CN117833696B - 一种单相三端口dc/ac变换器及功率调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电力电子技术领域的一种单相三端口DC/AC变换器及功率调控方法，单相三端口DC/AC变换器包括两个单相ANPC半桥、两个直流端口和一个交流端口，通过采集直流端口的电信号确定其输出功率，根据直流端口的输出功率及初始调制波确定二倍频分量，通过将二倍频分量注入于初始调制波中的方法来实现系统一个周期内工作模态所持续时间的调控，从而实现两直流端口功率的调控。本发明具有高能效、低成本的优点，能够实现多个端口的灵活功率控制，有效推动多源互补供电技术的发展。
Description
技术领域
本发明涉及一种单相三端口DC/AC变换器及功率调控方法，属于电力电子技术领域。
背景技术
随着新能源发电技术和可再生能源的发展及人们对于环境保护意识的增强，光伏发电和风电已逐渐成为重要的能源供应方式。这些新能源的发电占总发电的比例在近些年得到了显著的提升，为实现双碳战略目标做出了不可或缺的贡献。然而，新能源发电的随机性、波动性，以及其出力与负荷变化的不匹配性，都带来了前所未有的挑战。由于新能源发电技术一般都需要配合储能系统进行使用，故需要设计能同时连接新能源、储能和电网的多端口变换器，且多端口变换器的直流端口功率调控十分重要。
传统的DC/AC变换器以两级式的拓扑结构为主，两级式的拓扑是新能源如光伏所发出的能量经过DC/DC变换器后再经过DC/AC变换器，实现功率变换。这样的拓扑结构的优点是易于控制，但是效率偏低，且由于使用多级式变换，变换器的体积更大，制造成本更高，功率密度更低。
为了满足变换器更高的效率，更小的体积和更大的功率密度，单级式的三端口DC/AC变换器成为了一种可行的方案，但是随之而来的问题是该变换器端口间功率的控制会更加困难，这对于该拓扑来说是一个挑战。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种单相三端口DC/AC变换器及功率调控方法，能够实现不同工况下直流端口功率的灵活调控。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种单相三端口DC/AC变换器，包括主回路和控制回路，所述主回路包括全桥ANPC电路、第一直流端口、第二直流端口以及用于外接负载的交流端口，所述全桥ANPC电路包括两个单相ANPC半桥，所述单相ANPC半桥包括六个开关管，其中四个开关管串联形成外管桥臂，剩余两个开关管串联形成内管桥臂，所述内管桥臂连接于外管桥臂的旁侧；各所述开关管均反向并联有二极管，所述第一直流端口与两单相ANPC半桥的外管桥臂的两端连接，所述第二直流端口与两单相ANPC半桥的外管桥臂的中点连接，所述交流端口的两端分别与两单相ANPC半桥的内管桥臂的中点连接；
所述控制回路包括：功率计算模块：用于计算所述第一直流端口的输出功率和所述第二直流端口的输出功率；PI控制器：用于根据所述输出功率与设定功率的偏差计算获取控制参数；二倍频分量计算模块：用于根据两单相ANPC半桥的初始调制波计算二倍频分量；乘法器：用于计算所述控制参数与所述二倍频分量的乘积；加法器：用于将所述乘法器输出的乘积和所述初始调制波叠加；载波脉宽调制模块：用于将所述加法器输出的调制波与载波交截后输出各所述开关管的驱动信号。
所述控制回路还包括电压电流双闭环控制器：用于根据所述交流端口输出至负载的电压和电流计算所述初始调制波，两所述单相ANPC半桥的初始调制波方向相反。
所述交流端口连接有用于采集交流端口输出电流的电流采样电路和用于采集交流端口输出电压的电压采样电路，所述电压电流双闭环控制器根据所述电流采样电路的采集的电流和所述电压采样电路采集的电压计算所述初始调制波。
所述交流端口连接有LC滤波器。
第二方面，本发明提供一种第一方面任一项所述单相三端口DC/AC变换器的功率调控方法，所述方法包括：
计算所述第一直流端口的输出功率和所述第二直流端口的输出功率；
根据所述输出功率与设定功率的偏差计算获取控制参数；
根据两单相ANPC半桥的初始调制波计算二倍频分量；
计算所述控制参数与所述二倍频分量的乘积；
将所述乘法器输出的乘积和所述初始调制波叠加；
将所述加法器输出的调制波与载波交截后输出各所述开关管的驱动信号。
根据所述交流端口输出至负载的电压和电流计算所述初始调制波，两所述单相ANPC半桥的初始调制波方向相反。
所述控制参数被限幅在-1和1之间。
所述二倍频分量通过下述表达式计算获取：
式中：v df 为二倍频分量；v refL 、v refR 分别为两单相ANPC半桥的初始调制波。
所述载波为不对称层叠三角载波，所述不对称层叠三角载波的分界线α与第一直流端口和第二直流端口的电压大小有关，其表达式为：
式中：V L 为第一直流端口的电压；V H 为第二直流端口的电压。
将所述加法器输出的调制波与载波交截后输出各所述开关管的驱动信号，包括：
当所述加法器输出的调制波与上载波交截时，则对应的单相ANPC半桥中外管桥臂中的第一开关管S1和第三开关管S3导通，第二开关管S2和第四开关管S4关断；
当所述加法器输出的调制波与下载波交截时，则对应的单相ANPC半桥中外管桥臂中的第一开关管S1和第三开关管S3关断，第二开关管S2和第四开关管S4导通；
当所述加法器输出的调制波大于载波时，则对应的单相ANPC半桥中内管桥臂中的第五开关管S5导通，第六开关管S6关断；
当所述加法器输出的调制波小于载波时，则对应的单相ANPC半桥中内管桥臂中的第五开关管S5关断，第六开关管S6导通。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
1.实现三端口DC/AC变换器功率的灵活调控：
通过所提出的控制策略，保障了三端口DC/AC变换器输出功率的稳定，实现了不同工况下直流端口功率的灵活调控；比如：当第一直流端口连接新能源电池、第二直流端口连接储能电池时，在第一直流端口的输出功率大于负载的需求时，可以将冗余的输出功率储存至储能电池，在第一直流端口的输出功率不足时，储能电池放电以供负载使用，提高系统对新能源的利用率；
2.节省变换器的体积、成本，提高效率：
采用三端口DC/AC变换器只需要使用一级变换来实现能量的传递，变换器制造的成本比传统的两级式DC/AC变换器的成本更低、体积也更小，由于只需要经过一级DC/AC变换器，故能量的传递效率也更高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种单相三端口DC/AC变换器的主回路的拓扑图；
图2是本发明实施例提供的一种单相三端口DC/AC变换器的控制原理框图；
图3是本发明实施例提供的注入二倍频分量及注入后的调制波波形图；
图4是本发明实施例提供的储能电池处于充电状态下的两直流端口的功率调控波形图；
图5是本发明实施例提供的储能电池处于放电状态下的两直流端口的功率调控波形图。
具体实施方式
下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
实施例一：
本发明实施例提供一种单相三端口DC/AC变换器，通过在初始调制波中注入二倍频分量对开关管进行驱动，通过对一个周期内工作模态所持续时间的调控，从而实现直流端口输出功率的调控。例如：若第一直流端口连接光伏电源，第二直流端口连接储能电池，在第一直流端口的输出功率大于负载的需求时，可以将冗余的输出功率储存至储能电池，在第一直流端口的输出功率不足时，储能电池放电以供负载使用，提高系统对新能源的利用率；
本发明实施例提供的单相三端口DC/AC变换器包括主回路和控制回路。
如图1所示，所述主回路包括全桥ANPC电路、第一直流端口、第二直流端口以及用于外接负载的交流端口。
所述全桥ANPC电路包括两个单相ANPC半桥，为便于描述，现命名图中左侧单相ANPC半桥为左半桥、右侧单相ANPC半桥为右半桥。左半桥包括六个开关管，分别为开关管S L1 、S L2 、S L3 、S L4 、S L5 、S L6 ，开关管S L1 、S L2 、S L3 、S L4 可以称为左半桥的外管，四个外管S L1 、S L2 、S L3 、S L4 顺次串联形成左半桥的外管桥臂，剩余两个开关管S L5 、S L6 可以称为左半桥的内管，内管S L5 、S L6 顺次串联形成左半桥的内管桥臂，内管桥臂连接于外管桥臂的旁侧，具体为：开关管S L5 的一端与开关管S L1 和开关管S L2 的连接节点连接，另一端与开关管S L6 的一端连接，开关管S L6 的另一端与开关管S L3 和开关管S L4 的连接节点连接。
同样的，右半桥也包括六个开关管，分别为开关管S R1 、S R2 、S R3 、S R4 、S R5 、S R6 ，开关管S R1 、S R2 、S R3 、S R4 可以称为右半桥的外管，四个外管S R1 、S R2 、S R3 、S R4 顺次串联形成右半桥的外管桥臂，剩余两个开关管S R5 、S R6 可以称为右半桥的内管，内管S R5 、S R6 顺次串联形成右半桥的内管桥臂。相应的，开关管S R5 的一端与开关管S R1 和开关管S R2 的连接节点连接，另一端与开关管S R6 的一端连接，开关管S R6 的另一端与开关管S R3 和开关管S R4 的连接节点连接。
