CN113938084B - 一种利用电机驱动器实现直流微网功率迁移的拓扑及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种利用电机驱动器实现直流微网功率迁移的拓扑及方法，属于智能电网领域，涉及一种迁移功率的拓扑及方法，尤其是涉及一种基于三相电机驱动器实现直流微网功率迁移的拓扑及方法。为了解决双极性直流微电网面临的不对称负载和分布式发电装置造成的电压不平衡问题，本发明提供了一种使用电机驱动器辅助功率传输的解决方案。连接电机的A相绕组输出端与直流母线电容器的中性点，并用连接器S控制其导通和关断，决定是否进行功率传输。通过预设转子位置、确定控制目标及电流迁移量、控制功率开关器件的占空比，即可实现功率迁移。本发明降低了电压平衡器的功率要求，降低经济成本和占用空间，功率传输量的计算精度更高。

Description

一种利用电机驱动器实现直流微网功率迁移的拓扑及方法

技术领域

本发明属于智能电网领域，涉及一种迁移功率的拓扑及方法，尤其是涉及一种基于三相电机驱动器实现直流微网功率迁移的拓扑及方法。

背景技术

随着分布式发电装置的快速发展和直流负载的广泛应用，直流微电网展现出更多的潜在优势。与交流电网相比，直流微电网天然消除了由无功电流引起的棘手问题，易于与分布式发电装置和直流负载连接，不再需要很多的功率变换器，提高了系统的效率和可靠性，并且，同规格的电缆允许更强的电力传输能力。由于这些显著的优点，直流微电网在研究中的使用越来越广泛。根据不同的架构和供电形式，主流的直流微电网主要分为单极性直流微电网和双极性直流微电网。其中双极性直流微电网因具有更多电压等级、更高的效率和可靠性等优点，受到了更广泛的关注。但双极性直流微电网同样也面临着不对称负载和分布式发电装置造成的电压不平衡的挑战。

为弥补双极性直流微电网的不足之处，需要对其电压进行平衡。文献1[文献1为F.Wang,Z.Lei,X.Xu,and X.Shu,"Topology deduction and analysis of voltagebalancers for DC microgrid,"IEEE J.Em.Sel.Top.P.,vol.5,no.2,pp.672-680,Jun.2017.(期刊论文)]使用传统的电压平衡装置实现电压平衡的功能，把电压平衡装置用做功率转移器，通过控制双极性直流微电网的功率流动获得平衡电压或者帮助分配两条母线之间的负载。但这也存在一些问题，包括功率开关数量过多或开关次数过大，导致装置体积与制造成本增加或者开关损耗过大，并且功率开关承受电压较大，导致可能出现击穿现象从而造成不必要的损耗和可靠性的降低。

因此在电压平衡器的应用中有一些方法来改善这些问题。主要思路是使用不同电压平衡器来改善电压平衡存在的问题，文献2[文献2为X.Zhang and C.Gong,"Dual-buckhalf-bridge voltage balancer,"IEEE Trans.Ind.Electron.,vol.60,no.8,pp.3157-3164,Aug.2013.(期刊论文)]使用双降压半桥电压平衡器，使续流电流通过独立的续流二极管而非开关管的体二极管，从而避免开关管的击穿问题，但这增加了电力器件的数量，导致体积和成本增大。文献3[文献3为B.Li,Q.Fu,S.Mao,X.Zhao,D.Xu,X.Gong,and Q.Wang,"DC/DC converter for bipolar LVdc system with integrated voltage balancecapability,"IEEE Trans.Power Electron.,vol.36,no.5,pp.5415-5424,May 2021.(期刊文献)]使用集成电压平衡能力的DC/DC转换器来减少了电源开关的数量和开关损耗，虽然在减小体积方面有一定帮助，但还是需要额外的电感来达成电压平衡的目的，这无疑增加了制造成本和制造难度。文献4[文献4为J.Y.Lee,H.S.Kim,and J.H.Jung,"Enhanceddual-active-bridge DC–DC converter for balancing bipolar voltage level of DCdistribution system,"IEEE Trans.Ind.Electron.,vol.67,no.12,pp.10399-10409,Dec.2020.(期刊文献)]使用双有源桥变换器，使得系统即使在极端情况下也能运转，但是电感会产生较大的电流纹波，并且也是因为需要额外的电感，其电压平衡能力并不是特别出众。

