CN110165898A - 一种电力电子变压器能量流动控制方法及*** - Google Patents

一种电力电子变压器能量流动控制方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种电力电子变压器能量流动控制方法及***。方法包括：将电网中的电流输入至所述输入级模块，得到第一稳定直流电压；将所述第一稳定直流电压传递至所述隔离级模块，得到第二稳定直流电压；将所述第二稳定直流电压传递至所述输出级模块，得到交流电压，并将所述交流电压输入至电网中；将所述第二稳定直流电压采用反馈方法传递至所述输入级模块。本发明将输出级模块的信息引入到输入级模块中，即将输出级直流电压变化直接反馈到输入级模块中，能够提高能量流动的动态响应，解决能量双向流动时直流电压的波动，减小直流电容的容量。

Description

一种电力电子变压器能量流动控制方法及***
技术领域
本发明涉及电力电子领域，特别是涉及一种电力电子变压器能量流动控制方法及***。
背景技术
随着功率半导体技术与控制技术的快速发展，现代电力电子技术与电网的融合日趋紧密，直流供电的技术和经济优势逐渐体现。现代电力电子设备的应用迅速普及，促进了配电***逐步从交直流混合电网开始，从部分直流化向全面直流化过渡。作为交直流混合电网中的关键设备—电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)，也称为固态变压器，结合了工频变压器和电力电子变流器的优点，具有体积小、重量轻、故障隔离、单位功率因数、智能控制等诸多的优点，吸引了国内外众多学者参与到该领域的研究。
目前，较多文献对电力电子变压器的拓扑结构、控制策略、保护***以及电力电子变压器在输电***、配电网中的无功优化、稳定性等进行了分析与研究。对于电力电子变压器的能量双向流动，研究重点主要落在基于双主动全桥拓扑结构的DC-DC高频隔离级。在能量流动控制中，电力电子变压器的输入级、隔离级、输出级采用独立控制的方式。这种独立控制的方式，影响了***的动态调节过程，实际应用效果不太理想。
发明内容
本发明的目的是提供一种电力电子变压器能量流动控制方法及***，能够提高能量流动的动态响应，解决能量双向流动时直流电压的波动，减小直流电容的容量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种电力电子变压器能量流动控制方法，所述方法应用于一种电力电子变压器能量流动控制装置，所述装置包括依次连接的输入级模块、隔离级模块和输出级模块，所述方法包括：
将电网中的电流输入至所述输入级模块，得到第一稳定直流电压；
将所述第一稳定直流电压传递至所述隔离级模块，得到第二稳定直流电压；
将所述第二稳定直流电压传递至所述输出级模块，得到交流电压，并将所述交流电压输入至电网中；
将所述第二稳定直流电压采用反馈方法传递至所述输入级模块。
可选的，所述将所述第二稳定直流电压采用反馈方法传递至所述输入级模块，具体包括：
将所述第二稳定直流电压采用电压反馈控制方法，传递至所述输入级模块。
可选的，所述将电网中的电流输入至所述输入级模块，得到第一稳定直流电压，具体包括：
采用电流解耦控制方法将电网中的电流输入至所述输入级模块，得到第一稳定直流电压。
可选的，所述将所述第一稳定直流电压传递至所述隔离级模块，得到第二稳定直流电压，所述隔离级模块包括H桥调频电路和高频变压器，具体包括：
将第一稳定直流电压传递至所述H桥调频电路的一端，得到第一高频电压；
将所述第一高频电压输入所述高频变压器，得到第二高频电压；
将所述第二高频电压传递至所述H桥调频电路的另一端，得到第二稳定直流电压。
一种电力电子变压器能量流动控制***，所述***应用于一种电力电子变压器能量流动控制装置，所述装置包括依次连接的输入级模块、隔离级模块和输出级模块，所述***包括：
第一稳定直流电压确定单元，用于将电网中的电流输入至所述输入级模块，得到第一稳定直流电压；
第二稳定直流电压确定单元，用于将所述第一稳定直流电压传递至所述隔离级模块，得到第二稳定直流电压；
