CN105577008A - 三相整流型电力电子变压器及其直流电压协调控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三相整流型电力电子变压器及其直流电压协调控制方法，其中变压器包括通过多直流侧相互连接的三相级联型H桥变流器、多DAB输出并联系统、三相电流解耦控制、总直流电压控制和多DAB并联系统的输入均压控制；本发明控制方法采用两级协调控制方式，输入级控制网侧电流和多直流电压的平均值，输出级则对多输入直流电压的平衡和输出电压进行控制.本发明具有实现简单方便，能够很好地实现网侧电流的无静差控制；无需为每个DAB模块输出增加电流传感器，因此降低了硬件成本。本发明简化了控制系统，在实现多直流电压均衡及多DAB功率平衡的同时，进一步提升了系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种整流型电力电子变压器以及多直流电压协调控制方法，属于高压大功率场合的多电平变流器直流电压控制技术领域。
背景技术
随着智能电网的发展，越来多的可再生能源接入电网,对电力系统的电能质量、稳定性及灵活性提出了更高的要求。而作为电力系统中最重要装置的电力变压器，其过于单一的功能不能完全满足现代电力系统的新要求。因此，电力电子技术的兴起给新型电力电子变压器的形成和发展提供了契机。电力电子变压器通过电力电子器件和中高频变压器来实现隔离的AC/AC变换，它不仅可以完成常规电力变压器的变压、隔离、能量转换的功能，还具有高度的可控性和灵活性，所以它的发展符合未来电网需求，有着非常重大的现实意义和经济、社会价值。
电子技术利用电力电子器件对电能实现了变换和控制。它优化了电能的使用，对改造传统产业和发展新兴产业创造了条件，并已经在电力系统中得到了广泛的应用，如高压直流输电和柔性交流输电。利用电力电子技术形成的装置使得电力系统发生了深刻的变化，通过控制这些电力电子装置优化了潮流、降低了网损、提高了电能传输效率和电能质量，并进一步提升了电力系统的稳定性。电力电子变压器正是在这一背景下出现的，它通过电力电子变换和高频电磁耦合实现了电力系统中的电压变换和电能传递，解决了传统电力变压器功能上的不足，将进一步推进智能电网的发展。而且由于采用了高频变压器，将大大降低了装置的体积和重量。
因而，研究电力电子变压器的拓扑及其控制规律具有十分重要的理论意义和应用价值。
发明内容
发明目的：一个目的是提供一种三相整流型电力电子变压器，以解决现有技术存在的上述问题。进一步的目的是提供直流电压协调控制方法。
技术方案：一种三相整流型电力电子变压器，包括通过多直流侧相互连接的三相级联型H桥变流器和多DAB输出并联系统，所述三相级联型H桥变流器中每相包括两个以上的通过交流端依序串联的H桥，所述多DAB输出并联系统包括数量与所述H桥相等的DAB模块；特点是还包括三相电流解耦控制、总直流电压控制和多DAB并联系统的输入均压控制；
所述总直流电压控制用于采集所述H桥的直流侧电压，并进一步获得指令有功电流值；所述三相电流解耦控制用于采集H桥交流侧的三相电压和三相电流，以及指令有功电流值，从而得到三相级联型H桥变流器所需的脉冲信号；所述多DAB并联系统的输入均压控制用于采集所述H桥的直流输出侧电压和三相整流型电力电子变压器系统的输出电压，进一步得到多DAB输出并联系统的脉冲信号。
优选的，所述H桥包括四个IGBT管，每个IGBT管反向并联一个二极管；每两个IGBT管构成一个桥臂，桥臂上侧IGBT管的发射极与下侧IGBT管的集电极连接；两组桥臂并联后形成H桥，再与电容C1并联形成直流输出端；两组桥臂的上侧IGBT发射极分别引出构成交流端。
优选的，所述DAB模块包括两组H桥和中频变压器，两组H桥的交流端分别与中频变压器的原副边相连；位于DAB模块一端的H桥的直流侧连接于三相级联型H桥变流器的直流输出端，另一端H桥的直流侧与其他DAB模块相互并联连接，与电容C2并联构成三相整流型电力电子变压器的直流输出。
优选的，三相级联型H桥变流器中，每相包括两个以上的通过交流端串联的H桥；三相之间的连接方式包括星型连接和三角形连接。
进一步优选的，所述总直流电压控制用于采集各H桥直流侧电压，计算H桥直流侧电压的平均值，将该平均值与直流电压指令值进行比较，经过比例积分调节器，获得指令有功电流值；
所述三相电流解耦控制用于采集交流侧的三相电压和三相电流，并对交流侧三相电流和三相电压分别进行abc/dq变换，得到电流有功分量、电流无功分量、电压有功分量和电压无功分量；通过电流有功分量、电流无功分量、电压有功分量和电压无功分量进行电流解耦控制，得到各相H桥的调制波；通过载波移相调制，得到各H桥的脉冲信号；
