CN111130093A - 一种双有源全桥直流变换器低电压穿越控制***和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种双有源全桥直流变换器低电压穿越控制***和方法，其***包括：故障检测单元与模式切换单元电连接，用于检测电网状态信息，并将电网状态信息发送至所述模式切换单元；模式切换单元根据电网状态切换连接方式，当电网状态信息为正常时，模式切换单元与电压稳定控制单元连接；当电网状态信息为故障时，模式切换单元与电流滞环控制单元连接；模式切换单元还与PWM驱动单元电连接，PWM驱动单元用于产生双有源桥变换器中各开关管的驱动信号。本申请能在保证双有源桥变换器不脱网的情况下实现变换器的低电压故障穿越，保护了直流设备以及有效地维护了直流微网的安全稳定运行。

Description

一种双有源全桥直流变换器低电压穿越控制***和方法
技术领域
本申请涉及直流变换器技术领域，尤其涉及一种双有源全桥直流变换器低电压穿越控制***和方法。
背景技术
电网故障等大扰动是电网不可回避的现实问题，直流变换器作为直流微电网的重要电压与潮流控制设备，其在故障等大扰动下的运行性能将直接决定直流微电网的供电可靠性。
直流微网故障时，比如直流母线电压大幅度跌落时，与交流电流不同，由于直流微网的电流没有过零点，因此直流微网***中的故障电流将会极快地增长，这对微网***内的变换器将会造成很大的损害，同时也影响微网***的安全与稳定。
目前针对AC-DC变换器的故障穿越研究已经比较成熟，但是，尚未有适用于双有源桥变换器的低电压故障穿越策略，无法抑制低电压故障产生的冲击电流，影响双有源桥变换器并网稳定性。
发明内容
本申请提供了一种双有源全桥直流变换器低电压穿越控制***和方法，以解决无法抑制双有源桥变换器低电压故障产生的冲击电流的技术问题。
为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：
第一方面，本申请实施例公开了一种双有源全桥直流变换器低电压穿越控制***，包括：故障检测单元、模式切换单元、PWM驱动单元、电压稳定控制单元和电流滞环控制单元，其中：
所述故障检测单元与所述模式切换单元电连接，用于检测电网状态信息，并将电网状态信息发送至所述模式切换单元；
所述模式切换单元根据电网状态切换连接方式，
当所述电网状态信息为正常时，所述模式切换单元与所述电压稳定控制单元连接；
当所述电网状态信息为故障时，所述模式切换单元与所述电流滞环控制单元连接；
所述模式切换单元还与所述PWM驱动单元电连接，所述PWM驱动单元用于根据所述模式切换单元的信息产生双有源桥变换器中各开关管的驱动信号。
可选的，所述故障检测单元包括瞬间冲击电流检测组件、电压峰值检测组件和DSP主控制板，其中：
所述瞬间冲击电流检测组件与所述DSP主控制板电连接，用于检测双有源桥变换器的输出电流是否高于电流给定值；
所述电压峰值检测组件与所述DSP主控制板电连接，用于检测双有源桥变换器的输出电压是否低于电压给定值。
第二方面，本申请实施例公开了一种双有源全桥直流变换器低电压穿越控制方法，包括：故障检测单元采集双有源桥变换器的输出电压和电流，判断电网是否处于正常状态，并将判断信息发送到模式切换单元；
所述模式切换单元根据所述判断信息选择连通模式：
当判断信息为正常时，所述模式切换单元与电压稳定控制单元连接，PWM驱动单元的移相角参考值由电压稳定控制单元给定；
当判断信息为故障时，所述模式切换单元与所述电流滞环控制单元连接，PWM驱动单元的移相角参考值由电流滞环控制单元给定。
可选的，所述故障检测单元采集双有源桥变换器的输出电压和电流，判断电网是否处于正常状态包括：
瞬间冲击电流检测组件检测双有源桥变换器的输出电流是否高于电流给定值，电压峰值检测组件检测双有源桥变换器的输出电压是否低于电压给定值；
如果所述输出电流不高于电流给定值，且所述输出电压不低于所述电压给定值，DSP主控制板判断电网处于正常状态；
如果所述输出电流高于电流给定值，或所述输出电压低于所述电压给定值，DSP主控制板判断电网处于故障状态。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
