CN114244138A - 一种波动环境下的换流器的控制系统及方法 - Google Patents

一种波动环境下的换流器的控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种波动环境下的换流器的控制系统及方法。该系统中错相全桥模块的输入端与电源连接；错相全桥模块的输出端与全波整流模块的输入端连接；计算模块根据输入电压、输出电压以及输出电流确定实时输入输出电压比值和实时输出功率；最优电流应力控制器根据实时输入输出电压比值和实时输出功率确定外移相角度；PI控制器根据输出电压和输出电压正反馈以及以外移相角度为电流应力的优化量确定内移项角度；错相脉冲调制模块根据内移项角度调整脉冲PWM控制信号；错相全桥模块用于根据脉冲PWM控制信号控制开关管的通断，进而调整输出电压和输出功率。本发明能够为电解槽提供稳定的供电电源，进而提高电解槽的使用寿命、工作效率和工作性能。

Description

一种波动环境下的换流器的控制系统及方法
技术领域
本发明涉及电子器件控制领域，特别是涉及一种波动环境下的换流器的控制系统及方法。
背景技术
随着新能源的使用，现在电解槽也由新能源进行发电进行供电。新能源发电一般为风能发电以及光伏发电；但是新能源发电为波动性的，即其发电功率是瞬时波动和宽功率波动的叠加；电解槽对于输入的电压电流有一定的承受范围，但是，新能源发电的波动会导致电解槽的寿命变短，并导致工作效率和工作性能下降。
因此，基于上述问题，亟需一种控制策略为电解槽提供稳定的供电电源。
发明内容
本发明的目的是提供一种波动环境下的换流器的控制系统及方法，能够为电解槽提供稳定的供电电源，进而提高电解槽的使用寿命、工作效率和工作性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种波动环境下的换流器的控制系统，包括：错相全桥模块、全波整流模块、错相脉冲调制模块、最优电流应力控制器、PI控制器以及计算模块；
所述错相全桥模块的输入端与电源连接；所述错相全桥模块的输出端与所述全波整流模块的输入端连接；
所述全波整流模块的输出端用于输出电流和输出电压至电解槽；
所述计算模块的输出端与所述最优电流应力控制器的输入端连接；
所述计算模块用于根据输入电压、输出电压以及输出电流确定实时输入输出电压比值和实时输出功率；
所述最优电流应力控制器用于根据实时输入输出电压比值和实时输出功率确定外移相角度；
所述PI控制器与所述全波整流模块的输出端以及所述错相脉冲调制模块连接；
所述PI控制器用于根据输出电压和输出电压正反馈以及以外移相角度为电流应力的优化量确定内移项角度；
所述错相脉冲调制模块的输出端与所述错相全桥模块的输入端连接；
所述错相脉冲调制模块用于根据内移项角度调整脉冲PWM控制信号；
所述错相全桥模块用于根据脉冲PWM控制信号控制开关管的通断，进而调整输出电压和输出功率。
可选地，所述计算模块包括：传输功率计算单元和电压变化比计算单元；
所述传输功率计算单元的输出端以及所述电压变化比计算单元的输出端均与所述最优电流应力控制器的输入端连接；所述传输功率计算单元的输入端以及所述电压变化比计算单元的输入端均与所述全波整流模块的输出端以及所述错相全桥模块的输入端连接；
所述传输功率计算单元用于根据输出电压以及输出电流确定实时输出功率；
所述电压变化比计算单元用于根据输入电压以及输出电压确定实时输入输出电压比值。
可选地，所述全波整流模块包括：两个直接并联的IGBT。
可选地，每一所述IGBT的输出最高频率为10kHz，错相输出时为20kHz。
一种波动环境下的换流器的控制方法，所述方法用于实现所述的一种波动环境下的换流器的控制系统，所述方法包括：
获取全波整流模块的输出电流和输出电压以及错相全桥模块的输入电压；
根据输入电压、输出电压以及输出电流确定实时输入输出电压比值和实时输出功率；