交流电压确定单元，用于将所述第二稳定直流电压传递至所述输出级模块，得到交流电压，并将所述交流电压输入至电网中；
反馈单元，用于将所述第二稳定直流电压采用反馈方法传递至所述输入级模块。
可选的，所述反馈单元，具体包括：
反馈子单元，用于将所述第二稳定直流电压采用电压反馈控制方法，传递至所述输入级模块。
可选的，所述第一稳定直流电压确定单元，具体包括：
第一稳定直流电压确定子单元，用于采用电流解耦控制方法将电网中的电流输入至所述输入级模块，得到第一稳定直流电压。
可选的，第二稳定直流电压确定单元，所述隔离级模块包括H桥调频电路和高频变压器，具体包括：
第一高频电压确定子单元，用于将第一稳定直流电压传递至所述H桥调频电路的一端，得到第一高频电压；
第二高频电压确定子单元，用于将所述第一高频电压输入所述高频变压器，得到第二高频电压；
第二稳定直流电压确定子单元，用于将所述第二高频电压传递至所述H桥调频电路的另一端，得到第二稳定直流电压。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种电力电子变压器能量流动控制方法，将电网中的电流输入至输入级模块，得到第一稳定直流电压；将第一稳定直流电压传递至隔离级模块，得到第二稳定直流电压；将第二稳定直流电压传递至输出级模块，得到交流电压，并将交流电压输入至电网中；将第二稳定直流电压采用反馈方法传递至输入级模块。。本发明将输出级模块的信息引入到输入级模块中，即将输出级直流电压变化直接反馈到输入级模块中，能够提高能量流动的动态响应，解决能量双向流动时直流电压的波动，减小直流电容的容量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明单相电力电子变压器拓扑结构；
图2为本发明电力电子变压器能量流动控制方法流程图；
图3为本发明电力电子变压器输入级的拓扑结构；
图4为本发明DQ电流解耦控制图；
图5为本发明DC-DC隔离级拓扑；
图6为本发明输出级电容电压反馈控制图；
图7为本发明未使用反馈时输入级电网电压和电流波形；
图8为本发明使用反馈时输入级电网电压和电流波形；
图9为本发明在0.4s时的PET输入级的使用反馈与未使用反馈的直流电压波形对比图；
图10为本发明电力电子变压器能量流动控制***结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种电力电子变压器能量流动控制方法及***，能够提高能量流动的动态响应，解决能量双向流动时直流电压的波动，减小直流电容的容量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
在现代交直流混存电网结构中，由于分布式能源的存在，能量双向交互功能是现代交直流混存电网发展的主要趋势，而能量双向流动是电力电子变压器的典型技术特征之一。当PET实现能量反向流动时，由于PET的三级拓扑结构和输入级、输出级控制器的滞后性，电网首先要与电容发生能量交换，引起PET直流电容电压发生波动。
能量逆向流动时，对于PET输入级直流端的能量交互是一个未知的大扰动输入，PET输入级独立控制方式仅仅用输入级的电压环负反馈进行补偿。负反馈的本质是先有误差再有校正，因此会存在一定的动态误差。在输入级的控制设计中，没有用到输出级的任何信息，导致PET输入级电流调节不及时，直流电压稳定性变差，进而影响到能量流动的动态性能。
为了提高能量流动的动态响应，解决能量双向流动时直流电压的波动，减小直流电容的容量，提出输出级直流电压前馈控制的能量双向流动协同控制策略，将输出级的信息引入到PET输入级控制中，即将PET输出级直流电压变化直接反馈到输入级控制***中。
单相电力电子变压器采用中间变换含有直流环节的三级式拓扑结构，图1为本发明单相电力电子变压器拓扑结构，如图1所示，其中，输入级变换器采用单相H桥结构；隔离级变换器采用双有源全桥(DoubleActive Bridge，DAB)DC-DC变换器结构；输出级变换器采用单相H桥结构。