交流电机驱动器是双极性直流微电网的重要组成部分并且消耗大量电能，这意味着交流电机驱动器具有高功率密度和功率共享潜力。如果交流电机驱动系统可以分担部分功率转移的任务，那么就不需要额外增加电感，并且电机电感较大，在分担功率转移任务时不会有很大的电流纹波，并且电压平衡能力也会更强，这将减轻电压平衡器的负担，减小体积，降低成本，降低制造难度。所以为了充分利用交流电机驱动器的功率密度和功率传输能力来完成双极性直流微电网的电压平衡任务，电机驱动在电压平衡装置中的应用须考虑在内。

发明内容

为了解决双极性直流微电网目前面临的不对称负载和分布式发电装置造成的电压不平衡问题，通常采用电压平衡装置通过控制双极性直流微电网的功率流动获得平衡电压，或者帮助分配两条母线之间的负载。但这会增加装置体积与制造成本，或者产生不必要的损耗和可靠性降低等问题。本发明充分利用交流电机驱动器的功率密度和功率传输能力来完成双极性直流微电网(BDCMG)的电压平衡任务，并提供了一种使用非运行的电机驱动器辅助功率传输的解决方案。电机在非运行状态收到功率迁移任务时，可以闭合连接器改变拓扑结构，作为电压平衡器辅助功率迁移。当收到运行指令或功率迁移任务完成时，可断开连接恢复传统的拓扑结构。本发明采用的策略和相应的拓扑结构不需要额外的功率开关器件，并且不影响电机驱动器的正常运行，因为连接器断开后拓扑结构将与传统的相同。从整个BDCMG系统的角度来看，本发明不会增加成本和占地面积。相反，通过应用本发明来降低电压平衡器的功率要求，一定程度上会节省成本和体积。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明利用非运行电机完成功率迁移任务。电路的拓扑结构如图1(a)所示，连接A相绕组输出端与直流母线电容器的中性点，并用连接器S控制其导通和关断，从而决定是否进行功率传输。若将开关S导通，则将电机驱动器的拓扑结构改变成可实现功率迁移的拓扑结构。其中，L₊、M、L_-分别为双极性直流微网的正极、中性线、负极；C_L1、C_L2为上极电容和下极电容，“+”为电容的正极，u_CL1、u_CL2为上极、下极电容上的电压；S₁-S₆为功率开关；L_A、L_B、L_C为电机三相绕组；i_A、i_B、i_C分别为电机三相绕组的电流，i_S表示流过连接器S的电流，i_P和i_N表示逆变器的正负输入电流，i_L+、i_M、i_L-是从L₊、M、L_-流入驱动器的三个线电流，箭头方向表示电流的正方向。默认所有开关S₁-S₆均为断开状态，A桥臂的两个开关在功率迁移的过程中不动作(保持断开)，此时，图1(a)的拓扑可以等效成图1(b)所示的等效电路。功率迁移的具体步骤如下：

步骤1：预设转子位置。

功率迁移开始前需要根据功率迁移的方向，预设转子位置。功率迁移的流动方向可分为两大类，即：由上极向下极迁移或由下极向上极迁移。当功率需由上极向下极方向迁移时(i_A<0)，预设转子位置与定子A向绕组方向相反；当功率需由下极向上极方向迁移时(i_A>0)，预设转子位置与定子A向绕组方向相同。

步骤2：确定控制目标。

若要求进行迁移的目标功率为P，考虑迁移过程中的开关损耗和杂散损耗的影响，对具体的迁移任务可细分为如下四种：上极迁出功率P，下极迁入功率P，下级迁出功率P，上极迁入功率P。