本申请提供了一种双有源全桥直流变换器低电压穿越控制***和方法，其***包括：故障检测单元、模式切换单元、PWM驱动单元、电压稳定控制单元和电流滞环控制单元，其中：所述故障检测单元与所述模式切换单元电连接，用于检测电网状态信息，并将电网状态信息发送至所述模式切换单元；所述模式切换单元根据电网状态切换连接方式，当所述电网状态信息为正常时，所述模式切换单元与所述电压稳定控制单元连接；当所述电网状态信息为故障时，所述模式切换单元与所述电流滞环控制单元连接；所述模式切换单元还与所述PWM驱动单元电连接，所述PWM驱动单元用于根据所述模式切换单元的信息产生双有源桥变换器中各开关管的驱动信号。本申请在故障发生时切换到电流滞环控制，迅速将故障电流降低到安全值，故障清除后，再切换到电压稳定控制。充分利用了滞环控制抑制故障大电流速度快、效果显著的优点，能在保证双有源桥变换器不脱网的情况下实现变换器的低电压故障穿越，保护了直流设备以及有效地维护了直流微网的安全稳定运行。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为以双有源全桥变换器为例的直流微网并网等效简化图；
图2为以双有源全桥变换器为例的直流微网并网时的戴维南等效简化图；
图3为本申请实施例提供的一种双有源全桥直流变换器低电压穿越控制***示意图；
图4为本申请实施例提供的一种故障检测单元的电路示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
直流微网一般由直流变换器、分布式电源、储能单元和直流负荷组合而成。其中储能单元和光伏单元等通过直流变换器与直流微网母线相连，通过对直流变换器采取合适的控制策略，可以保证微网内部的协调控制，最大程度利用分布式电源进行发电，同时又可以有效利用储能***向微网补充能量或从微网中吸收能量，保证负载对能量的需求。
一般将直流微网分为以下三种工作模式，每种模式下的工作情况如下：
(1)主动并网模式：此模态下储能***不能维持直流微网内部的功率平衡，直流微网通过交流电网调节***平衡。直流母线电压由交流大电网维持稳定，分布式电源维持最大功率运行，储能***处于补充能量状态。
(2)从动并网模式：此模态下交流电网与直流微网不存在能量流动，储能单元调节***平衡，母线电压由储能单元维持稳定，分布式电源维持最大功率运行。根据***内各单元能量需求关系决定储能单元的充放电状态。
(3)离网模式：此模态下直流微网***处于孤岛运行状态，分布式电源、储能***和负载三个单元实现***能量平衡。
以上是直流微网正常运行时的分析，当直流微网***中出现直流母线电压大幅跌落(一般负载短路故障情况下会发生直流母线电压跌落)，直流微网***的安全运行受到威胁影响整个直流微网***的稳定性。
如图1所示，为以双有源全桥变换器为例的直流微网并网等效简化图。全桥直流变换器是分布式能源和储能***接入直流微网中的桥梁，其中Rs为变换器到直流母线之间的等效线路阻抗，Rg为电网到直流母线之间的线路阻抗，而Rl则为负载端的等效线路阻抗。
在忽略谐波以及采用戴维宁定理的情况下分析故障发生前与故障发生后的状况。
如图2所示，为以双有源全桥变换器为例的直流微网并网时的戴维南等效简化图。
故障发生前，根据戴维宁等效定理：
Figure BDA0002355619100000031
Figure BDA0002355619100000032
其中：Rl为负载端的等效线路阻抗，Rs为变换器到直流母线之间的等效线路阻抗，Rg为电网到直流母线之间的线路阻抗，RL代表正常模式下的负载电阻，Ueq为正常情况下戴维南等效电源电压；Req为正常情况下戴维南等效阻抗；Umg为电网电压；R1为负载端的等效线路阻抗。
故障发生后，当负载端发生短路故障时，短路故障会造成电压跌落，负载端等效的电阻值相应也会变化，其短路电阻Rf可由下式获得：
Figure BDA0002355619100000033
Figure BDA0002355619100000034
其中，Ueq1为直流微网发生负载短路故障时的戴维南等效电源电压；Req1为直流微网发生负载短路故障时的戴维南等效阻抗。
为了方便，假设R是双端口全桥直流变换器与戴维宁等效电源之间的等效电阻，则有：
R＝Rs+Req (5)
R1＝Rs+Req1 (6)
其中：R1为直流微网发生负载短路故障时双端口全桥变换器与戴维南等效电源之间的等效阻抗。
通常在短时间内变换器的输出电压的幅值变化很小，为了简便，假设直流微电网端电压跌落之后的一段时间内，变换器的输出电压保持不变。所以，当网侧电压跌落时，变换器可以看作一个电压源。
