CN112054690A - 一种直流变压器控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种直流变压器控制方法，所述的直流变压器由多单元隔离型串联谐振双有源桥变换器输入串联输出并联组成。在运行过程中，直流变压器内部部分功率模块采用断续50％占空比方波电压开环控制方式，部分功率模块采用变频移相电压闭环控制方式。与现有控制技术相比，本发明在保证直流变压器电压/功率灵活调控的同时，可有效提高***电能传输效率。

Description

一种直流变压器控制方法
技术领域
本发明涉及一种直流变压器控制方法。
背景技术
近年来，多类型分布式能源、储能设备及直流用电负荷的出现促使传统交流配电***呈现多元化发展。与传统交流配电***相比，通过构建直流配电网可以直接实现可再生能源与直流负荷之间的能量交互，从而节省大量电能变换环节，减小成本、降低损耗，提高电能传输效率。另外，直流配电网具有供电容量更大、供电半径更长、电能质量问题不突出，不存在无功补偿问题等优势。
在直流配电***中，直流变压器作为连接中低压母线的关键设备，内部集成了电力电子变换器及高频变压器，可实现直流电压变换、电气隔离及功率控制等功能。此外，不同于传统交流变压器，直流变压器还具备装置自动保护及故障自隔离等功能。
面向中压10kV等级配电应用的直流变压器，受功率半导体耐压水平限制，一般可由多个功率模块构成，且各模块按照高压侧级联低压侧并联方式连接。目前常见的功率模块类型包括移相双有源桥变换器和串联谐振双有源桥变换器。与移相双有源桥变换器相比，串联谐振双有源桥变换器由于在高频环节串联谐振电容，可有效隔离直流分量，高频变压器不会出现直流偏磁现象。
目前，关于串联谐振双有源桥型直流变压器常见的控制模式主要包括同步50％占空比方波电压开环控制方式及变频移相电压闭环控制方式。在开环控制方式下，高、低压侧H桥变换器输出同频同相50％占空比方波电压，由于模块内部线路损耗导致高、低压侧电压差将作用于内部LC谐振网络从而产生同频同相正弦电流，且方波电压极性反转时高频电流为零，实现零电流软开关。对于开环控制模式，虽然内部开关器件均可实现软开关运行，但是在该种控制模式下，***运行效率相对较高，但是功率模块电压及传输功率不可控。在变频移相电压闭环控制方式下，虽然***的可控性提高，但是内部器件在进行关断时电流非零，关断过程仍存有损耗，无法实现全部器件软开关运行。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺点，提出一种直流变压器控制方法。本发明控制方法主要适用于多功率模块输入串联输出并联型直流变压器，且各功率模块均采用串联谐振双有源桥变换器。在运行过程中，直流变压器内部部分功率模块采用断续50％占空比方波电压开环控制方式，部分功率模块采用变频移相电压闭环控制方式。与现有控制技术相比，本发明在保证直流变压器电压/功率灵活调控的同时，可有效提高***电能传输效率。
所述的直流变压器由N台串联谐振型双有源桥变换器构成，N的取值范围为3～15；每台串联谐振型双有源桥变换器均作为直流变压器功率模块；所述的直流变压器中，N台直流变压器功率模块的结构相同，N台直流变压器功率模块的结构相同，各功率模块高压侧储能电容CH1容值相同，各功率模块低压侧储能电容CL1容值相同，各功率模块高频变压器TFH1的电压变比、漏感及磁芯材料相同。各台直流变压器功率模块由高压侧储能电容CH1、高压侧H桥单元、高压侧谐振电容Cr1、高频变压器TFH1、低压侧谐振电容Cr2、低压侧H桥单元，以及低压侧储能电容CL1组成。高压侧H桥单元与高压侧直流储能单元CH1并联连接，低压侧H桥单元与低压侧储能单元CL1并联连接，高压侧H桥单元的端子q与高压侧谐振电容Cr1的正极相连，低压侧H桥单元的端子w与低压侧谐振电容Cr2的负极相连，高频变压器TFH1的高压侧上端s与高压侧谐振电容Cr1的负极相连，高频变压器TFH1的高压侧下端t与高压侧H桥单元的端子r相连，高频变压器TFH1的低压侧上端u与低压侧谐振电容Cr2的正极相连，高频变压器TFH1的低压侧下端v与低压侧H桥单元的端子x相连；同时高压侧H桥单元的两端分别连接直流变压器功率模块的高压侧储能电容CH1的正极端子o和负极端子p，低压侧H桥单元的两端分别连接直流变压器功率模块低压侧储能电容CL1的正极端子y和负极端子z；直流变压器的各台功率模块在高压直流侧采用串联方式连接，在低压直流侧采用并联方式连接；每台直流变压器功率模块高压侧储能电容CH1的正极端子a连接至相邻直流变压器高压侧储能电容CH1的负极端子b。