步骤3：计算控制目标的对应电流值。

当迁移目标为：上极向下极迁移功率，上极迁出功率P，则利用公式(1)计算需要迁移的A相电流i_A：

当迁移目标为：上极向下极迁移功率，下极迁入功率P，则利用公式(2)计算需要迁移的A相电流i_A：

当迁移目标为：下极向上极迁移功率，下级迁出功率P，则利用公式(3)计算需要迁移的A相电流i_A：

当迁移目标为：下极向上极迁移功率，上极迁入功率P，则利用公式(4)计算需要迁移的A相电流i_A：

其中，i_A为需要迁移的A相电流值；u_CL1为上极直流母线电容电压；u_CL2为下极直流母线电容电压；R_p为三相绕组电阻；P为需要迁移的目标功率；P_SW为IGBT的开关损耗；P_S为杂散损耗。

i_A可由以上公式得到，i_B和i_C进行均流处理，计算方法如下式(5)所示。

步骤4：功率迁移的实现

闭合开关S，改变拓扑，开始功率迁移。

当功率迁移的方向为由上极向下极迁移，则功率迁移过程可分为两个阶段，如图2所示。同时导通开关S₃和S₅，实现上电容u_CL1向电机绕组充电，充电回路如图2(a)所示；关闭开关S₃和S₅，实现电机绕组经过S₄、S₆的续流二极管向下电容u_CL2放电，放电回路如图2(b)所示。控制S₃、S₅导通和关断的占空比，使B、C相电流与步骤3的计算值i_B、i_C相等，即可实现功率由上极向下极迁移P。

当功率迁移的方向为由下极向上极迁移，则功率迁移过程也可分为两个阶段，如图3所示。同时导通开关S₄和S₆，实现下电容u_CL2向电机绕组充电，充电回路如图3(a)所示；关闭开关S₄和S₆，实现电机绕组经过S₃、S₅的续流二极管向上电容u_CL1放电，放电回路如图3(b)所示。控制S₄、S₆导通和关断的占空比，使B、C相电流与步骤3的计算值i_B、i_C相等，即可实现功率由下极向上极迁移P。

若未收到停止迁移命令、或迁移方向未发生变化，则根据功率要求以及实时反馈的电容电压值，继续进行步骤3和步骤4。否则，进行步骤5。

步骤5：停止功率迁移。

系统功率迁移完成或需要转换功率转移方向时，根据此前功率传输方向和所要求的剩余能量去向，采取不同的放电回路。

当系统此前的功率传输方向为由上极向下极转换时，若允许剩余能量反馈到BDCMG中，则只用断开S，放电回路如图4(a)所示。若不允许剩余能量反馈到BDCMG中，则在断开S后，还应导通开关S₃、S₅，放电回路如图4(b)所示。

当系统此前的功率传输方向为由下极向上极转换时，若允许剩余能量反馈到BDCMG中，则只用断开S，放电回路如图5(a)所示。若不允许剩余能量反馈到BDCMG中，则在断开S后，导通开关S₄、S₆，放电回路如图5(b)所示。

放电完成后，断开所有IGBT。此时可以执行步骤1继续新的功率迁移任务，或停止功率传输工作。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明可以降低电压平衡器的功率要求，降低经济成本和占用空间：本发明提出的策略充分利用了隶属于BDCMG的非运行电机驱动器，从而分担了电压平衡器的部分功率传输负担。另外，考虑到BDCMG附属的电机驱动器很多，有可能降低电压平衡器的功率要求，从而减小成本、体积、重量。

(2)本发明功率传输量的计算精度更高：本发明中的功率传输量计算不依赖BDCMG侧的电流传感器，可以等效转化为相电流的计算。

(3)本发明可以在启动过程中避免系统震荡情况：为防止动力传输启动时电机转动或摆动，本发明采用转子位置预置方式，避免系统震荡。

(4)本发明可以实现对直流母线电压值的主动控制：所提出的策略控制用于功率传输的电机驱动器的相电流，因此，有可能对直流母线电压值进行主动控制。

附图说明

图1是本发明所提出的拓扑结构，图1(a)为拓扑的等效电路如图，图1(b)为等效电路的简化结构图。

图2是功率由上极到下极迁移的过程，图2(a)为上极电容u_CL1向电机电感充电阶段，图2(b)为电机电感向下极电容u_CL2放电阶段。

图3为功率由下极到上极的迁移过程，图3(a)为下极电容u_CL2向电机电感充电阶段，图3(b)为电机电感向上极电容u_CL1放电阶段。

图4为功率由上极到下极方向迁移结束后，不同剩余能量去向的两种放电回路，图4(a)为允许能量反馈到BDCMG的放电回路；图4(b)为电机绕组内消耗的剩余能量的放电回路。

