CN115189549A - 分布式功率变换系统的控制装置及其控制方法 - Google Patents

分布式功率变换系统的控制装置及其控制方法 Download PDF

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CN115189549A CN202110356790.7A CN202110356790A CN115189549A CN 115189549 A CN115189549 A CN 115189549A CN 202110356790 A CN202110356790 A CN 202110356790A CN 115189549 A CN115189549 A CN 115189549A
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Abstract

本发明提供一种分布式功率变换系统的控制装置及其控制方法,分布式功率变换系统包括并联的N个功率模块,N为大于1的正整数,控制方法包括:配置N个控制单元,分别对应控制N个功率模块,每一控制单元用于执行:步骤S1、根据一协调量生成反映各自的模块序号R的第一量Q1;步骤S2、生成反映模块最优运行数量M的第二量Q2;步骤S3、比较第一量Q1和第二量Q2,其中,当第一量Q1大于第二量Q2时,对应的功率模块停止运行;当第一量Q1小于等于第二量Q2时,对应的功率模块投入运行。本发明通过利用协调量对分布式功率变换系统进行模块之间的协调运行,提高了系统效率,减小了输出电压与输出电流纹波,实现了模块间的均衡运行。

Description

分布式功率变换系统的控制装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域,尤其涉及一种分布式功率变换系统的控制装置及其控制方法。
背景技术
随着分布式新能源发电技术的进步和直流用电设备的日益增多,直流配电的需求日益上升,例如大功率储能功率调节系统(PCS)、电动汽车超快充电站、轨道交通、中压电力电子变压器(MV-PET)系统等。由于受到单个模块功率限制,通常需要采用多个模块并联组合(至少一个端口并联),实现直流侧低电压、大电流的应用,如图1A~1C所示,其分别示出了固态变压器(Solid state transformer,SST)、输入串联输出并联(Input SeriesOutput Parallel,ISOP)DC/DC变换器、输入并联输出并联(Input Parallel OutputParallel,IPOP)DC/DC变换器等并联组合系统的结构。
为满足系统运行要求,DC/DC变换器还需要具备高频隔离、宽范围调压、双向运行等功能,通常可选用隔离谐振DC/DC变换器。为减小开关损耗,提升效率,隔离谐振DC/DC变换器在轻载时处于突发(burst)模式的运行状态,如图1D所示。若D2D模块孤立分散控制,缺乏协调,轻载时当各DC/DC变换器同时启停时,输出电压纹波大,需要较大输出电容。
由于轻载时开关损耗、驱动损耗、导通损耗等固有损耗占比较大,隔离谐振DC/DC变换器轻载时效率(Efficiency)较低,如图1E所示。而目前模块化并联变换器大部分都采用功率均分模式,即不论是否满功率运行,所有模块均分系统功率,导致轻载模式下各模块低功率运行,效率较低。因此,在轻载情况下,如果能降低系统损耗,将有利系统整体运行效率提升。
现有技术对于输入串联系统有不能保证输入均压、通讯速率要求高、不能保证所有变换投入运行时间相等、无法避免变换器老化程度不一致、需要考虑集中控制器单点失效、成本增加中的一个或多个问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明的目的在于提供一种分布式功率变换系统的控制装置及其控制方法,通过对功率变换器之间的协调量进行排序来确定投入运行的模块,无需集中控制器,降低成本。
为了实现上述目的,依据本发明的一实施例,本发明提供一种分布式功率变换系统的控制方法,其特点在于,所述分布式功率变换系统包括并联的N个功率模块,其中N为大于1的正整数,所述控制方法包括:
配置N个控制单元,分别对应控制所述N个功率模块,其中每一所述控制单元用于执行:
步骤S1、根据一协调量生成反映各自的模块序号R的第一量Q1;
步骤S2、生成反映模块最优运行数量M的第二量Q2;
步骤S3、比较所述第一量Q1和所述第二量Q2,其中,
当所述第一量Q1大于所述第二量Q2时,对应的所述功率模块停止运行;
当所述第一量Q1小于等于所述第二量Q2时,对应的所述功率模块投入运行。
在本发明的一实施例中,所述第一量Q1=k*R,所述第二量Q2=k*M,其中k为正数。
在本发明的一实施例中,每个所述功率模块投入运行的时间在一个载波周期内相同。
