CN112653334A - 一种基于复合频率控制的直流变压器的快速软充电方法 - Google Patents

一种基于复合频率控制的直流变压器的快速软充电方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112653334A
CN112653334A CN202011540995.2A CN202011540995A CN112653334A CN 112653334 A CN112653334 A CN 112653334A CN 202011540995 A CN202011540995 A CN 202011540995A CN 112653334 A CN112653334 A CN 112653334A
Authority
CN
China
Prior art keywords
current
charging
primary side
frequency control
ref
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202011540995.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112653334B (zh
Inventor
季振东
张锦涛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Science and Technology
Original Assignee
Nanjing University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Science and Technology filed Critical Nanjing University of Science and Technology
Priority to CN202011540995.2A priority Critical patent/CN112653334B/zh
Publication of CN112653334A publication Critical patent/CN112653334A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112653334B publication Critical patent/CN112653334B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/3353—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having at least two simultaneously operating switches on the input side, e.g. "double forward" or "double (switched) flyback" converter
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/088—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/34—Snubber circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/36—Means for starting or stopping converters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于复合频率控制的直流变压器的快速软充电方法,属于大功率电力电子技术领域，本发明具体分为以下两个阶段：(1)原边侧不控充电阶段：该阶段对子模块进行脉冲封锁，电流流经限流电阻与开关器件的反并联二极管为电容充电；(2)混合充电阶段：该阶段基于基于复合频率控制，原边侧子模块可控充电与副边侧全桥输出电容不控充电同时进行。本发明一定程度上减小了模块化多电平直流变压器启动过程中的冲击电流，降低了中间级变压器的绝缘设计要求与拓扑元件的电流应力，保证电路的安全启动。