图5为功率由下极到上极方向迁移结束后，不同剩余能量去向的两种放电回路，图5(a)为允许能量反馈到BDCMG的放电回路；图5(b)为电机绕组内消耗的剩余能量的放电回路。

图中S₁、...、S₆为功率开关，C_L1、C_L2分别为上极下极的两个直流母线电容器。S表示连接器，用于连接一相绕组输出端(以A相为例)与直流母线电容器的中性点。L₊、M和L_-是BDCMG的三条传输线路，其中L₊为正极，M为中性线，L_-为负极。L_A、L_B、L_C和i_A、i_B、i_C分别为电机三相绕组的电感和电流，i_S表示流过连接器开关S的电流，i_P和i_N表示逆变器的正负输入电流，i_L+、i_M、i_L-是BDCMG流入驱动器的三个线电流，u_CL1和u_CL2是直流母线电容电压。箭头方向代表规定的电流正方向，电流路径上的箭头代表实际的电流方向。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

电机在非运行状态收到功率迁移任务时，可以闭合连接器改变拓扑结构，作为电压平衡器辅助功率迁移。当收到运行指令或功率迁移任务完成时，可断开连接恢复传统的拓扑结构。改变电路的拓扑结构如图1(a)所示，连接A相绕组输出端与直流母线电容器的中性点，并用连接器S控制其导通和关断，从而决定是否进行功率传输。若将开关S导通，则将电机驱动的拓扑结构改变成可实现功率迁移的拓扑结构；i_A、i_B、i_C分别为电机三相绕组的电流，i_S表示流过连接器S的电流，i_P和i_N表示逆变器的正负输入电流，i_L+、i_M、i_L-是从L₊、M、L_-流入驱动器的三个线电流，箭头方向表示电流的正方向。上下极电压等于对应的电容电压u_CL1和u_CL2。默认所有开关S₁-S₆均为断开状态，A桥臂的两个开关在功率迁移的过程中不动作(保持断开)。此时，图1(a)的拓扑可以等效成图1(b)所示的等效电路。

此时，u_CL1＝80V，u_CL2＝120V，P_SW与P_S共5W，R_P＝1.05Ω，需要下极向上极迁移功率，上极将迁入功率P＝200W。并且在迁移结束后，不允许剩余能量向BDCMG回馈。利用本发明的方法，进行如下的操作：

步骤1：此时为下级向上极功率迁移时的情况，预设转子位置与定子A向绕组方向相反。

步骤2：确定此时的控制目标为：由下极向上极迁移，其中上极应被迁入功率为P＝200W。

步骤3：根据相关参数，计算迁移过程中的电流迁移量。结合电机的参数，利用公式(4)可以计算出i_A＝4.47A，并利用公式(5)，计算出此时i_B＝i_C＝-2.235A。

步骤4：闭合开关S。控制S₄、S₆导通和关断的占空比，使B、C相电流与步骤3的计算值i_B、i_C相等，即可实现功率由下极向上极迁移，上极迁入P。充放电回路如图3所示。

若未收到停止迁移命令、或迁移方向未发生变化命令，则根据功率要求以及实时反馈的电容电压值，重新计算i_A，否则实施步骤5。

步骤5：完成功率迁移后，不允许剩余能量向BDCMG回馈，则在断开S后，导通开关S₄、S₆，放电回路如图5(b)所示。放电完成后，断开所有IGBT。

Claims (3)

1.一种利用电机驱动器实现直流微网功率迁移的拓扑，其特征在于：

所述利用电机驱动器实现直流微网功率迁移的拓扑，电机A相绕组连接的上下两桥臂的功率开关分别为S₁、S₂，B相绕组连接的上下两桥臂的功率开关分别为S₃、S₄，C相绕组连接的上下两桥臂的功率开关分别为S₅、S₆，将电机的驱动器挂靠在双直流母线的正负两极，改变连接在双极性直流母线上的三相电机驱动器的拓扑结构：连接A相桥臂中点与直流母线电容器的中性点，并用连接器S控制其导通和关断，从而控制是否进行功率传输。

