CN116722747B - 一种电能转换系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电能转换系统及其控制方法，包括发电装置、低频整流桥模块、高频逆变桥模块、高频变压器、高频整流桥模块和直流母线；所述低频整流桥模块输入端连接发电装置，输出端连接高频逆变器模块，通过低频整流桥模块将发电装置输出的220V交流电压整流成220V直流电压；所述高频逆变桥模块输出端连接高频变压器原边；所述高频整流桥模块输入端连接高频变压器副边，输出端连接直流母线，为直流母线提供稳定的直流电压。可以实现零回流功率、单位功率因数运行，极大地提高系统的输电效率。

Description

一种电能转换系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电能转换系统技术领域，具体的涉及一种电能转换系统及其控制方法。
背景技术
为了减缓全球变暖的趋势，发展可持续再生能源是很有必要的。与其它可再生能源相比，海浪能（潮汐能）具有能量密度高、持续性等优势。在这种背景下，一些海洋大国开始致力于研发海浪能发电电能转换系统。海浪发电电能转换系统通过将海浪能转化为机械能，再将机械能转化为电能，为直流母线提供电压。由于海浪发电电能转换系统依赖于风浪的情况，其波动性较大，遇到风平浪静或过大的海浪，都会影响其输出电压，采用普通的不控整流由于直流侧电压变化较大不易后级电路控制。并且，由于技术不成熟，这些装备会产生较大的回流功率，导致输电过程中损耗较大、效率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电能转换系统及其调制方法，实现单位功率因数运行，消除回流功率，减少损耗，极大地提高了系统的输电效率。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种电能转换系统，包括发电装置、低频整流桥模块、高频逆变桥模块、高频变压器、高频整流桥模块和直流母线；所述低频整流桥模块输入端连接发电装置，输出端连接高频逆变器模块，通过低频整流桥模块将发电装置输出的220V交流电压整流成220V直流电压；所述高频逆变桥模块输出端连接高频变压器原边；所述高频整流桥模块输入端连接高频变压器副边，输出端连接直流母线，为直流母线提供稳定的直流电压。
优选的技术方案中，所述高频逆变桥模块包括开关管，所述开关管/>构成全桥逆变电路，所述全桥逆变电路的输入端连接滤波电容/>，滤波电容/>用于滤除电压中的交流成分，全桥逆变电路的第一连接点连接第一谐振电容/>，所述第一谐振电容另一端连接于所述高频变压器原边，所述高频变压器原边还连接全桥逆变电路的第二连接点。
优选的技术方案中，所述高频整流桥模块包括开关管、开关管/>、第一输出电容/>和第二输出电容/>，所述开关管/>、开关管/>、第一输出电容/>和第二输出电容/>构成半桥整流电路，所述高频整流桥模块还包括第二谐振电容/>，；所述第二谐振电容/>一端连接于所述高频变压器副边，另一端连接于所述半桥整流电路的第一连接点，所述高频变压器副边还连接半桥整流电路的第二连接点。
优选的技术方案中，还包括对谐振电流的相位进行调整：将原边谐振电流过零点调整在/>处，副边谐振电流/>过零点调整在/>处，从而使得谐振电流与电压基波同相位，即满足以下条件：/>时，实现零回流功率、单位功率因数运行。
本发明又公开了一种电能转换系统的控制方法，包括上述的电能转换系统，控制方法包括以下步骤：
S01：将高频逆变桥中的开关管和开关管/>、开关管/>和开关管/>互补导通，且开关管/>占空比为0.5；所述开关管/>滞后开关管/>相位/>，产生脉冲宽度为/>的高频交流电压/>；