Description

一种基于复合频率控制的直流变压器的快速软充电方法
技术领域
本发明涉及基于复合频率控制的直流变压器的快速软充电方法，属于大功率电力电子技术领域。
背景技术
为了应对地球环境问题与实现可持续发展的目标，可再生能源的开发利用受到全球各个国家的广泛关注。可再生能源固有的间歇性往往引起供能稳定性的问题，通常需要与蓄电池、超级电容等储能装置结合使用。模块化多电平直流变压器具有功率双向流动、输入输出隔离与高电压等级等优点适用于可再生能源与储能装置的互联。
模块化多电平直流变压器在启动瞬间将产生非常大的冲击电流，增加了中间级变压器绝缘设计的复杂度，同时降低电路元件的使用寿命，对系统正常运行造成不利影响。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于复合频率控制的直流变压器的快速软充电方法，解决了减小启动瞬间的冲击电流，保证中间级变压器与电路元件的安全有效运行的问题。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
本发明所述的一种基于复合频率控制的直流变压器的快速软充电方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：原边侧不控充电；
步骤2：混合充电。
进一步，在所述步骤1中，具体包括以下步骤：
步骤1.1：对原边侧子模块与副边侧全桥开关器件实施脉冲封锁；
步骤1.2：操作限流电阻控制阀门，将其投入至电路，原边侧子模块电容与直流源、限流电阻与开关器件的反并联二极管构成不控充电系统；
步骤1.3：原边侧子模块电容电压充电至额定值的一半，操作限流电阻控制阀门，将其旁路出电路，不控充电阶段结束。
进一步，在所述步骤2中，具体包括以下步骤：
步骤2.1：解除原边侧子模块开关器件的脉冲封锁，副边侧全桥开关器件仍实施脉冲封锁；
步骤2.2：原边侧充电采用双闭环控制，采样原边侧所有桥臂子模块电容电压值计算其平均值得Vavg，将其与参考值Vref作差后将误差信号送入电压外环PI控制器，输出共模电流参考值icm_ref；
步骤2.3：采样原边侧上桥臂电流ip与下桥臂电流in，计算桥臂共模电流icm与共模电流参考值icm_ref作差后将误差信号送入电流内环PI控制器，输出直流控制量mdc_ref；
步骤2.4：副边侧充电采用变步长控制，每个周期采样交流电流峰值ipeak，与给定值Imax作差后将误差信号送入PI控制器，输出内移相角
Figure BDA0002854866710000024
的周期变化步长
Figure BDA0002854866710000021
步骤2.5：利用延时模块计算每个周期
Figure BDA0002854866710000022
的累加值得到本周期
Figure BDA0002854866710000023
值，送入内移相控制模块，输出中频控制量mmf_ref；
步骤2.6：直流控制量mdc_ref与中频控制量mmf_ref叠加生成复合频率控制量，送入载波移相调制模块，与三角载波比较后生成原边侧子模块开关器件的驱动脉冲，原边侧可控充电与副边侧不控充电同时进行；
步骤2.7：原边侧子模块电容与副边侧输出电容充电至额定值后，混合充电阶段结束。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
(1)本发明基于复合频率控制，对原边侧子模块电容与副边侧输出电容进行同时充电，加快了系统的启动速度；
(2)有效减小了启动瞬间的冲击电流，降低电路的设计难度，提高系统安全运行的可靠性。
附图说明
图1是本发明模块化多电平直流变压器拓扑图；
图2是本发明复合频率控制框图；
图3是本发明内移相控制框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例对本发明进行深入地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
如图1-3所示，本发明主要用于模块化多电平直流变压器的快速软充电控制，图1为模块化多电平直流变压器电路拓扑图，包括原边侧直流输入源Vdc1，限流电阻Rlim，限流电阻控制阀门Klim；副边侧直流输出源Vdc2，副边侧输出电容Co。原边侧MMC与副边侧全桥通过变比为NT：1的中间级变压器T互联，原边侧交流端口为a、b，副边侧交流端口为c、d；系统等效漏感为Lk。
作为一种具体实施方式，原边侧MMC为两相模块化多电平结构，分为四个桥臂，每相两个桥臂，每个桥臂由x个子模块SM1～SMx串联组成；每相上下桥臂通过耦合电感Lp(p为a或b)连接。副边侧全桥由四个开关器件Q1、Q2、Q3与Q4及其反并联二极管Ds1、Ds2、Ds3与Ds4组成。
作为一种更具体的实施方式，本发明所述子模块SM包含两个开关器件S1、S2及其反并联二极管D1、D2，一个子模块电容CSM；
作为一种最具体的实施方式，所述开关器件为金属-氧化物半导体场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管。
本发明为一种基于复合频率控制的直流变压器的快速软充电方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：原边侧不控充电
步骤1.1：对原边侧子模块与副边侧全桥开关器件实施脉冲封锁；
所述脉冲封锁即开关器件恒为关断状态。
步骤1.2：操作限流电阻Rlim的控制阀门Klim，将其投入至电路，原边侧子模块电容与直流源Vdc1、限流电阻Rlim与子模块SM的开关器件S1、S2的反并联二极管D1、D2构成不控充电系统；
步骤1.3：原边侧子模块电容电压充电至额定值的一半，操作限流电阻控制阀门Klim，将其旁路出电路，不控充电阶段结束。
所述子模块电容电压充电至额定值等于Vdc1/x。
步骤2：混合充电
步骤2.1：解除原边侧子模块开关器件的脉冲封锁，副边侧全桥开关器件仍实施脉冲封锁；
步骤2.2：原边侧充电采用双闭环控制。采样原边侧所有桥臂子模块电容电压值计算其平均值得Vavg，将其与参考值Vref作差后将误差信号送入电压外环PI控制器，输出共模电流参考值icm_ref；
所述双闭环控制为电压外环、电流内环双闭环控制；
所述共模电流为桥臂电流直流分量；
步骤2.3：采样原边侧上桥臂电流ip与下桥臂电流in，计算桥臂共模电流icm与共模电流参考值icm_ref作差后将误差信号送入电流内环PI控制器，输出直流控制量mdc_ref；
所述共模电流计算公式为icm＝0.5(ip+in)；
所述上桥臂电流ip为iap或ibp，下桥臂电流in为ian或ibn；
步骤2.4：副边侧充电采用变步长控制。每个周期采样交流电流峰值ipeak，与给定值Imax作差后将误差信号送入PI控制器，输出内移相角φ的周期变化步长Δφ；
所述交流电流峰值ipeak为中间级变压器原边侧电流iac1的峰值绝对值；
所述内移相角φ为原边侧两相桥臂中对应上桥臂间或下桥臂间中频调制信号移相角；
所述变步长控制为每个周期内移相角φ的周期变化步长Δφ有不同的取值；
步骤2.5：利用延时模块计算每个周期Δφ的累加值得到本周期φ值，送入内移相控制模块，输出中频控制量mmf_ref；
所述延时模块功能为存储上一个周期φ值；
所述移相控制模块中，mau、mal、mbu、mbl分别为a相上、下桥臂，b相上、下桥臂子模块中频调制信号；
所述内移相角φ变化范围为0～π；
步骤2.6：直流控制量mdc_ref与中频控制量mmf_ref叠加生成复合频率控制量，送入载波移相调制模块，与三角载波比较后生成原边侧子模块开关器件的驱动脉冲，在交流侧生成占空比d的三电平电压vab，原边侧可控充电与副边侧不控充电同时进行；
所述三角载波信号数量与桥臂子模块数量相同，C1～C＝共有为x个；相邻载波信号时间间隔为Tc/x；
所述Tc为三角载波信号时间周期。
所述开关器件的驱动脉冲的生成原理为：当调制信号大于载波信号时，子模块开关器件S1开通、S2关断，当调制信号小于载波信号时，子模块开关器件S2开通、S1关断；
所述三电平电压为xvSM、0、-xvSM三种电平；
所述vSM子模块电容电压值；
所述空比d的计算式为
Figure BDA0002854866710000051
从0增大至0.5；
步骤2.7：原边侧子模块电容与副边侧输出电容充电至额定值后，混合充电阶段结束，
所述副边侧输出电容额定值为Vdc2。

