CN112910265A - 一种实现电流应力优化及多目标解耦的控制方法及系统 - Google Patents

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CN112910265A CN202110116143.9A CN202110116143A CN112910265A CN 112910265 A CN112910265 A CN 112910265A CN 202110116143 A CN202110116143 A CN 202110116143A CN 112910265 A CN112910265 A CN 112910265A
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Abstract

本发明公开了一种实现电流应力优化及多目标解耦的控制方法及系统，属于直流变换器控制领域，方法包括：将小信号模型矩阵表达式中的系数矩阵转换为对角矩阵与转换矩阵的乘积，以将各DAB模块输入电压、直流变压器输出电压的控制进行解耦；根据解耦之后矩阵表达式中的控制关系式分别进行输出稳压控制、以及各DAB模块的输入均压控制；分别计算令各DAB模块的电流应力最小且传输功率为标幺化传输功率时各DAB模块的最优桥内移相角和最优桥间移相角，以控制各DAB模块的桥内移相角和桥间移相角。该控制方法实现直流变压器输出电压的精准控制、各DAB模块输入电压的均衡控制以及各DAB模块电流应力最小化这三个控制目标之间的相互解耦，提高变压器的运行效率。

Description

一种实现电流应力优化及多目标解耦的控制方法及系统
技术领域
本发明属于直流变换器控制领域，更具体地，涉及一种实现电流应力优化及多目标解耦的控制方法及系统。
背景技术
随着智能电网的发展，分布式能源及储能系统的灵活接入成为智能电网的重要目标。直流配电网可以有效解决分布式能源的高效利用与储能系统的灵活接入等问题，逐渐取代传统交流配电网。直流固态变压器为直流配电网的核心装置，通过电力电子变换器实现电能的变换与分配。高性能的直流变换器对直流配电网的发展具有重要意义。直流变换技术是直流固态变压器的关键技术。隔离型双有源桥(Dual Active Bridge，DAB)直流/直流变换器可以实现能量双向传输，在大范围内实现软开关，并且具有控制灵活等优点，在直流变压器中得到了广泛应用。
为满足电力系统中高压大功率应用的需求，直流变压器通常采用多个输入串联、输出并联的DAB变换器形成级联型模块化结构。对于直流变压器而言，首先需要精准控制输出电压；其次，为了保证各DAB模块的运行安全，需要保证各DAB模块输入电压的均衡控制；最后，需要提升直流变压器的效率，DAB模块中储能电感的电流应力直接影响效率，因此，需要解决各DAB模块中电流应力最小化的问题。然而，这些控制目标之间存在着很强的耦合，为直流变压器的控制带来了诸多难度。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种实现电流应力优化及多目标解耦的控制方法及系统，其目的在于实现直流变压器输出电压的精准控制、各DAB模块输入电压的均衡控制以及各DAB模块电流应力最小化这三个控制目标之间的相互解耦，提高变压器的运行效率。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种实现电流应力优化及多目标解耦的控制方法，用于控制直流变压器，所述直流变压器包括多个输入串联、输出并联的DAB模块，方法包括：S1，基于各DAB模块的输入电压、传输功率以及所述直流变压器的输出电压确定小信号模型的矩阵表达式；S2，将所述矩阵表达式中的系数矩阵转换为对角矩阵与转换矩阵的乘积，以将各DAB模块的输入电压以及所述输出电压的控制进行解耦；S3，对所述直流变压器进行输出稳压控制，并输出第一传输功率中间量，分别根据各DAB模块的输入电压测量值对各DAB模块进行输入均压控制，并输出各DAB模块对应的第二传输功率中间量；S4，计算令任一DAB模块的电流应力最小且传输功率为标幺化传输功率时所述任一DAB模块的最优桥内移相角和最优桥间移相角，所述标幺化传输功率为所述第一传输功率中间量与第二传输功率中间量的差值，重复所述计算以得到每一DAB模块的最优桥内移相角和最优桥间移相角；S5，控制各DAB模块的桥内移相角和桥间移相角分别等于其最优桥内移相角和最优桥间移相角。
更进一步地，所述小信号模型的矩阵表达式为：
Figure BDA0002920512600000021
Figure BDA0002920512600000031
其中，
Figure BDA0002920512600000032
为第j个DAB模块的输入电压的扰动量，j＝1,2,…,N，N为直流变压器中DAB模块的个数，
Figure BDA0002920512600000033
为输出电压的扰动量，
