CN104993713A - 一种双pwm固态变压器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双PWM固态变压器的控制方法，是基于一种双PWM固态变压器结构，实现其双PWM固态变压器的控制方法，其中整流级控制采用在dq同步旋转坐标系下，直流电压外环网侧电流内环的双闭环控制方式，实现网侧电流的正弦化控制且单位功率因数为1；直流变换级控制采用输出电压外环电感电流内环双闭环方式，实现了电压等级变换、电能传递和电气隔离；逆变级控制采用在dq同步旋转坐标系下，输出电压外环电感电流内环的双闭环控制方式，不仅可以为用户提供可靠的高质量电能，而且能够有效改善非线性负载对电网的不良影响，具有较强的负载适应性和动态响应。

Description

一种双PWM固态变压器的控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术在电力***中的应用，尤其是一种用于电力电子的双PWM固态变压器的控制方法。

背景技术

固态变压器又称作电力电子变压器，是一种将现代电力电子技术和变压器技术应用相结合的新型电气设备。除了能够实现传统变压器的电气隔离、能量传输和电压变换等基本功能外，其突出特点是具有高度可控性，可以对变压器两侧电压幅值和相位进行灵活控制，有效改善电网电能质量，而且体积小、重量轻，环境污染少。随着固态变压器技术的不断发展，其在电力***中的应用将得到不断推广，有效推动智能电网的建设。

但是，目前国内外现有的固态变压器拓扑结构不统一，功率开关器件较多，开关损耗较高，而且相应的控制算法相对复杂，特别在输入环节整流阶段和直流变换环节表现尤为明显。

如公开号为CN101707443A的专利《一种新型的电力电子变压器》中提出采用多个MMC作为输入整流级，虽然在一定程度上能够获取较高的直流电压，但也引入了电压平衡控制问题，而且中间直流变换环节缺少辅助电感，降低了中间级控制的灵活性。

公开号为CN102055348A的专利《一种用于配电网的降压型电力电子变压器》其整流级由不控整流桥和boost功率因数校正电路组成的功率变换器级联而成，拓扑结构复杂，且中间级采用不控整流桥结构，不能进行能量的双向流动，无法实现太阳能、风能等分布式能源对电网的功率回馈。

公开号为CN102223078A的专利《一种针对配电网的电力电子变压器及其控制方法》其整流级控制相对容易，但存在中性点的平衡控制问题，而中间变换级中的三电平半桥和不控整流桥结构，使得其可控性能降低，且不具有功率双向传输能力。

发明内容

针对上述现有技术中固态变压器结构复杂，控制效果不理想的问题，本发明提供一种拓扑结构简单、控制灵活的双PWM固态变压器及其控制方法。

为实现以上目标，通过以下方案来实现：

一种双PWM固态变压器的控制方法，其所述控制方法是基于一种双PWM固态变压器结构，实现其双PWM固态变压器的控制方法；

所述双PWM固态变压器结构包括整流级电路通过电容与直流变换级电路输入端相连接，直流变换级电路输出端经电容连接逆变级电路；

所述整流级电路是两电平电压型PWM整流器，其功率开关器件均是全控型开关器件；

所述直流变换级电路是由两个高频变换器和高频变压器构成；其高频变换器是单相全桥变换器，其功率开关器件是全控型开关器件；其高频变压器是非晶合金软磁合金材料制成；

所述逆变级电路是两电平电压型PWM逆变器，其功率开关器件是全控型开关器件；

所述双PWM固态变压器的控制方法是按以下几个控制环节进行的：

步骤一、整流级控制采用在dq同步旋转坐标系下，直流电压外环网侧电流内环的双闭环控制方式，具体包括以下步骤：

(1)采集网侧三相电压，由单同步坐标系软件锁相环获取网侧电压相位；

(2)采集整流级电路的直流侧电压，并与目标给定进行比较，其误差经电压外环PI控制器调节，输出作为电流内环d轴的给定；电压外环用于实现对输出电压的稳定控制；

(3)对网侧电流进行采样，经dq变换得到电流在d轴和q轴的分量，其中d轴为有功分量，q轴为无功分量；将网侧d轴电流分量与目标给定比较，其误差送入d轴电流内环PI控制器；q轴电流与目标值0作差，将其误差送入q轴电流内环PI控制器；对dq轴电流环进行解耦及dq反变换，获取目标调制波，经SPWM模块，得到PWM控制信号，实现整流级电路的单位功率因数运行。

