CN114531037B - 一种直流变压器电流断续控制方法 - Google Patents

Abstract

一种直流变压器电流断续控制方法，所述的直流变压器由多个谐振双有源桥变换器输入串联输出并联组成。在运行过程中，根据传输功率并利用各功率模块高压侧电容电压，轮换选择部分功率模块投入运行，其余功率模块开关器件闭锁。与现有控制技术相比，本发明可有效降低功率半导体器件运行损耗，从而提高系统电能传输效率。

Description

一种直流变压器电流断续控制方法

技术领域

本发明属于直流配电领域，具体涉及一种直流变压器断续控制方法。

背景技术

近年来，多类型分布式能源、储能设备及直流用电负荷的出现促使传统交流配电系统呈现多元化发展。与传统交流配电系统相比，通过构建直流配电网可以直接实现可再生能源与直流负荷之间的能量交互，从而节省大量电能变换环节，减小成本、降低损耗，提高电能传输效率。另外，直流配电网具有供电容量更大、供电半径更长、电能质量问题不突出，不存在无功补偿问题等优势。

在直流配电系统中，直流变压器作为连接中低压母线的关键设备，内部集成了电力电子变换器及高频变压器，可实现直流电压变换、电气隔离及功率控制等功能。此外，不同于传统交流变压器，直流变压器还具备装置自动保护及故障自隔离等功能。

面向中压10kV等级配电应用的直流变压器，受功率半导体耐压水平限制，一般可由多个功率模块构成，且各模块按照高压侧级联低压侧并联方式连接。目前常见的功率模块类型包括移相双有源桥变换器和串联谐振双有源桥变换器。与移相双有源桥变换器相比，串联谐振双有源桥变换器由于在高频环节串联谐振电容，可有效隔离直流分量，高频变压器不会出现直流偏磁现象。

目前，串联谐振双有源桥型直流变压器通过采用同步50％占空比方波电压开环控制方式使开关器件工作在近似零电流状态下以提高系统运行效率。然而，当功率较低时，开关器件由于非线性特性，导致各开关器件通态电阻高运行损耗大，进而限制了功率模块的传输效率。此外，受开关器件载流子复合作用影响，开关器件存在拖尾电流大开关损耗高的问题，限制了功率模块传输效率进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺点，提出一种直流变压器电流断续控制方法。本发明控制方法主要适用于多功率模块输入串联输出并联型直流变压器，且各功率模块均采用串联谐振双有源桥变换器。在运行过程中，根据传输功率并利用各功率模块高压侧电容电压，轮换选择部分功率模块投入运行，其余功率模块开关器件闭锁。与现有控制技术相比，本发明可有效降低小功率运行时半导体器件通态损耗以及开关频率，从而提高系统全功率范围内电能传输效率。

