一种基于恒功率负载的交直变换器及其控制方法与流程

1.本公开涉及电力技术领域，尤其涉及一种基于恒功率负载的交直变换器及 其控制方法。


背景技术：

2.随着分布式新能源的发展，直流微电网受到了越来越多的应用。通过交直 变换器连接交流配电网，可以很大程度提高直流微电网的供电可靠性。当负载 变换器连接恒定电阻时，其输出功率恒定，呈现恒功率特性。然而，实际应用 中可能会出现恒功率负载呈现负阻抗特性，降低了整个电网系统的稳定性和可 靠性。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本公开的目的在于提出一种基于恒功率负载的交直变换器及其 控制方法。
4.基于上述目的，本公开提供了一种基于恒功率负载的交直变换器的控制方 法，包括：
5.基于所述交直变换器中开关单元的输出电流i
odc
和直流侧电压v
dc
，得到恒 功率负载的功率观测值p
cpl
*；
6.基于所述功率观测值p
cpl
*计算所述交直变换器的输出有功电流的预测值 i
od1
*；
7.基于所述输出直流电压v
dc
和参考电压v
dc
*进行非线性比例积分调节，得 到调节输出
△iod
*；
8.由i
od1
*与
△iod
*相加，得到交流输出电流的参考有功分量i
od
*。
9.基于所述交流输出电流的参考有功分量i
od
*、交流侧线电流的有功分量i
od
、 交流侧线电流的无功分量i
oq
和交流输出电流的参考无功分量i
oq
*，得到所述交 直变换器输出线电压的有功分量v
od
和无功分量v
oq；
10.基于所述有功分量v
od
和无功分量v
oq
对所述交直变换器的开关单元进行控 制。
11.另一方面，本公开提供了一种交直变换器，采用根据第一方面所述的方法 进行控制。
12.从上面所述可以看出，本公开提供的对于恒功率负载的交直变换器控制方 法，通过对恒功率负载进行观测，采用非线性比例积分和无源控制对交直变换 器进行控制，实现了快速跟踪负载的变化，动态性能好，快速消除静态误差， 提高了电网系统的稳定性和可靠性。
附图说明
13.为了更清楚地说明本公开或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相 关技术描述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 图仅仅是本公开的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳 动的前提下，还可以根据这
些附图获得其他的附图。
14.图1为根据本公开实施例的交直变换器的示意性主电路图；图2为根据本公开实施例的对于恒功率负载的交直变换器控制方法的示意性原理图；图3为根据本公开实施例的交直变换器的交流电压和电流波形的示意性图；图4为根据本公开实施例的交直变换器的有功电流的参考值和输出值的示意性图；图5为根据本公开实施例的交直变换器的直流电压参考值和输出值的示意性图；图6为根据本公开实施例的交直变换器的恒功率负载值和观测值的示意性图。
15.具体实施方式
16.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例， 并参照附图，对本公开进一步详细说明。
17.需要说明的是，除非另外定义，本公开实施例使用的技术术语或者科学术 语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开实 施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重 要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指 出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其 等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定 于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接 的。
18.恒功率负载可以指呈现负载功率恒定特性的负载。而负阻抗特性可以指电 路或电子元件在特定的电压范围或电流范围内呈现电流增加而电压减少的特 性。直流微电网中，当连接交流配电网的交直变换器的恒功率负载呈现负阻抗 特性时，会危及系统的稳定性和可靠性。因此，如何在恒功率负载呈现负阻抗 特性时，提高系统的稳定性和可靠性成为亟需解决的技术问题。
19.鉴于此，本公开实施例提供了一种对于恒功率负载的交直变换器控制方 法，通过对恒功率负载进行观测，快速跟踪负载的变化，快速消除静态误差， 提高了系统的稳定性。
20.参见图1，图1示出了根据本公开实施例的交直变换器的示意性主电路图。 图1中，交直变换器包括第一电感l
a1
、第二电感l
b1
和第三电感l
c1
，第一电 感l
a1
、第二电感l