根据实时输入输出电压比值和实时输出功率确定外移相角度；
根据PI控制器确定的输出电压的输出电压正反馈，以外移相角度为电流应力的优化量确定内移项角度；
根据内移项角度调整脉冲PWM控制信号；
根据脉冲PWM控制信号控制错相全桥模块中开关管的通断，进而调整输出电压和输出功率。
可选地，所述根据PI控制器确定的输出电压的输出电压正反馈，以外移相角度为电流应力的优化量确定内移项角度，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003429984620000031
确定内移项角度；
其中，p为换流器传输功率，D1为内移项角度，D2为外移项角度。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种波动环境下的换流器的控制系统及方法，通过根据实时输入输出电压比值和实时输出功率确定外移相角度，进而所述PI控制器根据输出电压和输出电压正反馈以及以外移相角度为电流应力的优化量确定内移项角度，错相脉冲调制模块根据内移项角度调整脉冲PWM控制信号，所述错相全桥模块根据脉冲PWM控制信号控制开关管的通断，进而调整输出电压和输出功率；本发明以全波整流模块中变换器电流应力和传输效率为控制目标，来进行错相全桥模块中开关的控制。有效地减小变换器的电流应力，提高变换器的效率，同时可以显著提高变换器对于负载突变以及输入电压突变时的响应能力。当输入电压或负载突变时，输出电压基本保持不变，其动态响应时间几乎为零。即当外界输入I-V特性不稳定时，使得DCDC换流器快速变化，适用宽功率输入条件下的电解槽稳定运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种波动环境下的换流器的控制系统原理示意图；
图2为错相全桥模块和全波整流模块的等效电路示意图；
图3为开关管的控制原理示意图；
图4为不同阶段的控制过程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种波动环境下的换流器的控制系统及方法，能够为电解槽提供稳定的供电电源，进而提高电解槽的使用寿命、工作效率和工作性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的一种波动环境下的换流器的控制系统原理示意图，如图1所示，本发明所提供的一种波动环境下的换流器的控制系统，包括：错相全桥模块、全波整流模块、错相脉冲调制模块、最优电流应力控制器、PI控制器以及计算模块；
所述错相全桥模块的输入端与电源连接；所述错相全桥模块的输出端与所述全波整流模块的输入端连接；
所述全波整流模块的输出端用于输出电流和输出电压至电解槽；
所述计算模块的输出端与所述最优电流应力控制器的输入端连接；
所述计算模块用于根据输入电压、输出电压以及输出电流确定实时输入输出电压比值和实时输出功率；
所述最优电流应力控制器用于根据实时输入输出电压比值和实时输出功率确定外移相角度；
所述PI控制器与所述全波整流模块的输出端以及所述错相脉冲调制模块连接；
所述PI控制器用于根据输出电压和输出电压正反馈以及以外移相角度为电流应力的优化量确定内移项角度；
所述错相脉冲调制模块的输出端与所述错相全桥模块的输入端连接；
所述错相脉冲调制模块用于根据内移项角度调整脉冲PWM控制信号；
所述错相全桥模块用于根据脉冲PWM控制信号控制开关管的通断，进而调整输出电压和输出功率。
即全波整流模块中的交换器采用错相倍频控制策略。错相控制是一种典型的优化控制方式，通过巧妙的电路拓扑和控制方式，使得全桥电路在单个开关管频率不变的情况下，变压器的工作频率提高两倍，从而达到减少装置体积、重量的目的。
图2为错相全桥模块和全波整流模块的等效电路示意图，如图2所示，错相全桥模块包括8个开关管；