在本发明的一实施例中,在所述步骤S1中,每一所述控制单元是将各自的协调量与其他所述功率模块的协调量比较,得到各自的名次,并以所述名次作为各自的模块序号。
在本发明的一实施例中,所述协调量为以下信息其中之一:电压、运行时间、温度、电流、功率和载波。
在本发明的一实施例中,所述电压为所述分布式功率变换系统的串联侧电压;所述运行时间为所述功率模块投入运行的运行时间;所述电流为所述分布式功率变换系统的输入电流、输出电流或电感电流;所述功率为所述功率模块的输入功率或输出功率。
在本发明的一实施例中,所述协调量为载波,且所述步骤S1包括:
步骤S11、每一所述控制单元配置对应的所述功率模块的载波周期和载波峰值,其中相邻的所述功率模块的载波移相2π/N,并且以各所述功率模块的ID号确定各所述功率模块的移相顺序;
步骤S12、每一所述控制单元将对应的所述功率模块的载波幅值作为协调量进行通讯并与其他所述功率模块的载波幅值进行比较,得到各自的名次,并以所述名次作为各自的模块序号,并生成反映各自的模块序号R的第一量Q1;
并且,在所述步骤S2中,通过每一所述控制单元各自生成反映模块最优运行数量M的第二量Q2;
并且,在所述步骤S3中,每一所述控制单元是将所述第二量Q2与所述第一量Q1比较而生成对应的驱动信号以驱动对应的所述功率模块投入运行或停止运行。
在本发明的一实施例中,所述步骤S2还包括:
步骤21、优化投入运行的模块最优运行数量M,其包括:
确定所述N个功率模块的最佳效率点所对应的最佳效率点功率Popt
根据所述N个功率模块的平均输出功率Plocal与功率模块总数目N相乘得到所述分布式功率变换系统的系统总功率,所述系统总功率与所述最佳效率点功率Popt的比值计算取整得到运行计算值Mcal
根据单个模块运行功率最接近最佳效率点原则确定投入运行的模块最优运行数量M=Mcal或Mcal+1。
在本发明的一实施例中,确定投入运行的模块最优运行数量M的算法如下:
Figure BDA0003003627830000031
其中,若
Figure BDA0003003627830000032
则M=Mcal+1;否则M=Mcal
在本发明的一实施例中,每个所述功率模块包含第一端口,其中所述N个功率模块的所述第一端口并联。
在本发明的一实施例中,每个所述功率模块为一级功率模块,其具有一级的功率变换单元。
在本发明的一实施例中,每个所述功率模块为二级功率模块,其具有级联的第一级功率变换单元和第二级功率变换单元,其中,所述功率模块在投入运行或停止运行时是投入或停止所述第一级功率变换单元或者所述第二级功率变换单元,或者是同时投入或停止所述第一级功率变换单元和所述第二级功率变换单元。
在本发明的一实施例中,选择一个所述功率模块投入运行时,投入运行的所述功率模块是处于打嗝模式。
依据本发明的另一实施例,本发明另提供一种分布式功率变换系统的控制装置,其特点在于,所述分布式功率变换系统包括并联的N个功率模块,其中N为大于1的正整数,所述控制装置包括:
N个控制单元,分别对应控制所述N个功率模块,其中每一所述控制单元包括:
序号生成单元,用于根据一协调量生成反映各自的模块序号R的第一量Q1;
模块数量计算单元,用于生成反映模块最优运行数量M的第二量Q2;
比较单元,用于比较所述第一量Q1和所述第二量Q2,其中,当所述第一量Q1大于所述第二量Q2时,对应的所述功率模块停止运行;当所述第一量Q1小于等于所述第二量Q2时,对应的所述功率模块投入运行。
在本发明的另一实施例中,所述第一量Q1=k*R,所述第二量Q2=k*M,其中k为正数。
在本发明的另一实施例中,每个所述功率模块投入运行的时间在一个载波周期内相同。
在本发明的另一实施例中,每一所述控制单元的所述序号生成单元是将各自的协调量与其他所述功率模块的协调量比较,得到各自的名次,并以所述名次作为各自的模块序号。
在本发明的另一实施例中,所述协调量为以下信息其中之一:电压、运行时间、温度、电流、功率和载波。
在本发明的另一实施例中,所述电压为所述分布式功率变换系统的串联侧电压;所述运行时间为所述功率模块投入运行的运行时间;所述电流为所述分布式功率变换系统的输入电流、输出电流或电感电流;所述功率为所述功率模块的输入功率或输出功率。
在本发明的另一实施例中,所述协调量为载波,其中:
每一所述控制单元的所述序号生成单元是通过配置对应的所述功率模块的载波周期和载波峰值,其中相邻的所述功率模块的载波移相2π/N,并且以各所述功率模块的ID号确定各所述功率模块的移相顺序;并将对应的所述功率模块的载波幅值作为协调量进行通讯并与其他所述功率模块的载波幅值进行比较,得到各自的名次,并以所述名次作为各自的模块序号,并生成反映各自的模块序号R的第一量Q1;
每一所述控制单元的所述模块数量计算单元各自生成反映模块最优运行数量M的第二量Q2;
每一所述控制单元的所述比较单元是将所述第二量Q2与所述第一量Q1比较而生成对应的驱动信号以驱动对应的所述功率模块投入运行或停止运行。
