一种模块化电力电子变压器综合效率优化控制方法技术

本发明专利技术公开了一种模块化电力电子变压器综合效率优化控制方法，包括确定控制模式、电压控制模式控制、功率控制模式控制、计算各基本功率单元的参考功率值、设置H桥模块的开关模式、设置各隔离双向DC/DC变换器IBDC1‑IBDCn的移相比、输出多电平电压波形等步骤。本发明专利技术提高了非效率最高功率运行点的系统效率，优化了系统综合效率；在主动非功率均衡控制条件下保证交流侧逼近正弦的多电平电压和正弦电流，减小并网电压电流谐波；并且采用功率指令排序定时轮换策略，使各模块参与大功率运行的机会均等，避免系统个别模块加速老化，延长模块化电力电子变压器的设备使用寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电力电子变压器综合效率优化控制方法，尤其是一种模块化电力电子变压器综合效率优化控制方法，属于电力电子变压器控制

技术介绍
电力电子变压器是未来交直流混联电网、直流输配电网、直流风力发电并网系统、直流光伏发电并网系统、船舰电力系统、轨道牵引供电系统、“能源互联网”等应用领域的重要设备。电力电子变压器为了适应高压大功率应用场合，通常采用模块化电路串并联技术，以解决电力电子器件耐压水平不足的限制问题。AC/DC电力电子变压器通常采用级联H桥(CascadedH-Bridge,CHB)加隔离双向DC/DC变换器(isolatedbidirectionalDC/DCconverter,IBDC)拓扑结构，其中每个前级H桥和后级IBDC构成一个模块化的基本功率单元，多个基本功率单元按交流输入串联直流输出并联实现能量变换和传递。一般地，电力电子变换装置均存在最高效率功率运行点，在此功率运行点两侧，随着输出功率的减少或增加，运行效率均呈下降的趋势。电力电子变压器基本功率单元也具有这样的运行效率特性。当模块化电力电子变压器总功率不处于最高效率功率运行点时，各基本功率单元输出功率存在优化组合使得总效率最优，而并非各基本功率单元输出功率均等时效率最优。由此，本专利技术给出一种主动非功率均衡控制策略以实现瞬时功率非均衡控制。混合脉宽调制法(HybridPWM,HPWM)是一种将PWM技术和电平逼近技术相结合应用于模块化电力电子变压器输入级整流器的多电平调制技术，利用其级联单元开关模式的差异引起的自然功率不均衡，可实现模块化电力电子变压器在主动非功率均衡控制下的交流侧低谐波多电平电压和并网电流正弦输出。利用基本功率单元的IBDC可实现功率独立控制，以实现中间直流母线的功率平衡，保证中间直流电压的稳定。为了避免特定基本功率单元长时间处于大功率运行状态，引起模块化电力电子变压器出现局部快速老化的问题，本专利技术还提出一种定时轮换的控制策略，以保证所有基本功率单元运行状态均衡。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种模块化电力电子变压器综合效率优化控制方法。本专利技术采用下述技术方案：一种模块化电力电子变压器综合效率优化控制方法，所述电力电子变压器由串联的基本功率单元Cell1-Celln组成，所述基本功率单元Cell1-Celln结构相同，所述基本功率单元Cell1由依次级联的单相H桥模块HB1、中间直流电容和隔离双向DC/DC变换器IBDC1构成；所述单相H桥模块HB1由结构相同的第一桥臂和第二桥臂组成；所述第一桥臂由串联的电力电子开关S1-S2组成；所述的隔离双向DC/DC变换器IBDC1为电力电子开关S5-S12和中高频变压器组成的双主动H桥结构；所述各单相H桥模块HB1-HBn由CHB控制器控制；所述各隔离双向DC/DC变换器由IBDC控制器控制；所述IBDC控制器由效率优化控制器控制；包括以下步骤：步骤1：确定控制模式：如果控制模式为电压控制模式时，转向步骤2；否则转向步骤3；步骤2：电压控制模式控制：采集所述电力电子变压器的负荷侧输出直流电压Uo-ref，与参考输出电压值Uo进行比较，输出电压差值，所述电压差值经PI电压调节器调节后输出参考功率值Pref1作为参考功率值Pref；转向步骤4；步骤3：功率控制模式控制：直接采集所述电力电子变压器的负荷侧的参考功率值Pref2作为参考功率值Pref；步骤4：计算各基本功率单元的参考功率值：所述效率优化控制器由输入的参考功率值Pref计算各基本功率单元的参考功率值P1-ref-Pn-ref；步骤5：设置HB的开关模式：CHB控制器根据参考功率值Pref、交流侧电压us、交流侧电流is、总直流电压参考值udΣ和实际中间直流电压和Σudi，推断各单相H桥模块HB1-HBn的开关模式；并向各单相H桥模块HB1-HBn发出相应的控制信号H1-Hn；步骤6：所述单相H桥模块HB1-HBn分别根据控制信号H1-Hn设定开关模式，在相应开关模式下合成并输出多电平电压波形；步骤7：设置各隔离双向DC/DC变换器IBDC1-IBDCn的移相比：IBDC控制器根据输入的各基本功率单元功率参考值P1-ref-Pn-ref、输出直流电压uo和各基本功率单元的输出直流电流io1-ioN，计算出各隔离双向DC/DC变换器IBDC1-IBDCn的移相比；并向各隔离双向DC/DC变换器发出相应的控制信号D1-Dn。所述步骤4包括以下步骤：步骤4-1：绘制各基本功率单元的功率-效率测试曲线，并拟合各基本功率单元的效率函数η1(P1-ref)-ηn(Pn-ref)；步骤4-2：根据参考功率值Pref和各基本功率单元运行功率允许范围，建立约束条件矩阵，以电力电子变压器损耗最小为目标建立目标函数f：minf=Σi=1N(Pi-ηi(Pi))Σi=1NPi=PrefPi<Pi_max,1≤i≤N---(1)]]>其中，Pi为各基本功率单元的功率最佳参考值；步骤4-3：采用遗传算法优化求解，得到各基本功率单元的功率最佳参考值Pi；步骤4-4：将各基本功率单元的最佳功率参考值Pi排序，并设定功率轮换周期，循环设置各基本功率单元功率参考值P1-ref-Pn-ref，使其依次承担功率参考值中要求的最大功率输出、次最大功率输出直至最小功率输出，并输出相应的控制指令至各基本功率单元。所述步骤4-3可以离线建立各基本功率单元功率参考值P1-ref-Pn-ref的优化功率分配表或在线实现。所述步骤5中包括以下步骤：步骤5-1：计算总直流电压参考值udΣ与实际中间直流电压和Σudi的电压差值；步骤5-2：将所述电压差值进行PI调节，输出参考电流幅值增量ΔIref；步骤5-3：根据输入的交流侧电压us和各基本功率单元功率参考值Pi-ref，1≤i≤N，计算基本参考电流幅值Iref0；步骤5-4：将所述参考电流幅值增量ΔIref和基本参考电流幅值Iref0相加，得到并网电流参考值Iref；步骤5-5：将所述并网电流参考值Iref与所述交流侧电流is进行比较，得到电流差值；步骤5-6：将所述电流差值进行PR调节输出电感电压参考值；步骤5-7：将所述交流侧电压us减去所述电感电压参考值，输出基波电压指令uac；步骤5-8：在所述基波电压指令uac控制下，使用基于电压排序的HPWM调制方法确定所述各单相H桥模块HB1-HBn的开关模式。所述步骤7包括以下步骤：步骤7-1：由输出直流电压uo与各基本功率单元的输出直流电流io1-ioN计算输出各隔离双向DC/DC变换器IBDC1-IBDCn的功率值；步骤7-2：将所述各隔离双向DC/DC变换器IBDC1-IBDCn的功率值与各基本功率单元功率参考值Pi-ref进行比较，计算功率残值；步骤7-3：将所述功率残值进行PI调节，输出各隔离双向DC/DC变换器IBDC1-IBDCn的移相比。步骤5-8包括以下步骤：步骤5-8-1：计算出各单相H桥模块HB1-HBn的当前电压工作区域k值：k＝floor(|uac(t)|/ud)+1(2)式中，uac(t)为基波电压指令，ud为各单相H桥模块HB1-H本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模块化电力电子变压器综合效率优化控制方法，所述电力电子变压器由串联的基本功率单元Cell1‑Celln组成，所述基本功率单元Cell1‑Celln结构相同，所述基本功率单元Cell1由依次级联的单相H桥模块HB1、中间直流电容和隔离双向DC/DC变换器IBDC1构成；所述单相H桥模块HB1由结构相同的第一桥臂和第二桥臂组成；所述第一桥臂由串联的电力电子开关S1‑S2组成；所述的隔离双向DC/DC变换器IBDC1为电力电子开关S5‑S12和中高频变压器组成的双主动H桥结构；所述各单相H桥模块HB1‑HBn由CHB控制器控制；所述各隔离双向DC/DC变换器由IBDC控制器控制；所述IBDC控制器由效率优化控制器控制；其特征在于：包括以下步骤：步骤1：确定控制模式：如果控制模式为电压控制模式时，转向步骤2；否则转向步骤3；步骤2：电压控制模式控制：采集所述电力电子变压器的负荷侧输出直流电压Uo‑ref，与参考输出电压值Uo进行比较，输出电压差值，所述电压差值经PI电压调节器调节后输出参考功率值Pref1作为参考功率值Pref；转向步骤4；步骤3：功率控制模式控制：直接采集所述电力电子变压器的负荷侧的参考功率值Pref2作为参考功率值Pref；步骤4：计算各基本功率单元的参考功率值：所述效率优化控制器由输入的参考功率值Pref计算各基本功率单元的参考功率值P1‑ref‑Pn‑ref；步骤5：设置HB的开关模式：CHB控制器根据参考功率值Pref、交流侧电压us、交流侧电流is、总直流电压参考值udΣ和实际中间直流电压和Σudi，推断各单相H桥模块HB1‑HBn的开关模式；并向各单相H桥模块HB1‑HBn发出相应的控制信号H1‑Hn；步骤6：输出多电平电压波形：所述单相H桥模块HB1‑HBn分别根据控制信号H1‑Hn设定开关模式，在相应开关模式下合成并输出多电平电压波形；步骤7：设置各隔离双向DC/DC变换器IBDC1‑IBDCn的移相比：IBDC控制器根据输入的各基本功率单元功率参考值P1‑ref‑Pn‑ref、输出直流电压uo和各基本功率单元的输出直流电流io1‑ioN，计算出各隔离双向DC/DC变换器IBDC1‑IBDCn的移相比；并向各隔离双向DC/DC变换器发出相应的控制信号D1‑Dn。...

