CN113300608B - 一种直流变压器控制策略、装置、设备和存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种直流变压器控制策略、装置、设备和存储介质，采用扩展移相优化DAB模块的传输特性，提升直流变压器的效率，通过分散控制优化DAB模块间的功率均衡效果，整体上改进直流变压器的性能。采用该控制策略，可以灵活调节DAB模块的传输特性，并实现DAB模块间控制系统无互联，提升对直流变压器输出电压的控制精度，兼顾了直流变压器的模块内高效运行和模块间功率均衡。

Description

一种直流变压器控制策略、装置、设备和存储介质

技术领域

本发明属于中低压直流配网用DC/DC变换器控制与调制领域，特别涉及一种一种直流变压器控制策略、装置、设备和存储介质。

背景技术

随着上世纪能源危机的爆发，环境污染和能源短缺问题不断加剧，光伏、风电等分布式发电持续发展，而大部分分布式电源所产生电能均为直流电。同时，在信息时代不断发展的情况下，大规模负载如数据中心、网络中心等直流负载的数量以及占据的比例不断上升；在电动汽车技术不断发展的趋势下，充电桩的安装也将极大提高直流电的需求。传统交流配电网在为直流负荷供电时需要大量环流环节，当采用了直流配电网供电时，这些环节均可以省去，节省体积以，降低损耗。而在中压直流配电网中，中压到低压的DC/DC变换器是其中最重要的一环，承担起稳定母线电压、功率传输、潮流控制等功能。与传统变压器相比，DC/DC变换器有如下特点：1)可实现直流电路联网，且有利于分布式能源接入；2)体积小、便于运输安装；3)控制及稳定性好，可通过不同的控制策略使系统运行在不同的需求下。

为了实现应用于中低压配电网用DC/DC变换器，现有的研究主要采用基于双有源桥(Dual Active Bridge,DAB)拓扑的输入串联输出并联(Input Series OutputParallel，ISOP)多变换器级联结构，ISOP结构可以使各DAB模块分担中压侧的高电压和低压侧的大电流，非常适合直流配电网的中低压直流变换场景。同时ISOP型直流变压器采用模块化设计，可以根据实际需求对DAB模块进行替换和扩展，在设计时具有较高的灵活性，DAB模块结构简单、控制简单，且可以实现功率双向流动和部分器件的软开关，在直流变压器的应用中呈现出了优良的性能。

目前ISOP型直流变压器在中低压直流配电网中应用广泛，但相比于交流变压器99％以上的效率，直流变压器的效率较低，一般为95％～98.5％，作为直流配电网中需要长时间通过大功率的换流设备，其运行效率直接影响着配电网的经济性。同时DAB模块数量较多时，各模块间的功率均衡难度越大，特别是随着设备老化，各模块参数不一致时，功率均衡难度进一步增加。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于扩展移相(Extended Phase Shift,EPS)和分散控制的直流变压器控制策略、装置、设备和存储介质，采用扩展移相优化DAB模块的传输特性，提升直流变压器的效率，通过分散控制优化DAB模块间的功率均衡效果，整体上改进直流变压器的性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种基于扩展移相和分散控制的直流变压器控制策略，包括以下步骤：