在本发明的另一实施例中,所述模块数量计算单元还用于优化投入运行的模块最优运行数量M,其中:
所述模块数量计算单元确定所述N个功率模块的最佳效率点所对应的最佳效率点功率Popt
所述模块数量计算单元根据所述N个功率模块的平均输出功率Plocal与功率模块总数目N相乘得到所述分布式功率变换系统的系统总功率,所述系统总功率与所述最佳效率点功率Popt的比值计算取整得到运行计算值Mcal
所述模块数量计算单元根据单个模块运行功率最接近最佳效率点原则确定投入运行的模块最优运行数量M=Mcal或Mcal+1。
在本发明的另一实施例中,所述模块数量计算单元确定投入运行的模块最优运行数量M的算法如下:
Figure BDA0003003627830000051
其中,若
Figure BDA0003003627830000052
则M=Mcal+1;否则M=Mcal
在本发明的另一实施例中,每个所述功率模块包含第一端口,其中所述N个功率模块的所述第一端口并联。
在本发明的另一实施例中,每个所述功率模块为一级功率模块,其具有一级的功率变换单元。
在本发明的另一实施例中,每个所述功率模块为二级功率模块,其具有级联的第一级功率变换单元和第二级功率变换单元,其中,所述功率模块在投入运行或停止运行时是投入或停止所述第一级功率变换单元或者所述第二级功率变换单元,或者是同时投入或停止所述第一级功率变换单元和所述第二级功率变换单元。
在本发明的另一实施例中,选择一个所述功率模块投入运行时,投入运行的所述功率模块是处于打嗝模式。
对于包含N个功率模块并联的分布式功率变换系统,本发明的控制方法可通过功率模块之间的协调量对系统进行模块的协调运行,提高系统效率,减小输出电压与输出电流纹波,实现模块间的均衡运行。本发明的控制方法简单可靠,较现有方案相比,不需要集中控制器,避免集中控制器单点失效问题,降低成本。
本发明通过对所有功率模块按一定顺序轮流投切,具备更强的dc-link(直流链)电压均压调节能力,不影响变换器功率传输特性,通讯速率要求低,适用于多模块并联的分布式功率变换系统,例如包括但不限于数据中心、充电站、储能及微电网等。
本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述,并且部分地将从描述中变得显然,或者可以通过本发明的实践而习得。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式,本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1A、图1B和图1C分别为现有技术的SST、ISOP D2D、IPOP D2D等并联组合系统的结构示意图;
图1D为现有的隔离谐振DC/DC变换器在轻载时处于突发(burst)模式的运行状态示意图;
图1E为现有的隔离谐振DC/DC变换器的效率示意图;
图2为本发明的分布式功率变换系统的控制方法示意图;
图3A、图3B和图3C分别为本发明的分布式功率变换系统的协调控制方法在不同系统负载功率时处于不同运行状态下的技术效果示意图;
图3D为本发明以载波作为协调量对系统的N个功率模块进行协调运行控制的方法示意图;
图4A和图4B分别为本发明针对两级变换器在轮流投切时的模块投切级数示意图,其中图4A为一级投切,图4B为二级投切;
图5为本发明以2个模块输入串联输出并联为例进行仿真的仿真模型示意图;
图6为图5所示的仿真模型在轻载时采用模块不协调控制(A)和模块协调控制(B)时的仿真结果示意图;
图7为图5所示的仿真模型在重载时采用模块不协调控制(A)和模块协调控制(B)时的仿真结果示意图;
图8为本发明的分布式功率变换系统的控制装置实现分布式协调运行的结构示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而,示例实施方式能够以多种形式实施,且不应被理解为限于在此阐述的实施方式;相反,提供这些实施方式使得本发明将全面和完整,并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构,因而将省略它们的详细描述。
在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时,用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。实施方式中可能使用相对性的用语,例如“上”或“下”以描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系。能理解的是,如果将图标的装置翻转使其上下颠倒,则所叙述在“上”侧的组件将会成为在“下”侧的组件。此外,权利要求书中的术语“第一”、“第二”等仅作为标记使用,不是对其对象的数字限制。