每台直流变压器功率模块低压侧储能电容CL1的正极端子y均连接至相邻直流变压器功率模块低压侧储能电容CL1的正极端子y，每台直流变压器功率模块低压侧储能电容CL1的负极端子z均连接至相邻直流变压器功率模块低压侧储能电容CL1的负极端子z；所述的直流变压器中，第一直流变压器功率模块高压侧储能电容CH1的正极端子a连接至第一直流端口正极端子P1，第N直流变压器功率模块高压侧储能电容CH1的负极端子b连接至第一直流端口负极端子N1；第一直流变压器功率模块低压侧储能电容CL1的正极端子y连接至第二直流端口正极端子P2，第一直流变压器功率模块低压侧储能电容CL1的负极端子z连接至第二直流端口正极端子N2。
所述的直流变压器在运行过程中，直流变压器内部的第一至第M台功率模块采用断续50％占空比方波电压开环控制模式，M在取值时小于直流变压器功率模块数量N；为避免传输功率出现回流，所述的第一至第M台功率模块当功率由高压侧向低压侧流动时，需闭锁低压侧H桥变换器的开关器件，且高压侧变换器输出工作频率为fs1的50％占空比方波电压；当功率由低压侧向高压侧流动时，闭锁高压侧H桥变换器的开关器件，低压侧H桥变换器输出工作频率为fs1的50％占空比方波电压；开关器件工作频率fs1与LC谐振网络工作频率fr1不相同，且满足fs1＝fr1/(1+2fr1TD)，其中TD为变换器死区时间；在该控制模式下，流入高频变压器的电流在每个开环周期内呈现断续，且断续时间为2TD；直流变压器内部第M+1至第N台功率模块采用变频移相电压闭环控制模式，在该控制模式下第M+1至第N台功率模块内部高低压侧H桥变换器输出存有相位差φ且频率均为fs2的50％占空比方波电压，相位差φ通过传统低压侧电容电压闭环控制得到。当能量从高压侧传递至低压侧时，高压侧H桥变换器输出50％占空比方波电压相位超前于低压侧H桥变换器输出50％占空比方波电压相位；当功率由低压侧向高压侧流动时，则高压侧H桥变换器输出50％占空比方波电压相位滞后于低压侧H桥变换器输出50％占空比方波电压相位；此外，开关器件工作频率fs2与LC谐振网络工作频率fr1不同，且开关器件工作频率fs2高于LC谐振网络工作频率fr1。
所述的直流变压器采用本发明控制方法时，M的取值根据直流变压器实际运行工况调整：当所控制的低压直流侧电压uo、功率模块内部高频变压器电压变比ktf、直流变压器功率模块数量N及高压直流侧电压uI之间满足uI/(Nktfuo)≠1时，M与直流变压器功率模块数量N之间满足M＝fix[0.5N]，其中fix[x]为向下取整函数；当所控制的低压直流侧电压uo、功率模块内部高频变压器电压变比ktf、直流变压器功率模块数量N及高压直流侧电压uI之间满足uI/Nktfuo＝1时，M的取值范围为fix[0.5N]≤M＜N，且在调整时M需要结合离线仿真结果确定，且最佳的M取值应满足在直流变压器工作在额定功率时，其余N-M台功率模块高压侧和低压侧的H桥所输出的50％占空比方波电压移相角为30°。
与传统开环或移相闭环控制策略相比，本发明所提出的直流变压器控制策略在***经济成本允许的范围内，可实现部分功率模块内部所有开关器件工作在零电流软开关，从而有效提高***电能传输效率，保证电压及功率调节的灵活性。
附图说明
图1为本发明所述的直流变压器结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
本发明的直流变压器如图1所示。所述的直流变压器由N台串联谐振型双有源桥变换器构成，N的取值范围为3～15；每台串联谐振型双有源桥变换器均作为直流变压器功率模块；所述的直流变压器中，N台直流变压器功率模块的结构相同，N台直流变压器功率模块的结构相同，各功率模块高压侧储能电容CH1容值相同，各功率模块低压侧储能电容CL1容值相同，各功率模块高频变压器TFH1的电压变比、漏感及磁芯材料相同。各台直流变压器功率模块由高压侧储能电容CH1、高压侧H桥单元、高压侧谐振电容Cr1、高频变压器TFH1、低压侧谐振电容Cr2、低压侧H桥单元，以及低压侧储能电容CL1组成。