测量DAB模块的输入电压和输出电压，根据DAB模块的输入电压和输出电压和直流变压器的变比计算电压转换率；

根据直流变压器的输出电压参考信号、DAB模块的输出电压和分散系数，计算PI控制器的输出，PI控制器的输出用于控制直流变压器的输出电压；

根据DAB模块的开关频率、功率电感、直流变压器的变比、DAB模块的输入电压和DAB模块的输出电压计算DAB模块的最大传输功率；

根据DAB模块的输出电压、输出电流和最大传输功率计算当前的传输功率标幺值p₀ ^*；

根据电压转换率计算传输功率临界点p_c，判断p₀ ^*≤p_c是否成立：

当p₀ ^*≤p_c成立时，通过单移相控制方法计算模块的外移相角，根据外移相角生成DAB模块中的开关管的控制信号，对直流变压器进行控制；

否则，通过扩展移相优化控制算法得到内移相比和外移相比，根据内移相比和外移相比生成DAB模块中开关管的控制信号，对直流变压器进行控制。

进一步的，通过下式计算内移相比D₁和外移相比D₂：

其中，A＝2M²-4M+4，

P₀为DAB模块输出功率，U₁为DAB模块原边直流电压，U₂为DAB模块副边直流电压。

进一步的，通过下式计算内移相比D₁和外移相比D₂：

其中，E和F均为中间变量，

F＝M²+2M+2，L为DAB模块的功率电感，f为DAB模块的开关频率，P₀为DAB模块输出功率，n为直流变压器变比，U₁为DAB模块原边直流电压，U₂为DAB模块副边直流电压，M为电压转换率。

进一步的，PI控制器的输出u(t)为：

式中：e(t)＝V_{O_ref1}(t)-V_O(t)，e(t)为中间变量，K_p为PI控制器的比例系数，K_i为PI控制器的积分系数，V_{O_ref1}为根据分散系数修正后的输出电压参考信号。

进一步的，V_{O_ref1}通过下式得到：

V_{O_ref1}(t)＝V_{O_ref}(t)+k·V_Ii-nk·V_{O_ref}(t)；

其中，V_{O_ref}(t)为直流变压器的输出电压参考信号V_{O_ref}，k为分散系数，V_Ii为DAB模块的输入电压，n直流变压器的变比。

进一步的，传输功率临界点p_c的计算公式为：

M为电压转换率。

一种直流变压器控制装置，包括：

采集模块，用于采集直流变压器的运行参数，并将采集的运行参数传递至计算模块；

处理模块，用于根据运行参数生成DAB模块中的开关管的控制信号，对直流变压器进行控制。

一种计算机设备，包括电连接的存储器和处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，实现上述的控制策略的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的控制策略的步骤。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提出了一种基于扩展移相和分散控制的直流变压器控制策略，采用该控制策略，可以灵活调节DAB模块的传输特性，并实现DAB模块间控制系统无互联，提升对直流变压器输出电压的控制精度，兼顾了直流变压器的模块内高效运行和模块间功率均衡。

计算扩展移相的最优移相比，使DAB模块工作在最小电流应力或最小回流功率的状态，优化DAB模块的传输特性；利用分散控制策略实现DAB模块间的控制系统无互联，同时利用输出电压偏差校正环节提高直流变压器的电压控制精度。

进一步的，利用分散控制实现DAB模块间的功率均衡，每一个DAB模块在控制中只需采集直流变压器低压侧输出端口的电压和该DAB模块低压侧输出端口的输出电流，不需知道其他模块的状态。

进一步的，分散控制中引入了输出电压偏差校正环节，改进了分散控制对系统输出电压的控制精度。

附图说明

图1为ISOP型直流变压器结构示意图；

图2为本发明的控制框图；

图3为本发明控制策略流程图；

图4为DAB模块传输特性仿真波形；

图5为系统仿真输出电压波形；

图6为系统3模块的均压均流波形；

图7为本发明提供的控制装置的模块结构示意图；

图8为本发明提供的计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，系统拓扑结构为DAB模块的输入串联输出并联(ISOP)结构，其中：直流变压器输入侧两端分别接入中压直流母线的两极，输出侧两端接入低压直流母线；中压侧的DAB模块串联，低压侧的DAB模块并联。

本发明的控制策略如图2和图3所示，通过控制各DAB模块的移相比，使得直流变压器各DAB模块工作在最小电流应力或最小回流功率的模态下，同时保证各模块在控制系统无互联的情况下实现功率均衡，具体步骤如下：