Figure BDA0002920512600000034
为第j个DAB模块的传输功率的扰动量，H(s)为所述系数矩阵，A(s)为第一系数，B(s)为第二系数。
更进一步地，转换后所述系数矩阵H(s)为：
Figure BDA0002920512600000035
其中，Y(s)为转换矩阵。
更进一步地，解耦后的矩阵表达式为：
Figure BDA0002920512600000036
Figure BDA0002920512600000037
其中，
Figure BDA0002920512600000038
为第j个DAB模块对应的第二传输功率中间量的扰动量，
Figure BDA0002920512600000039
为第一传输功率中间量的扰动量。
更进一步地，所述S3中输出稳压控制包括：根据所述直流变压器的输出电压参考值与输出电压测量值之间的差值进行输出稳压控制。
更进一步地，所述S3中输入均压控制包括：分别根据输入电压均值与各DAB模块的输入电压测量值之间的差值对各DAB模块进行输入均压控制。
更进一步地，所述S3中根据所述直流变压器中前N-1个DAB模块中各DAB模块的输入电压测量值对各DAB模块进行输入均压控制；所述S4中第N个DAB模块的标幺化传输功率为所述第一传输功率中间量与前N-1个DAB模块对应的第二传输功率中间量之和。
更进一步地，传输功率与桥内移相角和桥间移相角之间的关系为：
Figure BDA0002920512600000041
其中，p为所述传输功率，d1为所述桥内移相角，d2为所述桥间移相角。
按照本发明的另一个方面，提供了一种实现电流应力优化及多目标解耦的控制系统，用于控制直流变压器，所述直流变压器包括多个输入串联、输出并联的DAB模块，系统包括：输出稳压单元，用于根据所述直流变压器的输出电压参考值和输出电压测量值之间的差值进行输出稳压控制，并得到第一传输功率中间量；输入均压单元，包括N-1个输入均压控制器，所述输入均压控制器与所述直流变压器中前N-1个DAB模块一一对应，每一所述输入均压控制器用于根据输入电流均值和其对应DAB模块的输入电流测量值之间的差值对其对应DAB模块进行输入均压控制，并得到其对应DAB模块的第二传输功率中间量；电流应力优化单元，包括N个电流应力优化控制器，所述电流应力优化控制器与所述DAB模块一一对应，每一所述电流应力优化控制器用于计算令其对应DAB模块的电流应力最小且传输功率等于标幺化传输功率时其对应DAB模块的最优桥内移相角和最优桥间移相角，并控制其对应DAB模块的桥内移相角和桥间移相角分别等于所述最优桥内移相角和最优桥间移相角；对于前N-1个DAB模块，所述标幺化传输功率为所述第一传输功率中间量与第二传输功率中间量的差值，对于第N个DAB模块，所述标幺化传输功率为所述第一传输功率中间量与前N-1个DAB模块的第二传输功率中间量之和。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：实现直流变压器输出电压的精准控制、各DAB模块输入电压的均衡控制以及各DAB模块电流应力最小化这三个控制目标，并且实现了这三个控制目标之间的相互解耦，简化了直流变压器的控制方法，提高了变压器的运行效率，从而减少了工业成本和时间。
附图说明
图1为本发明实施例提供的实现电流应力优化及多目标解耦的控制方法的流程图；
图2为本发明实施例中控制对象直流变压器的结构示意图；
图3为本发明实施例中DAB模块的拓扑结构图；
图4为本发明实施例中第j个DAB模块的电流流向示意图；
图5为本发明实施例中直流变压器的平均模型示意图；
图6为本发明实施例提供的实现电流应力优化及多目标解耦的控制系统的框图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为输出稳压单元，2为输入均压单元，3为电流应力优化单元。
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例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
图1为本发明实施例提供的实现电流应力优化及多目标解耦的控制方法的流程图。参阅图1，结合图2-图5，对本实施例中实现电流应力优化及多目标解耦的控制方法(以下简称为控制方法)进行详细说明。
本发明实施例中，该控制方法用于控制直流变压器。直流变压器包括多个输入串联连接、输出并联连接的DAB模块，形成为级联型直流变压器，这些DAB模块的结构和参数是一致的，如图2所示。参阅图3，单个DAB模块包括储能电感L、变比为n:1的高频变压器T、变压器一次侧的H桥电路以及变压器二次侧的H桥电路。变压器一次侧的H桥电路和变压器二次侧的H桥电路均由四个有源开关器件及其反并联二极管组成。参阅图1，方法包括操作S1-操作S5。
操作S1，基于各DAB模块的输入电压、传输功率以及直流变压器的输出电压确定小信号模型的矩阵表达式。