步骤二、直流变换级控制采用输出电压外环电感电流内环双闭环方式，具体包括以下步骤：

(1)采集直流变换级单相全桥整流器直流输出侧电压，与目标值作差，经电压PI控制器调节，其输出作为电流内环的目标值；

(2)采集直流变换级单相全桥逆变器交流输入侧电流，与目标值作差，经电流PI控制器调节，其输出与三角波比较得到PWM控制信号，实现直流变换级的稳定控制。

步骤三、逆变级控制采用在dq同步旋转坐标系下，输出电压外环电感电流内环的双闭环控制方式，具体包括以下步骤：

(1)采集三相负载电压，经dq变换得到d轴和q轴的电压分量；两轴电压分别与目标值作差，经PI调节器调节，其输出作为电流内环的目标给定；

(2)采集三相电感电流，经dq变换得到d轴和q轴的电流分量；两轴电流分量分别与目标值作差，其误差送入PI调节器调节；再经解耦及dq反变换，得到目标调制波，经SPWM模块，得到PWM控制信号，实现稳定的电压输出。

其中，全控型开关器件是由SiC材料制成的IGBT或IGCT。

在本发明上述的技术方案中，所述固态变压器的控制方法特点在于：本固态变压器拓扑结构简单功率器件相对较少，成本较低；与之相对应的控制算法简单易于实现。整流级电路可实现网侧电流的正弦化控制且单位功率因数为1；DC/DC直流变换级实现了电压等级变换、电能传递、电气隔离，而且提供了直流母线接口，满足用户对直流电能需求的同时，为光伏发电、风力发电、小水电能等分布式新能源发电***提供了直流并网接口，实现能量对电网的回馈，而且具有很好的扩展性；采用非晶合金软磁材料的高频变压器，磁感应强度高，损耗小，具有良好的温度特性，减小了变压器的体积和重量的同时也消除了污染；逆变级电路可以为用户提供可靠的高质量电能，能够有效改善非线性负载对电网的不良影响，具有较强的负载适应性，并对负载变化具有极快的动态响应。同时，加强了对电压突变、谐波等问题的应变能力，消除了一次侧和二次侧故障时相互间的不良影响；采用高频变压器，功率密度增加的同时拓展了变压器的功能特性。

附图说明

图1是本发明的整流级电路控制原理图。

图2是本发明的直流变换级电路控制原理图。

图3是本发明的逆变级电路控制原理图。

图4是本发明的固态变压器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步详细描述本发明的具体技术方案。

实施一种双PWM固态变压器的控制方法，该控制方法是基于一种双PWM固态变压器结构，实现其双PWM固态变压器的控制方法。其中：

一种双PWM固态变压器的控制方法是按以下几个控制环节实现的：

步骤一、整流级控制采用在dq同步旋转坐标系下，直流电压外环网侧电流内环的双闭环控制方式，如图1所示，具体包括以下步骤：

(1)采集整流级电路网侧电压e_a、e_b、e_c，由单同步坐标系软件锁相环获取网侧电压相位θ；

(2)采集整流级电路的直流侧电压v_dc，并与目标给定进行比较，其误差经电压外环PI控制器调节，输出作为电流内环d轴的给定电压外环用于实现对输出电压的控制；

(3)对网侧电流i_a、i_b、i_c进行采样，经dq变换得到电流在d轴和q轴的分量，其中d轴为有功分量，q轴为无功分量；将实际d轴电流分量i_d与目标给定比较，其误差送入d轴电流内环PI控制器；q轴电流i_q与目标值0作差，将其误差送入q轴电流内环PI控制器；对dq轴电流环进行解耦及dq反变换，获取目标调制波，经SPWM模块，得到PWM控制信号。

步骤二、直流变换级控制采用输出电压外环电感电流内环双闭环方式，如图2所示，具体包括以下步骤：

(1)采集直流变换级单相全桥整流器直流输出侧电压v_o，与目标值作差，经电压PI控制器调节，其输出作为电流内环的目标值

(2)采集直流变换级单相全桥逆变器交流输入侧电流i_L，与目标值作差，经电流PI控制器调节，其输出与三角波比较得到PWM控制信号，实现直流变换级的稳定控制。

步骤三、逆变级控制采用在dq同步旋转坐标系下，输出电压外环电感电流内环的双闭环控制方式，如图3所示，具体包括以下步骤：

(1)采集三相负载电压u_a、u_b、u_c，经dq变换得到d轴和q轴的电压分量u_d、u_q；两轴电压分别与目标值作差，经PI调节器调节及电压环路解耦，其输出作为电流内环的目标给定；