所述的直流变压器由N台串联谐振型双有源桥变换器构成，N的取值范围为3～15；每台串联谐振型双有源桥变换器均作为直流变压器的功率模块；所述的直流变压器中，N台功率模块的结构相同，N台功率模块的结构相同，各功率模块高压侧储能电容C_H1容值相同，各功率模块低压侧储能电容C_L1容值相同，各功率模块高频变压器T_FH1的电压变比、漏感及磁芯材料相同。各台功率模块由高压侧储能电容C_H1、高压侧H桥单元、高压侧谐振电容Cr₁、高频变压器T_FH1、低压侧谐振电容Cr₂、低压侧H桥单元，以及低压侧储能电容C_L1组成。高压侧H桥单元与高压侧直流储能单元C_H1并联连接，低压侧H桥单元与低压侧储能单元C_L1并联连接，高压侧H桥单元的端子q与高压侧谐振电容Cr₁的正极相连，低压侧H桥单元的端子w与低压侧谐振电容Cr₂的负极相连，高频变压器T_FH1的高压侧上端s与高压侧谐振电容Cr₁的负极相连，高频变压器T_FH1的高压侧下端t与高压侧H桥单元的端子r相连，高频变压器T_FH1的低压侧上端u与低压侧谐振电容Cr₂的正极相连，高频变压器T_FH1的低压侧下端v与低压侧H桥单元的端子x相连；同时高压侧H桥单元的两端分别连接功率模块的高压侧储能电容C_H1的正极端子o和负极端子p，低压侧H桥单元的两端分别连接功率模块低压侧储能电容C_L1的正极端子y和负极端子z；直流变压器的各台功率模块在高压直流侧采用串联方式连接，在低压直流侧采用并联方式连接；每台功率模块高压侧储能电容C_H1的正极端子o连接至相邻直流变压器高压侧储能电容C_H1的负极端子p。每台功率模块低压侧储能电容C_L1的正极端子y均连接至相邻功率模块低压侧储能电容C_L1的正极端子y，每台功率模块低压侧储能电容C_L1的负极端子z均连接至相邻功率模块低压侧储能电容C_L1的负极端子z；所述的直流变压器中，第一功率模块高压侧储能电容C_H1的正极端子o连接至第一直流端口正极端子P₁，第N功率模块高压侧储能电容C_H1的负极端子p连接至第一直流端口负极端子N₁；第一功率模块低压侧储能电容C_L1的正极端子y连接至第二直流端口正极端子P₂，第一功率模块低压侧储能电容C_L1的负极端子z连接至第二直流端口负极端子N₂。

所述的直流变压器在运行过程中，直流变压器内部的功率模块需根据负载功率调整投入模块数量，具体操作步骤如下：

1)采集直流变压器第二直流端口电压u_o、直流电流i_o和第一至第N功率模块高压侧电容电压u_h1,u_h2,…,u_hN。

2)根据所采集的直流电流i_o，以T_con为时间周期，对功率模块高压侧电容电压u_h1,u_h2,…,u_hN进行排序。当直流电流i_o≥0时，功率模块高压侧电容电压u_h1,u_h2,…,u_hN从高到低进行排序。当直流电流i_o＜0时，功率模块高压侧电容电压u_h1,u_h2,…,u_hN从低到高进行排序。

3)根据排序结果，当直流电流i_o≥0时，选择电压较高的K台功率模块投入运行，K的数量小于等于N，其余各台功率模块高压侧H桥单元、低压侧H桥单元闭锁。此外，各投入运行的功率模块采用连续50％占空比方波电压开环控制模式，即各台功率模块高压侧H桥单元、低压侧H桥单元均输出工作频率为f_s的50％占空比方波电压；

当直流电流i_o＜0时，选择电压较低的K台功率模块投入运行，K的数量小于等于N，其余各台功率模块高压侧H桥单元、低压侧H桥单元闭锁。此外，各投入运行的功率模块采用连续50％占空比方波电压开环控制模式，即各台功率模块高压侧H桥单元、低压侧H桥单元均输出工作频率为f_s的50％占空比方波电压。

进一步的，各功率模块高压侧电容电压排序控制周期T_con可表示为：

其中，fix[x]为向下取整函数,f_{s_opt}为目标开关频率，f_{s_opt}的取值范围是[0.1f_s,f_s]。

进一步的，每次投入的功率模块数量K可表示为：

其中，i_{rs_peak}为各功率模块低压侧高频变压器副边电流i_{rsm(m＝1,2,…,N)}的目标幅值，其取值范围为[0.5*i_o*π/N,0.5i_norm],i_norm各功率模块低压侧H桥单元开关器件标称电流，各功率模块高压侧H桥单元、低压侧H桥单元均采用相同的开关器件。

与传统开环控制策略相比，本发明所提出的直流变压器电流断续控制策略在小功率运行范围内可降低开关器件非线性特性造成的通态损耗高的问题，另外，通过采用轮换工作方式可有效降低功率模块开关器件频率从而实现直流变压器在全功率范围内高效率运行。