高压侧H桥单元与高压侧直流储能单元CH1并联连接，低压侧H桥单元与低压侧储能单元CL1并联连接，高压侧H桥单元的端子q与高压侧谐振电容Cr1的正极相连，低压侧H桥单元的端子w与低压侧谐振电容Cr2的负极相连，高频变压器TFH1的高压侧上端s与高压侧谐振电容Cr1的负极相连，高频变压器TFH1的高压侧下端t与高压侧H桥单元的端子r相连，高频变压器TFH1的低压侧上端u与低压侧谐振电容Cr2的正极相连，高频变压器TFH1的低压侧下端v与低压侧H桥单元的端子x相连；同时高压侧H桥单元的两端分别连接直流变压器功率模块的高压侧储能电容CH1的正极端子o和负极端子p，低压侧H桥单元的两端分别连接直流变压器功率模块低压侧储能电容CL1的正极端子y和负极端子z；直流变压器的各台功率模块在高压直流侧采用串联方式连接，在低压直流侧采用并联方式连接；每台直流变压器功率模块高压侧储能电容CH1的正极端子a连接至相邻直流变压器高压侧储能电容CH1的负极端子b。每台直流变压器功率模块低压侧储能电容CL1的正极端子y均连接至相邻直流变压器功率模块低压侧储能电容CL1的正极端子y，每台直流变压器功率模块低压侧储能电容CL1的负极端子z均连接至相邻直流变压器功率模块低压侧储能电容CL1的负极端子z；所述的直流变压器中，第一直流变压器功率模块高压侧储能电容CH1的正极端子a连接至第一直流端口正极端子P1，第N直流变压器功率模块高压侧储能电容CH1的负极端子b连接至第一直流端口负极端子N1；第一直流变压器功率模块低压侧储能电容CL1的正极端子y连接至第二直流端口正极端子P2，第一直流变压器功率模块低压侧储能电容CL1的负极端子z连接至第二直流端口正极端子N2。
所述的直流变压器在运行过程中，直流变压器内部的第一至第M台功率模块采用断续50％占空比方波电压开环控制模式，M在取值时小于直流变压器功率模块数量N；为避免传输功率出现回流，所述的第一至第M台功率模块当功率由高压侧向低压侧流动时，需闭锁低压侧H桥变换器的开关器件，且高压侧变换器输出工作频率为fs1的50％占空比方波电压；当功率由低压侧向高压侧流动时，闭锁高压侧H桥变换器的开关器件，低压侧H桥变换器输出工作频率为fs1的50％占空比方波电压；开关器件工作频率fs1与LC谐振网络工作频率fr1不相同，且满足fs1＝fr1/(1+2fr1TD)，其中TD为变换器死区时间；在该控制模式下，流入高频变压器的电流在每个开环周期内呈现断续，且断续时间为2TD；直流变压器内部第M+1至第N台功率模块采用变频移相电压闭环控制模式，在该控制模式下第M+1至第N台功率模块内部高低压侧H桥变换器输出存有相位差φ且频率均为fs2的50％占空比方波电压，相位差φ通过传统低压侧电容电压闭环控制得到。当能量从高压侧传递至低压侧时，高压侧H桥变换器输出50％占空比方波电压相位超前于低压侧H桥变换器输出50％占空比方波电压相位；当功率由低压侧向高压侧流动时，则高压侧H桥变换器输出50％占空比方波电压相位滞后于低压侧H桥变换器输出50％占空比方波电压相位；此外，开关器件工作频率fs2与LC谐振网络工作频率fr1不同，且开关器件工作频率fs2高于LC谐振网络工作频率fr1。
所述的直流变压器采用本发明控制方法时，M的取值根据直流变压器实际运行工况调整：当所控制的低压直流侧电压uo、功率模块内部高频变压器电压变比ktf、直流变压器功率模块数量N及高压直流侧电压uI之间满足uI/(Nktfuo)≠1时，M与直流变压器功率模块数量N之间满足M＝fix[0.5N]，其中fix[x]为向下取整函数；当所控制的低压直流侧电压uo、功率模块内部高频变压器电压变比ktf、直流变压器功率模块数量N及高压直流侧电压uI之间满足uI/Nktfuo＝1时，M的取值范围为fix[0.5N]≤M＜N，且在调整时M需要结合离线仿真结果确定，且最佳的M取值应满足在直流变压器工作在额定功率时，其余N-M台功率模块高压侧和低压侧的H桥所输出的50％占空比方波电压移相角为30°。

Claims (2)