本发明提供一种分布式功率变换系统的控制方法,其中分布式功率变换系统是为并联组合系统,其例如包括有并联的N个功率模块,且N为大于1的正整数。其中,每个功率模块可包含第一端口,这些功率模块的第一端口并联。在本发明中,并联组合系统例如可为但不限于SST、ISOP、IPOP等系统。在本发明中,通过配置N个控制单元,可分别对应控制N个功率模块,如图2所示,其中每一控制单元可用于执行:
步骤S1、根据一协调量生成反映各自的模块序号R的第一量Q1;
步骤S2、生成反映模块最优运行数量M的第二量Q2;
步骤S3、比较第一量Q1和第二量Q2,其中,当第一量Q1大于第二量Q2时,对应的功率模块停止运行;当第一量Q1小于等于第二量Q2时,对应的功率模块投入运行。
在本发明中,每个功率模块投入运行的时间在一个载波周期内可相同。并且,选择一个功率模块投入运行时,投入运行的功率模块例如是处于打嗝模式。
在步骤S1中,每一控制单元是将各自的协调量与其他功率模块的协调量比较,得到各自的名次,并以所述名次作为各自的模块序号。所述协调量例如可为以下信息其中之一:电压、运行时间、温度、电流、功率和载波。其中,所述电压例如可为分布式功率变换系统的串联侧电压。所述运行时间例如可为功率模块投入运行的运行时间。所述电流例如为分布式功率变换系统的输入电流、输出电流或电感电流。所述功率例如可为功率模块的输入功率或输出功率。但是,可以理解的是,所述协调量并不局限于上述信息,其也可以为其它信息,这些并不作为对本发明的限制。本发明通过功率模块之间的协调量对系统进行模块的协调运行,可提高系统效率,减小输出电压与输出电流纹波,实现模块间的均衡运行。
例如,以协调量为载波为例,所述步骤S1可包括:
步骤S11、每一控制单元配置对应的功率模块的载波周期和载波峰值,其中相邻的功率模块的载波移相2π/N,并且以各功率模块的ID号确定各功率模块的移相顺序;
步骤S12、每一控制单元将对应的功率模块的载波幅值作为协调量进行通讯并与其他功率模块的载波幅值进行比较,得到各自的名次,并以所述名次作为各自的模块序号,以生成反映各自的模块序号的第一量Q1。
其中,在所述步骤S2中,例如是通过每一控制单元各自生成反映模块最优运行数量的第二量Q2。反映各自的模块序号的第一量Q1可以与各自的模块序号R相同或者根据一定规则得到的反映各自的模块序号R的量,同样,反映模块最优运行数量的第二量Q2可以与最优运行数量M相同或者根据一定规则得到的反映最优运行数量M的量,两者规则相同。在一优选实施例中,第一量Q1与模块序号R呈线性关系,即Q1=k*R,第二量Q2与最优运行数量M同样也呈线性关系,即Q2=k*M,其中k为正数。当然也可以采取其他规则得到第一量Q1和第二量Q2,本案不以此为限。
其中,在所述步骤S3中,每一控制单元例如是将所述第二量Q2与所述第一量Q1比较而生成对应的驱动信号,以驱动对应的功率模块投入运行或停止运行。
如图3A、图3B和图3C所示,其分别示出了本发明的协调控制方法在不同系统负载功率时处于不同运行状态下的技术效果。以4个额定功率为15kW的D2D模块并联为例进行说明,假设单模块3kW以下进入打嗝模式(burst mode)。如图3A所示,若负载功率为10kW,分散控制运行时,即不使能协调控制方法,所有功率模块均进入打嗝模式的运行状态,输出电压纹波大。如图3B所示,若使能协调控制方法,采用模块交替轮换运行,且每一时刻只使能其中两个模块运行,每个模块承担功率5kW,则所有功率模块均未进入打嗝模式的运行状态,整个系统的总功率连续,输出电压纹波减小。如图3C所示,当负载功率为2.5kW时,负载功率小于单个模块进入打嗝(burst)模式的功率,此时同一时刻仅使能一个模块运行,通过所有模块交替轮流运行,系统总功率虽不连续,但相同输出滤波电容的情况下,电压纹波降至1/4。图中不同图案代表不同的功率模块,同一纵轴上代表同时工作的功率模块。由此可见,本发明通过协调控制运行,模块运行个数也随着功率的降低而减少,因此系统能始终工作在高效率区间。
下面以载波作为协调量为例,进一步详细说明本发明的分布式功率变换系统的协调运行控制方法。如图3D所示,首先,选定载波周期T_carrier,配置载波峰值为N(N为功率模块总数目),相邻的功率模块的载波之间移相2π/N,并以各功率模块的ID号确定各功率模块的移相顺序,例如图中包括4个功率模块,即包括模块Cell1~Cell4,对应的载波依次移相2π/4。然后,将各功率模块的载波幅值作为协调量进行通讯并与其他功率模块的协调量比较,得到本功率模块的名次,同时作为自身模块序号R(1≤R≤N)输出,即生成反映各自的模块序号的第一量Q1,例如Q1=R,如图3D中第二至第五个波形中的实线代表当前时刻的Q1的值。若M(1≤M≤N)个模块投入运行(即模块最优运行数量为M),调制波即为M,即生成反映模块最优运行数量的第二量Q2,例如Q2=M,如图3D中第二至第五个波形中的虚线代表当前时刻的Q2的值。其中,若R≤M,对应的功率模块投入运行,即切入;若R>M,则对应的功率模块停止运行,即切出。