所述全波整流模块包括：两个直接并联的IGBT。每一所述IGBT的输出最高频率为10kHz，错相输出时为20kHz。如图3所示，IGBT可选用1200V/200A半桥模块，开关频率为10kHz，变压器变比为750/200，采用两组全桥电路错相控制，输出频率为20kHz。
通过两只IGBT直接并联，每只IGBT的输出最高频率为10kHz，错相输出时为20kHz。经高频变压器隔离后通过全波整流电路输出200V直流，给电解水制氢提供稳定的直流电源。通过高频变压器实现隔离，并且在输入和输出端各配制了隔离开关，输入端配置了预充电装置。
图4为变换器工作过程可分为8个阶段，时间点从t0～t8分别表示电路的不同工作状态，对应不同工况。图4中给出了电路各不同时段的电流换流波形示意图和等效电路图；
图4a为阶段1(t0～t1)：开关管S1和S8导通，电流方向由A到B，此时副边二极管D1导通，为负载提供能量。
图4b为阶段2(t1～t2)：开关管S1和S8关断，电流方向由A到B，电流开始降低，此时副边二极管D1依旧导通，为负载提供能量。
图4c为阶段3(t2～t3)：开关管S2和S5开通，电流方向由B到A，此时副边二极管D2导通，为负载提供能量。
图4d为阶段4(t3～t4)：开关管S2和S5关断，电流方向由B到A，电流开始降低，此时副边二极管D2依旧导通，为负载提供能量。
图4e为阶段5(t4～t5)：开关管S3和S8开通，电流方向由A到B，此时副边二极管D1导通，为负载提供能量。
图4f为阶段6(t5～t6)：开关管S3和S8关断，电流方向由A到B，电流开始降低，此时副边二极管D1依旧导通，为负载提供能量。
图4g为阶段7(t6～t7)：开关管S4和S7开通，电流方向由B到A，此时副边二极管D2导通，为负载提供能量。
图4h为阶段8(t7～t8)：开关管S4和S7关断，电流方向由B到A，电流开始降低，此时副边二极管D2依旧导通，为负载提供能量。
根据上述开关管，错相脉冲调制模块为四个控制端，分别为控制端S1-S4；具体的连接关系为：
错相全桥模块中的开关管S1和S8接在错相脉冲调制模块的控制端S1上；
错相全桥模块中的开关管S2和S7接在错相脉冲调制模块的控制端S2上；
错相全桥模块中的开关管S3和S6接在错相脉冲调制模块的控制端S3上；
错相全桥模块中的开关管S4和S5接在错相脉冲调制模块的控制端S4上；
所述计算模块包括：传输功率计算单元和电压变化比计算单元；
所述传输功率计算单元的输出端以及所述电压变化比计算单元的输出端均与所述最优电流应力控制器的输入端连接；所述传输功率计算单元的输入端以及所述电压变化比计算单元的输入端均与所述全波整流模块的输出端以及所述错相全桥模块的输入端连接；
所述传输功率计算单元用于根据输出电压以及输出电流确定实时输出功率；
所述电压变化比计算单元用于根据输入电压以及输出电压确定实时输入输出电压比值。
当外界输入电压V1发生变动，根据实时输入输出电压比值k以及输出的V-I特性，计算实时输出功率P0输入最优电流应力控制器。
在此方案中，以占空比作为电压和功率传输的控制量，根据PI控制反馈计算得到，以满足变换器额定运行需要；而以D2作为电流应力的优化量，根据最优开关模型计算得到，如此达到变换器的优化运行。
一种波动环境下的换流器的控制方法，所述方法用于实现所述的一种波动环境下的换流器的控制系统，所述方法包括：
S101，获取全波整流模块的输出电流和输出电压以及错相全桥模块的输入电压；
S102，根据输入电压、输出电压以及输出电流确定实时输入输出电压比值和实时输出功率；
S103，根据实时输入输出电压比值和实时输出功率确定外移相角度；
Figure BDA0003429984620000071
Figure BDA0003429984620000072
输出的功率p0＝I2V2，k＝V1/(nV2)，n为变压器变比，k为电压调节比；
S104，根据PI控制器确定的输出电压的输出电压正反馈V2ref以外移相角度为电流应力的优化量确定内移项角度；