在电力网络中，PET电力电子变压器充当能量路由器，需要很好的协调网络间的能量流动。在PET从左向右传输能量时，左侧工频交流电压经过输入级变换为直流电压，再经过中间隔离级的逆变电路被调制为高频方波后加载到中高频变压器的一次侧绕组，通过中高频变压器耦合到二次侧绕组，随后被中间隔离级的逆变电路解调为直流电压，再经过输出级逆变为所需要的交流输出。
图2为本发明电力电子变压器能量流动控制方法流程图。图2中功率方向双向流动，可由左到右，也可由右到左。如图2所示，一种电力电子变压器能量流动控制方法，所述方法应用于一种电力电子变压器能量流动控制装置，所述装置包括依次连接的输入级模块、隔离级模块和输出级模块，包括：
步骤101：将电网中的电流输入至所述输入级模块，得到第一稳定直流电压，具体包括：
采用电流解耦控制方法将电网中的电流输入至所述输入级模块，得到第一稳定直流电压。
由于电力电子变压器拓扑结构的对称性，其输入级、输出级采用相同的拓扑结构和控制策略，实现网侧有功和无功功率的调节、以及能量的双向流动控制。
忽略网络等效电阻，图3为本发明电力电子变压器输入级的拓扑结构，图3中：up、ip分别为网侧电压与网侧电流；Lp为网侧电感；ur为整流器输入电压；S1、S2、S3、S4表示4个带有续流二极管的开关器件；Cp为直流侧储能支撑电容；Re、Le为输入级直流侧等效阻感负载。
DQ电流解耦算法通过同步旋转坐标系将交流正弦量转化为直流分量，可以实现零稳态误差并且具有良好的稳定性能。
PET输入级采用基于单相DQ变换的矢量控制。单相***由于缺少一个自由度，需要构造一个与网侧单相交流量正交的虚拟分量，然后基于瞬时功率理论将其转化为DQ旋转坐标系下的两个直流分量，对直流分量进行PI调节，可消除稳态误差，并且能够灵活的控制有功分量和无功分量的大小，实现无功调节、单位功率因数运行，使整流级可工作在整流状态或者逆变状态，实现能量的双向传输。
根据基尔霍夫电压定律，可得：
采用四分之一周期延时算法构造虚拟正交分量，得到两相静止坐标系下的电压信号upα和upβ、电流信号ipα和ipβ即：
Upm，Ipm为网侧电压、电流幅值。经过DQ旋转，得到两相旋转d-q坐标系下的整流器输入电压分量urd和urq，网侧电压分量upd和upq、电流分量ipd和ipq：
根据预测电流控制原理，令
式(5)中：Tp为输入级的开关周期，为输入电流参考值。故进一步化简到：
根据上式可以得到DQ电流解耦控制图，图4为本发明DQ电流解耦控制图。
步骤102：将所述第一稳定直流电压传递至所述隔离级模块，得到第二稳定直流电压，所述隔离级模块包括H桥调频电路和高频变压器，具体包括：
将第一稳定直流电压传递至所述H桥调频电路的一端，得到第一高频电压；
将所述第一高频电压输入所述高频变压器，得到第二高频电压；
将所述第二高频电压传递至所述H桥调频电路的另一端，得到第二稳定直流电压。
DC-DC隔离级通过合适的控制策略，将能量从输入级(输出级)传递到输出级(输入级)，并通过高频变压器实现变压器两端电气隔离和电压等级的变换。DC-DC隔离级两端采用由全控性器件组成的H桥变换器，图5为本发明DC-DC隔离级拓扑。如图5所示，DC-DC隔离级控制采用双移相控制，经过控制隔离级两侧电压Udc1和Udc2之间相移大小和方向来控制DAB的传输功率，进而控制PET隔离级传输功率的大小和方向。
隔离级的最大传输功率在D1＝0、D2＝0.5处取得，且最大值为
式中：nT为高频变压器变比，fs为开关频率，L为串联辅助电感和高频变压器的漏感之和，Udc1为PET输入级实际电压值，Udc2为PET输出级电压值。在功率传输过程中，为了得到最大的功率传输，DC-DC隔离级采取的控制方式为开环控制，其中D1＝0、D2＝0.5。
步骤103：将所述第二稳定直流电压传递至所述输出级模块，得到交流电压，并将所述交流电压输入至电网中；
步骤104：将所述第二稳定直流电压采用反馈方法传递至所述输入级模块，具体包括：
将所述第二稳定直流电压采用电压反馈控制方法，传递至所述输入级模块。