在本实施例中,由于载波相位与ID号相关,ID号在模块初始化时已确定,因此也可无需实时通讯。此外,串联侧电压、投入运行时间、温度、电流、功率等信息也可作为协调量进行通讯用以实现分布式协调运行控制。这样即可自动实现模块的轮换,轮换周期可由载波周期灵活配置。本发明的此种控制方法对通讯速率要求低,利于分布式控制器实现。同时多个模块轮换运行,可避免各模块老化程度不一致。对于输入串联系统,高速投切可确保dc-link均压。
在本发明的一实施例中,每个功率模块可为一级功率模块,其可具有一级的功率变换单元。在其他实施例中,每个功率模块也可为二级功率模块,其可具有级联的第一级功率变换单元和第二级功率变换单元。并且,功率模块在投入运行或停止运行时是投入或停止第一级功率变换单元或者第二级功率变换单元,或者是同时投入或停止第一级功率变换单元和第二级功率变换单元。比如,如图4A和图4B所示,针对两级变换器,轮流投切的可以仅为其中一级投切,例如图4A中仅各模块Cell 1~Cell n的第二级D2D单元投切,也可以是两级投切,例如图4B中各模块Cell 1~Cell n的第一级A2D单元和第二级D2D单元同时投切。
在本发明中,为了优化系统效率,减少输出电压纹波,还可以对投入运行的模块最优运行数目M进行优化。换言之,所述步骤S2还可进一步包括:步骤21、优化投入运行的模块最优运行数量M。其中,优化办法例如可包括:首先,确定N个功率模块的最佳效率点所对应的最佳效率点功率Popt;其次,根据N个功率模块的平均输出功率Plocal与功率模块总数目N相乘得到分布式功率变换系统的系统总功率,系统总功率与最佳效率点功率Popt的比值计算取整得到运行计算值Mcal;然后,根据单个模块运行功率最接近最佳效率点原则确定投入运行的模块最优运行数量M=Mcal或Mcal+1。
在本发明中,确定投入运行的模块最优运行数量M的算法如下:
Figure BDA0003003627830000111
其中,若
Figure BDA0003003627830000112
则M=Mcal+1;否则M=Mcal
以15kW*4个模块为例说明,假设最佳效率点为Popt=7.5kW,最佳效率范围为5kW-10kW。假设进入Burst模式的功率为Pburst=3kW。由上述优化算法计算可得相应的总功率范围对应的运行数目,如表1所示,随着功率降低,减少运行数目,保证各模块在10kW以上均在最佳效率点附近工作,且采用本发明的协调控制方法后,系统进入Burst模式的边界功率从12kW下降至3kW。
总功率范围 运行数目 单模块功率范围 系统
25.7kW~60kW 4个同时 6.43kW~15kW 系统连续运行
18kW~25.7kW 3个轮流 6kW~8.57kW 系统连续运行
10kW~18kW 2个轮流 5kW~9kW 系统连续运行
3kW~10kW 1个轮流 3kW~10kW 系统连续运行
0kW~3kW 1个轮流 0kW~3kW Burst模式
表1运行数目优化举例
以两个模块Cell 1与Cell 2的输入串联输出并联为例进行仿真,仿真模型如图5所示。仿真结果如图6与图7所示,其中,PWM_en是为模块Cell1与模块Cell2的投切信号,1为投入,0为切出;Vdc为两个模块的输入电压,io为两个模块的输出电流,Vo为输出电压,fs为变换器控制变量。图6中左图(A)和右图(B)两图的负载条件一致,但负载较轻(即轻载),左图(A)未使能协调控制时,两个模块Cell 1与Cell 2全部投入运行,每个模块承担的功率较少(输出电压相等时,单个模块运行时输出电流较低),每个模块处于Burst模式的运行状态,输出电压纹波较大;右图(B)使能协调控制后,两个模块Cell 1与Cell 2交替运行,单个模块承担功率增加(输出电压相等时,单个模块运行时输出电流较高),系统的运行状态从Burst模式变为系统连续运行,输出电压纹波降低。图7中左图(A)和右图(B)两图的负载条件一致,但负载较重(即重载),左图(A)未使能协调控制时,系统连续运行,但两个模块Cell1与Cell 2同时运行,各模块输出功率均较低(输出电压相等时,单个模块运行时输出电流较低),因此系统效率较低。右图(B)使能协调控制后,优化模块运行数目,即两个模块交替运行,单个模块承担功率增加(输出电压相等时,单个模块运行时输出电流较高),系统运行效率提高。
