CN113489349B - 一种低压配电网末端低电压治理装置均压电路的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低压配电网末端低电压治理装置均压电路的控制方法，其技术方案包括以下步骤：通过数据采样获得电路的工作信息；根据当前的采样结果预测电感电流的波形，进行电感电流模式判断；进行电感电流模式变化判断；在电感电流模式发生变化时，进行控制切换操作保证控制切换的平滑；根据当前的电感电流模式，执行均压电路的相应模式下的控制；计算占空比与生成驱动信号，实现均压电路的高性能控制。本发明所述方法中的均压电路的两个开关管独立工作，可以显著降低开关管的开关损耗与导通损耗，通过电感电流模式判断与控制切换，实现低压配电网末端低电压治理装置均压电路的高性能控制。

Description

一种低压配电网末端低电压治理装置均压电路的控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子及其控制技术领域，尤其涉及一种低压配电网末端低电压治理装置均压电路的控制方法。
背景技术
在一些较为偏远的山区和农村，由于供电半径长、供电线路直径小等诸多原因，低压配电网末端的低电压问题普遍存在。低电压问题对于居民用户的用电体验以及对于电网的供电可靠性都具有不利影响。传统的低电压问题的治理措施是配电变压器、线路的改造与扩容，存在施工周期长、施工成本高以及投资回报率低等问题。低压配电网末端低电压治理装置，基于现有配电网，在配电变压器附近将低压交流配电整流、升压为直流配电，在居民用户附近将直流配电进行逆变、稳压为标准的低压交流配电，解决了原交流低压配电网长距离传输的末端低电压问题。该方案对现有配电线路充分利用，设备安装和施工方便，降低综合改造成本；而且采用升压的直流配电，流经电流减小，降低线路损耗。
为降低低压配电网末端低电压治理装置的损耗，提高其运行效率，装置中的整流器、逆变器采用三电平的拓扑结构。直流母线的两个串联电容进行分压形成了三个电平，串联电容电压的不均压是三电平拓扑的固有问题。两个电容的电压不同，会影响整流器、逆变器的性能，甚至造成开关器件的损坏。
三电平的串联电容的均压控制，可以分为两种，软件控制和硬件电路控制。软件控制主要是改进调制策略，加入一些均压算法；但其调节能力受制于交流侧电流及其功率因数的大小，并不能适用于所有工况。硬件电路控制是增加一个均压电路，在均压电路容量允许的范围内，具有良好的均压效果。但传统的均压电路的两个开关管的驱动信号是互补的，具有损耗大的缺点。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种低压配电网末端低电压治理装置均压电路的控制方法，所述方法中的均压电路的两个开关管独立工作，可以显著降低开关管的开关损耗与导通损耗，通过电感电流模式判断与控制切换，实现低压配电网末端低电压治理装置均压电路的高性能控制。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种低压配电网末端低电压治理装置均压电路的控制方法，包括以下步骤：
数据采样，采样均压电路的电感电流IL与三电平直流母线的上、下两部分电容的电压Vp、Vn；
电感电流模式判断，根据当前的电感电流IL，结合当前的开关管占空比Dp、Dn，预测当前控制周期并与上个控制周期比对，若电感电流模式相同，则保持该模式的均压电路控制，否则需进行控制切换，保证均压电路控制模式与电感电流模式相对应；
执行当前模式的控制，计算占空比，生成驱动信号控制均压电路开关管的开通或关断。
进一步地，所述数据采样采用对称规则采样方式，在三角载波的波谷进行采样。
进一步地，所述控制方法在三角载波的波谷开始执行，并在下一个载波的波谷更新占空比数据，用于控制开关管的开通或关断，保证在每个控制周期中仅有一个开关管开通或关断。
进一步地，所述均压电路控制分为电感电流连续模式与电感电流断续模式控制，其中：
电感电流连续模式控制为双环控制，内环控制器PIIL_CCM控制电感电流，外环控制器PIVn_CCM控制直流母线上、下电容的电压，外环控制器PIVn_CCM的输出作为内环控制器PIIL_CCM的给定，内环控制器PIIL_CCM的输出/>经过运算得到占空比Dp或Dn；
电感电流断续模式控制为单环控制，控制器PIVn_DCM输出经过运算得到占空比Dp或Dn。
进一步地，所述控制切换分为断续模式到连续模式的控制切换和连续模式到断续模式的控制切换，其中：