为了提高能量流动的动态响应，解决能量双向流动时直流电压的波动，减小直流电容的容量，提出输出级直流电压前馈控制的能量双向流动协同控制策略，将输出级的信息引入到PET输入级控制中，即将PET输出级直流电压变化直接反馈到输入级控制***中，图6为本发明输出级电容电压反馈控制图。如图6所示，控制***采用电压电流双闭环控制方式。电流内环使用图6所示的电流解耦控制方式，使用基于二阶广义积分法(second-order generalized integrator，SOGI)的正交信号生成器获得电网电流ipα的虚拟正交分量ipβ，得到两相静止αβ坐标系下的电流分量，然后经过αβ/dq坐标变换得到旋转坐标系下的电流分量ipd和ipq。锁相环采用基于二阶广义积分器的锁相环(phase-locked loop ofsecond-order generalized integrator，SOGI-PLL)，可以得到静止坐标系和旋转坐标变换所需要的相位角ωt，同时得到电流内环解耦控制器需要的dq轴网侧电压分量。
电流解耦控制输出PET输入级H桥的输入电压的d轴分量和q轴分量，经过dq/αβ坐标变换后，使用α相信号作为H桥调制信号，经过PWM调制算法生成开关脉冲序列，作为PET输入级H桥中开关器件的控制***。
PET输入级电压外环由两部分组成：
检测PET输入级实际电压值Udc1，与电压指令值比较，得到电压偏差，电压偏差经过直流侧电压外环控制器运算产生有功电流指令
检测PET输出级电压值Udc2，与电压指令值比较，得到电压偏差，电压偏差经过输出级电压外环反馈调节器运算产生有功电流指令
最终得到PET输入级的电流内环的指令电流值为：
电流环为***控制的最内环，具有很高的响应速度，将输出级的电压波动信息加入到输入级的电流内环中，可以增加电容电压的快速调节，大大提高***的响应速度。
本发明的方法提出输出级直流电压前馈控制的能量双向流动协同控制策略，将输出级的信息引入到PET输入级控制中，即将PET输出级直流电压变化直接反馈到输入级控制***中，提高能量流动的动态响应，解决能量双向流动时直流电压的波动，减小直流电容的容量。
本发明所提出的协同控制策略能够满足***稳态时的控制要求，并且相比较以往电力电子变压器三级独立控制的控制策略具有更好的动态特性。本发明进一步抑制了由于能量流动状态突变引起的直流电容电压波动，从而可以用较小的直流电容获得稳定的直流电压，减小设备的体积。本发明能够在能量反向流动时，将输出级的电压波动信息直接反馈到输入级。电流环为***控制的最内环，具有很高的响应速度，将输出级的电压波动信息加入到输入级的电流内环中，可以增加电容电压的快速调节，提高***的响应速度，有效减少能量交互时的扰动，降低电压的波动。
图7为本发明未使用反馈时输入级电网电压和电流波形，图8为本发明使用反馈时输入级电网电压和电流波形。从图7和图8中可以看出使用本发明所提方法后，在能量逆向流动时，***时间达到稳态时的调节时间，明显低于未使用反馈达到稳态的调节时间，采用本发明能够提高动态调节时间。
图9为本发明在0.4s时的PET输入级的使用反馈与未使用反馈的直流电压波形对比图。由于将输出级的电压波动信息加入到输入级的电流内环中，可以增加电容电压的快速调节，提高了***的响应速度。同时，从图9中可以看出，输出级电容电压反馈的方法可以减小直流电压的波动值。
图10为本发明电力电子变压器能量流动控制***结构图。如图10所示，一种电力电子变压器能量流动控制***，所述***应用于一种电力电子变压器能量流动控制装置，所述装置包括依次连接的输入级模块、隔离级模块和输出级模块，所述***包括：
第一稳定直流电压确定单元201，用于将电网中的电流输入至所述输入级模块，得到第一稳定直流电压；
第二稳定直流电压确定单元202，用于将所述第一稳定直流电压传递至所述隔离级模块，得到第二稳定直流电压；
交流电压确定单元203，用于将所述第二稳定直流电压传递至所述输出级模块，得到交流电压，并将所述交流电压输入至电网中；
反馈单元204，用于将所述第二稳定直流电压采用反馈方法传递至所述输入级模块。
所述反馈单元204，具体包括：