S02：将高频整流桥中的开关管和开关管/>互补导通，且开关管/>和开关管占空比为0.5；开关管/>超前开关管/>相位/>，产生一个超前原边中点高频交流电压基波相位/>的高频交流电压/>；
S03：对谐振电流的相位进行调整：将原边谐振电流过零点调整在/>处，副边谐振电流/>过零点调整在/>处，从而使得谐振电流与电压基波同相位，即满足以下条件：时，实现零回流功率、单位功率因数运行。
优选的技术方案中，原边谐振电流和副边谐振电流/>的计算方法包括：
得到高频逆变桥模块、高频变压器以及高频整流桥模块在相量域下的等效电路，根据KCL和KVL定律，得到：
其中，是原边中点高频交流电压/>的相量表达形式，/>是副边中点高频交流电压/>转换到原边的相量表达形式，/>为原边谐振电流/>的相量形式，/>为副边的谐振电流/>转换到原边的相量形式，/>为开关角频率，/>是/>转换到原边的变量，/>是原边的谐振电容，/>为原边的谐振电感，/>为原边的励磁电感；
当电路谐振运行时，开关频率等于谐振角频率，原边的谐振角频率，副边的谐振角频率/>，其中，/>，上述表达式化简为：
采用基波分析法进行稳态分析，和副边中点高频交流电压/>转换到原边的相量表达形式为：
进一步得到原边的谐振电流的相量形式，副边的谐振电流的相量形式/>：
其中，、/>为峰值电流，/>、/>是相角。
优选的技术方案中，还包括：
计算得到输出功率：
其中，表示最大输出功率，/>，/>为原副边的匝数比，/>和分别是输入电压和输出电压，输出功率的标幺值/>，由于/>的范围是/>，因此输出功率标幺值/>的范围是0%~100%。
本发明又公开了一种电能转换系统的控制系统，包括上述的电能转换系统，控制系统包括：
高频逆变桥电压波形调节模块，将高频逆变桥中的开关管和开关管/>、开关管/>和开关管/>互补导通，且开关管/>占空比为0.5；所述开关管/>滞后开关管/>相位/>，产生脉冲宽度为/>的高频交流电压/>；
高频整流桥电压波形调节模块，将高频整流桥中的开关管和开关管/>互补导通，且开关管/>和开关管/>占空比为0.5；开关管/>超前开关管/>相位/>，产生一个超前原边中点高频交流电压/>基波相位/>的高频交流电压/>；
谐振电流相位调节模块，对谐振电流的相位进行调整：将原边谐振电流过零点调整在/>处，副边谐振电流/>过零点调整在/>处，从而使得谐振电流与电压基波同相位，即满足以下条件：/>时，实现零回流功率、单位功率因数运行。
本发明又公开了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的电能转换系统的控制方法。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、本发明提出了一种新型海浪发电电能转换系统，仅有6个可控开关管，减少了开关管的数目。
2、谐振网络简单，谐振元件数目少，仅需两侧的谐振电容无需谐振电感，减小变换器体积，有效地降低了成本。
3、双侧均能够实现单位功率因数运行，消除了回流功率，减少了损耗，极大地提高了系统的输电效率。
附图说明
图1是海浪发电电能转换系统原理图；
图2是高频变压器内部结构图；
图3是综合了开关管控制方法、通过控制开关管/>产生的电压波形图以及产生的电流的波形图；
图4是海浪发电电能转换系统在相量域下的等效电路图；
图5是海浪发电电能转换系统谐振电流和电压的相位图；
图6是，/>，/>，/>、/>、/>、/>、/>、/>波形和各开关管电流波形图；
图7是，/>，/>，/>、/>、/>、/>、/>、/>波形和各开关管电流波形图。
具体实施方式
本发明的原理是：低频整流桥模块将海浪能发电装置产生的电能进行整流处理，得到高频直流电压，经过高频逆变桥模块将高频直流电压转换成高频交流电压，经过高频变压器进行降压处理，再经过高频整流桥模块将高频交流电压转换成高频直流电压，并向直流母线提供直流电压。可以实现零回流功率、单位功率因数运行，极大地提高系统的输电效率。
