EP2962386A1 - Dispositif de régulation et équilibrage des courants pour des convertisseurs dc/dc - Google Patents

Dispositif de régulation et équilibrage des courants pour des convertisseurs dc/dc

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EP2962386A1
EP2962386A1 EP14708225.9A EP14708225A EP2962386A1 EP 2962386 A1 EP2962386 A1 EP 2962386A1 EP 14708225 A EP14708225 A EP 14708225A EP 2962386 A1 EP2962386 A1 EP 2962386A1
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Guillermo Garcia Soto
Olivier TARRADE
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Alstom Technology AG
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Definitions

  • the invention relates to a control device for regulating and balancing currents for DC / DC converters, particularly in the field of energy storage, for example for charging and discharging batteries.
  • FIG. 1 illustrates a high power DC / DC converter of the prior art comprising n arms each formed of two semiconductor components arranged in series.
  • Each semiconductor component comprises a transistor T 1, for example an insulated gate bipolar transistor ("insulated gate Bipolar transistor" or IGBT) in parallel with a diode Di.
  • the converter is disposed between a storage assembly 11, for example a battery, and a charging voltage source R, the midpoint of each arm, which corresponds to a phase i of the current, being connected to this source of charge voltage. R by means of a smoothing inductance, L1, L2 ... Ln.
  • This converter also comprises a control chain composed of PIDi and PWMi blocks for each current phase i, the current Ii * representing a current setpoint.
  • a PID block illustrated in FIG. 2, is used to regulate a value, that is to say to force a system to follow a given instruction, by performing a closed-loop servocontrol. This monitors the value to be regulated, it is compared to the given instruction, and the difference between them is measured. An output signal is then generated which is proportional to this difference. But this proportional gain is not enough, because the setpoint can be exceeded because of the inertia of the system. Thus, to predict the behavior of the system, the output value is integrated. If the setpoint is exceeded, the integrator forces the system to adapt the output. In addition, this integral gain is not enough, we monitor the slope (derivative) to verify that we do not exceed the setpoint, and in this case, make a correction.
  • a PWM block uses a PWM pulse width modulation, which consists of introducing additional switches at a frequency higher than the fundamental frequency, transforming a voltage into a sequence of slots of fixed amplitude and variable width, a PWM command is performed by comparing a modulating wave low frequency 20 to a wave high frequency carrier 21 of triangular shape, as shown in Figure 3.
  • the pulses S thus generated serve as commands for the switching of the transistors Ti.
  • control chain for each phase of current to be regulated requires a duplication of the control chain as many times as necessary, which leads to a high consumption of resources.
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • programmable logic networks this results in a greater number of logic gates.
  • the invention relates to a device for regulating and balancing currents for DC / DC converters, between a first and a second voltage source, this device comprising:
  • a divider 1 / n receiving the current coming from the summator and delivering a mean current
  • a PWM block receiving the outputs of these summers and delivering n interleaved channels.
  • a regulated average current from the n arms is used.
  • FIG. 1 illustrates a device of the prior art.
  • Figure 2 illustrates a PID block
  • Figure 3 illustrates the operation of a PWM block.
  • FIGS 4 and 5 illustrate the features of the device of the invention.
  • FIGS 6 and 6A illustrate an embodiment of the device of the invention.
  • the device for regulating and balancing the currents for DC / DC converters of the invention illustrated in FIGS. 4 and 5, comprises:
  • step-up (C1, C2 ... Cn) converters connected at input to a voltage source 11 delivering or absorbing energy
  • n inductors L1, L2 ... Ln connected at the input to the output of each of these converters C1, C2 ... Cn, and at the output to a source of charge voltage R delivering or absorbing energy, through of n connections and a summator 12, n current sensors 22 arranged on each of these links,
  • a regulation chain 18 comprising:
  • a divider 1 / n 25 receiving the current from this summator and delivering a mean current
  • a PWM block receiving the outputs of these n summers and delivering n interleaved channels.
  • the average value of the sum of the currents leaving the DC / DC conversion device is regulated, which requires only a single control chain.
  • the balancing of the currents of the n converters of this DC / DC conversion device is done by measuring these outgoing currents and comparing them with the average value (divided by n). Thus the difference obtained is added, via a proportional gain, to the control of the regulation of the average value.
  • This device makes it possible to use only one control chain and to ensure the balancing of the currents.
  • Figures 6 and 6A illustrate a solution tested on a 500 kW demonstrator of energy storage with Li-ion batteries and NaS batteries.
  • the architecture used corresponds to a basic structure comprising a DC / DC converter 30 and a DC / AC converter 31 located between the battery 32 and the AC network 33, three-phase windings 34 and 35 being arranged at the input and at the output, a capacity being arranged between a DC / DC converter and a DC / AC converter.
  • the curves 36 illustrate the currents of two of the three DC / DC converters, and the curve 37 the total current.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

L'invention concerne un dispositif de régulation et équilibrage des courants pour des convertisseurs DC/DC, entre une première et une seconde sources de tension, qui comprend : - n convertisseurs (C1, C2...Cn) reliés en parallèle à la première source de tension (11), - n inductances (L1, L2...Ln), reliées en sortie à la seconde source de tension (R) au travers de n liaisons, - n capteurs de courant (22) disposés sur chacune de ces liaisons, - une seule chaîne de régulation reliée en entrée à ces n capteurs de courant (23) et en sortie à ces n convertisseurs (C1, C2...Cn).