Claims (3)

1.一种基于复合频率控制的直流变压器的快速软充电方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1：原边侧不控充电；
步骤2：混合充电。
2.根据权利要求1所述的基于复合频率控制的直流变压器的快速软充电方法，其特征在于，在所述步骤1中，具体包括以下步骤：
步骤1.1：对原边侧子模块与副边侧全桥开关器件实施脉冲封锁；
步骤1.2：操作限流电阻控制阀门，将其投入至电路，原边侧子模块电容与直流源、限流电阻与开关器件的反并联二极管构成不控充电系统；
步骤1.3：原边侧子模块电容电压充电至额定值的一半，操作限流电阻控制阀门，将其旁路出电路，不控充电阶段结束。
3.根据权利要求1所述的基于复合频率控制的直流变压器的快速软充电方法，其特征在于，在所述步骤2中，具体包括以下步骤：
步骤2.1：解除原边侧子模块开关器件的脉冲封锁，副边侧全桥开关器件仍实施脉冲封锁；
步骤2.2：原边侧充电采用双闭环控制，采样原边侧所有桥臂子模块电容电压值计算其平均值得Vavg，将其与参考值Vref作差后将误差信号送入电压外环PI控制器，输出共模电流参考值icm_ref；
步骤2.3：采样原边侧上桥臂电流ip与下桥臂电流in，计算桥臂共模电流icm与共模电流参考值icm_ref作差后将误差信号送入电流内环PI控制器，输出直流控制量mdc_ref；
步骤2.4：副边侧充电采用变步长控制，每个周期采样交流电流峰值ipeak，与给定值Imax作差后将误差信号送入PI控制器，输出内移相角
Figure FDA0002854866700000011
的周期变化步长
Figure FDA0002854866700000013
步骤2.5：利用延时模块计算每个周期
Figure FDA0002854866700000012
的累加值得到本周期
Figure FDA0002854866700000014
值，送入内移相控制模块，输出中频控制量mmf_ref；
步骤2.6：直流控制量mdc_ref与中频控制量mmf_ref叠加生成复合频率控制量，送入载波移相调制模块，与三角载波比较后生成原边侧子模块开关器件的驱动脉冲，原边侧可控充电与副边侧不控充电同时进行；
步骤2.7：原边侧子模块电容与副边侧输出电容充电至额定值后，混合充电阶段结束。
CN202011540995.2A 2020-12-23 2020-12-23 一种基于复合频率控制的直流变压器的快速软充电方法 Active CN112653334B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011540995.2A CN112653334B (zh) 2020-12-23 2020-12-23 一种基于复合频率控制的直流变压器的快速软充电方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011540995.2A CN112653334B (zh) 2020-12-23 2020-12-23 一种基于复合频率控制的直流变压器的快速软充电方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112653334A true CN112653334A (zh) 2021-04-13
CN112653334B CN112653334B (zh) 2022-07-08