Ums是变换器的输出电压，相应的I为变换器的输出电流，它的值为：
Figure BDA0002355619100000041
在正常情况下，如果直流微电网由于负载短路故障，公共点电压跌落，戴维宁等效电源由Ueq减少为Ueq1，相应的双端口全桥变换器与戴维南等效电源之间的等效阻抗变为R1，由上面的电流公式我们可以推测变换器的输出电流将因为负载短路故障造成的直流母线电压跌落而迅速增加。
基于此，如图3所示，本申请提供了一种双有源全桥直流变换器低电压穿越控制***，其特征在于，包括：故障检测单元、模式切换单元、PWM驱动单元、电压稳定控制单元和电流滞环控制单元，其中：
所述故障检测单元与所述模式切换单元电连接，用于检测电网状态信息，并将电网状态信息发送至所述模式切换单元。其中：所述故障检测单元包括瞬间冲击电流检测组件、电压峰值检测组件和DSP主控制板，所述瞬间冲击电流检测组件与所述DSP主控制板电连接，用于检测双有源桥变换器的输出电流是否高于电流给定值；
所述电压峰值检测组件与所述DSP主控制板电连接，用于检测双有源桥变换器的输出电压是否低于电压给定值。
瞬间冲击电流检测组件检测双有源桥变换器的输出电流是否高于电流给定值，电压峰值检测组件检测双有源桥变换器的输出电压是否低于电压给定值。
判定方法如下：如果所述输出电流不高于电流给定值，且所述输出电压不低于所述电压给定值，DSP主控制板判断电网处于正常状态；
如果所述输出电流高于电流给定值，或所述输出电压低于所述电压给定值，DSP主控制板判断电网处于故障状态。
所述模式切换单元根据电网状态切换连接方式：
当所述电网状态信息为正常时，所述模式切换单元与所述电压稳定控制单元连接，此时，PWM驱动单元的移相角参考值由电压稳定控制单元给定。
当所述电网状态信息为故障时，所述模式切换单元与所述电流滞环控制单元连接，此时，PWM驱动单元的移相角参考值由电流滞环控制单元给定。
即控制过程如下：
①当电网正常运行时，故障检测单元输出信号始终为低电平“0”，PWM驱动的移相角参考值δset由电压环输出δU给定，此时变换器处于电压稳定控制模式；
②当短路故障发生时，故障检测单元输出信号为高电平“1”，开关S由“0”切换到“1”，相应PWM驱动的移相角参考值δset将由电压环输出δU切换到电流滞环输出δI，变换器由电压稳定控制模式切换为电流滞环控制模式；
③当故障清除后，故障检测单元输出信号为低电平“0”，开关S由“1”切换到“0”，相应PWM驱动的移相角参考值δset将由电流滞环输出δI切换到电压环输出δU，变换器由电流滞环控制模式反切换为电压稳定控制模式。
所述模式切换单元还与所述PWM驱动单元电连接，所述PWM驱动单元用于根据所述模式切换单元的信息产生双有源桥变换器中各开关管的驱动信号。
本申请所述瞬间冲击电流检测和电压峰值检测部分通常采用电压比较器LM393来实现，即通过电压比较器LM393来检测双有源桥变换器的输出电流和电压，并将LM393的输出信号送入DSP主控制板进行处理。如图4所示，本申请实施例提供了一种故障检测单元的电路示意图，其中LM393相当于一个电压比较器，当同相端﹢的值大于反相端﹣时，输出高电平，当同相端﹢的值小于反相端﹣时，输出低电平。Iset为设定的阀值翻转电流值。
基于此，本申请提供了一种双有源全桥直流变换器低电压穿越控制方法，包括：
故障检测单元采集双有源桥变换器的输出电压和电流，判断电网是否处于正常状态，并将判断信息发送到模式切换单元；
所述模式切换单元根据所述判断信息选择连通模式：
当判断信息为正常时，所述模式切换单元与电压稳定控制单元连接，PWM驱动单元的移相角参考值由电压稳定控制单元给定；
当判断信息为故障时，所述模式切换单元与所述电流滞环控制单元连接，PWM驱动单元的移相角参考值由电流滞环控制单元给定。
其中，判断电网是否处于正常状态的过程包括：
瞬间冲击电流检测组件检测双有源桥变换器的输出电流是否高于电流给定值，电压峰值检测组件检测双有源桥变换器的输出电压是否低于电压给定值；
如果所述输出电流不高于电流给定值，且所述输出电压不低于所述电压给定值，DSP主控制板判断电网处于正常状态；
如果所述输出电流高于电流给定值，或所述输出电压低于所述电压给定值，DSP主控制板判断电网处于故障状态。