断续模式到连续模式的控制切换，当前控制周期的控制器PIIL_CCM(k)的积分系数IIL_CCM(k)需要根据上个控制周期的占空比Dp(k-1)或Dn(k-1)进行调整，当前控制周期的控制器PIVn_CCM(k)的积分系数IVn_CCM(k)需要根据上个控制周期的控制器PIVn_DCM(k-1)的输出进行调整，表达式为：
连续模式到断续模式的控制切换，当前控制周期的控制器PIVn_DCM(k)的积分系数IVn_DCM(k)需要根据上个控制周期的控制器PIIL_CCM(k-1)的输出进行调整，表达式为：
进一步地，所述占空比计算取决于均压电路的控制模式，其中：
电感电流连续模式控制的占空比的计算公式为：
电感电流断续模式控制的占空比的计算公式为：
本发明的有益技术效果：
1.均压电路的两个开关管独立工作，在每个控制周期中，仅有一个开关管开通和关断，与传统的开关管互补导通的两个开关管开通和关断相比，可以显著降低开关管的开关损耗；在电流较小时，均压电路工作于电流断续模式，与传统的开关管互补导通的一直处于电流连续模式相比，减小了电流有效值，降低了均压电路的导通损耗。
2.在电感电流连续与电感电流断续两种电路工作模式下，分别针对性的开发了相应的控制方法，结合电感电流模式判断提高了各自的控制性能，并在电感电流模式发生变化时采取了控制切换操作保证平滑的切换，实现低压配电网末端低电压治理装置均压电路的高性能控制。
附图说明
图1是本发明低压配电网末端低电压治理装置均压电路的控制方法的低压配电网末端低电压治理装置及其所在低压配电系统的拓扑图。
图2是本发明低压配电网末端低电压治理装置均压电路的控制方法的低压配电网末端低电压治理装置的AC/DC整流器、DC/AC逆变器的拓扑图。
图3是本发明低压配电网末端低电压治理装置均压电路的控制方法的实施流程框图。
图4是本发明低压配电网末端低电压治理装置均压电路的控制方法的电感电流连续模式控制的实现框图。
图5是本发明低压配电网末端低电压治理装置均压电路的控制方法的电感电流断续模式控制的实现框图。
图6是无均压电路的低压配电网末端低电压治理装置DC/AC逆变器的直流母线电压的仿真结果。
图7是采用传统均压电路控制方法的低压配电网末端低电压治理装置DC/AC逆变器的直流母线电压与均压电路电感电流的仿真结果。
图8是采用本发明低压配电网末端低电压治理装置均压电路的控制方法的低压配电网末端低电压治理装置DC/AC逆变器的直流母线电压与均压电路电感电流的仿真结果。
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用以解释本发明，并不限定本发明。
本发明应用的低压配电网末端低电压治理装置及其所在低压配电系统的拓扑图如图1所示，低压配电网末端低电压治理装置主要由AC/DC整流器、DC/AC逆变器及其开关组构成，以单相系统为例，原低压配电系统主要由配电变压器、长输电线路以及用户构成。AC/DC整流器位置靠近配电变压器侧，DC/AC逆变器位置靠近用户侧，当低压配电网末端低电压治理装置工作时，交流投入开关、直流投入开关闭合，AC/DC整流器将配电变压器输出的交流电升压整流成为直流电，通过既有配电线路，传送至DC/AC逆变器，DC/AC逆变器将直流电逆变成为标准的单相交流电，通过既有配电线路，传送至用户。解决了原交流低压配电网长距离传输的末端低电压问题。
本发明应用的低压配电网末端低电压治理装置的AC/DC整流器、DC/AC逆变器的拓扑图如图2所示，包含均压电路、直流母线、NPC三电平逆变桥以及LC滤波器。NPC三电平逆变桥实现将交流电整流为直流电的整流功能或将直流电逆变交流电的逆变功能。LC滤波器用于滤除交流端口的开关次谐波。直流母线由上、下两个串联电容组成得到了三个电平，具有用于滤除直流端口的开关次谐波并提供能量缓冲的作用。器件参数差异、负载突变以及逆变器带半波整流负载等情况下，直流母线的上、下两个串联电容的放电功率不同，会造成不均压问题，均压电路的作用就是使直流母线由上、下两个串联电容均压。
图2中的均压电路由两个开关管S1、S2以及电感L构成。传统的均压电路的两个开关管的驱动信号是互补的，具有损耗大的缺点，原因是两个开关管S1、S2在任何时刻必然有一个开关管处于导通状态，为电感提供了电流通路。本发明中两个开关管独立工作，在每个控制周期中，仅有一个开关管开通和关断，开关管的开关次数减半，而且均压电路可工作于电流断续模式，减小了电流有效值，这降低了均压电路的损耗，具有高效率的优点。