对于左半桥和右半桥，所有开关管均反向并联有二极管，用于开关管的续流。
继续参见图1，所述第一直流端口VH的两端与两单相ANPC半桥的外管桥臂的两端连接。作为本发明的一种实施例，所述第一直流端口VH可以连接可再生能源，比如：光伏电池，光伏电池产生的电能经本发明实施例提供的单相三端口DC/AC变换器转换为交流电提供给交流端口，以供交流负载使用。所述第二直流端口VL可以连接储能电池，第二直流端口VL与两单相ANPC半桥的外管桥臂的中点连接，具体的，第二直流端口VL的高电位点与开关管S R2 和开关管S R3 的连接节点、以及开关管S L2 和开关管S L3 的连接节点连接，第二直流端口VL的低电位点与开关管S L4 和开关管S R4 连接。
对于主回路的交流端口，其输出功率可以视为两个单相ANPC半桥输出功率相减，交流端口的一端与开关管S L5 和开关管S L6 的连接节点连接，另一端与开关管S R5 和开关管S R6 的连接节点连接。
对于图1示出的电感L f 和电容C f ，构成主回路的LC滤波器，用于对全桥ANPC电路输出的交流电进行滤波处理。
所述控制回路通过对主回路中全桥ANPC电路中的开关管进行通断控制，从而使主回路输出的功率能够适应不同工作模态对输出功率大小和传输方向的需求。如图2所示，示出的控制回路的结构原理框图，具体包括：
功率计算模块：用于计算所述第一直流端口的输出功率和所述第二直流端口的输出功率；
PI控制器：用于根据所述输出功率与设定功率的偏差计算获取控制参数k；
二倍频分量计算模块：用于根据两单相ANPC半桥的初始调制波计算二倍频分量；
乘法器：用于计算所述控制参数与所述二倍频分量的乘积；
加法器：用于将所述乘法器输出的乘积和所述初始调制波叠加；
载波脉宽调制模块：用于将所述加法器输出的调制波与载波交截后输出各所述开关管的驱动信号。
需要说明的是，所述控制回路采用功率调控闭环控制策略，对于左半桥和右半桥分别进行调制控制，左半桥和右半桥的初始调制波方向相反。更具体的说：当对左半桥进行调制控制时，功率计算模块采集第一直流端口的电压和电流信号以计算第一直流端口的输出功率，将第一直流端口的输出功率与对应的第一端口的设定功率进行比较，计算两者的偏差后输入至PI控制器，经PI控制器计算，获取相应的控制参数k L ，该参数需要被限幅在-1和1之间。对于二倍频分量计算模块将左半桥的初始调制波v refL 和右半桥的初始调制波v refR 结合后计算二倍频分量v df ，其表达式为：，需要说明的是，中v refL 和v refR 带正负号比较，v refL 和v refR 是-1到1的正弦波，因此，v df 不存在负数的可能。乘法器将二倍频分量v df 和控制参数k L 相乘后注入左半桥的初始调制波v refL ，得到修改后的调制波v mrefL 。载波脉宽调制模块根据调制波v mrefL 控制左半桥中六个开关管S L1 、S L2 、S L3 、S L4 、S L5 、S L6 的通断。
与左半桥相对应的，当需要对右半桥进行调制控制时，可以根据第二直流端口的电压、电流信号计算第二直流端口的输出功率，将第二直流端口的输出功率与第二直流端口的设定功率进行比较，计算相应的控制参数k R ，乘法器将二倍频分量v df 和控制参数k R 相乘后注入右半桥的初始调制波v refR ，得到修改后的调制波v mrefR ，载波脉宽调制模块根据调制波v mrefR 控制右半桥中六个开关管S R1 、S R2 、S R3 、S R4 、S R5 、S R6 的通断。
如图3所示，载波为不对称的层叠三角载波（图中灰色线条）。载波分界线α与两个直流端口的电压大小有关，其表达式为：。以如图3所示的波形作为注入二倍频分量和修改后的调制波波形，当调制波v mrefL 与上载波交截时，开关管S L1、S L3导通，开关管S L2、S L4关断，与下载波交截时，开关管S L1、S L3关断，开关管S L2、S L4导通，当调制波v mrefL 大于载波时开关管S L5导通，开关管S L6关断,当其小于载波时开关管S L5关断，开关管S L6导通。当调制波v mrefR 与上载波交截时，开关管S R1、S R3导通，开关管S R2、S R4关断，当其与下载波交截时，开关管S R1、S R3关断，开关管S R2,S R4导通。当调制波v mrefR 大于载波时开关管S R5导通，开关管S R6关断，当其小于载波时开关管S R5关断，开关管S R6导通。