【技术特征摘要】
1.一种模块化电力电子变压器综合效率优化控制方法，所述电力电子变压器由串联的基本功率单元Cell1-Celln组成，所述基本功率单元Cell1-Celln结构相同，所述基本功率单元Cell1由依次级联的单相H桥模块HB1、中间直流电容和隔离双向DC/DC变换器IBDC1构成；所述单相H桥模块HB1由结构相同的第一桥臂和第二桥臂组成；所述第一桥臂由串联的电力电子开关S1-S2组成；所述的隔离双向DC/DC变换器IBDC1为电力电子开关S5-S12和中高频变压器组成的双主动H桥结构；所述各单相H桥模块HB1-HBn由CHB控制器控制；所述各隔离双向DC/DC变换器由IBDC控制器控制；所述IBDC控制器由效率优化控制器控制；其特征在于：包括以下步骤：步骤1：确定控制模式：如果控制模式为电压控制模式时，转向步骤2；否则转向步骤3；步骤2：电压控制模式控制：采集所述电力电子变压器的负荷侧输出直流电压Uo-ref，与参考输出电压值Uo进行比较，输出电压差值，所述电压差值经PI电压调节器调节后输出参考功率值Pref1作为参考功率值Pref；转向步骤4；步骤3：功率控制模式控制：直接采集所述电力电子变压器的负荷侧的参考功率值Pref2作为参考功率值Pref；步骤4：计算各基本功率单元的参考功率值：所述效率优化控制器由输入的参考功率值Pref计算各基本功率单元的参考功率值P1-ref-Pn-ref；步骤5：设置HB的开关模式：CHB控制器根据参考功率值Pref、交流侧电压us、交流侧电流is、总直流电压参考值udΣ和实际中间直流电压和Σudi，推断各单相H桥模块HB1-HBn的开关模式；并向各单相H桥模块HB1-HBn发出相应的控制信号H1-Hn；步骤6：输出多电平电压波形：所述单相H桥模块HB1-HBn分别根据控制信号H1-Hn设定开关模式，在相应开关模式下合成并输出多电平电压波形；步骤7：设置各隔离双向DC/DC变换器IBDC1-IBDCn的移相比：IBDC控制器根据输入的各基本功率单元功率参考值P1-ref-Pn-ref、输出直流电压uo和各基本功率单元的输出直流电流io1-ioN，计算出各隔离双向DC/DC变换器IBDC1-IBDCn的移相比；并向各隔离双向DC/DC变换器发出相应的控制信号D1-Dn。2.根据权利要求1所述的模块化电力电子变压器综合效率优化控制方法，其特征在于：所述步骤4包括以下步骤：步骤4-1：绘制各基本功率单元的功率-效率测试曲线，并拟合各基本功率单元的效率函数η1(P1-ref)-ηn(Pn-ref)；步骤4-2：根据参考功率值Pref和各基本功率单元运行功率允许范围，建立约束条件矩阵，以电力电子变压器损耗最小为目标建立目标函数f：minf=Σi=1N(Pi-ηi(Pi))Σi=1NPi=PrefPi<Pi_max,1≤i≤N---(1)]]>其中，Pi为各基本功率单元的功率最佳参考值；步骤4-3：采用遗传算法优化求解，得到各基本功率单元的功率最佳参考值Pi；步骤4-4：将各基本功率单元的最佳功率参考值Pi排序，并设定功率轮换周期，循环设置各基本功率单元功率参考值P1-ref-Pn-ref，使其依次承担功率参考值中要求的最大功率输出、次最大功率输出直至最小功率输出，并输出相应的控制指令至各基本功率单元。3.根据权利要求2所述的模块化电力电子变压器综合效率优化控制方法，其特征在于：所述步骤4-3可以离线建立各基本功率单元功率参考值...

【专利技术属性】
技术研发人员：付超，孙玉巍，刘教民，王毅，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北;13