所述多DAB并联系统的输入均压控制用于采集各相中每一H桥直流输出侧电压，并和所有H桥直流电压的平均值进行比较，经过比例积分调节器得到各相中每一DAB模块的移相比修正值；
采集输出侧电压，并和输出电压指令值进行比较后，经过比例积分调节器，得到DAB模块的公共移相比；
利用DAB模块的公共移相比和每相中DAB模块的移相比修正值的差值即可得到对应相中对应DAB模块的移相比，最终经过移相调制得到多DAB输出并联系统中各DAB模块的脉冲信号。
用于上述三相整流型电力电子变压器的多直流电压协调控制方法，
采集各H桥直流侧电压，计算H桥直流侧电压的平均值，将该平均值与直流电压指令值进行比较，经过比例积分调节器，获得指令有功电流值；
采集交流侧的三相电压和三相电流，并对交流侧三相电流和三相电压分别进行abc/dq变换，得到电流有功分量、电流无功分量、电压有功分量和电压无功分量；通过电流有功分量、电流无功分量、电压有功分量和电压无功分量进行电流解耦控制，得到各相H桥的调制波；通过载波移相调制，得到各H桥的脉冲信号；
采集各相中每一H桥直流输出侧电压，并和所有H桥直流电压的平均值进行比较，经过比例积分调节器得到各相中每一DAB模块的移相比修正值；
采集输出侧电压，并和输出电压指令值进行比较后，经过比例积分调节器，得到DAB模块的公共移相比；
利用DAB模块的公共移相比和每相中DAB模块的移相比修正值的差值即可得到对应相中对应DAB模块的移相比，最终经过移相调制得到多DAB输出并联系统中各DAB模块的脉冲信号。
用于三相整流型电力电子变压器的多直流电压协调控制方法，包括如下步骤：
S1.1采集各H桥直流侧电压，计算H桥直流侧电压的平均值，将该平均值与直流电压指令值进行比较，经过比例积分调节器，获得指令有功电流值；
S1.2采集交流侧的三相电压和三相电流，并对交流侧三相电流和三相电压分别进行abc/dq变换，得到电流有功分量、电流无功分量、电压有功分量和电压无功分量；通过电流有功分量、电流无功分量、电压有功分量和电压无功分量进行电流解耦控制，得到各相H桥的调制波；通过载波移相调制，得到各H桥的脉冲信号；
S2.1采集各相中每一H桥的直流输出侧电压，并和所有H桥直流电压的平均值进行比较，经过比例积分调节器得到各相中每一DAB模块的移相比修正值；
S2.2采集输出侧电压，并和输出电压指令值进行比较后，经过比例积分调节器，得到DAB模块的公共移相比；
S2.3利用DAB模块的公共移相比和每相中DAB模块的移相比修正值的差值即可得到对应相中对应DAB模块的移相比，最终经过移相调制得到多DAB输出并联系统中各DAB模块的脉冲信号。
有益效果：本发明具有实现简单方便，能够很好地实现网侧电流的无静差控制；本发明无需为每个DAB模块输出增加电流传感器，因此降低了硬件成本；本发明控制方法采用两级协调控制方式，输入级控制网侧电流和多直流电压的平均值，输出级则对多输入直流电压的平衡和输出电压进行控制；简化了控制系统，在实现多直流电压均衡及多DAB功率平衡的同时，进一步提升了系统的可靠性。
附图说明
图1是本发明的结构框图。
图2是本发明单相系统的结构示意图。
图3a和图3b分别是三相系统的两种连接方式示意图。
图4是本发明三相级联型H桥变流器的总直流电压控制。
图5是本发明多DAB输出并联系统的输入均压控制。
具体实施方式
如图1所示，本发明三相整流型电力电子变压器，包括三相级联型H桥变流器1、多DAB(DualActiveBridge双有源桥)输出并联系统2、三相电流解耦控制3、总直流电压控制4和多DAB并联系统的输入均压控制5。
其中，三相级联型H桥变流器1和多DAB输出并联系统2通过多直流侧相互连接，其各相分别包括n个子模块，n为正整数。
总直流电压控制4用以采集所有H桥直流侧电压udcxi，从而得到指令有功电流值其中x表示相别(取A、B、C)，i表示单元编号(取1～n)；
三相电流解耦控制3用以采集交流侧A、B、C三相电压eA,B,C和三相电流iA,B,C，以及指令有功电流值得到三相级联型H桥变流器1所需的脉冲信号；
多DAB并联系统输入均压控制5用以采集所有H桥直流输出侧电压udcxi以及三相整流型电力电子变压器系统输出电压udc2，得到多DAB输出并联系统2的脉冲信号。
转到图2，描述三相级联型H桥变流器1和多DAB输出并联系统2的技术细节。
在图2的左上方，三相级联型H桥变流器1所述的子模块包括四个IGBT管，每个IGBT管各反向并联一个二极管，每两个IGBT管构成一个桥臂，通过上侧IGBT管发射极的与下侧IGBT管的集电极连接，两组桥臂通过并联方式构成H桥，并与电容C1并联形成直流输出端；两组桥臂的上侧IGBT发射极分别引出构成交流端；每相由n个模块通过交流端串联而成，并与相应的电网注入端串联交流电抗器L.