对于左半桥的初始调制波v refL 和右半桥的初始调制波v refR 可以通过电压电流双闭环控制器计算获取，具体的，可以通过电流采样电路采集交流端口输出电流、通过电压采样电路采集交流端口输出电压，根据所述电流采样电路的采集的电流和所述电压采样电路采集的电压计算所述初始调制波。
为提高交流电的质量，减少杂波干扰，保证负载安全稳定运行，在本发明实施例中所述交流端口连接有LC滤波器，如图1、2所示，图中电感L f 和电容C f 构成了交流端口的LC滤波器。
本发明实施例提供的单相三端口DC/AC变换器采用单级式功率变换，具有高能效、低成本的优点，能够实现多个端口的灵活功率控制，有效推动多源互补供电技术的发展。
实施例二：
本发明实施例提供一种单相三端口DC/AC变换器的功率调控方法，该变换器可以采用如实施例一所示的单相三端口DC/AC变换器，该功率调控方法通过将二倍频分量注入于初始调制波中的方法来实现系统一个周期内工作模态所持续时间的调控，从而实现两直流端口功率的调控。下面结合附图对本实施例所提供的方法做进一步详细描述，该方法主要包括如下步骤：
步骤A：计算所述第一直流端口的输出功率和所述第二直流端口的输出功率；输出功率计算时，可以采用电压和电流采样器实现两直流端口输出电信号的采集，根据所采集的电压和电流信号计算相应的输出功率。
步骤B：根据所述输出功率与设定功率的偏差计算获取控制参数；
对于左半桥和右半桥采用分别调制的控制策略，因此，当对左半桥的开关管进行驱动控制时，此处应当对应计算第一直流端口的输出功率与第一直流端口设定功率的偏差，可以理解，当对右半桥的开关管进行驱动控制时，此处应当对应计算第二直流端口的输出功率与第二直流端口设定功率的偏差。需要说明的是，该控制参数需要被限幅在-1和1之间。
步骤C：根据两单相ANPC半桥的初始调制波计算二倍频分量v df ，二倍频分量v df 的表达式为：，其中v refL ，v refR 分别为左半桥的初始调制波和右半桥的初始调制波，两初始调制波相反，更具体的，v refL 和v refR 是-1到1的正弦波，中v refL 和v refR 带正负号比较，因此，v df 不存在负数的可能。
步骤D：计算所述控制参数与所述二倍频分量的乘积；
步骤E：将所述乘法器输出的乘积和所述初始调制波叠加；
步骤F：将所述加法器输出的调制波与载波交截后输出各所述开关管的驱动信号。所述载波为不对称层叠三角载波，所述不对称层叠三角载波的分界线α与第一直流端口和第二直流端口的电压大小有关，其表达式为：
式中：V L 为第一直流端口的电压；V H 为第二直流端口的电压。
以如图3所示的波形作为注入二倍频分量和修改后的调制波波形，当调制波v mrefL 与上载波交截时，开关管S L1、S L3导通，开关管S L2、S L4关断，与下载波交截时，开关管S L1、S L3关断，开关管S L2、S L4导通，当调制波v mrefL 大于载波时开关管S L5导通，开关管S L6关断，当其小于载波时开关管S L5关断，开关管S L6导通。当调制波v mrefR 与上载波交截时，开关管S R1、S R3导通，开关管S R2、S R4关断，当其与下载波交截时，开关管S R1、S R3关断，开关管S R2,S R4导通。当调制波v mrefR 大于载波时开关管S R5导通，开关管S R6关断，当其小于载波时开关管S R5关断，开关管S R6导通。
为验证本发明实施例所提供的功率调控方法的有效性，下面将结合一个具体实例进行验证，在Simulink上搭建如图2所示的单相三端口DC/AC变换器的仿真拓扑结构，第一直流端口连接光伏电源，第二直流端口连接储能电池，主要参数如表1所示：
表1 设计实例参数