附图说明

图1为本发明所述的直流变压器结构示意图。

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。

本发明的直流变压器如图1所示。所述的直流变压器由N台串联谐振型双有源桥变换器构成，N的取值范围为3～15；每台串联谐振型双有源桥变换器均作为功率模块；所述的直流变压器中，N台功率模块的结构相同，N台功率模块的结构相同，各功率模块高压侧储能电容C_H1容值相同，各功率模块低压侧储能电容C_L1容值相同，各功率模块高频变压器T_FH1的电压变比、漏感及磁芯材料相同。各台功率模块由高压侧储能电容C_H1、高压侧H桥单元、高压侧谐振电容Cr₁、高频变压器T_FH1、低压侧谐振电容Cr₂、低压侧H桥单元，以及低压侧储能电容C_L1组成。高压侧H桥单元与高压侧直流储能单元C_H1并联连接，低压侧H桥单元与低压侧储能单元C_L1并联连接，高压侧H桥单元的端子q与高压侧谐振电容Cr₁的正极相连，低压侧H桥单元的端子w与低压侧谐振电容Cr₂的负极相连，高频变压器T_FH1的高压侧上端s与高压侧谐振电容Cr₁的负极相连，高频变压器T_FH1的高压侧下端t与高压侧H桥单元的端子r相连，高频变压器T_FH1的低压侧上端u与低压侧谐振电容Cr₂的正极相连，高频变压器T_FH1的低压侧下端v与低压侧H桥单元的端子x相连；同时高压侧H桥单元的两端分别连接功率模块的高压侧储能电容C_H1的正极端子o和负极端子p，低压侧H桥单元的两端分别连接功率模块低压侧储能电容C_L1的正极端子y和负极端子z；直流变压器的各台功率模块在高压直流侧采用串联方式连接，在低压直流侧采用并联方式连接；每台功率模块高压侧储能电容C_H1的正极端子o连接至相邻直流变压器高压侧储能电容C_H1的负极端子p。每台功率模块低压侧储能电容C_L1的正极端子y均连接至相邻功率模块低压侧储能电容C_L1的正极端子y，每台功率模块低压侧储能电容C_L1的负极端子z均连接至相邻功率模块低压侧储能电容C_L1的负极端子z；所述的直流变压器中，第一功率模块高压侧储能电容C_H1的正极端子o连接至第一直流端口正极端子P₁，第N功率模块高压侧储能电容C_H1的负极端子p连接至第一直流端口负极端子N₁；第一功率模块低压侧储能电容C_L1的正极端子y连接至第二直流端口正极端子P₂，第一功率模块低压侧储能电容C_L1的负极端子z连接至第二直流端口负极端子N₂。

所述的直流变压器在运行过程中，直流变压器内部的功率模块需根据负载功率调整投入模块数量，具体操作步骤如下：

1)采集直流变压器第二直流端口电压u_o、直流电流i_o和第一至第N功率模块高压侧电容电压u_h1,u_h2,…,u_hN。

2)根据所采集的直流电流i_o，以T_con为时间周期，对功率模块高压侧电容电压u_h1,u_h2,…,u_hN进行排序。当直流电流i_o≥0时，功率模块高压侧电容电压u_h1,u_h2,…,u_hN从高到低进行排序。当直流电流i_o＜0时，功率模块高压侧电容电压u_h1,u_h2,…,u_hN从低到高进行排序。

3)根据排序结果，当直流电流i_o≥0时，选择电压较高的K台功率模块投入运行，K的数量小于等于N，其余各台功率模块高、低压侧H桥单元闭锁。此外，各投入运行的功率模块采用连续50％占空比方波电压开环控制模式，即各台功率模块高、低压侧H桥单元均输出工作频率为f_s的50％占空比方波电压；当直流电流i_o＜0时，选择电压较低的K台功率模块投入运行，K的数量小于等于N，其余各台功率模块高、低压侧H桥单元闭锁。此外，各投入运行的功率模块采用连续50％占空比方波电压开环控制模式，即各台功率模块高、低压侧H桥单元均输出工作频率为f_s的50％占空比方波电压。