在图2的右上方，多DAB输出并联系统2中的每个DAB子模块由两组H桥交流端分别与中频变压器T的原副边相连构成；DAB子模块一端H桥的直流侧连接于三相级联型H桥变流器1的直流输出端，另一端H桥的直流侧与其他DAB相互并联连接于电容C2构成三相整流型电力电子变压器的直流输出。
如图3所示，三相之间可以采用星型或者三角形的连接方式。
结合图4描述本发明的直流电压协调控制方法。
S1、总直流电压控制及三相电流解耦控制
S1.1采集各H桥直流侧电压udcxi，计算所有H桥直流侧电压的平均值
S1.2将所有H桥直流侧电压的平均值与直流电压指令值进行比较后，经过比例积分(PI)调节器，得到指令有功电流值
S1.3对交流侧三相线电流iA,B,C和三相相电压eA,B,C分别进行abc/dq变换，得到电流有功分量id、电流无功分量iq、电压有功分量ed、电压无功分量eq。
S1.4通过iq、ed、eq进行电流解耦控制，得到A相H桥单元调制波B相H桥单元调制波C相H桥单元调制波最终通过载波移相调制，得到各H桥模块的脉冲信号。
S2、多DAB并联系统的输入均压控制
S2.1采集输出侧电压udc2,并和输出电压指令值进行比较后，经过比例积分(PI)调节器，得到DAB模块的公共移相比d。
S2.2采集x相第i个H桥电压udcxi，并和所有H桥直流电压平均值进行比较，经过比例积分(PI)调节器，得到x相第i个DAB模块的移相比修正值Δdxi。
S2.3利用DAB模块的公共移相比d和x相第i个DAB模块的移相比修正值Δdxi的差值即可得到x相第i个DAB模块的移相比dxi，最终经过移相调制得到多DAB输出并联系统中各DAB模块的脉冲信号。
转到图4。图4为输入级总直流电压控制，主要由电流解耦控制构成，最终形成各H桥单元的调制波相比于分级独立控制，该级不需要控制各DAB模块的输入电压均衡，各相内H桥单元的调制波保持一致。
图5为直流输出级的均压控制。并联DAB系统的实际输出电压udc2与指令值udcref的差值经过PI调节器后形成公共移相比d，同时各DAB模块的输入电压udcx1，udcx2，……，udcxn与输入级各直流侧电压总平均值的差值经过PI环节形成各DAB模块的移相比修正值Δdx1，Δdx2，……，Δdxn，最终共同产生各单元移相比dx1，dx2，……，dxn。
该方法不需要采集各DAB变换器的输出电流值，一方面减少了控制系统的成本，另一方面也降低了控制算法的复杂度。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种三相整流型电力电子变压器，包括通过多直流侧相互连接的三相级联型H桥变流器（1）和多DAB输出并联系统（2），所述三相级联型H桥变流器（1）中每相包括两个以上的通过交流端依序串联的H桥，所述多DAB输出并联系统包括数量与所述H桥相等的DAB模块；其特征在于，
还包括三相电流解耦控制（3）、总直流电压控制（4）和多DAB并联系统的输入均压控制（5）；
所述总直流电压控制（4）用于采集所述H桥的直流侧电压，并进一步获得指令有功电流值；
所述三相电流解耦控制（3）用于采集H桥交流侧的三相电压和三相电流，以及指令有功电流值，从而得到三相级联型H桥变流器（1）所需的脉冲信号；
所述多DAB并联系统的输入均压控制（5）用于采集所述H桥的直流输出侧电压和三相整流型电力电子变压器系统的输出电压，进一步得到多DAB输出并联系统（2）的脉冲信号。
2.如权利要求1所述的三相整流型电力电子变压器，其特征在于，所述H桥包括四个IGBT管，每个IGBT管反向并联一个二极管；每两个IGBT管构成一个桥臂，桥臂上侧IGBT管的发射极与下侧IGBT管的集电极连接；两组桥臂并联后形成H桥，再与电容C1并联形成直流输出端；两组桥臂的上侧IGBT发射极分别引出构成交流端。