图4所示的功率调控波形是电路工作在光照强度较大的状态，图中P H 表示光伏端口（即第一直流端口）的输出功率，P L 表示电池端口（即第二直流端口）的输出功率；此时光伏端口的输出功率大，电池端口的功率为负处于充电状态。图5所示的功率调控波形是光伏端口输出功率不足时，注入二倍频分量使两个直流端口的功率发生变化，此时电池输出功率为正处于放电状态。在该实例中本专利所述的方法实现了单相三端口DC/AC变换器直流端的功率调控，从而验证了本发明功率调控方法的有效性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种单相三端口DC/AC变换器，包括主回路和控制回路，所述主回路包括全桥ANPC电路、第一直流端口、第二直流端口以及用于外接负载的交流端口，所述全桥ANPC电路包括两个单相ANPC半桥，所述单相ANPC半桥包括六个开关管，其中四个开关管串联形成外管桥臂，剩余两个开关管串联形成内管桥臂，所述内管桥臂连接于外管桥臂的旁侧；各所述开关管均反向并联有二极管，其特征在于，所述第一直流端口与两单相ANPC半桥的外管桥臂的两端连接，所述第二直流端口与两单相ANPC半桥的外管桥臂的中点连接，所述交流端口的两端分别与两单相ANPC半桥的内管桥臂的中点连接；
所述控制回路包括：功率计算模块：用于计算所述第一直流端口的输出功率和所述第二直流端口的输出功率；PI控制器：用于根据所述输出功率与设定功率的偏差计算获取控制参数；二倍频分量计算模块：用于根据两单相ANPC半桥的初始调制波计算二倍频分量；乘法器：用于计算所述控制参数与所述二倍频分量的乘积；加法器：用于将所述乘法器输出的乘积和所述初始调制波叠加；载波脉宽调制模块：用于将所述加法器输出的调制波与载波交截后输出各所述开关管的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的单相三端口DC/AC变换器，其特征在于，所述控制回路还包括电压电流双闭环控制器：用于根据所述交流端口输出至负载的电压和电流计算所述初始调制波，两所述单相ANPC半桥的初始调制波方向相反。
3.根据权利要求2所述的单相三端口DC/AC变换器，其特征在于，所述交流端口连接有用于采集交流端口输出电流的电流采样电路和用于采集交流端口输出电压的电压采样电路，所述电压电流双闭环控制器根据所述电流采样电路的采集的电流和所述电压采样电路采集的电压计算所述初始调制波。
4.根据权利要求1所述的单相三端口DC/AC变换器，其特征在于，所述交流端口连接有LC滤波器。
5.一种权利要求1至4任一项所述单相三端口DC/AC变换器的功率调控方法，其特征在于，所述方法包括：
计算所述第一直流端口的输出功率和所述第二直流端口的输出功率；
根据所述输出功率与设定功率的偏差计算获取控制参数；
根据两单相ANPC半桥的初始调制波计算二倍频分量；
计算所述控制参数与所述二倍频分量的乘积；
将所述乘法器输出的乘积和所述初始调制波叠加；
将所述加法器输出的调制波与载波交截后输出各所述开关管的驱动信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述交流端口输出至负载的电压和电流计算所述初始调制波，两所述单相ANPC半桥的初始调制波方向相反。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述控制参数被限幅在-1和1之间。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述二倍频分量通过下述表达式计算获取：
式中：v df 为二倍频分量；v refL 、v refR 分别为两单相ANPC半桥的初始调制波。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述载波为不对称层叠三角载波，所述不对称层叠三角载波的分界线α与第一直流端口和第二直流端口的电压大小有关，其表达式为：
式中：V L 为第一直流端口的电压；V H 为第二直流端口的电压。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将所述加法器输出的调制波与载波交截后输出各所述开关管的驱动信号，包括：
当所述加法器输出的调制波与上载波交截时，则对应的单相ANPC半桥中外管桥臂中的第一开关管S1和第三开关管S3导通，第二开关管S2和第四开关管S4关断；
当所述加法器输出的调制波与下载波交截时，则对应的单相ANPC半桥中外管桥臂中的第一开关管S1和第三开关管S3关断，第二开关管S2和第四开关管S4导通；
当所述加法器输出的调制波大于载波时，则对应的单相ANPC半桥中内管桥臂中的第五开关管S5导通，第六开关管S6关断；
当所述加法器输出的调制波小于载波时，则对应的单相ANPC半桥中内管桥臂中的第五开关管S5关断，第六开关管S6导通。
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