所述的直流变压器电流断续控制方法，其特征在于各功率模块高压侧电容电压排序控制周期T_con可表示为：

其中，fix[x]为向下取整函数,f_{s_opt}为目标开关频率，f_{s_opt}的取值范围是[0.1f_s,f_s]。

所述的直流变压器电流断续控制方法，其特征在于每次投入的功率模块数量K可表示为：

其中，i_{rs_peak}为各功率模块低压侧高频变压器副边电流i_{rsm(m＝1,2,…,N)}的目标幅值，其取值范围为[0.5*i_o*π/N,0.5i_norm],i_norm各功率模块低压侧H桥单元的开关器件标称电流，各功率模块高、低压侧H桥单元均采用相同的开关器件。

Claims (3)

1.一种直流变压器电流断续控制方法，所述的直流变压器由N台串联的谐振型双有源桥变换器构成，N的取值范围为3～15；每台谐振型双有源桥变换器均作为直流变压器的功率模块，即所述直流变压器共包括第一至第N功率模块；所述的直流变压器中，各功率模块的结构相同，均由高压侧储能电容C_H1、高压侧H桥单元、高压侧谐振电容Cr₁、高频变压器T_FH1、低压侧谐振电容Cr₂、低压侧H桥单元、以及低压侧储能电容C_L1组成；各台所述功率模块在高压直流侧采用串联方式连接，在低压直流侧采用并联方式连接；所述第一功率模块的高压侧储能电容C_H1的正极端子连接至第一直流端口正极端子，第N功率模块的高压侧储能电容C_H1的负极端子连接至第一直流端口负极端子；第一功率模块的低压侧储能电容C_L1的正极端子连接至第二直流端口正极端子，第一功率模块的低压侧储能电容C_L1的负极端子连接至第二直流端口负极端子；其特征在于，所述的直流变压器在运行过程中，根据负载功率调整其内部的所述功率模块的投入运行数量，具体操作步骤如下：

1)采集直流变压器的所述第二直流端口电压u_o、直流电流i_o和第一至第N功率模块的高压侧电容电压u_h1,u_h2,…,u_hN；

2)根据所采集的直流电流i_o，以T_con为时间周期，对功率模块高压侧电容电压u_h1,u_h2,…,u_hN进行排序：当直流电流i_o≥0时，对功率模块高压侧电容电压u_h1,u_h2,…,u_hN从高到低进行排序；当直流电流i_o＜0时，对功率模块高压侧电容电压u_h1,u_h2,…,u_hN从低到高进行排序；

3)根据排序结果，

当直流电流i_o≥0时，选择电压较高的K台功率模块投入运行，K的数量小于等于N，并将其余各台功率模块的高压侧H桥单元、低压侧H桥单元闭锁；所述投入运行的各功率模块采用连续50％占空比的方波电压开环控制模式，即投入运行的各台功率模块的高压侧H桥单元、低压侧H桥单元均输出工作频率为f_s的50％占空比方波电压；

当直流电流i_o＜0时，选择电压较低的K台功率模块投入运行，K的数量小于等于N，并将其余各台功率模块的高压侧H桥单元、低压侧H桥单元闭锁；所述投入运行的各功率模块采用连续50％占空比的方波电压开环控制模式，即投入运行的各台功率模块的高压侧H桥单元、低压侧H桥单元均输出工作频率为f_s的50％占空比方波电压。

2.根据权利要求1所述的一种直流变压器电流断续控制方法，其特征在于，各功率模块高压侧电容电压排序控制周期T_con表示为：

其中，fix[x]为向下取整函数,f_{s_opt}为目标开关频率，f_{s_opt}的取值范围是[0.1f_s,f_s]。

3.根据权利要求1所述的一种直流变压器电流断续控制方法，其特征在于，每次投入的功率模块数量K表示为：

其中，i_{rs_peak}为各功率模块低压侧高频变压器副边电流i_{rsm(m＝1,2,…,N)}的目标幅值，其取值范围为[0.5*i_o*π/N,0.5i_norm]，i_norm为各功率模块低压侧H桥单元的开关器件标称电流，且各功率模块高压侧H桥单元、低压侧H桥单元均采用相同的开关器件。