综上所述，本申请提供了一种双有源全桥直流变换器低电压穿越控制***和方法，其***包括：故障检测单元、模式切换单元、PWM驱动单元、电压稳定控制单元和电流滞环控制单元，其中：所述故障检测单元与所述模式切换单元电连接，用于检测电网状态信息，并将电网状态信息发送至所述模式切换单元；所述模式切换单元根据电网状态切换连接方式，当所述电网状态信息为正常时，所述模式切换单元与所述电压稳定控制单元连接；当所述电网状态信息为故障时，所述模式切换单元与所述电流滞环控制单元连接；所述模式切换单元还与所述PWM驱动单元电连接，所述PWM驱动单元用于根据所述模式切换单元的信息产生双有源桥变换器中各开关管的驱动信号。本申请提供的双有源全桥直流变换器低电压穿越控制***在故障发生时切换到电流滞环控制，迅速将故障电流降低到安全值，故障清除后，再切换到电压稳定控制。充分利用了滞环控制抑制故障大电流速度快、效果显著的优点，能在保证双有源桥变换器不脱网的情况下实现变换器的低电压故障穿越，保护了直流设备以及有效地维护了直流微网的安全稳定运行。
由于以上实施方式均是在其他方式之上引用结合进行说明，不同实施例之间均具有相同的部分，本说明书中各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。在此不再详细阐述。
需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的电路结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种电路结构、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的电路结构、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。
以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (4)

1.一种双有源全桥直流变换器低电压穿越控制***，其特征在于，包括：故障检测单元、模式切换单元、PWM驱动单元、电压稳定控制单元和电流滞环控制单元，其中：
所述故障检测单元与所述模式切换单元电连接，用于检测电网状态信息，并将电网状态信息发送至所述模式切换单元；
所述模式切换单元根据电网状态切换连接方式，
当所述电网状态信息为正常时，所述模式切换单元与所述电压稳定控制单元连接；
当所述电网状态信息为故障时，所述模式切换单元与所述电流滞环控制单元连接；
所述模式切换单元还与所述PWM驱动单元电连接，所述PWM驱动单元用于根据所述模式切换单元的信息产生双有源桥变换器中各开关管的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的双有源全桥直流变换器低电压穿越控制***，其特征在于，所述故障检测单元包括瞬间冲击电流检测组件、电压峰值检测组件和DSP主控制板，其中：
所述瞬间冲击电流检测组件与所述DSP主控制板电连接，用于检测双有源桥变换器的输出电流是否高于电流给定值；
所述电压峰值检测组件与所述DSP主控制板电连接，用于检测双有源桥变换器的输出电压是否低于电压给定值。
3.一种双有源全桥直流变换器低电压穿越控制方法，其特征在于，包括：
故障检测单元采集双有源桥变换器的输出电压和电流，判断电网是否处于正常状态，并将判断信息发送到模式切换单元；
所述模式切换单元根据所述判断信息选择连通模式：
当判断信息为正常时，所述模式切换单元与电压稳定控制单元连接，PWM驱动单元的移相角参考值由电压稳定控制单元给定；
当判断信息为故障时，所述模式切换单元与所述电流滞环控制单元连接，PWM驱动单元的移相角参考值由电流滞环控制单元给定。
4.根据权利要求3所述的双有源全桥直流变换器低电压穿越控制方法，其特征在于，所述故障检测单元采集双有源桥变换器的输出电压和电流，判断电网是否处于正常状态包括：
瞬间冲击电流检测组件检测双有源桥变换器的输出电流是否高于电流给定值，电压峰值检测组件检测双有源桥变换器的输出电压是否低于电压给定值；
如果所述输出电流不高于电流给定值，且所述输出电压不低于所述电压给定值，DSP主控制板判断电网处于正常状态；
如果所述输出电流高于电流给定值，或所述输出电压低于所述电压给定值，DSP主控制板判断电网处于故障状态。
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