S105，根据内移项角度调整脉冲PWM控制信号；
S106，根据脉冲PWM控制信号控制错相全桥模块中开关管的通断，进而调整输出电压和输出功率。
S104，所述根据PI控制器确定的输出电压的输出电压正反馈，以外移相角度为电流应力的优化量确定内移项角度，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003429984620000073
确定内移项角度；
其中，p为换流器传输功率，D1为内移项角度，D2为外移项角度。D1、D2的不同组合有着不同的功率模型；
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种波动环境下的换流器的控制系统，其特征在于，包括：错相全桥模块、全波整流模块、错相脉冲调制模块、最优电流应力控制器、PI控制器以及计算模块；
所述错相全桥模块的输入端与电源连接；所述错相全桥模块的输出端与所述全波整流模块的输入端连接；
所述全波整流模块的输出端用于输出电流和输出电压至电解槽；
所述计算模块的输出端与所述最优电流应力控制器的输入端连接；
所述计算模块用于根据输入电压、输出电压以及输出电流确定实时输入输出电压比值和实时输出功率；
所述最优电流应力控制器用于根据实时输入输出电压比值和实时输出功率确定外移相角度；
所述PI控制器与所述全波整流模块的输出端以及所述错相脉冲调制模块连接；
所述PI控制器用于根据输出电压和输出电压正反馈以及以外移相角度为电流应力的优化量确定内移项角度；
所述错相脉冲调制模块的输出端与所述错相全桥模块的输入端连接；
所述错相脉冲调制模块用于根据内移项角度调整脉冲PWM控制信号；
所述错相全桥模块用于根据脉冲PWM控制信号控制开关管的通断，进而调整输出电压和输出功率。
2.根据权利要求1所述的一种波动环境下的换流器的控制系统，其特征在于，所述计算模块包括：传输功率计算单元和电压变化比计算单元；
所述传输功率计算单元的输出端以及所述电压变化比计算单元的输出端均与所述最优电流应力控制器的输入端连接；所述传输功率计算单元的输入端以及所述电压变化比计算单元的输入端均与所述全波整流模块的输出端以及所述错相全桥模块的输入端连接；
所述传输功率计算单元用于根据输出电压以及输出电流确定实时输出功率；
所述电压变化比计算单元用于根据输入电压以及输出电压确定实时输入输出电压比值。
3.根据权利要求1所述的一种波动环境下的换流器的控制系统，其特征在于，所述全波整流模块包括：两个直接并联的IGBT。
4.根据权利要求3所述的一种波动环境下的换流器的控制系统，其特征在于，每一所述IGBT的输出最高频率为10kHz，错相输出时为20kHz。
5.一种波动环境下的换流器的控制方法，所述方法用于实现权利要求1-4任意一项所述的一种波动环境下的换流器的控制系统，其特征在于，所述方法包括：
获取全波整流模块的输出电流和输出电压以及错相全桥模块的输入电压；
根据输入电压、输出电压以及输出电流确定实时输入输出电压比值和实时输出功率；
根据实时输入输出电压比值和实时输出功率确定外移相角度；
根据PI控制器确定的输出电压的输出电压正反馈，以外移相角度为电流应力的优化量确定内移项角度；
根据内移项角度调整脉冲PWM控制信号；
根据脉冲PWM控制信号控制错相全桥模块中开关管的通断，进而调整输出电压和输出功率。
6.根据权利要求5所述的一种波动环境下的换流器的控制方法，其特征在于，所述根据PI控制器确定的输出电压的输出电压正反馈，以外移相角度为电流应力的优化量确定内移项角度，具体包括：
利用公式
Figure FDA0003429984610000021
确定内移项角度；
其中，p为换流器传输功率，D1为内移项角度，D2为外移项角度。
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