Description

DISPOSITIF DE REGULATION ET EQUILIBRAGE DES COURANTS POUR DES CONVERTISSEURS DC/DC
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne un dispositif de contrôle pour régulation et équilibrage des courants pour des convertisseurs DC/DC, notamment dans le domaine du stockage d'énergie, par exemple pour charger et décharger des batteries.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
La figure 1 illustre un convertisseur DC/DC de forte puissance de l'art antérieur comprenant n bras formé chacun de deux composants semi-conducteurs disposés en série. Chaque composant semi-conducteur comprend un transistor Ti, par exemple un transistor bipolaire à grille isolée (« Insulated Gâte Bipolar transistor » ou IGBT) en parallèle avec une diode Di . Le convertisseur est disposé entre un ensemble de stockage 11, par exemple une batterie, et une source de tension de charge R, le point milieu de chaque bras, qui correspond à une phase i du courant, étant relié à cette source de tension de charge R au moyen d'une inductance de lissage, Ll, L2...Ln. Ce convertisseur comprend également une chaîne de régulation composée de blocs PIDi et PWMi pour chaque phase de courant i, le courant Ii* représentant une consigne de courant.
Une chaîne de régulation PIDi + PWMi est décrite ci-après. Bloc PID
Un bloc PID, illustré sur la figure 2, sert à réguler une valeur, c'est-à-dire obliger un système à suivre une consigne donnée, en réalisant un asservissement en boucle fermé. On surveille ainsi la valeur à réguler, on la compare a la consigne donnée, et on mesure la différence entre celles-ci. On génère ensuite un signal de sortie qui est proportionnel à cette différence. Mais ce gain proportionnel n'est pas suffisant, car la valeur de consigne peut être dépassée à cause de l'inertie du système. Ainsi, pour prévoir le comportement du système, on intègre la valeur de sortie. Si la valeur de consigne est dépassée, l'intégrateur oblige le système à adapter la sortie. De plus ce gain intégral ne suffisant pas, on surveille la pente (dérivée) pour vérifier que l'on ne dépasse pas la consigne, et, dans ce cas, réaliser une correction.
L'ensemble de ces techniques de régulation constitue un correcteur PID (Proportionnel Intégrale Dérivée) . Ainsi, la fonction de transfert en transformée de Laplace d'un régulateur PID parallèle est la somme de trois actions :
C (p) =G + -.- + Td.p
Γϊ p
Bloc PWM
Un bloc PWM utilise une modulation de largeur d'impulsion MLI, qui consiste à introduire des commutations supplémentaires à fréquence plus élevées que la fréquence fondamentale, transformant une tension en une suite de créneaux d'amplitude fixe et de largeur variable, une commande MLI est réalisée par comparaison d'une onde modulante basse fréquence 20 à une onde porteuse haute fréquence 21 de forme triangulaire, comme illustré sur la figure 3. Les impulsions S ainsi générées servent de commandes pour la commutation des transistors Ti.
L'utilisation d'une chaîne de régulation pour chaque phase de courant à réguler nécessite une duplication de la chaîne de régulation autant de fois que nécessaire, ce qui entraîne une grande consommation des ressources. Dans le cas d'une réalisation avec des circuits FPGA (« Field Programmable Gâte Array » ou réseaux logiques programmables) cela se traduit par un plus grand nombre de portes logiques.
Pour résoudre ce problème technique l'invention propose un dispositif de régulation et équilibrage des courants pour n convertisseurs DC/DC utilisant une seule chaîne de régulation, avec des courants équilibrés, comme illustré sur la figure 4, tels que : I = Il + 12 + ...In et II = 12 =...In
EXPOSÉ DE L' INVENTION
L' invention concerne un dispositif de régulation et équilibrage des courants pour des convertisseurs DC/DC, entre une première et une seconde sources de tension, ce dispositif comprenant :
- n convertisseurs reliés en parallèle à la première source de tension,
n inductances reliées en sortie à la seconde source de tension au travers de n liaisons,
n capteurs de courant disposés sur chacune de ces liaisons, - une seule chaîne de régulation reliée en entrée à ces n capteurs de courant et en sortie à ces n convertisseurs ,
caractérisé en ce que la chaîne de régulation comprend :
un sommateur des courants issus des capteurs de courant,
- un bloc PID recevant le courant issu du sommateur,
- un diviseur 1/n recevant le courant issu du sommateur et délivrant un courant moyen,
- n comparateurs entre les courants mesurés par les capteurs de courant et le courant moyen,
n éléments de gains proportionnels disposés en sortie de ces comparateurs,
n sommateurs des sorties de ces n éléments et de la sortie du bloc PID,