步骤1，测量DAB模块的输入电压V_Ii、输出电压V_O和输出电流I_Oi，结合高频变压器的变比n计算电压转换率M：

步骤2，根据直流变压器的输出电压参考信号V_{O_ref}、输出电压V_O和分散系数k，计算PI控制器的输出；PI控制器的输出用于控制直流变压器的输出电压；

计算公式为：

式中：e(t)＝V_{O_ref1}(t)-V_O(t)，e(t)为中间变量，K_p为PI控制器的比例系数，K_i为PI控制器的积分系数。V_{O_ref1}为根据分散系数修正后的输出电压参考信号，V_{O_ref1}(t)＝V_{O_ref}(t)+k·V_Ii-nk·V_{O_ref}(t)。

采用现有的分散控制策略时，由输入电压引起的输出电压偏差为：

Δ₁＝|V_{O_ref1}-V_{O_ref}|＝|k·V_Ii|

优化后的控制策略如图2所示，该控制策略中输出电压偏差Δ₂可以表示为：

Δ₂＝|V_{O_ref1}-V_{O_ref}|＝|k·V_Ii-nk·V_{O_ref}

定义M_r为在设计控制策略时的理想电压转换率，则：

其中，V_I为直流变压器总的输入电压，N为直流变压器模块数。

此时，电压偏差可以表示为：

在直流变压器处于稳态时，各模快输入电压近似相等，此时输出电压偏差为：

其中，Δ₂＜＜Δ₁，优化后的控制策略输入电压偏差大幅减小了。

步骤3，根据DAB模块的开关频率f、功率电感L、直流变压器的变比n和测量得到的DAB模块的输入电压V_Ii、DAB模块的输出电压V_O计算DAB模块的最大传输功率P_N：

步骤4，根据DAB模块的输出电压V_O、输出电流I_Oi和最大传输功率P_N得到当前的传输功率标幺值p₀ ^*，结合由电压转换率M得到的传输功率临界点p_c，根据功率范围采用不同的控制方法，具体如下：

若p₀ ^*≤p_c，则DAB模块的当前传输功率不在扩展移相优化控制策略的范围中，通过单移相(Single Phase Shift,SPS)控制计算模块的外移相角；

若p₀ ^*>p_c，在当前DAB模块的传输功率下，扩展移相优化控制策略可以优化DAB模块的传输特性，通过扩展移相优化控制算法得到内移相比D₁和外移相比D₂；扩展移相优化控制算法包括扩展移相的最小电流应力优化算法和展移相的最小回流功率优化算法。

扩展移相的最小电流应力优化算法为：

其中A＝2M²-4M+4，

其中P₀为DAB模块输出功率，U₁为DAB模块原边直流电压，U₂为DAB模块副边直流电压。

扩展移相的最小回流功率优化算法为：

其中

F＝M²+2M+2。

步骤5，根据内移相比D₁和外移相比D₂生成开关管S₁-S₈的控制信号，实现对直流变压器的控制。

实施例1

该系统仿真参数：中压母线5kV，低压母线参考电压为1500V，DAB模块数量为10，高频变压器变比为1：3。本仿真实验中，三个DAB模块的移相控制都采用图2所示的移相控制方式，在系统稳定时，每个DAB模块的中压侧理想输入电压为1666.6V，低压侧端口输出电压为1500V，各DAB模块实现功率均衡。

仿真结果如图4、图5和图6所示。在图4中，单移相(Single Phase Shift,SPS)控制下DAB模块的电流应力为292A，最小回流功率扩展移相控制下的电流应力为233.5A，最小电流应力扩展移相控制下的电流应力为230.4A。此时最小回流功率扩展移相控制下DAB模块的电流应力略大于最小电流应力扩展移相控制下的电流应力，回流功率略小于最电流应力扩展移相控制下的回流功率。两种优化方法都减小了DAB模块的回流功率和电流应力。

在图5中，可以看到无论是采用传统分散控制策略还是采用具有输出电压偏差矫正功能的分散控制策略来进行DAB模块间的功率均衡，都可以实现直流变压器输出电压稳定，在稳态下达到参考值1500V附近，但采用传统分散控制的直流变压器会与参考值之间形成稳定的偏差，在本仿真中的参数下，电压偏差达到了8V，具有输出电压偏差矫正功能的分散控制策略很好的减小了电压偏差，使直流变压器的输出电压在稳态下能够接近于参考值1500V。