如图8所示,其示出了本发明的分布式功率变换系统的控制装置实现分布式协调运行的结构。其中,分布式功率变换系统例如可包括有n个功率模块Cell 1~Cell n,控制装置例如可包括n个控制单元200(例如分别集成为n个控制芯片),用以分别对应控制这些功率模块Cell 1~Cell n,各功率模块的驱动方法可在各功率模块的控制芯片单独实现。每一控制单元200例如可包含三个单元:序号生成单元201、模块最优数量计算单元202以及比较单元203。所述序号生成单元201是通过接收模块间的通讯协调量,将本模块的协调量与其他模块的协调量进行比较和排序,可得到本模块的名次,同时作为自身的模块序号R(1≤R≤N)输出,即生成反映各自的模块序号R的第一量Q1。所述模块最优数量计算单元202是接收自身的反映效率的量,输出模块最优运行数量M(1≤M≤N),即生成反映模块最优运行数量M的第二量Q2。所述比较单元203是比较反映R的第一量Q1和反映M的第二量Q2,如果Q1>Q2,相应的模块切出,如果Q1≤Q2,则相应的模块投入。上述模块间的协调量可以是串联侧电压、投入运行时间、温度、电流(输入电流,输出电流,电感电流等)、功率(输入功率,输出功率等)、载波(幅值与ID号相关,无需实时通讯)等信息。
相应地,本发明可提供一种分布式功率变换系统的控制装置,其可包括N个控制单元,用以分别对应控制分布式功率变换系统的并联的N个功率模块。其中,每一控制单元可包括:序号生成单元,用于根据一协调量生成反映各自的模块序号R的第一量Q1;模块数量计算单元,用于生成反映模块最优运行数量M的第二量Q2;以及比较单元,用于比较所述第一量Q1和所述第二量Q2,其中,当所述第一量Q1大于所述第二量Q2时,对应的所述功率模块停止运行;当所述第一量Q1小于等于所述第二量Q2时,对应的所述功率模块投入运行。
在本发明的一个实施例中,每个功率模块投入运行的时间在一个载波周期内相同。
在本发明的一个实施例中,每一控制单元的序号生成单元是将各自的协调量与其他功率模块的协调量比较,得到各自的名次,并以所述名次作为各自的模块序号。所述协调量可为以下信息其中之一:电压、运行时间、温度、电流、功率和载波。其中,所述电压可为所述分布式功率变换系统的串联侧电压;所述运行时间可为所述功率模块投入运行的运行时间;所述电流可为所述分布式功率变换系统的输入电流、输出电流或电感电流;所述功率可为所述功率模块的输入功率或输出功率。
在本发明的一个实施例中,所述协调量例如可为载波。其中,每一控制单元的序号生成单元可通过配置对应的功率模块的载波周期和载波峰值,其中相邻的功率模块的载波移相2π/N,并且以各功率模块的ID号确定各功率模块的移相顺序;并将对应的功率模块的载波幅值作为协调量进行通讯并与其他功率模块的载波幅值进行比较,得到各自的名次,并以所述名次作为各自的模块序号,并生成反映各自的模块序号的第一量Q1。每一控制单元的模块数量计算单元是各自生成反映模块最优运行数量的第二量Q2。每一控制单元的比较单元是将第二量Q2与第一量Q1比较而生成对应的驱动信号以驱动对应的功率模块投入运行或停止运行。
在本发明的一个实施例中,所述模块数量计算单元还可用于优化投入运行的模块最优运行数量M,其中:所述模块数量计算单元是确定所述N个功率模块的最佳效率点所对应的最佳效率点功率Popt;所述模块数量计算单元是根据所述N个功率模块的平均输出功率Plocal与功率模块总数目N相乘得到所述分布式功率变换系统的系统总功率,所述系统总功率与所述最佳效率点功率Popt的比值计算取整得到运行计算值Mcal;所述模块数量计算单元是根据单个模块运行功率最接近最佳效率点原则确定投入运行的模块最优运行数量M=Mcal或Mcal+1。
其中,所述模块数量计算单元确定投入运行的模块最优运行数量M的算法如下:
Figure BDA0003003627830000131
其中,若
Figure BDA0003003627830000132
则M=Mcal+1;否则M=Mcal
在本发明的一个实施例中,每个功率模块可包含第一端口,其中N个功率模块的第一端口并联。
在本发明的一个实施例中,每个功率模块可为一级功率模块,其可具有一级的功率变换单元。或者,每个功率模块可为二级功率模块,其可具有级联的第一级功率变换单元和第二级功率变换单元,其中,功率模块在投入运行或停止运行时是投入或停止第一级功率变换单元或者第二级功率变换单元,或者是同时投入或停止第一级功率变换单元和第二级功率变换单元。
在本发明的一个实施例中,当选择一个功率模块投入运行时,投入运行的功率模块是处于打嗝模式。
对于包含N个功率模块并联的分布式功率变换系统,本发明的控制方法可通过功率模块之间的协调量对系统进行模块的协调运行,提高系统效率,减小输出电压与输出电流纹波,实现模块间的均衡运行。本发明的控制方法简单可靠,较现有方案相比,不需要集中控制器,避免集中控制器单点失效问题,降低成本。
本发明通过对所有功率模块按一定顺序轮流投切,具备更强的dc-link电压均压调节能力,不影响变换器功率传输特性,通讯速率要求低,适用于多模块并联的分布式功率变换系统,例如包括但不限于数据中心、充电站、储能及微电网等。
以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施方式。应该理解,本发明不限于所公开的实施方式,相反,本发明意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (26)

1.一种分布式功率变换系统的控制方法,其特征在于,所述分布式功率变换系统包括并联的N个功率模块,其中N为大于1的正整数,所述控制方法包括:
配置N个控制单元,分别对应控制所述N个功率模块,其中每一所述控制单元用于执行:
步骤S1、根据一协调量生成反映各自的模块序号R的第一量Q1;
步骤S2、生成反映模块最优运行数量M的第二量Q2;
步骤S3、比较所述第一量Q1和所述第二量Q2,其中,
当所述第一量Q1大于所述第二量Q2时,对应的所述功率模块停止运行;
当所述第一量Q1小于等于所述第二量Q2时,对应的所述功率模块投入运行。
2.根据权利要求1所述的分布式功率变换系统的控制方法,其特征在于,所述第一量Q1=k*R,所述第二量Q2=k*M,其中k为正数。
3.根据权利要求1所述的分布式功率变换系统的控制方法,其特征在于,每个所述功率模块投入运行的时间在一个载波周期内相同。
4.根据权利要求1所述的分布式功率变换系统的控制方法,其特征在于,在所述步骤S1中,每一所述控制单元是将各自的协调量与其他所述功率模块的协调量比较,得到各自的名次,并以所述名次作为各自的模块序号。
5.根据权利要求4所述的分布式功率变换系统的控制方法,其特征在于,所述协调量为以下信息其中之一:电压、运行时间、温度、电流、功率和载波。
6.根据权利要求5所述的分布式功率变换系统的控制方法,其特征在于,所述电压为所述分布式功率变换系统的串联侧电压;所述运行时间为所述功率模块投入运行的运行时间;所述电流为所述分布式功率变换系统的输入电流、输出电流或电感电流;所述功率为所述功率模块的输入功率或输出功率。
7.根据权利要求5所述的分布式功率变换系统的控制方法,其特征在于,所述协调量为载波,且所述步骤S1包括:
步骤S11、每一所述控制单元配置对应的所述功率模块的载波周期和载波峰值,其中相邻的所述功率模块的载波移相2π/N,并且以各所述功率模块的ID号确定各所述功率模块的移相顺序;
步骤S12、每一所述控制单元将对应的所述功率模块的载波幅值作为协调量进行通讯并与其他所述功率模块的载波幅值进行比较,得到各自的名次,并以所述名次作为各自的模块序号,并生成反映各自的模块序号R的第一量Q1;
并且,在所述步骤S2中,通过每一所述控制单元各自生成反映模块最优运行数量M的第二量Q2;
并且,在所述步骤S3中,每一所述控制单元是将所述第二量Q2与所述第一量Q1比较而生成对应的驱动信号以驱动对应的所述功率模块投入运行或停止运行。
8.根据权利要求1所述的分布式功率变换系统的控制方法,其特征在于,所述步骤S2还包括:
步骤21、优化投入运行的模块最优运行数量M,其包括:
确定所述N个功率模块的最佳效率点所对应的最佳效率点功率Popt
根据所述N个功率模块的平均输出功率Plocal与功率模块总数目N相乘得到所述分布式功率变换系统的系统总功率,所述系统总功率与所述最佳效率点功率Popt的比值计算取整得到运行计算值Mcal
根据单个模块运行功率最接近最佳效率点原则确定投入运行的模块最优运行数量M=Mcal或Mcal+1。
9.根据权利要求8所述的分布式功率变换系统的控制方法,其特征在于,确定投入运行的模块最优运行数量M的算法如下:
Figure FDA0003003627820000021
其中,若
Figure FDA0003003627820000022
则M=Mcal+1;否则M=Mcal
10.根据权利要求1所述的分布式功率变换系统的控制方法,其特征在于,每个所述功率模块包含第一端口,其中所述N个功率模块的所述第一端口并联。
11.根据权利要求1所述的分布式功率变换系统的控制方法,其特征在于,每个所述功率模块为一级功率模块,其具有一级的功率变换单元。
12.根据权利要求1所述的分布式功率变换系统的控制方法,其特征在于,每个所述功率模块为二级功率模块,其具有级联的第一级功率变换单元和第二级功率变换单元,其中,所述功率模块在投入运行或停止运行时是投入或停止所述第一级功率变换单元或者所述第二级功率变换单元,或者是同时投入或停止所述第一级功率变换单元和所述第二级功率变换单元。
13.根据权利要求1所述的分布式功率变换系统的控制方法,其特征在于,选择一个所述功率模块投入运行时,投入运行的所述功率模块是处于打嗝模式。
14.一种分布式功率变换系统的控制装置,其特征在于,所述分布式功率变换系统包括并联的N个功率模块,其中N为大于1的正整数,所述控制装置包括:
N个控制单元,分别对应控制所述N个功率模块,其中每一所述控制单元包括:
序号生成单元,用于根据一协调量生成反映各自的模块序号R的第一量Q1;
模块数量计算单元,用于生成反映模块最优运行数量M的第二量Q2;
比较单元,用于比较所述第一量Q1和所述第二量Q2,其中,当所述第一量Q1大于所述第二量Q2时,对应的所述功率模块停止运行;当所述第一量Q1小于等于所述第二量Q2时,对应的所述功率模块投入运行。
15.根据权利要求14所述的分布式功率变换系统的控制装置,其特征在于,所述第一量Q1=k*R,所述第二量Q2=k*M,其中k为正数。
16.根据权利要求14所述的分布式功率变换系统的控制装置,其特征在于,每个所述功率模块投入运行的时间在一个载波周期内相同。
17.根据权利要求14所述的分布式功率变换系统的控制装置,其特征在于,每一所述控制单元的所述序号生成单元是将各自的协调量与其他所述功率模块的协调量比较,得到各自的名次,并以所述名次作为各自的模块序号。
18.根据权利要求17所述的分布式功率变换系统的控制装置,其特征在于,所述协调量为以下信息其中之一:电压、运行时间、温度、电流、功率和载波。
19.根据权利要求18所述的分布式功率变换系统的控制装置,其特征在于,所述电压为所述分布式功率变换系统的串联侧电压;所述运行时间为所述功率模块投入运行的运行时间;所述电流为所述分布式功率变换系统的输入电流、输出电流或电感电流;所述功率为所述功率模块的输入功率或输出功率。
20.根据权利要求18所述的分布式功率变换系统的控制装置,其特征在于,所述协调量为载波,其中:
每一所述控制单元的所述序号生成单元是通过配置对应的所述功率模块的载波周期和载波峰值,其中相邻的所述功率模块的载波移相2π/N,并且以各所述功率模块的ID号确定各所述功率模块的移相顺序;并将对应的所述功率模块的载波幅值作为协调量进行通讯并与其他所述功率模块的载波幅值进行比较,得到各自的名次,并以所述名次作为各自的模块序号,并生成反映各自的模块序号R的第一量Q1;
每一所述控制单元的所述模块数量计算单元各自生成反映模块最优运行数量M的第二量Q2;
每一所述控制单元的所述比较单元是将所述第二量Q2与所述第一量Q1比较而生成对应的驱动信号以驱动对应的所述功率模块投入运行或停止运行。
21.根据权利要求14所述的分布式功率变换系统的控制装置,其特征在于,所述模块数量计算单元还用于优化投入运行的模块最优运行数量M,其中:
所述模块数量计算单元确定所述N个功率模块的最佳效率点所对应的最佳效率点功率Popt
所述模块数量计算单元根据所述N个功率模块的平均输出功率Plocal与功率模块总数目N相乘得到所述分布式功率变换系统的系统总功率,所述系统总功率与所述最佳效率点功率Popt的比值计算取整得到运行计算值Mcal
所述模块数量计算单元根据单个模块运行功率最接近最佳效率点原则确定投入运行的模块最优运行数量M=Mcal或Mcal+1。
22.根据权利要求21所述的分布式功率变换系统的控制装置,其特征在于,所述模块数量计算单元确定投入运行的模块最优运行数量M的算法如下:
Figure FDA0003003627820000041
其中,若
Figure FDA0003003627820000042
则M=Mcal+1;否则M=Mcal
23.根据权利要求14所述的分布式功率变换系统的控制装置,其特征在于,每个所述功率模块包含第一端口,其中所述N个功率模块的所述第一端口并联。
24.根据权利要求14所述的分布式功率变换系统的控制装置,其特征在于,每个所述功率模块为一级功率模块,其具有一级的功率变换单元。
25.根据权利要求14所述的分布式功率变换系统的控制装置,其特征在于,每个所述功率模块为二级功率模块,其具有级联的第一级功率变换单元和第二级功率变换单元,其中,所述功率模块在投入运行或停止运行时是投入或停止所述第一级功率变换单元或者所述第二级功率变换单元,或者是同时投入或停止所述第一级功率变换单元和所述第二级功率变换单元。
26.根据权利要求14所述的分布式功率变换系统的控制装置,其特征在于,选择一个所述功率模块投入运行时,投入运行的所述功率模块是处于打嗝模式。
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JP2001016859A (ja) * 1999-06-29 2001-01-19 Nissin Electric Co Ltd 電力変換装置
US7518894B2 (en) * 2005-03-31 2009-04-14 Silicon Laboratories Inc. Distributed power supply system having reassignable master
JP6357976B2 (ja) * 2014-08-26 2018-07-18 富士電機株式会社 直流電源装置
DE112018000424T5 (de) * 2017-01-18 2019-10-10 Denso Corporation Energiewandlungssystemsteuergerät und Steuersystem
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