3.如权利要求1或2所述的三相整流型电力电子变压器，其特征在于，所述DAB模块包括两组H桥和中频变压器，两组H桥的交流端分别与中频变压器的原副边相连；位于DAB模块一端的H桥的直流侧连接于三相级联型H桥变流器（1）的直流输出端，另一端H桥的直流侧与其他DAB模块相互并联连接，与电容C2并联构成三相整流型电力电子变压器的直流输出。
4.如权利要求2所述的三相整流型电力电子变压器，其特征在于，三相级联型H桥变流器中，每相包括两个以上的通过交流端串联的H桥；三相之间的连接方式包括星型连接和三角形连接。
5.如权利要求1、2或4所述的三相整流型电力电子变压器，其特征在于，
所述总直流电压控制（4）用于采集各H桥直流侧电压，计算H桥直流侧电压的平均值，将该平均值与直流电压指令值进行比较，经过比例积分调节器，获得指令有功电流值；
所述三相电流解耦控制（3）用于采集交流侧的三相电压和三相电流，并对交流侧三相电流和三相电压分别进行abc/dq变换，得到电流有功分量、电流无功分量、电压有功分量和电压无功分量；通过电流有功分量、电流无功分量、电压有功分量和电压无功分量进行电流解耦控制，得到各相H桥的调制波；通过载波移相调制，得到各H桥的脉冲信号；
所述多DAB并联系统的输入均压控制（5）用于采集各相中每一H桥直流输出侧电压，并和所有H桥直流电压的平均值进行比较，经过比例积分调节器得到各相中每一DAB模块的移相比修正值；
采集输出侧电压，并和输出电压指令值进行比较后，经过比例积分调节器，得到DAB模块的公共移相比；
利用DAB模块的公共移相比和每相中DAB模块的移相比修正值的差值即可得到对应相中对应DAB模块的移相比，最终经过移相调制得到多DAB输出并联系统中各DAB模块的脉冲信号。
6.用于三相整流型电力电子变压器的多直流电压协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.1采集各H桥直流侧电压，计算H桥直流侧电压的平均值，将该平均值与直流电压指令值进行比较，经过比例积分调节器，获得指令有功电流值；
S1.2采集交流侧的三相电压和三相电流，并对交流侧三相电流和三相电压分别进行abc/dq变换，得到电流有功分量、电流无功分量、电压有功分量和电压无功分量；通过电流有功分量、电流无功分量、电压有功分量和电压无功分量进行电流解耦控制，得到各相H桥的调制波；通过载波移相调制，得到各H桥的脉冲信号；
S2.1采集各相中每一H桥的直流输出侧电压，并和所有H桥直流电压的平均值进行比较，经过比例积分调节器得到各相中每一DAB模块的移相比修正值；
S2.2采集输出侧电压，并和输出电压指令值进行比较后，经过比例积分调节器，得到DAB模块的公共移相比；
S2.3利用DAB模块的公共移相比和每相中DAB模块的移相比修正值的差值即可得到对应相中对应DAB模块的移相比，最终经过移相调制得到多DAB输出并联系统中各DAB模块的脉冲信号。
7.用于权利要求1至4任一项所述的三相整流型电力电子变压器的多直流电压协调控制方法，其特征在于，
采集各H桥直流侧电压，计算H桥直流侧电压的平均值，将该平均值与直流电压指令值进行比较，经过比例积分调节器，获得指令有功电流值；
采集交流侧的三相电压和三相电流，并对交流侧三相电流和三相电压分别进行abc/dq变换，得到电流有功分量、电流无功分量、电压有功分量和电压无功分量；通过电流有功分量、电流无功分量、电压有功分量和电压无功分量进行电流解耦控制，得到各相H桥的调制波；通过载波移相调制，得到各H桥的脉冲信号；
采集各相中每一H桥直流输出侧电压，并和所有H桥直流电压的平均值进行比较，经过比例积分调节器得到各相中每一DAB模块的移相比修正值；
采集输出侧电压，并和输出电压指令值进行比较后，经过比例积分调节器，得到DAB模块的公共移相比；
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