实施例1：
如图1所示，一种电能转换系统，包括发电装置、低频整流桥模块、高频逆变桥模块、高频变压器、高频整流桥模块和直流母线；所述低频整流桥模块输入端连接发电装置，输出端连接高频逆变器模块，通过低频整流桥模块将发电装置输出的220V交流电压整流成220V直流电压；所述高频逆变桥模块输出端连接高频变压器原边；所述高频整流桥模块输入端连接高频变压器副边，输出端连接直流母线，为直流母线提供稳定的直流电压。
具体的，低频整流桥模块由二极管组成。
一实施例中，高频逆变桥模块包括开关管，所述开关管/>构成全桥逆变电路，所述全桥逆变电路的输入端连接滤波电容/>，使输入电压更平滑，滤波电容/>用于滤除电压中的交流成分，全桥逆变电路的第一连接点连接第一谐振电容/>，所述第一谐振电容/>另一端连接于所述高频变压器原边，所述高频变压器原边还连接全桥逆变电路的第二连接点。
具体的，开关管包括体二极管/>，寄生电容/>。
一实施例中，高频整流桥模块包括开关管、开关管/>、第一输出电容/>和第二输出电容/>，所述开关管/>、开关管/>、第一输出电容/>和第二输出电容/>构成半桥整流电路，所述高频整流桥模块还包括第二谐振电容/>，；所述第二谐振电容/>一端连接于所述高频变压器副边，另一端连接于所述半桥整流电路的第一连接点，所述高频变压器副边还连接半桥整流电路的第二连接点。
具体的，开关管、开关管/>包括体二极管/>，体二极管/>，寄生电容/>，寄生电容/>。
高频变压器原副边的匝数比为/>，内部包括谐振电感/>和励磁电感/>，其结构如图2所示。
一实施例中，还包括对谐振电流的相位进行调整：将原边谐振电流过零点调整在/>处，副边谐振电流/>过零点调整在/>处，从而使得谐振电流与电压基波同相位，即满足以下条件：/>时，实现零回流功率、单位功率因数运行。
另一实施例中，结合图3对电路的工作状态进行具体的分析：一种电能转换系统的控制方法，包括上述的电能转换系统，控制方法包括以下步骤：
S01：将高频逆变桥中的开关管和开关管/>、开关管/>和开关管/>互补导通，且开关管/>占空比为0.5；所述开关管/>滞后开关管/>相位/>，产生脉冲宽度为/>的高频交流电压/>；
S02：将高频整流桥中的开关管和开关管/>互补导通，且开关管/>和开关管占空比为0.5；开关管/>超前开关管/>相位/>，产生一个超前原边中点高频交流电压基波相位/>的高频交流电压/>；
S03：对谐振电流的相位进行调整：将原边谐振电流过零点调整在/>处，副边谐振电流/>过零点调整在/>处，从而使得谐振电流与电压基波同相位，即满足以下条件：时，实现零回流功率、单位功率因数运行。
一实施例中，原边谐振电流和副边谐振电流/>的计算方法包括：
得到高频逆变桥模块、高频变压器以及高频整流桥模块在相量域下的等效电路如图4所示，，根据KCL和KVL定律，得到：
其中，是原边中点高频交流电压/>的相量表达形式，/>是副边中点高频交流电压/>转换到原边的相量表达形式，/>为原边谐振电流/>的相量形式，/>为副边的谐振电流/>转换到原边的相量形式，/>为开关角频率，/>是/>转换到原边的变量，/>是原边的谐振电容，/>为原边的谐振电感，/>为原边的励磁电感；
当电路谐振运行时，开关频率等于谐振角频率，原边的谐振角频率，副边的谐振角频率/>，其中，/>，上述表达式化简为：
采用基波分析法进行稳态分析，和副边中点高频交流电压/>转换到原边的相量表达形式为：
进一步得到原边的谐振电流的相量形式，副边的谐振电流的相量形式/>：
其中，、/>为峰值电流，/>、/>是相角。
其中，
为了实现零回流功率、单位功率因数运行，对谐振电流的相位进行调整。将原边的谐振电流过零点调整在/>处，副边的谐振电流/>过零点调整在/>处，从而使得同一侧谐振电流与电压基波同相位，如图5所示。即需要满足以下条件：