Family

ID=75359795

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011540995.2A Active CN112653334B (zh) 2020-12-23 2020-12-23 一种基于复合频率控制的直流变压器的快速软充电方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112653334B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115118164A (zh) * 2022-06-22 2022-09-27 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 一种抑制模块化多电平直流变压器磁偏的方法及系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107681877A (zh) * 2017-10-12 2018-02-09 华中科技大学 一种含全桥子模块的混合型mmc启动方法
CN108539987A (zh) * 2018-05-15 2018-09-14 南京理工大学 一种模块化多电平直流固态变压器及其充电控制方法
CN110943634A (zh) * 2018-09-25 2020-03-31 中国电力科学研究院有限公司 一种能量型路由器及其软充电控制方法和系统
CN111371302A (zh) * 2020-03-11 2020-07-03 合肥科威尔电源系统股份有限公司 一种多电平直流固态变压器多阶段软充控制方法及系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107681877A (zh) * 2017-10-12 2018-02-09 华中科技大学 一种含全桥子模块的混合型mmc启动方法
CN108539987A (zh) * 2018-05-15 2018-09-14 南京理工大学 一种模块化多电平直流固态变压器及其充电控制方法
CN110943634A (zh) * 2018-09-25 2020-03-31 中国电力科学研究院有限公司 一种能量型路由器及其软充电控制方法和系统
CN111371302A (zh) * 2020-03-11 2020-07-03 合肥科威尔电源系统股份有限公司 一种多电平直流固态变压器多阶段软充控制方法及系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LEI ZHANG ET AL: "A Generalized Precharging Strategy for Soft Startup Process of the Modular Multilevel Converter-Based HVDC Systems", 《IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115118164A (zh) * 2022-06-22 2022-09-27 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 一种抑制模块化多电平直流变压器磁偏的方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN112653334B (zh) 2022-07-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111446861B (zh) 直流/直流变换器及其控制方法
CN111371302B (zh) 一种多电平直流固态变压器多阶段软充控制方法及系统
CN103973121B (zh) 单相电力电子变压器
CN105191108A (zh) 变换器
CN108539987B (zh) 一种模块化多电平直流固态变压器及其充电控制方法
CN111628655B (zh) 用于双有源桥直流变换器暂态直流偏置通用移相控制方法
WO2010029345A1 (en) Power converter
You et al. A three-level modular DC/DC converter applied in high voltage DC grid
CN111509985A (zh) 一种自阻断型真双极电力电子变压器系统及控制方法
Elserougi et al. A self-balanced bidirectional medium-/high-voltage hybrid modular DC–DC converter with low-voltage common DC-link and sequential charging/discharging of submodules capacitors
CN112653334B (zh) 一种基于复合频率控制的直流变压器的快速软充电方法
CN113437879B (zh) 一种直流变换器及其控制方法
CN104734485A (zh) 一种Boost全桥电路启动冲击电流谐振抑制方法
Narasimha et al. An improved closed loop hybrid phase shift controller for dual active bridge converter.
Kroics et al. Analysis of advanced inverter topology for renewable energy generation and energy storage integration into AC grid
Li et al. Analysis and design of a nonisolated bidirectional DC–DC converter based on CLC network
Zhu et al. Ladder transformerless stacked active bridge converters
CN203827195U (zh) 单相电力电子变压器
Bi et al. H-type structural boost three-level DC-DC converter with wide voltage-gain range for fuel cell applications
CN114070084A (zh) 一种基于四端口电能路由变换器及控制方法
Broday et al. Modeling and dynamic feedback linearization of a 5-switch tri-state buck-boost bidirectional DC-DC converter
Lagier et al. Analysis of voltage and current unbalance in a multi-converter topology for a DC-based offshore wind farm
Sun et al. Startup strategy with constant peak transformer current for hybrid multilevel energy router
Liao et al. A bidirectional DAB-LLC DCX to achieve voltage regulation and wide ZVS range capability
CN111682518A (zh) 一种基于模糊的功率控制器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant