CN117081415A - 隔离型模块化多电平dcdc变换器电容电压平衡控制方法 - Google Patents

隔离型模块化多电平dcdc变换器电容电压平衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及模块化多电平逆变器电容电压平衡技术领域，具体公开了一种隔离型模块化多电平DCDC变换器电容电压平衡控制方法。包括：采集子模块电容电压；根据采集的子模块电容电压计算桥臂间和相间的能量差，并经由比例积分控制器输出桥臂间和相间移相角；根据一次侧和二次侧移相角校正桥臂间和相间移相角大小；在移相调制中加入桥臂间和相间移相角，并输出调制信号。相较于其他方法，本发明无需臂电流传感器，仅采集各子模块电容电压即可实现电容电压平衡；控制器易实现，节约了硬件成本，并抑制了系统中的环流，维持了系统的安全稳定运行。

Description

隔离型模块化多电平DCDC变换器电容电压平衡控制方法
技术领域
本发明涉及模块化多电平逆变器电容电压平衡技术领域，具体为隔离型模块化多电平DCDC变换器电容电压平衡控制方法。
背景技术
隔离型模块化多电平逆变器（Isolated Modular Multilevel DC-DCConverters，IMMDC）兼具了模块化多电平逆变器和双有源桥（Dual Active Bridge，DAB）逆变器拓扑的优势，具有高功率密度、电压隔离等级高、耐压等级高、模块化程度高等优点。IMMDC能够实现不同直流电压等级的转换，减少了电能变换的环节，在直流组网、海上风电等领域有着广泛的应用前景。
在实际应用中，以远海风电为例，由于海上特殊的运行环境，组件容易发生问题并且运维检修比较困难，因此有效的控制能够维持IMMDC的安全稳定运行，减少维修次数，取得很好的经济效益。在IMMDC的运行中，电感老化或者损坏是不得不考虑的一环。上下桥臂的电感参数不一致会在桥臂间引起环流，环流会在桥臂间转移能量，这使得上下桥臂的电容电压产生差异，并进一步增加环流的大小，从而造成IMMDC的停机。然而，为了提高运行频率，IMMDC需要采用类似DAB的移相调制方法，而传统的电容电压平衡控制方法都是基于脉冲宽度调制，不能在IMMDC中应用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种隔离型模块化多电平DCDC变换器电容电压平衡控制方法，能够实现IMMDC在电感不一致情况下的电容电压平衡，并且抑制环流，减少系统在运行过程中的损耗，维持系统的安全稳定运行。技术方案如下：
隔离型模块化多电平DCDC变换器电容电压平衡控制方法，包括以下步骤：
步骤1：根据臂电感值定义计算臂电感不一致程度；
步骤2：采集IMMDC各相上下桥臂电容电压，计算上桥臂电容电压之和与下桥臂电容电压之和的差值，并利用比例积分控制器输出桥臂间移相角；
步骤3：计算各相的电容电压之和，计算不同相间的差值，并利用比例积分控制器输出相间移相角；
步骤4：采集IMMDC一次侧与二次侧的移相角φ，通过sign(φ)函数计算φ的正负，以确定桥臂间移相角和相间移相角的方向；
步骤5：在移相调制中调制各桥臂的移相角，实现平衡效果。
进一步的，所述步骤1中计算臂电感不一致程度，计算公式为：
（1）；
公式中，L pj 和L nj 分别表示j相上桥臂和下桥臂的电感值，α j 表示j相的臂电感不一致程度。
更进一步的，所述步骤2中桥臂间移相角生成包括以下步骤：
步骤2.1：确定臂电感不一致下的臂能量分配原则：
（2）；
公式中，u pj 和u nj 分别表示j相上下桥臂的电压，j代表a、b、c相；i pj 和i nj 分别表示j相上下桥臂的电流；为j相上桥臂比下桥臂在一个周期内多出的能量；
在公式（1）的臂电感不一致程度下上下桥臂的能量差为：
（3）；
公式中，u pj.dc和u nj.dc分别表示上下桥臂电压中的直流成分；u pj.ac和u nj.ac分别表示上下桥臂电压中的交流成分；i dcj 表示j相的直流电流；u jo 表示j相交流侧输出电压；i j 表示j相交流侧输出电流；P j 表示j相输出功率；表示在臂电感不平衡情况下的上下桥臂能量差；
步骤2.2：考虑臂电压中的基频成分，引入桥臂间移相角实现j相在臂电感不一致的情况下的电容电压平衡；
上下桥臂电压中基频成分表示为：
（4）；
公式中，u dc表示直流侧电压；U j 表示基频交流电压幅值；ω为角频率；θ为初始相位；
将公式（4）代入公式（2）中，并引入桥臂间移相角Δθ j ，则：
（5）；
公式中，P dj 定义为j相的差分能量；Δθ j 表示引入的桥臂间移相角；表示上下桥臂中转移的能量。
更进一步的，所述步骤3中，输出相间移相角的生成包括以下步骤：
步骤3.1：计算引入桥臂间移相角Δθ j 后的相输入功率：
（6）；
公式中，P j '表示在引入桥臂间移相角后相输出功率；
步骤3.2：引入相间移相角δ ab以实现不同相间的电容电压平衡：
（7）；
公式中，e a Σ和e b Σ分别表示a相和b相的桥臂能量之和，δ ab为引入的相间移相角。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明实现了IMMDC在电感不一致情况下的电容电压平衡，并且抑制了环流，减少了系统在运行过程中的损耗，维持了系统的安全稳定运行；且无需电流传感器，提高了经济效益；系统的结构简单有效，无需复杂的控制方法，节约了硬件成本。
