CN113410829B - 一种真双极直流微网母线电压平衡装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种真双极直流微网母线电压平衡装置及其控制方法，所述一种真双极直流微网母线电压平衡装置包括：直流断路器、功率模块、母线支撑电容、滤波电感、滤波电容、核心控制器。其主要功能是实现直流微网正母线电压和负母线电压相等。电压平衡装置实时采集正母线电压和负母线电压，当正负母线电压不均衡时启动均衡控制，使得电压高的母线能量流向电压低的母线，最终实现电压的均衡。

Description

一种真双极直流微网母线电压平衡装置及其控制方法
技术领域
本发明专利涉及一种真双极直流微网母线电压平衡装置及其控制方法，特别涉及光伏微网电解水制氢领域。
背景技术
近年来，可再生能源制氢已经成为了能源行业的热点话题，光伏直流微网制氢省掉了交流变压器，效率高成本低，具有很好的应用前景。
光伏直流微网制氢中DC/DC变换器广泛采用三电平拓扑，其输出电压较高，而制氢电解槽电压较低，为匹配电解槽电压提高效率，制氢电源可以采用双Buck电路串联结构，即光伏DC/DC正母线和负母线各接一个Buck电路，每个Buck电路接一组电解槽，母线中性点接地。但由于2组串联电解槽和制氢电源特性不能保证完全一致，制氢电源工作时会导致正母线和负母线的电压不均衡。
发明内容
本发明目的在于解决上述电路在工作时出现的母线电压不平衡问题，提供一种真双极直流微网母线电压平衡装置及其控制方法。
本发明专利所述真双极直流微网母线电压平衡装置包括：直流断路器、第一功率模块、第二功率模块、第三功率模块、正母线支撑电容、负母线支撑电容、滤波电感、正母线波电容、负母线滤波电容、核心控制器。所述的真双极直流微网母线电压平衡装置控制方法，其特征在于通过实时监测正母线和负母线电压，当正负母线电压不平衡时自动开通电力电子开关管，使得正负母线电压均衡。
本发明专利所述的第一功率模块、第二功率模块、第三功率模块拓扑结构相同，均为二极管钳位三电平结构，3个功率模块交错并联运行。
本发明专利所述的3个功率模块输出与滤波电感相连，同时滤波电感的输出与母线中性点相连接。
本发明专利所述的核心控制器为数字信号处理器(DSP)，其功能是采集电压、电流信号，并通过内部控制程序发出功率单元脉冲触发信号。
本发明专利所述控制方法是将正母线和负母线电压做差，然后经过PI运算得到占空比值，当得到的占空比值为正时调节功率模块上桥臂2个IGBT导通占空比，下桥臂2个IGBT保持关闭，当得到的占空比值为负时，调节下桥臂2个IGBT导通占空比，上桥臂2个IGBT保持关闭，核心控制器根据占空比输出功率模块的调整脉冲，还控制3个功率模块调制脉冲移相120°。
附图说明
图1一种真双极直流微网母线电压平衡装置主电路图
图2电压平衡装置控制框图
图3功率模块交错控制时序图
图4功率模块上桥臂开关延时时序图
图5功率模块下桥臂开关延时时序图
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
本发明提供了一种真双极直流微网母线电压平衡装置及其控制方法，一种真双极直流微网母线电压平衡装置主电路图如图1所示。电压平衡装置包括直流断路器1、正母线支撑电容2、负母线支撑电容3、第一功率模块4、第二功率模块5、第三功率模块6、滤波电感7、正母线滤波电容8、负母线滤波电容9、核心控制器10。
所述的电压平衡装置直流断路器1为三极结构，其中第一极与正母线相连，第二极与中性线相连，第三极与负母线相连。
正母线支撑电容2正极与正母线相连接，负极与中性线相连接，负母线电容3正极与中性线相连接，负母线电容3负极与负母线相连接。
第一功率模块4正极与正母线相连接，负极与负母线相连接，中点与中性线相连接，第一功率模块4的输出与滤波电感7第一输入端相连，第一功率模块4触发信号与核心控制器10相连接。
第二功率模块5正极与正母线相连接，负极与负母线相连接，中点与中性线相连接，第二功率模块5的输出与滤波电感7第二输入端相连，第二功率模块5触发信号与核心控制器10相连接。
第三功率模块6正极与正母线相连接，负极与负母线相连接，中点与中性线相连接，第三功率模块6的输出与滤波电感7第三输入端相连，第三功率模块6触发信号与核心控制器10相连接。
滤波电感7输入分别和第一功率模块4、第二功率模块5、第三功率模块6输出相连接，滤波电感7输出与正母线滤波电容8负极及负母线滤波电容9正极相连接。
正母线滤波电容8正极与正母线相连接，负极与中性线相连接；负母线滤波电容9正极与中性线相连接，负极与负母线相连接。
核心控制器10主要功能是实现电压、电流信号采集，计算功率模块的占空比并输出触发脉冲，其触发脉冲分别与第一功率模块4、第二功率模块5、第三功率模块6的脉冲触发输入端相连接。
结合图2说明电压平衡装置控制方法。首先，将正母线电压Udc+和负母线电压Udc-做差，再经过死区控制器S101，死区控制器S101的功能是当输入值小于某一电压值时，其输出为0；死区控制器S101的输出作为PI控制器S102的输入，PI控制器S102的功能是比例积分运算，输出结果作为脉冲生成模块S103的输入，脉冲生成模块S103功能是根据输入值计算功率模块上桥臂和下桥臂开关占空比。功率模块模型S104是第一功率模块4、第二功率模块5、第三功率模块6的等效数学模型。