参阅图4，本实施例中，各DAB模块的输入侧电容Cj相同，均为C，Co为直流变压器的输出侧支撑电容。以第j个DAB模块为例，稳态时，DAB模块j的输入电压和输出电压分别为Vinj和Vo，其输入侧电流IDj和输出侧电流ITj分别为：
Figure BDA0002920512600000061
Figure BDA0002920512600000071
Figure BDA0002920512600000072
其中，Pj为DAB模块j的传输功率，f为H桥电路交流侧的频率，L为DAB模块j中电感值，n为变压器变比，k受控于标幺化传输功率。DAB模块可以简化为一个受控电流源与一个变比可控的直流变压器的串联，变压器的电压变比为nk:1。
参阅图5，示出了直流变压器的大信号平均模型，在平均模型中加以小扰动，得到小信号模型：
Figure BDA0002920512600000073
Figure BDA0002920512600000074
其中，
Figure BDA0002920512600000075
分别为IDj、ITj、pj、Vo、Vinj对应的扰动量。令
Figure BDA0002920512600000076
小信号模型表达为：
Figure BDA0002920512600000077
Figure BDA0002920512600000078
模型中有如下假设：每个DAB模块的稳态输入电压等于所有DAB模块的稳态平均电压，即Vinj＝Vavg；每个DAB模块输入电容的容值相等；每个DAB模块的稳态标幺化传输功率相同。直流变压器的输出电压扰动量
Figure BDA0002920512600000079
可以由负载等效电阻和各DAB模块的输出电流扰动量
Figure BDA00029205126000000710
得到：
Figure BDA00029205126000000711
Figure BDA00029205126000000712
各DAB模块输入电压的总和为直流变压器的总输入电压，为恒定值，因此，
Figure BDA0002920512600000081
进一步地，输出电压扰动量
Figure BDA0002920512600000082
可表示为：
Figure BDA0002920512600000083
直流变压器的输入电流的扰动量等于各DAB模块的输入电容电流和DAB模块的输入电流的扰动量之和，即：
Figure BDA0002920512600000084
求和取平均后得到：
Figure BDA0002920512600000085
代入上述
Figure BDA0002920512600000086
可以得到：
Figure BDA0002920512600000087
代入上述
Figure BDA0002920512600000088
可以得到：
Figure BDA0002920512600000089
Figure BDA00029205126000000810
每个DAB模块的输入电压的扰动量为：
Figure BDA0002920512600000091
由此，建立的小信号模型的矩阵表达式为：
Figure BDA0002920512600000092
Figure BDA0002920512600000093
其中，H(s)为系数矩阵，A(s)为第一系数，B(s)为第二系数，s表示在s域，
Figure BDA0002920512600000094
操作S2，将矩阵表达式中的系数矩阵转换为对角矩阵与转换矩阵的乘积，以将各DAB模块的输入电压以及输出电压的控制进行解耦。
从上述小信号模型的矩阵表达式可以看出，DAB模块之间的输入电压Vinj、输出电压Vo的控制是相互耦合的，如果不进行解耦控制，模块之间的耦合将会十分严重，使直流变压器的动态性能非常差。为了实现直流变压器的解耦控制，本实施例中，将系数矩阵H(s)转换为对角矩阵D(s)与转换矩阵Y(s)的乘积，得到的解耦形式为：
Figure BDA0002920512600000101
其中，转换矩阵Y(s)及其逆矩阵Y(s)-1分别为：
Figure BDA0002920512600000102
Figure BDA0002920512600000103
参阅上述解耦形式表达式，可以看出，受控量
Figure BDA0002920512600000104
和
Figure BDA0002920512600000105
分别只受控于一个控制量。根据分压原理，输入总电压不变时，控制
Figure BDA0002920512600000106
Figure BDA0002920512600000107
即可实现
Figure BDA0002920512600000108
的控制，即实现了DAB模块间输入电压均压控制的解耦。
引入中间控制变量
Figure BDA0002920512600000109
该中间控制变量满足：
Figure BDA00029205126000001010