附图说明
图1为IMMDC拓扑。
图2为桥臂间移相角控制框图。
图3为相间移相角控制框图。
图4为本发明方法的调制过程波形示意图。
图5为桥臂间移相方法验证波形示意图。
图6为桥臂间和相间移相方法验证波形示意图。
图7（a）为采用本发明方法前臂电流和环流变化。
图7（b）为采用本发明方法后臂电流和环流变化。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明隔离型模块化多电平DCDC变换器电容电压平衡控制方法包括以下几个步骤：
步骤1：根据臂电感值定义臂电感不一致程度。
图1为一种IMMDC拓扑，由两个MMC面对面经由变压器连接而成，在上下桥臂电感参数不一致时（Lpj ≠Lnj ，j=a、b、c或d）会导致上下桥臂能量不相等以及子模块电容电压不相等，控制目标为各桥臂的电容电压之和Σu Cpji 和Σu Cnji 。I j 为j相电流，IMV为输入电流，IHV为输入电流。
j相的桥臂参数不一致程度为：
（1）；
公式中，L pj 和L nj 分别表示了j相上桥臂和下桥臂的电感值，α j 表示j相的臂电感不一致程度。
步骤2：采集IMMDC各相上下桥臂电容电压，计算上桥臂电容电压之和和下桥臂电容电压之和的差值，并利用比例积分控制器输出桥臂间移相角。
首先，确定臂电感不一致下的臂能量分配原则：
（2）；
公式中，u pj 和u nj 分别表示j相上下桥臂的电压，j代表a、b、c相；i pj 和i nj 分别表示j相上下桥臂的电流；为j相上桥臂比下桥臂在一个周期内多出的能量。
在公式（1）的臂电感不一致程度下上下桥臂有如下的能量差：
（3）；
公式中，u pj.dc和u nj.dc分别表示上下桥臂电压中的直流成分；u pj.ac和u nj.ac分别表示上下桥臂电压中的交流成分；i dcj 表示j相的直流电流；u jo 表示j相交流侧输出电压；i j 表示j相交流侧输出电流；P j 表示j相输出功率；表示在臂电感不一致情况下的上下桥臂能量差。
考虑臂电压中的基频成分，引入桥臂间移相角实现j相在臂电感不一致的情况下的电容电压平衡。
上下桥臂电压中基频成分表示为：
（4）；
公式中，u dc表示直流侧电压；U j 表示基频交流电压幅值；ω为角频率；θ为初始相位。
将公式（4）代入公式（2）中，并在插入桥臂间移相角Δθ j ，则：
（5）；
公式中，P dj 定义为j相的差分能量；Δθ j 表示所提出的方法插入的移相角；表示所提出的控制策略在上下桥臂中转移的能量。在/> =/>时，本方法即可实现桥臂电容电压平衡。
图2展示了桥臂间移相角的控制框图，计算Σu Cpji 和Σu Cnji 之差并利用比例积分控制器输出桥臂间移相角的大小。
步骤3：计算各相的电容电压之和，计算不同相间的差值，并利用比例积分控制器输出相间移相角。
计算引入桥臂间移相角Δθ j 后的相输入功率：
（6）；
公式中，P j '表示在引入桥臂间移相角后相输出功率。
在Δθ j 不同的情况下各相输出的功率不同，因此引入相间移相角δ ab以实现不同相间的电容电压平衡：
（7）；
公式中，e a Σ和e b Σ分别表示a相和b相的桥臂能量之和，δ ab为所引入的相间移相角。调节相间移相角即可实现不同相间的电容电压平衡。
图3展示了相间移相角的控制框图，a相和b相的桥臂能量之差并输入比例积分器后输出相间移相角的大小。
步骤4：采集IMMDC一次侧与二次侧的移相角，确定桥臂间移相角和相间移相角的方向。
图2和图3中的φ为IMMDC一次侧和二次侧之间的移相角，公式（5）和公式（7）中能量的方向受到P dj 的影响，考虑到其正负与φ相同，sign(φ)函数能够计算φ的正负，当φ为正的时候输出1，为负时输出-1，为0时输出0，用来校正桥臂间移相角和相间移相角的方向。
步骤5：在移相调制中调制各桥臂的移相角，实现平衡效果。
根据图2和图3的控制框图，图4展示了各桥臂如何在调制中实现桥臂移相过程，展示了ab相的4个桥臂的输出电压波形，各移相角的大小也在图中进行了标注。
为了验证所提出方法的有效性，对图1系统进行了验证，系统各参数如下表1所示：
表1系统参数
。
图5展示了所提出的桥臂间移相方法的平衡效果，初始未加入控制，由于桥臂参数不一致，下桥臂电容电压大于上桥臂电容电压，加入桥臂间移相角后，上下桥臂电容电压平衡，在移除控制后，桥臂电压再一次不平衡。
图6展示了所提出的桥臂间移相方法和相间移相方法的有效性，a相和b相臂电感均不一致，初始未加入移相角，各桥臂电容电压不相等，加入桥臂间移相后，a相和b相的上下桥臂电容电压相等，然而a相的电容电压与b相的电容电压仍然存在区别，再加入相间移相方法后，a相和b相电容电压实现平衡。
图7（a）和图7（b）分别展示了未采用所提出方法与采用所提出方法的臂电流变化，不难看出，在采用所提出的控制方法后，上桥臂电流i pa 和下桥臂电流i pb 的大小趋于相同，并且环流i za 的大小得到了抑制，均方根值大大降低，与理论分析一致。
由以上分析可以看到，本发明方法在分析了桥臂能量后，通过简单的控制器解决了IMMDC中由电感参数不一致带来的桥臂电容电压不平衡问题，能够快速有效完成此功能，无需桥臂电流传感器，降低了成本并且在抑制过程中环流被大大降低，维持了系统的安全稳定运行。