2.一种利用权利要求1所述的利用电机驱动器实现直流微网功率迁移的拓扑的方法，其特征在于：

电机在非运行状态收到功率迁移任务时，根据功率迁移的方向，预设转子的位置；根据控制目标的不同，计算迁移指定功率的电流值；导通连接器S改变拓扑结构，作为电压平衡器辅助功率迁移，计算需要迁移的电流值，通过对相应功率开关的控制，实现功率迁移；当收到运行指令或功率迁移任务完成时，可断开连接恢复驱动电机的三相六开关拓扑结构，停止功率传输，并根据剩余能量去向的不同，选择不同的放电回路。

3.一种利用权利要求2所述的利用电机驱动器实现直流微网功率迁移的拓扑的方法，其特征包括下述步骤：

步骤1：预设转子位置：

功率迁移开始前需要根据功率迁移的方向，预设转子位置；功率迁移的流动方向可分为两大类，即：由上极向下极迁移或由下极向上极迁移；当功率需由上极向下极方向迁移时，i_A<0，预设转子位置与定子A相绕组方向相反；当功率需由下极向上极方向迁移时，i_A>0，预设转子位置与定子A相绕组方向相同；

步骤2：确定控制目标：

若要求进行迁移的目标功率为P，考虑迁移过程中的开关损耗和杂散损耗的影响，对具体的迁移任务可细分为如下四种：上极迁出功率P，下极迁入功率P，下级迁出功率P，上极迁入功率P；

步骤3：计算控制目标的对应电流值：

当迁移目标为：上极向下极迁移功率，上极迁出功率P，则利用公式(1)计算需要迁移的A相电流i_A：

当迁移目标为：上极向下极迁移功率，下极迁入功率P，则利用公式(2)计算需要迁移的A相电流i_A：

当迁移目标为：下极向上极迁移功率，下级迁出功率P，则利用公式(3)计算需要迁移的A相电流i_A：

当迁移目标为：下极向上极迁移功率，上极迁入功率P，则利用公式(4)计算需要迁移的A相电流i_A：

其中，i_A为需要迁移的A相电流值；u_CL1为上极直流母线电容电压；u_CL2为下极直流母线电容电压；R_p为三相绕组电阻；P为需要迁移的目标功率；P_SW为IGBT的开关损耗；P_S为杂散损耗；

i_A可由以上公式得到，i_B和i_C进行均流处理，计算方法如下式(5)所示：

步骤4：功率迁移的实现：

闭合开关S，改变拓扑，开始功率迁移；

当功率迁移的方向为由上极向下极迁移，则功率迁移过程可分为两个阶段：同时导通开关S₃和S₅，实现上电容u_CL1向电机绕组充电；关闭开关S₃和S₅，实现电机绕组经过S₄、S₆的续流二极管向下电容u_CL2放电；控制S₃、S₅导通和关断的占空比，使B、C相电流与步骤3的计算值i_B、i_C相等，即可实现功率由上极向下极迁移P；

当功率迁移的方向为由下极向上极迁移，则功率迁移过程也可分为两个阶段：同时导通开关S₄和S₆，实现下电容u_CL2向电机绕组充电；关闭开关S₄和S₆，实现电机绕组经过S₃、S₅的续流二极管向上电容u_CL1放电；控制S₄、S₆导通和关断的占空比，使B、C相电流与步骤3的计算值i_B、i_C相等，即可实现功率由下极向上极迁移P；

若未收到停止迁移命令、或迁移方向未发生变化，则根据功率要求以及实时反馈的电容电压值，继续进行步骤3和步骤4，否则，进行步骤5；

步骤5：停止功率迁移：

系统功率迁移完成或需要转换功率转移方向时，根据此前功率传输方向和所要求的剩余能量去向，采取不同的放电回路；

当系统此前的功率传输方向为由上极向下极转换时，若允许剩余能量反馈到BDCMG中，则只用断开S；若不允许剩余能量反馈到BDCMG中，则在断开S后，还应导通开关S₃、S₅；

当系统此前的功率传输方向为由下极向上极转换时，若允许剩余能量反馈到BDCMG中，则只用断开S；若不允许剩余能量反馈到BDCMG中，则在断开S后，导通开关S₄、S₆；

放电完成后，断开所有IGBT；此时可以重复步骤1继续实现功率迁移任务，或停止功率传输工作。

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