图3展示了本发明的实施流程，通过数据采样获得电路的工作信息，然后进行电感电流模式判断，以更准确的执行相应的控制，并在电感电流模式发生变化时采取控制切换操作保证平滑的切换，最后经过占空比的计算和驱动信号的生成，实现低压配电网末端低电压治理装置均压电路的高性能控制。
本发明的一种低压配电网末端低电压治理装置均压电路的控制方法，具体包括以下步骤：
步骤1：数据采样，采样均压电路的电感电流IL与三电平直流母线的上、下两部分电容的电压Vp、Vn。
均压电路采用对称规则采样进行采样与载波调制，在三角载波的波谷采样并开始执行控制方法的运算，在下一个载波的波谷到来之前完成运算并在波谷更新占空比数据，用于控制开关管的开通或关断。其中，均压电路的两个开关管独立工作，在每个控制周期中，仅有一个开关管开通和关断，可以显著降低开关管的开关损耗与导通损耗。
步骤2：电感电流模式判断，根据当前的电感电流IL，结合当前的开关管占空比Dp、Dn，预测电感电流的波形，判断当前控制周期是处于电感电流断续模式，还是处于电感电流连续模式。
电感电流模式取决于电感电流的波形，若一个控制周期Ts中电感L的电流都大于零或者都小于零，则处于电感电流连续模式，否则处于电感电流断续模式。电感电流模式判断方法为：当Vp≥Vn，若IL+0.5DpTsVp/L-(1-Dp)TsVn/L≥0，则处于电感电流连续模式，否则处于电感电流连续模式；或者当Vp＜Vn，若IL-0.5DnTsVn/L-(1-Dp)TsVp/L≤0，则处于电感电流连续模式，否则处于电感电流连续模式。
步骤3：电感电流模式变化判断，将当前控制周期的电感电流模式，与上个控制周期的电感电流模式对比，如果都是连续模式，则继续进行连续模式的均压电路控制，如果都是断续模式，则继续进行断续模式的均压电路控制，如果发生了断续到连续的变化，则需要进行断续到连续的控制切换操作，如果发生了连续到断续的变化，则需要进行连续到断续的控制切换操作。
均压电路控制按照电感电流模式的不同，分为电感电流连续模式控制与电感电流断续模式控制。
电感电流连续模式控制为双环控制，内环控制器PIIL_CCM控制电感电流，外环控制器PIVn_CCM控制直流母线上、下电容的电压，外环控制器PIVn_CCM的输出作为内环控制器PIILCCM的给定，内环控制器PIILCCM的输出/>经过运算得到占空比Dp或Dn。电感电流连续模式控制的细节在图4展示。
电感电流断续模式控制为单环控制，控制器PIVn_DCM输出经过运算得到占空比Dp或Dn。电感电流断续模式控制的细节在图5展示。
步骤4：控制切换，在电感电流模式发生变化时，均压电路的控制也要随之切换，为保证平滑的切换，需要进行控制切换操作，确保控制的关键量——电感电流的给定与开关管的占空比在控制切换前后的不发生突变。
控制切换分为断续模式到连续模式的控制切换和连续模式到断续模式的控制切换。
断续模式到连续模式的控制切换，当前控制周期的控制器PIIL_CCM(k)的积分系数IIL_CCM(k)需要根据上个控制周期的占空比Dp(k-1)或Dn(k-1)进行调整，当前控制周期的控制器PIVn_CCM(k)的积分系数IVn_CCM(k)需要根据上个控制周期的控制器PIVn_DCM(k-1)的输出进行调整，表达式为：
连续模式到断续模式的控制切换，当前控制周期的控制器PIVn_DCM(k)的积分系数IVn_DCM(k)需要根据上个控制周期的控制器PIIL_CCM(k-1)的输出进行调整，表达式为：
步骤5：根据当前控制周期的电感电流模式，执行均压电路的电感电流连续模式控制与电感电流断续模式控制。
步骤6：占空比的计算与驱动信号的生成，控制均压电路开关管的开通或关断，实现低压配电网末端低电压治理装置均压电路的高性能控制。
占空比的计算取决于均压电路的控制模式。电感电流连续模式控制的占空比的计算公式为：
电感电流断续模式控制的占空比的计算公式为：
驱动信号的生成采用占空比与三角载波比较的方法，当占空比大于三角载波时，相应的开关管开通，否则开关管关断。
无均压电路的低压配电网末端低电压治理装置DC/AC逆变器的直流母线电压的仿真结果如图6所示，在一开始直流母线存在不均压的情况，在0.02s突加负载，直流母线的上、下母线电压出现较大的波动。采用传统均压电路控制方法的低压配电网末端低电压治理装置DC/AC逆变器的直流母线电压与均压电路电感电流的仿真结果如图7所示，一开始直流母线存在不均压逐渐变得均压，在0.02s突加负载，直流母线的上、下母线电压的波动也显著减小，这体现了均压电路具有良好的均压作用。采用本发明的低压配电网末端低电压治理装置均压电路的控制方法的低压配电网末端低电压治理装置DC/AC逆变器的直流母线电压与均压电路电感电流的仿真结果如图8所示，一开始直流母线存在不均压逐渐变得均压，在0.02s突加负载，直流母线的上、下母线电压的波动也显著减小；而且图8的均压电路电感电流与图7的相比，在一些时间段小了很多，这体现了本发明方法低损耗的优势，电感电流模式切换过程也比较平滑，表明本发明的有效性。
