说明书一种单相电力电子变压器直流母线电压均压控制方法
技术领域：
本发明涉及电力电子技术在电力系统中的应用，尤其涉及一种单相电力电 子变压器直流母线电压均压控制方法。
背景技术：
传统电力变压器结构简单、效率高、可靠性高，广泛应用于电力系统。但 过低的工作频率导致传统变压器体积大，笨重，而且矿物油、环氧树脂、难燃 油等作为绝缘或冷却介质的使用存在火灾和环境污染的潜在隐患。另外，它通 常只能够实现电气隔离、电压等级变换和功率双向传递等相对单一的功能，而 无网侧电能质量调节、谐波传递隔绝、过载及故障保护、负载电压调节等等功 能。传统变压器的这些弱点使它无法满足一些诸如智能电网等新应用场合的功 能要求。针对传统变压器的上述弱点，研究人员和工程师提出了电力电子变压 器(Power Electronic Transformer)或者固态变压器(Solid-State Transformer)加 以解决。
在过去的几十年中，电力电子技术有了长足全面的快速发展，越来越多的 电力电子装置在电力系统中应用。然后，目前商业化的电力电子功率器件的单 管或功率模块的电压等级尚不能满足中高压级别的应用，通常采用低电压等级 的模块级联来加以解决。由于级联模块之间存在参数不匹配、损耗不相同等等 问题，会使整个级联系统无法正常工作，因此级联结构需要通过一定的控制策 略来实现直流母线电压之间的均压控制。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有级联模块中存在直流母线电压不均衡的不足， 提供了一种单相电力电子变压器直流母线电压均压控制方法。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
一种单相电力电子变压器直流母线电压均压控制方法，该单相DC-AC电力 电子变压器的功率主电路由隔离级和逆变级组成，其中，隔离级为高频隔离型 DC-DC变换器，逆变级为DC-AC逆变器；隔离级的所有DC-DC变换器的输入 端串联接中压或高压直流电压源，输出端接对应逆变级DC-AC逆变器的直流输 入端；逆变级的所有DC-AC逆变器交流侧采用串联方式接输出滤波器；该控制 方法包括以下步骤：电力电子变压器直流源侧母线电压均压控制和电力电子变 压器隔离级输出侧母线电压均压控制。
本发明进一步的改进在于：电力电子变压器直流源侧母线电压均压控制具 体包括如下的实现步骤：
步骤1.1，检测电力电子变压器隔离级输入侧每个DC-DC变换器直流侧电 压Vdc_11、Vdc_12、…、Vdc_1i，并求出这n个直流侧电压的平均值V1ave以作为步 骤1.2中直流侧均压参考值，其中，i＝1,2,…,n；
V 1 ave = 1 n Σ i = 1 n V dc _ 1 i ]]>
步骤1.2，将步骤1.1中所测得的每个模块直流侧电压值Vdc_1i同步骤1.1中 求出的直流侧电压平均值V1ave相比较，其输出经过比例积分调节器后获得每个 DC-DC变换器直流侧电压均压的指令
步骤1.3，检测电力电子变压器隔离级输出侧的直流侧电压Vdc_21、Vdc_22、…、 Vdc_2i，并求出这n个直流侧电压的平均值V2ave；
V 2 ave = 1 n Σ i = 1 n V dc _ 2 i ]]>
步骤1.4，将步骤1.3求得的隔离级输出侧直流电压的平均值V2ave同隔离级 输出侧直流电压参考值V*dc_2ref相比较，其输出经过比例积分调节器后获得隔离 级输出侧直流电压平均值的指令
步骤1.5，将步骤1.2中得到的每个隔离级DC-DC变换器输入侧直流电压均 压的指令加上步骤1.4中得到的隔离级输出侧直流电压平均 值的指令从而合成每个隔离级DC-DC变换器的最终指令
本发明进一步的改进在于：电力电子变压器隔离级输出侧母线电压均压控 制具体包括如下的实现步骤：
步骤2.1，不论电力电子变压器连接的是负载还是电网，采用常规的双环控 制其电流环输出为逆变级总的控制指令u*m，另外检测得到系统输出电流iL；
步骤2.2，将步骤1.3中所测得的隔离级每个模块输出侧直流电压值Vdc_1i同求出的直流电压平均值V2ave相比较，其输出经过比例调节器后同步骤2.1中 系统输出电流iL和逆变级总的控制指令u*m相乘获得每个直流侧电压均压的指令 Δum_1、Δum_2、…、Δum_i；
步骤2.3，将步骤2.2中获得的每个直流侧电压均压的指令Δum_1、Δum_2、…、 Δum_i同步骤2.1中逆变级总的控制指令u*m相加得到逆变级每个模块的指令值 um_1、um_2、…、um_i。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