因此，只需满足，就可以实现零回流功率、单位功率因数运行。
一实施例中，还包括：
计算得到输出功率：
其中，表示最大输出功率，/>，/>为原副边的匝数比，/>和分别是输入电压和输出电压，输出功率的标幺值/>，由于/>的范围是/>，因此输出功率标幺值/>的范围是0%~100%。
另一实施例，一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的电能转换系统的控制方法。
另一实施例，一种电能转换系统的控制系统，包括上述的电能转换系统，控制系统包括：
高频逆变桥电压波形调节模块，将高频逆变桥中的开关管和开关管/>、开关管/>和开关管/>互补导通，且开关管/>占空比为0.5；所述开关管/>滞后开关管/>相位/>，产生脉冲宽度为/>的高频交流电压/>；
高频整流桥电压波形调节模块，将高频整流桥中的开关管和开关管/>互补导通，且开关管/>和开关管/>占空比为0.5；开关管/>超前开关管/>相位/>，产生一个超前原边中点高频交流电压/>基波相位/>的高频交流电压/>；
谐振电流相位调节模块，对谐振电流的相位进行调整：将原边谐振电流过零点调整在/>处，副边谐振电流/>过零点调整在/>处，从而使得谐振电流与电压基波同相位，即满足以下条件：/>时，实现零回流功率、单位功率因数运行。
具体的，进行关键参数设计：
选择,/>。设计输入电压/>为150V，输出电压/>为75V。
因此关键参数可以得到：，/>，/>，/>。
为了验证理论的真实性，将采用以上参数在PSIM软件中进行仿真。
当，/>，/>，/>、/>、/>、/>、/>、/>波形和各开关管电流如图6所示。
当，/>，/>，/>、/>、/>、/>、/>、/>波形和各开关管电流如图7所示。
结合仿波形验证后，发现理论与实际相符，证明本实验是可行的。
由此可知，可以实现单位功率因数运行，消除回流功率，减少损耗，极大地提高了系统的输电效率。尤其适用于海浪能发电领域。
上述实施例为本发明优选地实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电能转换系统，其特征在于，包括发电装置、低频整流桥模块、高频逆变桥模块、高频变压器、高频整流桥模块和直流母线；所述低频整流桥模块输入端连接发电装置，输出端连接高频逆变桥模块，通过低频整流桥模块将发电装置输出的220V交流电压整流成220V直流电压；所述高频逆变桥模块输出端连接高频变压器原边；所述高频整流桥模块输入端连接高频变压器副边，输出端连接直流母线，为直流母线提供稳定的直流电压，所述高频逆变桥模块包括开关管S 1 ~S 4 ，所述开关管S 1 ~S 4 构成全桥逆变电路，开关管S 1 是全桥逆变电路其中一个桥臂的上桥臂开关管，开关管S 3 是另一个桥臂的上桥臂开关管，所述高频逆变桥模块的全桥逆变电路的第一连接点连接第一谐振电容C p ，所述第一谐振电容C p 另一端连接于所述高频变压器原边的一端，所述高频变压器原边的另一端还连接全桥逆变电路的第二连接点，所述高频整流桥模块包括半桥整流电路和第二谐振电容C s ，所述高频整流桥模块包括开关管S 5 和开关管S 6 ，开关管S 5 是高频整流桥模块的上桥臂开关管，所述第二谐振电容C s 一端连接于所述高频变压器副边的一端，另一端连接于所述半桥整流电路的第一连接点，所述高频变压器副边的另一端还连接半桥整流电路的第二连接点；
还包括谐振电流相位调节模块，对谐振电流的相位进行调整，其中，原边谐振电流和副边谐振电流/>的计算方法包括：
得到高频逆变桥模块、高频变压器以及高频整流桥模块在相量域下的等效电路，根据KCL和KVL定律，得到：
，
，