上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。

Claims (6)

1.一种低压配电网末端低电压治理装置均压电路的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
数据采样，采样均压电路的电感电流IL与三电平直流母线的上、下两部分电容的电压Vp、Vn；其中，低压配电网末端低电压治理装置的AC/DC整流器、DC/AC逆变器的拓扑为NPC三电平拓扑，其三电平直流母线由上、下两个串联电容组成，上母线电容Cp的电压为Vp，下母线电容Cn的电压为Vn；均压电路由两个开关管S1、S2以及电感L构成，记电感L的电流为IL；开关管S1的一端与电容Cp的正极相连，开关管S2的一端与电容Cn的负极相连，电感L连接着S1、S2的公共点与Cp、Cn的公共点；
电感电流模式判断，根据当前的电感电流IL，结合当前的开关管S1、S2的占空比Dp、Dn，预测当前控制周期并与上个控制周期比对，若电感电流模式相同，则保持该模式的均压电路控制，否则需进行控制切换，保证均压电路控制模式与电感电流模式相对应；其中，开关管占空比Dp为开关管S1的占空比，开关管占空比Dn为开关管S2的占空比；其中，电感电流模式判断方法为：当Vp≥Vn，若IL+0.5DpTsVp/L-(1-Dp)TsVn/L≥0，则处于电感电流连续模式，否则处于电感电流连续模式；或者当Vp＜Vn，若IL-0.5DnTsVn/L-(1-Dp)TsVp/L≤0，则处于电感电流连续模式，否则处于电感电流连续模式；其中，Ts为开关管S1、S2的开关周期；
执行当前模式的控制，计算占空比，生成驱动信号控制均压电路开关管的开通或关断。
2.根据权利要求1所述的一种低压配电网末端低电压治理装置均压电路的控制方法，其特征在于，所述数据采样采用对称规则采样方式，在三角载波的波谷进行采样。
3.根据权利要求1所述的一种低压配电网末端低电压治理装置均压电路的控制方法，其特征在于，所述控制方法在三角载波的波谷开始执行，并在下一个载波的波谷更新占空比数据，用于控制开关管S1、S2的开通或关断，保证在每个控制周期中仅有一个开关管开通或关断。
4.根据权利要求1所述的一种低压配电网末端低电压治理装置均压电路的控制方法，其特征在于，所述均压电路控制分为电感电流连续模式与电感电流断续模式控制，其中：
电感电流连续模式控制为双环控制，内环控制器PIIL_CCM控制电感电流，外环控制器PIVn_CCM控制直流母线的下母线电容Cn的电压Vn，外环控制器PIVn_CCM的输出作为内环控制器PIIL_CCM的给定，内环控制器PIIL_CCM的输出为电感L两端电压的给定/> 经过运算得到占空比Dp或Dn；
电感电流断续模式控制为单环控制，控制器PIVn_DCM输出为电感L电流的给定 经过运算得到占空比Dp或Dn。
5.根据权利要求4所述的一种低压配电网末端低电压治理装置均压电路的控制方法，其特征在于，所述控制切换分为断续模式到连续模式的控制切换和连续模式到断续模式的控制切换，具体的：
断续模式到连续模式的控制切换，当前控制周期的控制器PIIL_CCM(k)的积分系数IIL_CCM(k)需要根据上个控制周期的占空比Dp(k-1)或Dn(k-1)进行调整，当前控制周期的控制器PIVn_CCM(k)的积分系数IVn_CCM(k)需要根据上个控制周期的控制器PIVn_DCM(k-1)的输出进行调整，表达式为：
连续模式到断续模式的控制切换，当前控制周期的控制器PIVn_DCM(k)的积分系数IVn_DCM(k)需要根据上个控制周期的控制器PIIL_CCM(k-1)的输出进行调整，表达式为：
6.根据权利要求4所述的一种低压配电网末端低电压治理装置均压电路的控制方法，其特征在于，所述占空比计算取决于均压电路的控制模式，其中：
电感电流连续模式控制的占空比的计算公式为：
电感电流断续模式控制的占空比的计算公式为：
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