Figure BDA00029205126000001011
为对第j个DAB模块进行输入均压控制后的输出量的扰动量，将其定义为第二传输功率中间量的扰动量；
Figure BDA0002920512600000111
为对直流变压器进行输出稳压控制后的输出量的扰动量，将其定义为第一传输功率中间量的扰动量。可以理解的是，上述与扰动量相关的表达式也适用于非扰动量。
操作S3，对直流变压器进行输出稳压控制，并输出第一传输功率中间量，分别根据各DAB模块的输入电压测量值对各DAB模块进行输入均压控制，并输出各DAB模块对应的第二传输功率中间量。
本发明实施例中，根据直流变压器的输出电压参考值Voref与输出电压测量值Vo之间的差值进行输出稳压控制，并得到第一传输功率中间量po：
po＝NB(s)·(Voref-Vo)
本发明实施例中，分别根据输入电压均值与各DAB模块的输入电压测量值之间的差值对各DAB模块进行输入均压控制。输入电压均值Vavg为一固定值，等于总输入电压与N的比值。以第j个DAB模块输入均压控制为例，根据输入电压均值Vavg与其输入电压测量值Vinj之间的差值对其进行输入均压控制，并得到第二传输功率中间量pinj：
pinj＝NA(s)(Vavg-Vinj)
操作S4，计算令任一DAB模块的电流应力最小且传输功率为标幺化传输功率时任一DAB模块的最优桥内移相角和最优桥间移相角，标幺化传输功率为所述第一传输功率中间量与第二传输功率中间量的差值，重复计算以得到每一DAB模块的最优桥内移相角和最优桥间移相角。
本发明一实施例中，操作S3中对N个DAB模块均进行输入均压控制，此时，每个DAB模块的标幺化传输功率为第一传输功率中间量与其对应第二传输功率中间量的差值。以第j个DAB模块为例，其标幺化传输功率pj为：
pj＝po-pinj
本发明另一实施例中，操作S3中仅对任意N-1个DAB模块(为便于描述，将其定义为前N-1个DAB模块)均进行输入均压控制，自然便能实现第N个DAB模块的输入均压控制。此时，前N-1个DAB模块的标幺化传输功率为第一传输功率中间量与其对应第二传输功率中间量的差值，第N个DAB模块的标幺化传输功率pN为：
Figure BDA0002920512600000121
对于任一DAB模块而言，其传输功率与桥内移相角和桥间移相角之间的关系为：
Figure BDA0002920512600000122
其中，p为传输功率，d1为桥内移相角，d2为桥间移相角。
以第j个DAB模块为例，令其传输功率等于其对应的标幺化传输功率pj，可以得到多组桥内移相角和桥间移相角，计算各组桥内移相角和桥间移相角下该DAB模块中的电流应力，选择电流应力最小时的桥内移相角和桥间移相角作为该最优桥内移相角和最优桥间移相角。以此类推，计算每一DAB模块的最优桥内移相角和最优桥间移相角。
操作S5，控制各DAB模块的桥内移相角和桥间移相角分别等于其最优桥内移相角和最优桥间移相角。
本发明实施例中的控制方法，不仅可以保证直流变压器的输出满足稳压需求，还可以确保各DAB模块的安全运行，同时减小各DAB模块的电流应力，实现了这三个控制目标之间的相互解耦，简化了直流变压器的控制方法，提高了变压器的运行效率，从而减少了工业成本和时间。
图6为本发明实施例提供的实现电流应力优化及多目标解耦的控制系统的框图。
参阅图6，控制系统包括输出稳压单元1、输入均压单元2和电流应力优化单元3。
输出稳压单元1用于根据直流变压器的输出电压参考值和输出电压测量值之间的差值进行输出稳压控制，并得到第一传输功率中间量。
输入均压单元2包括N-1个输入均压控制器，这N-1个输入均压控制器与直流变压器中前N-1个DAB模块一一对应。每一输入均压控制器用于根据输入电流均值和其对应DAB模块的输入电流测量值之间的差值对其对应DAB模块进行输入均压控制，并得到其对应DAB模块的第二传输功率中间量。
电流应力优化单元3包括N个电流应力优化控制器，电流应力优化控制器与DAB模块一一对应。每一电流应力优化控制器用于计算令其对应DAB模块的电流应力最小且传输功率等于标幺化传输功率时其对应DAB模块的最优桥内移相角和最优桥间移相角，并控制其对应DAB模块的桥内移相角和桥间移相角分别等于最优桥内移相角和最优桥间移相角；对于前N-1个DAB模块，标幺化传输功率为第一传输功率中间量与第二传输功率中间量的差值，对于第N个DAB模块，标幺化传输功率为第一传输功率中间量与前N-1个DAB模块的第二传输功率中间量之和。
该实现电流应力优化及多目标解耦的控制系统用于执行上述图1-图5所示实施例中的实现电流应力优化及多目标解耦的控制方法。本实施例未尽之细节，请参阅前述图1-图5所示实施例中的实现电流应力优化及多目标解耦的控制方法，此处不再赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种实现电流应力优化及多目标解耦的控制方法，用于控制直流变压器，所述直流变压器包括多个输入串联、输出并联的DAB模块，其特征在于，方法包括：