结合图3说明电压平衡装置功率模块的开关时序。当脉冲生成模块S103计算得到的占空比值为正时调节功率模块上桥臂2个IGBT，下桥臂2个IGBT保持关闭，当脉冲生成模块S103计算得到的占空比值为负时，调节下桥臂2个IGBT，上桥臂2个IGBT保持关闭，3个功率模块调制脉冲移相120°，即第一功率模块4功率管导通，延时1/3*Ts后第二个功率模块5功率管导通，再延时1/3*Ts第三功率模块6功率管导通，其中Ts为开关周期。
结合图4和图5说明功率模块接收到触发信号后4个IGBT延时时序。当上桥臂收到触发信号时延时t2开通第二个IGBT T2，延时t3后开通第一个IGBT T1，其中t2＜t3；当上桥臂触发信号消失后，延时t5关闭第一个IGBT T1，延时t6后关闭第二个IGBT，其中t5＜t6。上述延时时序保证第一个IGBT T1较第二个IGBT T2后开通，且先关断。当下桥臂收到触发信号时延时t8开通第三个IGBT T3，延时t9后开通第四个IGBT T4，其中t8＜t9；当下桥臂触发信号消失后，延时t11关闭第四个IGBT T4，延时t12后关闭第三个IGBT，其中t11＜t12。延时序保证第四个IGBT T4较第三个IGBT T3后开通，且先关断。上述延时逻辑由功率单元驱动电路中的单片机实现，可以避免功率模块中的IGBT T2和T3在换流过程因过电压而损坏。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，看轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种真双极直流微网母线电压平衡控制方法，其特征在于所述真双极直流微网母线电压平衡装置包括：直流断路器、第一功率模块、第二功率模块、第三功率模块、正母线支撑电容、负母线支撑电容、滤波电感、正母线滤波电容、负母线滤波电容、核心控制器；所述的真双极直流微网母线电压平衡装置控制方法，其特征在于通过实时监测正母线和负母线电压，当正负母线电压不平衡时自动开通IGBT，使得正负母线电压均衡；
电压平衡装置直流断路器为三极结构，其中第一极与正母线相连，第二极与中性线相连，第三极与负母线相连；
正母线支撑电容正极与正母线相连接，负极与中性线相连接，负母线支撑电容正极与中性线相连接，负母线支撑电容负极与负母线相连接；
第一功率模块正极与正母线相连接，负极与负母线相连接，中点与中性线相连接，第一功率模块的输出与滤波电感第一输入端相连，第一功率模块触发信号与核心控制器相连接；
第二功率模块正极与正母线相连接，负极与负母线相连接，中点与中性线相连接，第二功率模块的输出与滤波电感第二输入端相连，第二功率模块触发信号与核心控制器相连接；
第三功率模块正极与正母线相连接，负极与负母线相连接，中点与中性线相连接，第三功率模块的输出与滤波电感第三输入端相连，第三功率模块触发信号与核心控制器相连接；
滤波电感输入分别和第一功率模块、第二功率模块、第三功率模块输出相连接，滤波电感输出与正母线滤波电容负极及负母线滤波电容正极相连接；
正母线滤波电容正极与正母线相连接，负极与中性线相连接；负母线滤波电容正极与中性线相连接，负极与负母线相连接；
核心控制器功能是实现电压、电流信号采集，计算功率模块的占空比并输出触发脉冲，其触发脉冲分别与第一功率模块、第二功率模块、第三功率模块的脉冲触发输入端相连接；
所述控制方法是将正母线和负母线电压做差，然后经过PI运算得到占空比值，当得到的占空比值为正时调节功率模块上桥臂2个IGBT导通占空比，下桥臂2个IGBT保持关闭，当得到的占空比值为负时，调节下桥臂2个IGBT导通占空比，上桥臂2个IGBT保持关闭，核心控制器根据占空比输出功率模块的调整脉冲，还控制3个功率模块调制脉冲移相120°，即第一功率模块功率管导通，延时1/3*Ts后第二个功率模块功率管导通，再延时1/3*Ts第三功率模块功率管导通，其中Ts为开关周期；
所述的第一功率模块、第二功率模块、第三功率模块均包含4个IGBT和2个二极管，每个功率模块都有IGBT驱动控制电路，IGBT驱动控制电路具有单片机用于控制每个IGBT开通和关断延时时间；
功率模块接收到触发信号后4个IGBT延时时序；当上桥臂收到触发信号时延时t2开通第二个IGBT T2，延时t3后开通第一个IGBT T1，其中t2＜t3；当上桥臂触发信号消失后，延时t5关闭第一个IGBT T1，延时t6后关闭第二个IGBT，其中t5＜t6；延时时序保证第一个IGBT T1较第二个IGBT T2后开通，且先关断；当下桥臂收到触发信号时延时t8开通第三个IGBT T3，延时t9后开通第四个IGBT T4，其中t8＜t9；当下桥臂触发信号消失后，延时t11关闭第四个IGBT T4，延时t12后关闭第三个IGBT，其中t11＜t12；延时时序保证第四个IGBTT4较第三个IGBT T3后开通，且先关断；延时逻辑由功率单元驱动电路中的单片机实现，避免功率模块中的IGBT T2和T3在换流过程因过电压而损坏。
2.根据权利要求1所述的一种真双极直流微网母线电压平衡控制方法，其特征在于所述的第一功率模块、第二功率模块、第三功率模块均为二极管钳位三电平结构，3个功率模块交错并联运行。
3.根据权利要求1所述的一种真双极直流微网母线电压平衡控制方法，其特征在于所述的核心控制器为数字信号处理器即DSP，其功能是采集电压、电流信号，并通过内部控制程序发出功率单元脉冲触发信号。
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