b1
和第三电感l
c1
的第一端分别连接至交流电网n，第一电 感l
a1
的第二端与第一电容ca的第一端连接，第二电感l
b1
的第二端与第二电 容cb的第一端连接，第三电感l
c1
的第二端与第三电容cc的第一端连接；第 一电容ca、第二电容cb和第三电容cc的第二端相互连接。第一电阻g
fa
与第 一电容ca并联连接，第二电阻g
fb
与第二电容cb并联连接，第三电阻g
fc
与第 一电容cc并联连接。第四电感l
a2
的第一端连接至第一电感l
a1
和第一电容ca的连接点，第四电感l
a2
的第二端连接至第四电阻r
a1
的第一端；第五电感l
b2
的第一端连接至第二电感l
b1
和第二电容cb的连接点，第五电感l
b2
的第二端 连接至第五电阻r
b1
的第一端；第六电感l
c2
的第一端连接至第三电感l
c1
和第 第三电容cc的连接点，第六电感l
c2
的第二端连接至第六电阻r
c1
的第一端。
21.第四电阻r
a1
的第二端连接至第一开关s
a1
和第二开关s
a2
的连接点，第五 电阻r
b1
的
第二端连接至第三开关s
b1
和第四开关s
b2
的连接点，第六电阻r
c1
的第二端连接至第五开关s
c1
和第六开关s
c2
的连接点。
22.第一开关s
a1
的第一端、第三开关s
b1
的第一端和第五开关s
c1
的第一端相 互连接，记为第一连接点；第一开关s
a1
的第二端和第二开关s
a2
的第一端连接， 第三开关s
b1
的第二端和第四开关s
b2
的第一端连接，第五开关s
c1
的第二端和 第六开关sc的第一端连接；以及第二开关s
a2
的第二端、第四开关s
b2
的第二 端和第六开关s
c2
的第二端相互连接，记为第二连接点。
23.直流电容c、直流侧等效电阻r2和恒功率负载p
cpl
连接于第一连接点和 第二连接点之间。
24.参见图2，图2示出了根据本公开实施例的对于恒功率负载的交直变换器 控制方法的示意性原理图。如图2所示，对于恒功率负载的交直变换器控制方 法可以包括：
25.步骤s210，基于所述交直变换器中开关单元的输出电流i
odc
和直流侧电压 v
dc
，得到恒功率负载的功率观测值p
cpl
*。
26.具体来说，功率观测值p
cpl
*可以表示为，
[0027][0028]
式中pa为中间变量值，γ为观测器系数；r2为直流侧等效电阻值，c为直 流电容，v
dc
为直流侧电压，i
odc
为开关单元的输出电流。
[0029]
其中，开关单元可以包括图1中第一开关s
a1
至第六开关s
c2
，开关单元的 输出电流i
odc
则为上桥臂的电流和，即第一开关s
a1
、第三开关s
b1
和第五开关 s
c1
的电流和。
[0030]
步骤s220，基于所述功率观测值p
cpl
*计算所述交直变换器的输出有功电 流的预测值i
od1
*。
[0031]
具体实施中，输出有功电流的预测值i
od1
*可以表示为：
[0032][0033]
式中vd和vq为交流侧线电压的有功分量和无功分量，i
oq
为交流输出电流 的无功分量。
[0034]
在一些实施例中，交流侧线电压的有功分量vd和交流侧线电压的无功分量 vq可以基于abc坐标系下交流侧线电压v
ab
、v
bc
、v
ca
进行dq变换计算得到。例 如，交流侧相电压v
oa
、v
ob
、v
oc
可以分别为图1中第一开关s
a1
和第二开关s
a2
的连接点、第三开关s
b1
和第四开关s
b2
的连接点和第五开关s
c1
和第六开关s
c2
的连接点的电压，交流侧线电压v
ab
＝v
oa-v
ob
、交流侧线电压v
bc
＝v
ob-v
oc
、交流侧 线电压v
ca
＝v
oc-v
oa
。
[0035]
在一些实施例中，交流侧线电流的有功分量i
od
和交流侧线电流的无功分 量i
oq
可以基于交流侧相电流i
oa
、i
ob
、i
oc
进行dq变换计算得到。例如，交流侧 相电流i
oa
、i
ob
、i
oc
可以分别为图1中第四电阻r
a1
、第五电阻r
b1
和第六电阻 r
c1
的输出电流。
[0036]
步骤s230，基于所述输出直流电压v
dc
和参考电压v
dc
*进行非线性比例积 分调节，
得到参考电流修正值
△iod
*。
[0037]
在一些实施例中，步骤s230可以进一步包括：
[0038]
基于所述输出直流电压v
dc
和参考电压v
dc
*得到输入偏差e；
[0039]
基于所述输入偏差e进行非线性比例积分调节，得到参考电流修正值
ꢀ△iod
*。
[0040]
具体实施中，如图2所示，参考电流修正值
△iod
*可以表示为：
[0041][0042]
式中k
p
和ki分别为比例系数和积分系数，fal为非线性函数，e＝v
dc
*-v
dc
为 输入偏差，α为0到1之间的系数，α越小跟踪的速度越快，但是滤波效果变差。 δ是滤波系数，δ越大滤波效果越好。
[0043]
步骤s240，基于所述参考电流修正值
△iod
*和预测值i
od1