Claims (4)

1.隔离型模块化多电平DCDC变换器电容电压平衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据臂电感值定义臂电感不一致程度；
步骤2：采集IMMDC各相上下桥臂电容电压，计算上桥臂电容电压之和与下桥臂电容电压之和的差值，并利用比例积分控制器输出桥臂间移相角；
步骤3：计算各相的电容电压之和，计算不同相间的差值，并利用比例积分控制器输出相间移相角；
步骤4：采集IMMDC一次侧与二次侧的移相角φ，通过sign(φ)函数计算φ的正负，以确定桥臂间移相角和相间移相角的方向；
步骤5：在移相调制中调制各桥臂的移相角，实现平衡效果。
2.根据权利要求1所述的隔离型模块化多电平DCDC变换器电容电压平衡控制方法，其特征在于，所述步骤1中计算臂电感不一致程度，计算公式为：
（1）；
公式中，L pj 和L nj 分别表示j相上桥臂和下桥臂的电感值，α j 表示j相的臂电感不一致程度。
3.根据权利要求1所述的隔离型模块化多电平DCDC变换器电容电压平衡控制方法，其特征在于，所述步骤2中桥臂间移相角生成包括以下步骤：
步骤2.1：确定臂电感不一致下的臂能量分配原则：
（2）；
公式中，u pj 和u nj 分别表示j相上下桥臂的电压，j代表a、b、c相；i pj 和i nj 分别表示j相上下桥臂的电流；为j相上桥臂比下桥臂在一个周期内多出的能量；
在公式（1）的臂电感不一致程度下上下桥臂的能量差为：
（3）；
公式中，u pj.dc和u nj.dc分别表示上下桥臂电压中的直流成分；u pj.ac和u nj.ac分别表示上下桥臂电压中的交流成分；i dcj 表示j相的直流电流；u jo 表示j相交流侧输出电压；i j 表示j相交流侧输出电流；P j 表示j相输出功率；表示在臂电感不平衡情况下的上下桥臂能量差；
步骤2.2：考虑臂电压中的基频成分，引入桥臂间移相角实现j相在臂电感不一致的情况下的电容电压平衡；
上下桥臂电压中基频成分表示为：
（4）；
公式中，u dc表示直流侧电压；U j 表示基频交流电压幅值；ω为角频率；θ为初始相位；
将公式（4）代入公式（2）中，并引入桥臂间移相角Δθ j ，则：
（5）；
公式中，P dj 定义为j相的差分能量；Δθ j 表示引入的桥臂间移相角；表示上下桥臂中转移的能量。
4.根据权利要求3所述的隔离型模块化多电平DCDC变换器电容电压平衡控制方法，其特征在于，所述步骤3中，输出相间移相角的生成包括以下步骤：
步骤3.1：计算引入桥臂间移相角Δθ j 后的相输入功率：
（6）；
公式中，P j '表示在引入桥臂间移相角后相输出功率；
步骤3.2：引入相间移相角δ ab以实现不同相间的电容电压平衡：
（7）；
公式中，e a Σ和e b Σ分别表示a相和b相的桥臂能量之和，δ ab为引入的相间移相角。
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