S1，基于各DAB模块的输入电压、传输功率以及所述直流变压器的输出电压确定小信号模型的矩阵表达式；
S2，将所述矩阵表达式中的系数矩阵转换为对角矩阵与转换矩阵的乘积，以将各DAB模块的输入电压以及所述输出电压的控制进行解耦；
S3，对所述直流变压器进行输出稳压控制，并输出第一传输功率中间量，分别根据各DAB模块的输入电压测量值对各DAB模块进行输入均压控制，并输出各DAB模块对应的第二传输功率中间量；
S4，计算令任一DAB模块的电流应力最小且传输功率为标幺化传输功率时所述任一DAB模块的最优桥内移相角和最优桥间移相角，所述标幺化传输功率为所述第一传输功率中间量与第二传输功率中间量的差值，重复所述计算以得到每一DAB模块的最优桥内移相角和最优桥间移相角；
S5，控制各DAB模块的桥内移相角和桥间移相角分别等于其最优桥内移相角和最优桥间移相角。
2.如权利要求1所述的实现电流应力优化及多目标解耦的控制方法，其特征在于，所述小信号模型的矩阵表达式为：
Figure FDA0002920512590000011
Figure FDA0002920512590000021
其中，
Figure FDA0002920512590000022
为第j个DAB模块的输入电压的扰动量，j＝1,2,…,N，N为直流变压器中DAB模块的个数，
Figure FDA0002920512590000023
为输出电压的扰动量，
Figure FDA0002920512590000024
为第j个DAB模块的传输功率的扰动量，H(s)为所述系数矩阵，A(s)为第一系数，B(s)为第二系数。
3.如权利要求2所述的实现电流应力优化及多目标解耦的控制方法，其特征在于，转换后所述系数矩阵H(s)为：
Figure FDA0002920512590000025
其中，Y(s)为转换矩阵。
4.如权利要求3所述的实现电流应力优化及多目标解耦的控制方法，其特征在于，解耦后的矩阵表达式为：
Figure FDA0002920512590000026
Figure FDA0002920512590000027
其中，
Figure FDA0002920512590000031
为第j个DAB模块对应的第二传输功率中间量的扰动量，
Figure FDA0002920512590000032
为第一传输功率中间量的扰动量。
5.如权利要求1所述的实现电流应力优化及多目标解耦的控制方法，其特征在于，所述S3中输出稳压控制包括：根据所述直流变压器的输出电压参考值与输出电压测量值之间的差值进行输出稳压控制。
6.如权利要求1所述的实现电流应力优化及多目标解耦的控制方法，其特征在于，所述S3中输入均压控制包括：分别根据输入电压均值与各DAB模块的输入电压测量值之间的差值对各DAB模块进行输入均压控制。
7.如权利要求1-6任一项所述的实现电流应力优化及多目标解耦的控制方法，其特征在于，所述S3中根据所述直流变压器中前N-1个DAB模块中各DAB模块的输入电压测量值对各DAB模块进行输入均压控制；
所述S4中第N个DAB模块的标幺化传输功率为所述第一传输功率中间量与前N-1个DAB模块对应的第二传输功率中间量之和。
8.如权利要求1所述的实现电流应力优化及多目标解耦的控制方法，其特征在于，传输功率与桥内移相角和桥间移相角之间的关系为：
Figure FDA0002920512590000033
其中，p为所述传输功率，d1为所述桥内移相角，d2为所述桥间移相角。
9.一种实现电流应力优化及多目标解耦的控制系统，用于控制直流变压器，所述直流变压器包括多个输入串联、输出并联的DAB模块，其特征在于，系统包括：
输出稳压单元(1)，用于根据所述直流变压器的输出电压参考值和输出电压测量值之间的差值进行输出稳压控制，并得到第一传输功率中间量；
输入均压单元(2)，包括N-1个输入均压控制器，所述输入均压控制器与所述直流变压器中前N-1个DAB模块一一对应，每一所述输入均压控制器用于根据输入电流均值和其对应DAB模块的输入电流测量值之间的差值对其对应DAB模块进行输入均压控制，并得到其对应DAB模块的第二传输功率中间量；
电流应力优化单元(3)，包括N个电流应力优化控制器，所述电流应力优化控制器与所述DAB模块一一对应，每一所述电流应力优化控制器用于计算令其对应DAB模块的电流应力最小且传输功率等于标幺化传输功率时其对应DAB模块的最优桥内移相角和最优桥间移相角，并控制其对应DAB模块的桥内移相角和桥间移相角分别等于所述最优桥内移相角和最优桥间移相角；对于前N-1个DAB模块，所述标幺化传输功率为所述第一传输功率中间量与第二传输功率中间量的差值，对于第N个DAB模块，所述标幺化传输功率为所述第一传输功率中间量与前N-1个DAB模块的第二传输功率中间量之和。
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