1.一种直流变压器控制方法，所述的直流变压器由N台串联谐振型双有源桥变换器构成，N的取值范围为3～15；每台串联谐振型双有源桥变换器均作为直流变压器功率模块；所述的直流变压器中，N台直流变压器功率模块的结构相同，各功率模块高压侧储能电容CH1容值相同，各功率模块低压侧储能电容CL1容值相同，各功率模块高频变压器TFH1的电压变比、漏感及磁芯材料相同；各台直流变压器功率模块由高压侧储能电容CH1、高压侧H桥单元、高压侧谐振电容Cr1、高频变压器TFH1、低压侧谐振电容Cr2、低压侧H桥单元，以及低压侧储能电容CL1组成；高压侧H桥单元与高压侧直流储能单元CH1并联连接，低压侧H桥单元与低压侧储能单元CL1并联连接，高压侧H桥单元的端子q与高压侧谐振电容Cr1的正极相连，低压侧H桥单元的端子w与低压侧谐振电容Cr2的负极相连，高频变压器TFH1的高压侧上端s与高压侧谐振电容Cr1的负极相连，高频变压器TFH1的高压侧下端t与高压侧H桥单元的端子r相连，高频变压器TFH1的低压侧上端u与低压侧谐振电容Cr2的正极相连，高频变压器TFH1的低压侧下端v与低压侧H桥单元的端子x相连；同时高压侧H桥单元的两端分别连接直流变压器功率模块的高压侧储能电容CH1的正极端子o和负极端子p，低压侧H桥单元的两端分别连接直流变压器功率模块低压侧储能电容CL1的正极端子y和负极端子z；直流变压器的各台功率模块在高压直流侧采用串联方式连接，在低压直流侧采用并联方式连接；每台直流变压器功率模块高压侧储能电容CH1的正极端子a连接至相邻直流变压器高压侧储能电容CH1的负极端子b；每台直流变压器功率模块低压侧储能电容CL1的正极端子y均连接至相邻直流变压器功率模块低压侧储能电容CL1的正极端子y，每台直流变压器功率模块低压侧储能电容CL1的负极端子z均连接至相邻直流变压器功率模块低压侧储能电容CL1的负极端子z；所述的直流变压器中，第一直流变压器功率模块高压侧储能电容CH1的正极端子a连接至第一直流端口正极端子P1，第N直流变压器功率模块高压侧储能电容CH1的负极端子b连接至第一直流端口负极端子N1；第一直流变压器功率模块低压侧储能电容CL1的正极端子y连接至第二直流端口正极端子P2，第一直流变压器功率模块低压侧储能电容CL1的负极端子z连接至第二直流端口正极端子N2，
其特征在于，所述的直流变压器在运行过程中，直流变压器内部的第一至第M台功率模块采用断续50％占空比方波电压开环控制模式，M在取值时小于直流变压器功率模块数量N；为避免传输功率出现回流，所述的第一至第M台功率模块当功率由高压侧向低压侧流动时，需闭锁低压侧H桥变换器的开关器件，且高压侧变换器输出工作频率为fs1的50％占空比方波电压；当功率由低压侧向高压侧流动时，闭锁高压侧H桥变换器的开关器件，低压侧H桥变换器输出工作频率为fs1的50％占空比方波电压；开关器件工作频率fs1与LC谐振网络工作频率fr1不相同，且满足fs1＝fr1/(1+2fr1TD)，其中TD为变换器死区时间；在该控制模式下，流入高频变压器的电流在每个开环周期内呈现断续，且断续时间为2TD；直流变压器内部第M+1至第N台功率模块采用变频移相电压闭环控制模式，在该控制模式下第M+1至第N台功率模块内部高低压侧H桥变换器输出存有相位差
Figure FDA0002664843670000021
且频率均为fs2的50％占空比方波电压，相位差
Figure FDA0002664843670000022
通过传统低压侧电容电压闭环控制得到；当能量从高压侧传递至低压侧时，高压侧H桥变换器输出50％占空比方波电压相位超前于低压侧H桥变换器输出50％占空比方波电压相位；当功率由低压侧向高压侧流动时，则高压侧H桥变换器输出50％占空比方波电压相位滞后于低压侧H桥变换器输出50％占空比方波电压相位；此外，开关器件工作频率fs2与LC谐振网络工作频率fr1不同，且开关器件工作频率fs2高于LC谐振网络工作频率fr1。
2.根据权利要求1所述的直流变压器控制方法，其特征在于：M的取值根据直流变压器实际运行工况调整：当所控制的低压直流侧电压uo、功率模块内部高频变压器电压变比ktf、直流变压器功率模块数量N及高压直流侧电压uI之间满足uI/(Nktfuo)≠1时，M与直流变压器功率模块数量N之间满足M＝fix[0.5N]，其中fix[x]为向下取整函数；当所控制的低压直流侧电压uo、功率模块内部高频变压器电压变比ktf、直流变压器功率模块数量N及高压直流侧电压uI之间满足uI/Nktfuo＝1时，M的取值范围为fix[0.5N]≤M＜N，且在调整时M需要结合离线仿真结果确定，且最佳的M取值应满足在直流变压器工作在额定功率时，其余N-M台功率模块高压侧和低压侧的H桥所输出的50％占空比方波电压移相角为30°。
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