在图6中，0.03s时传输功率发生突变，可以看出当直流变压器传输功率发生变化时，各模块输入电压均衡分配，输出电流稳定上升后均衡分配，输出电压经过短暂波动后保持稳定，可见具有输出电压偏差矫正功能的分散控制策略能够很好的在功率波动时实现动态调节。

实施例2

一种直流变压器控制装置，其特征在于，包括：

采集模块，用于采集直流变压器的运行参数，并将采集的运行参数传递至计算模块；

处理模块，用于根据运行参数生成DAB模块中的开关管的控制信号，对直流变压器进行控制。

实施例3

一种计算机设备，包括电连接的存储器和处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算程序，处理器执行所述计算程序时，实现上述的控制策略的步骤。

实施例4

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

Claims (8)

1.一种基于扩展移相和分散控制的直流变压器控制策略，其特征在于，包括以下步骤：

测量DAB模块的输入电压和输出电压，根据DAB模块的输入电压和输出电压和直流变压器的变比计算电压转换率；

根据直流变压器的输出电压参考信号、DAB模块的输出电压和分散系数，计算PI控制器的输出，PI控制器的输出用于控制直流变压器的输出电压；

根据DAB模块的开关频率、功率电感、直流变压器的变比、DAB模块的输入电压和DAB模块的输出电压计算DAB模块的最大传输功率；

根据DAB模块的输出电压、输出电流和最大传输功率计算当前的传输功率标幺值p ₀ ^*；

根据电压转换率计算传输功率临界点p _c ，判断p ₀ ^*≤p _c 是否成立：

当p ₀ ^*≤p _c 成立时，通过单移相控制方法计算模块的外移相角，根据外移相角生成DAB模块中的开关管的控制信号，对直流变压器进行控制；

否则，通过扩展移相优化控制算法得到内移相比和外移相比，根据内移相比和外移相比生成DAB模块中开关管的控制信号，对直流变压器进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于扩展移相和分散控制的直流变压器控制策略，其特征在于，通过下式计算内移相比D ₁和外移相比D ₂：

其中，A=2M²-4M+4，

，P ₀为DAB模块输出功率，U ₁为DAB模块原边直流电压，U ₂为DAB模块副边直流电压，M为电压转换率，n为直流变压器变比，f为DAB模块的开关频率，L为DAB模块的功率电感。

3.根据权利要求1所述的一种基于扩展移相和分散控制的直流变压器控制策略，其特征在于，通过下式计算内移相比D ₁和外移相比D ₂：

其中，E和F均为中间变量，

，F=M²+2M+2， L为DAB模块的功率电感，f为DAB模块的开关频率，P ₀为DAB模块输出功率，n为直流变压器变比，U ₁为DAB模块原边直流电压，U ₂为DAB模块副边直流电压，M为电压转换率。

4.根据权利要求1所述的一种基于扩展移相和分散控制的直流变压器控制策略，其特征在于，PI控制器的输出u(t)为：

，

式中：

，e(t)为中间变量，K _p 为PI控制器的比例系数，K _i 为PI控制器的积分系数，V _{O_ref1} 为根据分散系数修正后的输出电压参考信号。

5.根据权利要求4所述的一种基于扩展移相和分散控制的直流变压器控制策略，其特征在于，所述V _{O_ref1} 通过下式得到：

；

其中，V _{O_ref} (t)为直流变压器的输出电压参考信号V _{O_ref} ，k为分散系数，V _Ii 为DAB模块的输入电压，n直流变压器的变比。

6.根据权利要求1所述的一种基于扩展移相和分散控制的直流变压器控制策略，其特征在于，传输功率临界点p _c 的计算公式为：

，M为电压转换率。

7.一种计算机设备，其特征在于，包括电连接的存储器和处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现权利要求1-6中任意一项所述的控制策略的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的控制策略的步骤。

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