反馈子单元，用于将所述第二稳定直流电压采用电压反馈控制方法，传递至所述输入级模块。
所述第一稳定直流电压确定单元201，具体包括：
第一稳定直流电压确定子单元，用于采用电流解耦控制方法将电网中的电流输入至所述输入级模块，得到第一稳定直流电压。
第二稳定直流电压确定单元202，所述隔离级模块包括H桥调频电路和高频变压器，具体包括：
第一高频电压确定子单元，用于将第一稳定直流电压传递至所述H桥调频电路的一端，得到第一高频电压；
第二高频电压确定子单元，用于将所述第一高频电压输入所述高频变压器，得到第二高频电压；
第二稳定直流电压确定子单元，用于将所述第二高频电压传递至所述H桥调频电路的另一端，得到第二稳定直流电压。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种电力电子变压器能量流动控制方法，所述方法应用于一种电力电子变压器能量流动控制装置，所述装置包括依次连接的输入级模块、隔离级模块和输出级模块，其特征在于，包括：
将电网中的电流输入至所述输入级模块，得到第一稳定直流电压；
将所述第一稳定直流电压传递至所述隔离级模块，得到第二稳定直流电压；
将所述第二稳定直流电压传递至所述输出级模块，得到交流电压，并将所述交流电压输入至电网中；
将所述第二稳定直流电压采用反馈方法传递至所述输入级模块。
2.根据权利要求1所述的电力电子变压器能量流动控制方法，其特征在于，所述将所述第二稳定直流电压采用反馈方法传递至所述输入级模块，具体包括：
将所述第二稳定直流电压采用电压反馈控制方法，传递至所述输入级模块。
3.根据权利要求1所述的电力电子变压器能量流动控制方法，其特征在于，所述将电网中的电流输入至所述输入级模块，得到第一稳定直流电压，具体包括：
采用电流解耦控制方法将电网中的电流输入至所述输入级模块，得到第一稳定直流电压。
4.根据权利要求1所述的电力电子变压器能量流动控制方法，其特征在于，所述将所述第一稳定直流电压传递至所述隔离级模块，得到第二稳定直流电压，所述隔离级模块包括H桥调频电路和高频变压器，具体包括：
将第一稳定直流电压传递至所述H桥调频电路的一端，得到第一高频电压；
将所述第一高频电压输入所述高频变压器，得到第二高频电压；
将所述第二高频电压传递至所述H桥调频电路的另一端，得到第二稳定直流电压。
5.一种电力电子变压器能量流动控制***，所述***应用于一种电力电子变压器能量流动控制装置，所述装置包括依次连接的输入级模块、隔离级模块和输出级模块，其特征在于，包括：
第一稳定直流电压确定单元，用于将电网中的电流输入至所述输入级模块，得到第一稳定直流电压；
第二稳定直流电压确定单元，用于将所述第一稳定直流电压传递至所述隔离级模块，得到第二稳定直流电压；
交流电压确定单元，用于将所述第二稳定直流电压传递至所述输出级模块，得到交流电压，并将所述交流电压输入至电网中；
反馈单元，用于将所述第二稳定直流电压采用反馈方法传递至所述输入级模块。
6.根据权利要求5所述的电力电子变压器能量流动控制***，其特征在于，所述反馈单元，具体包括：
反馈子单元，用于将所述第二稳定直流电压采用电压反馈控制方法，传递至所述输入级模块。
7.根据权利要求5所述的电力电子变压器能量流动控制***，其特征在于，所述第一稳定直流电压确定单元，具体包括：
第一稳定直流电压确定子单元，用于采用电流解耦控制方法将电网中的电流输入至所述输入级模块，得到第一稳定直流电压。
8.根据权利要求5所述的电力电子变压器能量流动控制***，其特征在于，第二稳定直流电压确定单元，所述隔离级模块包括H桥调频电路和高频变压器，具体包括：
第一高频电压确定子单元，用于将第一稳定直流电压传递至所述H桥调频电路的一端，得到第一高频电压；
第二高频电压确定子单元，用于将所述第一高频电压输入所述高频变压器，得到第二高频电压；
第二稳定直流电压确定子单元，用于将所述第二高频电压传递至所述H桥调频电路的另一端，得到第二稳定直流电压。
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