(2)采集三相电感电流i_La、i_Lb、i_Lc，经dq变换得到d轴和q轴的电流分量i_Ld、两轴电流分量分别与目标值作差，其误差送入PI调节器调节；再经解耦及dq反变换，得到目标调制波，经SPWM模块，得到PWM控制信号，实现稳定的电压输出。

所述的双PWM固态变压器结构如图4所示。其中整流级电路，采用两电平电压型PWM整流器，包括六个功率开关器件，且其功率开关器件均为全控型开关器件；通过滤波电感L_f与电网相连，其直流侧连接相应的高压电容C1，用以缓冲交流侧与负载间的能量、维持直流侧电压恒定及抑制直流侧谐波电压；DC/DC直流变换级电路包括单相全桥高频逆变器、高频变压器和单相全桥高频整流器：单相全桥高频逆变器直流侧通过高压电容C1与整流级电路直流侧相连，交流侧通过电感L_d与高频变压器一次侧相连，实现直流电向高频方波信号的变换；高频变压器采用非晶合金软磁合金材料设计，用于高/低压之间的电压等级变换、电气隔离及能量传递；高频变压器二次侧与单相全桥高频整流器交流侧相连；单相全桥整流器和单相全桥逆变器，均含有四个功率开关器件，其功率开关器件均为全控型开关器件；逆变级电路采用两电平电压型PWM逆变器，包括六个功率开关器件，且其功率开关器件均为全控型开关器件，通过低压电容C2与DC/DC直流变换级单相全桥高频整流器直流输出侧相连，其交流侧通过Y型连接的LC滤波器与负载相连。

Claims (2)

1.一种双PWM固态变压器的控制方法，其所述控制方法是基于一种双PWM固态变压器结构，实现其双PWM固态变压器的控制方法；

所述双PWM固态变压器结构包括整流级电路通过电容与直流变换级电路输入端相连接，直流变换级电路输出端经电容连接逆变级电路；

所述整流级电路是两电平电压型PWM整流器，其功率开关器件均是全控型开关器件；

所述直流变换级电路是由两个高频变换器和高频变压器构成；其高频变换器是单相全桥变换器，其功率开关器件是全控型开关器件；其高频变压器是非晶合金的软磁合金材料制成；

所述逆变级电路是两电平电压型PWM逆变器，其功率开关器件是全控型开关器件；

所述双PWM固态变压器的控制方法是按以下几个控制环节进行的：

步骤一、整流级控制采用在dq同步旋转坐标系下，直流电压外环网侧电流内环的双闭环控制方式，具体包括以下步骤：

(1)采集网侧三相电压，由单同步坐标系软件锁相环获取网侧电压相位；

(2)采集整流级电路的直流侧电压，并与目标给定进行比较，其误差经电压外环PI控制器调节，输出作为电流内环d轴的给定；电压外环用于实现对输出电压的稳定控制；

(3)对网侧电流进行采样，经dq变换得到电流在d轴和q轴的分量，其中d轴为有功分量，q轴为无功分量；将网侧d轴电流分量与目标给定比较，其误差送入d轴电流内环PI控制器；q轴电流与目标值0作差，将其误差送入q轴电流内环PI控制器；对dq轴电流环进行解耦及dq反变换，获取目标调制波，经SPWM模块，得到PWM控制信号，实现整流级电路的单位功率因数运行.

步骤二、直流变换级控制采用输出电压外环电感电流内环双闭环方式，具体包括以下步骤：

(1)采集直流变换级单相全桥整流器直流输出侧电压，与目标值作差，经电压PI控制器调节，其输出作为电流内环的目标值；

(2)采集直流变换级单相全桥逆变器交流输入侧电流，与目标值作差，经电流PI控制器调节，其输出与三角波比较得到PWM控制信号，实现直流变换级的稳定控制。

步骤三、逆变级控制采用在dq同步旋转坐标系下，输出电压外环电感电流内环的双闭环控制方式，具体包括以下步骤：

(1)采集三相负载电压，经dq变换得到d轴和q轴的电压分量；两轴电压分别与目标值作差，经PI调节器调节，其输出作为电流内环的目标给定；

(2)采集三相电感电流，经dq变换得到d轴和q轴的电流分量；两轴电流分量分别与目标值作差，其误差送入PI调节器调节；再经解耦及dq反变换，得到目标调制波，经SPWM模块，得到PWM控制信号，实现稳定的电压输出。

2.如权利要求1所述的双PWM固态变压器的控制方法，所述全控型开关器件是由SiC材料制成的IGBT。