*得到交流输出电 流的参考有功分量i
od
*。具体实施中，如图2所示，由i
od1
*与
△iod
*相加，可以 得到交流输出电流的参考有功分量i
od
*。
[0044]
步骤s250，基于所述交流输出电流的参考有功分量i
od
*、交流侧线电流的 有功分量i
od
、交流侧线电流的无功分量i
oq
和交流输出电流的参考无功分量i
oq
*， 得到所述交直变换器输出线电压的有功分量v
od
和无功分量v
oq
。
[0045]
具体实施中，有功分量v
od
和无功分量v
oq
可以表示为：
[0046][0047]
其中，l为等效电抗即l＝l
a1
l
a2
＝l
b1
l
b2
＝l
c1
l
c2
，r为等效电阻即 r＝ra1＝rb1＝rc1，r
11
为无源控制阻尼系数。
[0048]
在一些实施例中，交流输出电流的参考无功分量i
oq
*可以为0。
[0049]
步骤s260，基于所述有功分量v
od
和无功分量v
oq
对所述交直变换器的开关 单元进行控制。
[0050]
在一些实施例中，步骤s260可以进一步包括：
[0051]
将所述有功分量v
od
和无功分量v
oq
进行dq反变换，得到abc坐标系的输出 电压值；
[0052]
基于所述abc坐标系的输出电压值进行脉冲调制，得到所述开关单元的驱 动信号；
[0053]
基于所述驱动信号驱动所述交直变换器的开关单元。
[0054]
需要说明的是，图2中仅为示例，并不旨在对交直变换器的数量进行设置， 可以包括一个或更多个对交直变换器，这些交直变换器可以并联连接，当多变 换器并联时，可以独立控制，进一步提高了系统的稳定性。
[0055]
参见图3-图6，初始状态输出空载，当t4时刻时，投入5kw恒功率负载， 当t5时刻，恒功率负载由5kw突变为-5kw，图3示出了根据本公开实施例的 交直变换器的交流电压和
电流波形，图4示出了根据本公开实施例的交直变换 器的有功电流的参考值和输出值，图5示出了根据本公开实施例的交直变换器 的直流电压参考值和输出值，图6示出了根据本公开实施例的交直变换器的恒 功率负载值和观测值。如图3-图6中所示，基于本公开实施例的方法，通过对 恒功率负载进行观察，可以快速检测功率变化，无超调和振荡现象，约15ms 达到稳态。采用非线性比例积分对输入偏差进行调节可以消除直流电压的误 差，直流电压过冲和跌落很小，且不存在振荡现象，约5-10ms即可以消除静 差。通过无源控制实现对电流指令的快速跟踪，使得无论是有功阶跃还是有功 反向，都可以快速跟踪，具有良好的动态和静态特性，从而提高了电力系统的 可靠性和稳定性。
[0056]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性 的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开 的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步 骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本公开实施例的不同方面的许多其 它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0057]
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本公开实施例难以理解，在所 提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(ic)芯片和其它部件的公知 的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本公开实施 例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细 节是高度取决于将要实施本公开实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于 本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本 公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在 没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本公开实 施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
[0058]
本公开实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的 替换、修改和变型。因此，凡在本公开实施例的精神和原则之内，所做的任何 省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。