其中，是原边中点高频交流电压/>的相量表达形式，/>是副边中点高频交流电压转换到原边的相量表达形式，/>为原边谐振电流/>的相量形式，/>为副边的谐振电流转换到原边的相量形式，/>为开关角频率，/>是/>转换到原边的变量，/>是原边的谐振电容，/>为原边的谐振电感，/>为原边的励磁电感；
当电路谐振运行时，开关频率等于谐振角频率，原边的谐振角频率，副边的谐振角频率/>，其中，/>，上述表达式化简为：
，
，
采用基波分析法进行稳态分析，开关管S 3 滞后开关管S 1 相位，开关管S 5 超前开关管S 1 相位/>，/>和副边中点高频交流电压/>转换到原边的相量表达形式为：
，
，
其中，和/>分别是输入电压和输出电压；
进一步得到原边的谐振电流的相量形式，副边的谐振电流的相量形式/>：
，
，
其中，、/>为峰值电流，/>、/>是相角。
2.根据权利要求1所述的电能转换系统，其特征在于，所述全桥逆变电路的输入端连接滤波电容C r ，滤波电容C r 用于滤除电压中的交流成分。
3.根据权利要求1或2所述的电能转换系统，其特征在于，所述高频整流桥模块还包括第一输出电容C o1 和第二输出电容C o2 ，所述开关管S 5 、开关管S 6 、第一输出电容C o1 和第二输出电容C o2 构成半桥整流电路。
4.根据权利要求2所述的电能转换系统，其特征在于，所述谐振电流相位调节模块中对谐振电流的相位进行调整的方法包括：
将原边谐振电流过零点调整在/>处，副边谐振电流/>过零点调整在/>处，从而使得谐振电流与电压基波同相位，即满足以下条件：/>时，实现零回流功率、单位功率因数运行。
5.一种电能转换系统的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的电能转换系统，控制方法包括以下步骤：
S01：将高频逆变桥中的开关管和开关管/>、开关管/>和开关管/>互补导通，且开关管/>占空比为0.5；所述开关管/>滞后开关管/>相位/>，产生脉冲宽度为/>的高频交流电压/>；
S02：将高频整流桥中的开关管和开关管/>互补导通，且开关管/>和开关管/>占空比为0.5；开关管/>超前开关管/>相位/>，产生一个超前原边中点高频交流电压/>基波相位/>的高频交流电压/>；
S03：对谐振电流的相位进行调整：将原边谐振电流过零点调整在/>处，副边谐振电流/>过零点调整在/>处，从而使得谐振电流与电压基波同相位，即满足以下条件：时，实现零回流功率、单位功率因数运行。
6.根据权利要求5所述的电能转换系统的控制方法，其特征在于，还包括：
计算得到输出功率：
，
其中，表示最大输出功率，/>，/>为原副边的匝数比，/>和/>分别是输入电压和输出电压，输出功率的标幺值/>，由于/>的范围是/>，因此输出功率标幺值/>的范围是0%~100%。
7.一种电能转换系统的控制系统，其特征在于，应用于权利要求3所述的电能转换系统，控制系统包括：
高频逆变桥电压波形调节模块，将高频逆变桥中的开关管和开关管/>、开关管/>和开关管/>互补导通，且开关管/>占空比为0.5；所述开关管/>滞后开关管/>相位/>，产生脉冲宽度为/>的高频交流电压/>；
高频整流桥电压波形调节模块，将高频整流桥中的开关管和开关管/>互补导通，且开关管/>和开关管/>占空比为0.5；开关管/>超前开关管/>相位/>，产生一个超前原边中点高频交流电压/>基波相位/>的高频交流电压/>；
谐振电流相位调节模块，对谐振电流的相位进行调整：将原边谐振电流过零点调整在处，副边谐振电流/>过零点调整在/>处，从而使得谐振电流与电压基波同相位，即满足以下条件：/>时，实现零回流功率、单位功率因数运行。
8.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被执行时实现权利要求5-6任一项所述的电能转换系统的控制方法。
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