- un bloc PWM recevant les sorties de ces n sommateurs et délivrant n canaux entrelacés.
Le dispositif de l'invention présente les avantages suivants :
on utilise un courant moyen régulé provenant des n bras.
on réalise un équilibrage des courants des n bras.
on utilise une seule chaîne de régulation .
- on obtient un équilibrage rapide du fait de la contribution de correction proportionnelle.
- on utilise des capteurs de courants à calibre n fois inférieure à celui du courant moyen. - Les temps d'exécution sont faibles et les ressources FPGA sont minimes.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 illustre un dispositif de l'art connu .
La figure 2 illustre un bloc PID.
La figure 3 illustre le fonctionnement d'un bloc PWM.
Les figures 4 et 5 illustrent les caractéristiques du dispositif de l'invention.
Les figures 6 et 6A illustrent un mode de réalisation du dispositif de l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Dans la suite de la description, des éléments analogues entre eux sont représentés avec la même référence.
Le dispositif de régulation et équilibrage des courants pour des convertisseurs DC/DC de l'invention, illustré sur les figures 4 et 5, comprend :
n convertisseurs (Cl,C2...Cn) élévateur- abaisseur reliés en entrée à une source de tension 11 délivrant ou absorbant de l'énergie,
n inductances Ll, L2...Ln, reliées en entrée à la sortie de chacun de ces convertisseurs Cl, C2...Cn, et en sortie à une source de tension de charge R délivrant ou absorbant de l'énergie, au travers de n liaisons et d'un sommateur 12, n capteurs de courant 22 disposés sur chacune de ces liaisons,
- une chaîne de régulation 18 comprenant :
• un sommateur 24 des courants issus des capteurs de courant 22,
• un bloc PID disposé en sortie de ce sommateur,
• un diviseur 1/n 25 recevant le courant issu de ce sommateur et délivrant un courant moyen,
• n comparateurs 26 entre les courants mesurés par les capteurs de courant 22 et le courant moyen,
• n éléments 23 de gains proportionnels disposés en sortie de ces n comparateurs ,
• n sommateurs 27 des sorties de ces n éléments et de la sortie du bloc PID,
• Un bloc PWM recevant les sorties de ces n sommateurs et délivrant n canaux entrelacés.
Dans le dispositif de l'invention, on régule la valeur moyenne de la somme des courants sortant du dispositif de conversion DC/DC, ce qui ne nécessite qu'une seule chaîne de régulation. L'équilibrage des courants des n convertisseurs de ce dispositif de conversion DC/DC se fait en mesurant ces courants sortant et en les comparant à la valeur moyenne (divisée par n) . Ainsi l'écart obtenu est ajouté, via un gain proportionnel, à la commande de la régulation de la valeur moyenne. Ce dispositif permet de n'utiliser qu'une seule chaîne de régulation et de s'assurer de l'équilibrage des courants.
Les figures 6 et 6A illustrent une solution testée sur un démonstrateur 500 kW de stockage d'énergie avec des batteries Li-ion et des batteries NaS . L'architecture utilisée correspond à une structure de base comprenant un convertisseur DC/DC 30 et un convertisseur DC/AC 31 situés entre la batterie 32 et le réseau AC 33, des enroulements triphasés 34 et 35 étant disposés en entrée et en sortie, une capacité étant disposée entre un convertisseur DC/DC et un convertisseur DC/AC. Les courbes 36 illustrent les courants de deux des trois convertisseurs DC/DC, et la courbe 37 le courant total.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de régulation et équilibrage des courants pour des convertisseurs DC/DC entre une première et une seconde sources de tension, ce dispositif comprenant :
n convertisseurs (Cl, C2...Cn) reliés en parallèle à la première source de tension (11),
n inductances (Ll, L2...Ln) , reliées en sortie à la seconde source de tension (R) au travers de n liaisons,
- n capteurs de courant (22) disposés sur chacune de ces liaisons,
- une seule chaîne de régulation reliée en entrée à ces n capteurs de courant (23) et en sortie à ces n convertisseurs (Cl, C2...Cn) ,
caractérisé en ce que la chaîne de régulation (28) comprend :
- un sommateur (24) des courants issus des capteurs de courant (22),
- un bloc PID recevant le courant issu de ce sommateur (24),
- un diviseur 1/n recevant le courant issu du sommateur et délivrant un courant moyen,
n comparateurs (26) entre les courants mesurés par les capteurs de courant (22) et le courant moyen,
- n éléments (23) de gains proportionnels disposés en sortie de ces comparateurs, - n sommateurs (27) des sorties de ces n éléments et de la sortie du bloc PID,
- un bloc PWM recevant les sorties de ces n sommateurs et délivrant n canaux entrelacés.
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