结构,保持低压侧端口电压比值一定,使得任一侧的电源都能支撑另一侧电压,实现低压子网间的互相电压支撑。在此基础上,本实施例提出了一种高压侧支撑低压侧电压的控制方法,以高压与低压一侧端口间的桥间移相角为控制自由度,通过选择输出电压与设定值之差通过PI控制器后的较大者作为控制回路输出的方法,控制高压向低压侧的传输功率,实现高压侧直接或间接支撑低压侧电压稳定的控制目标。并通过引入输入、输出电压和输入、输出电流前馈补偿的方法,提高了系统动态响应性能。
通过本实施例的方法,当三端口电力电子变压器用于高压直流母线和两个低压子网互联时,在维持两个低压子网端口保证电压匹配的基础上,通过控制回路实现高压直流母线同时对两个低压子网的支撑作用。通过控制变压器的低压侧端口间的桥间移相角,来保持两个端口输出电压的比值一定,实现两个低压子网之间的双向电压支撑。同时,通过变压器高压侧和低压一侧端口间的桥间移相角,控制高压向低压侧的传输功率,维持低压子网电压稳定。
第二实施例
本实施例提供了一种用于三有源桥电力电子变压器电压支撑的控制系统,该用于三有源桥电力电子变压器电压支撑的控制系统包括:
输入输出电信号获取模块,用于获取端口#1的输入电信号以及端口#2和端口#3的输出电信号;
第一控制模块,用于基于所述输入输出电信号获取模块所获取的端口#2和端口#3的输出电信号,获取端口#2和端口#3间的桥间移相角,以端口#2和端口#3间的桥间移相角作为第一控制自由度,以保持所述端口#2和端口#3的输出电压比值一定,使得任一侧的低压子网都能支撑另一侧低压子网的电压,实现低压子网间的互相电压支撑;
第二控制模块,用于基于所述输入输出电信号获取模块所获取的端口#2和端口#3的输出电信号,获取端口#1与端口#2或端口#3间的桥间移相角,作为第二控制自由度,以控制高压侧向低压侧的传输功率,实现高压侧直接或间接支撑低压侧电压稳定的控制目标。
本实施例的用于三有源桥电力电子变压器电压支撑的控制系统与上述第一实施例的用于三有源桥电力电子变压器电压支撑的控制方法相对应;其中,本实施例的用于三有源桥电力电子变压器电压支撑的控制系统中的各功能模块所实现的功能与上述方法的中的各流程步骤一一对应;故,在此不再赘述。
第三实施例
本实施例提供一种电子设备,其包括处理器和存储器;其中,存储器中存储有至少一条指令,所述指令由处理器加载并执行,以实现第一实施例的方法。
该电子设备可因配置或性能不同而产生比较大的差异,可以包括一个或一个以上处理器(central processing units,CPU)和一个或一个以上的存储器,其中,存储器中存储有至少一条指令,所述指令由处理器加载并执行上述方法。
第四实施例
本实施例提供一种计算机可读存储介质,该存储介质中存储有至少一条指令,所述指令由处理器加载并执行,以实现上述第一实施例的方法。其中,该计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。其内存储的指令可由终端中的处理器加载并执行上述方法。
此外,需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
最后需要说明的是,以上所述是本发明优选实施方式,应当指出,尽管已描述了本发明优选实施例,但对于本技术领域的技术人员来说,一旦得知了本发明的基本创造性概念,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
Claims (4)
1.一种用于三有源桥电力电子变压器电压支撑的控制方法,所述三有源桥电力电子变压器包括第一端口、第二端口、第三端口;其中,所述第一端口连接高压直流母线,所述第二端口和所述第三端口分别连接低压子网;
其特征在于,所述用于三有源桥电力电子变压器电压支撑的控制方法包括:
获取第一端口的输入电信号以及所述第二端口和第三端口的输出电信号;
基于所述第二端口和第三端口的输出电信号,获取第二端口和第三端口间的桥间移相角,以所述第二端口和第三端口间的桥间移相角作为第一控制自由度,以保持所述第二端口和第三端口的输出电压比值一定,使得任一侧的低压子网都能支撑另一侧低压子网的电压,实现低压子网间的互相电压支撑;
基于所述第二端口和第三端口的输出电信号,获取所述第一端口与所述第二端口或所述第三端口间的桥间移相角,作为第二控制自由度,以控制高压侧向低压侧的传输功率,实现高压侧直接或间接支撑低压侧电压稳定的控制目标;
所述获取第一端口的输入电信号以及所述第二端口和第三端口的输出电信号,包括:
获取所述第二端口的输出电压u2和第三端口的输出电压u3;
其中,所述基于所述第二端口和第三端口的输出电信号,获取第二端口和第三端口间的桥间移相角,包括:
其中,KP和KI分别为PI控制器的参数,M为预设的u2和u3的恒定比值;
所述获取第一端口的输入电信号以及所述第二端口和第三端口的输出电信号,还包括:
获取所述第一端口的输入电压u1、所述第一端口的输入电流i1、所述第二端口的输出电流i2以及所述第三端口的输出电流i3;
其中,所述基于所述第二端口和第三端口的输出电信号,获取所述第一端口与所述第二端口或所述第三端口间的桥间移相角,包括:
将u2与第一设定电压值u2N做差,得到第一差值,将u3与第二设定电压值u3N做差,得到第二差值;所述第一差值通过PI控制器,得到第一桥间移相角;所述第二差值通过PI控制器,得到第二桥间移相角;
其中,Φ12表示经过u1、i1、u2、i2、u3、i3得到的前馈补偿。
3.一种用于三有源桥电力电子变压器电压支撑的控制系统,所述三有源桥电力电子变压器包括第一端口、第二端口、第三端口;其中,所述第一端口连接高压直流母线,所述第二端口和所述第三端口分别连接低压子网;
其特征在于,所述用于三有源桥电力电子变压器电压支撑的控制系统包括:
输入输出电信号获取模块,用于获取第一端口的输入电信号以及所述第二端口和第三端口的输出电信号;
第一控制模块,用于基于所述输入输出电信号获取模块所获取的所述第二端口和第三端口的输出电信号,获取第二端口和第三端口间的桥间移相角,以所述第二端口和第三端口间的桥间移相角作为第一控制自由度,以保持所述第二端口和第三端口的输出电压比值一定,使得任一侧的低压子网都能支撑另一侧低压子网的电压,实现低压子网间的互相电压支撑;
第二控制模块,用于基于所述输入输出电信号获取模块所获取的所述第二端口和第三端口的输出电信号,获取所述第一端口与所述第二端口或所述第三端口间的桥间移相角,作为第二控制自由度,以控制高压侧向低压侧的传输功率,实现高压侧直接或间接支撑低压侧电压稳定的控制目标;
所述输入输出电信号获取模块具体用于:
获取所述第二端口的输出电压u2和第三端口的输出电压u3;
其中,所述第一控制模块具体用于:
其中,KP和KI分别为PI控制器的参数,M为预设的u2和u3的恒定比值;
所述输入输出电信号获取模块具体还用于:
获取所述第一端口的输入电压u1、所述第一端口的输入电流i1、所述第二端口的输出电流i2以及所述第三端口的输出电流i3;
其中,所述第二控制模块具体用于:
将u2与第一设定电压值u2N做差,得到第一差值,将u3与第二设定电压值u3N做差,得到第二差值;所述第一差值通过PI控制器,得到第一桥间移相角;所述第二差值通过PI控制器,得到第二桥间移相角;
其中,Φ12表示经过u1、i1、u2、i2、u3、i3得到的前馈补偿。
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