本发明利用隔离级DC-DC变换器控制系统实现对隔离级输入侧直流电压均 压控制和隔离级输出侧直流电压平均值跟踪参考电压的控制，利用逆变级 DC-AC变换器控制系统实现对隔离级输出侧直流电压均压控制。
本发明控制方法可以实现级联式单相电力电子变压器级联模块间均压控 制，方法简单。仿真结果验证了该方法的正确、可靠性，为工程应用提供了很 好的参考价值。
附图说明：
图1为单相多模块级联DC-AC电力电子变压器主电路拓扑图；
图2为隔离级输入侧直流电压均压控制部分的控制框图；
图3为隔离级输入侧直流电压均压控制和输出侧直流电压平均值控制合成 隔离级总体控制的控制框图；
图4为逆变级实现隔离级输出侧直流均压控制的控制框图。
图5为隔离级输入侧直流电压仿真波形图。
图6为隔离级输出侧直流电压仿真波形图。
具体实施方式：
参照图1所示，本发明应用的单相电力电子变压器系统功率主电路由隔离 级和逆变级组成：隔离级为高频隔离型DC-DC变换器，逆变级为DC-AC逆变 器。为了满足中压或高压等级的要求，隔离级的所有DC-DC变换器的输入端串 联接中压或高压直流电压源Vdc，输出端接对应逆变级DC-AC逆变器的直流输 入端。逆变级的所有DC-AC逆变器交流侧采用串联方式接输出滤波器。
本发明一种单相电力电子变压器直流母线电压均压控制方法的实现过程包 括以下步骤：电力电子变压器直流源侧母线电压均压控制和电力电子变压器隔 离级输出侧母线电压均压控制。
其中，电力电子变压器直流源侧母线电压均压控制具体包括如下的实现步 骤：
步骤1.1，参考图1，检测电力电子变压器直流电压源侧(隔离级输入侧) 每个DC-DC变换器直流侧电压Vdc_11、Vdc_12、…、Vdc_1i(i＝1,2,…,n)，并求出 这n个直流侧电压的平均值V1ave以作为步骤1.2中直流侧均压参考值；
V 1 ave = 1 n Σ i = 1 n V dc _ 1 i ]]>
步骤1.2，将步骤1.1中所测得的每个模块直流侧电压值Vdc_1i(i＝1,2,…,n) 同求出的直流侧电压平均值V1ave相比较，其输出经过比例积分调节器后获得每 个DC-DC变换器直流侧电压均压的指令(i＝1,2,…,n)。隔 离级输入侧直流电压均压控制部分的控制框图如图2所示；
步骤1.3，检测电力电子变压器隔离级输出侧的直流侧电压Vdc_21、Vdc_22、…、 Vdc_2i(i＝1,2,…,n)，并求出这n个直流侧电压的平均值V2ave；
V 2 ave = 1 n Σ i = 1 n V dc _ 2 i ]]>
步骤1.4，将步骤1.3求得的隔离级输出侧直流电压的平均值V2ave同隔离级 输出侧直流电压参考值V*dc_2ref相比较，其输出经过比例积分调节器后获得隔离 级输出侧直流电压平均值的指令；
步骤1.5，将步骤1.2中得到的每个隔离级DC-DC变换器输入侧直流电压均 压的指令(i＝1,2,…,n)加上步骤1.4中得到的隔离级输出侧 直流电压平均值的指令从而合成每个隔离级DC-DC变换器的最终指令(i＝1,2,…,n)；隔离级输入侧直流电压均压控制和输出侧直流电压平 均值控制合成隔离级总体控制的控制框图如图3所示。
电力电子变压器隔离级输出侧母线电压均压控制具体包括如下的实现步 骤：
步骤2.1，不论电力电子变压器连接的是负载还是电网，采用常规的双环控 制其电流环输出为逆变级总的控制指令u*m，另外检测得到系统输出电流iL(参 见图1)；
步骤2.2，将步骤1.3中所测得的隔离级每个模块输出侧直流电压值Vdc_1i(i＝1,2,…,n)同求出的直流电压平均值V2ave相比较，其输出经过比例调节器后 同步骤2.1中系统输出电流iL和逆变级总的控制指令u*m相乘获得每个直流侧电 压均压的指令Δum_1、Δum_2、…、Δum_i(i＝1,2,…,n)；
步骤2.3，将步骤2.2中获得的每个直流侧电压均压的指令Δum_1、Δum_2、、 Δum_i(i＝1,2,…,n)同步骤2.1中逆变级总的控制指令u*m相加得到逆变级每个模 块的指令值um_1、um_2、…、um_i(i＝1,2,…,n)。逆变级实现隔离级输出侧直流均 压控制的控制框图如图4所示。
为了验证本发明的效果，我们通过Matlab/Simulink按照图1所示电路搭建 了一共具有9个H桥变换器的模型，其中中间每个DAB的漏感值有10％的差异， 每个直流侧并联的等效损耗电阻值有50％的差异。如图5和图6所示，图5为 隔离级输入侧直流电压仿真波形图，图6为隔离级输出侧直流电压仿真波形图。 在0.25s时，将本发明的控制方法切掉时，系统的直流侧电压立即开始不平衡， 在0.28s时，将本发明的控制方法重新投入，经过一定时间的动态调节，系统的 直流电压最终平衡，验证了本发明的有效性。