一种新型功率调节系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种新型功率调节系统及其控制方法，属于储能功率交换技术领域，包括依次连接的双向电压源变换器、双向直流变换器和直流斩波器；双向直流变换器包括：第一功率半导体开关S1、第二功率半导体开关S2、滤波电感L1及电容C2，S1的源极和S2的漏极及滤波电感L1的一端相连；滤波电感L1的另一端与C2的正极相连；C2的负极和S2的源极相连；双向直流变换器用于避免磁体线圈受到电网产生的脉冲电压的干扰；其中，磁体线圈为新型功率调节系统的负载，新型功率调节系统用于实现磁体线圈和电网之间的功率交换。其在原PCS主电路的基础上增加了双向直流变换器，使磁体不再受到脉冲电压的干扰，大大提高了磁体的寿命。大大提高了磁体的寿命。大大提高了磁体的寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种新型功率调节系统及其控制方法


[0001]本专利技术属于储能功率交换
，更具体地，涉及一种新型功率调节系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]为了减少温室气体排放，中国大力发展风能、太阳能等可再生能源。然而，可再生能源发电的随机性和不确定性会导致电网中的功率波动，这将影响电网的稳定性和电能质量。在可再生能源并网比例较高的背景下，储能系统的建设正成为保障可再生能源消费、降低电网功率波动的重要手段之一。
[0003]在储能系统中，磁体线圈作为核心部件存储磁场能量，磁体线圈与电网之间的功率交换由功率调节系统实现。功率调节系统(Power Condition System,PCS)包括变换器主电路和控制系统，是磁体线圈和电网进行功率交换的桥梁。主电路中PCS中的开关器件周期性地导通和关断，使磁体线圈电感重复地承受高频脉冲电压。由于电感中杂散电容和对地电容的存在，高频脉冲电压不会在磁体中均匀分布，磁体内部将承受暂态过电压。过大的暂态电压可能导致绝缘击穿，威胁装置运行的安全性。
[0004]为了减小高频脉冲电压的影响，目前通常使用的方法有两种。第一种方式是采用氧化锌避雷器保护，但这种方式只适用于暂态电压偶尔发生的情况。第二种方式是通过暂态模型分析磁体线圈中过电压的位置，加强局部绝缘，实现对过电压的被动保护。然而，高频脉冲电压对磁体仍有绝缘老化效应，不能从源头上解决问题。
[0005]在控制系统控制方法方面，当电网中的功率波动调节时，性能非常依赖控制系统，控制方法在其中扮演着重要角色。磁体线圈电感作为PCS的负载，在直流变换器中具有非线性，这意味着传统的线性PID方法不是最合适的，因为它的控制增益取决于单点的线性化。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种新型功率调节系统及其控制方法，其目的在于，在原PCS主电路方案的基础上增加了双向直流变换器，使磁体不再受到脉冲电压的影响，大大提高了磁体的寿命，由此解决高频脉冲电压对磁体造成干扰的技术问题。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种新型功率调节系统，包括依次连接的：双向电压源变换器、双向直流变换器和直流斩波器；
[0008]所述双向直流变换器，包括：第一功率半导体开关S1、第二功率半导体开关S2、滤波电感L1及电容C2，所述第一功率半导体开关S1的源极和所述第二功率半导体开关S2的漏极及所述滤波电感L1的一端相连；所述滤波电感L1的另一端与所述电容C2的正极相连；所述电容C2的负极和所述第二功率半导体开关S2的源极相连；所述双向直流变换器用于避免磁体线圈受到电网产生的脉冲电压的干扰；
[0009]其中，磁体线圈为新型功率调节系统的负载，所述新型功率调节系统用于实现所
述磁体线圈和所述电网之间的功率交换。
[0010]在其中一个实施例中，所述第一功率半导体开关S1和所述第二功率半导体开关S2采用氮化镓高电子迁移率晶体管GaN HEMT。
[0011]在其中一个实施例中，当所述磁体线圈工作于充电模式时，所述直流斩波器中IGBT模块G1和G2保持开通状态，二极管D1和二极管D2承受反向电压关断，电容C2和所述磁体线圈形成回路；此时所述双向直流变换器视为Buck电路，能量从所述双向电压源变换器中电容C1侧到所述双向直流变换器中电容C2侧流动；调整所述双向直流变换器中所述第一功率半导体开关S1在一个开关周期中的导通时间，则能够调整所述电容C2的电压U
c2
，从而改变所述磁体线圈充电的功率。
[0012]在其中一个实施例中，当所述磁体线圈工作于放电模式时，所述直流斩波器中IGBT模块G1和G2保持关断状态，二极管D1和二极管D2导通；此时所述双向直流变换器视为Boost电路，能量从所述双向电压源变换器中电容C2侧到所述双向电压源变换器中电容C1侧流动；调整所述双向直流变换器中所述第二功率半导体开关S2在一个开关周期中的导通时间，则能够调整电容C2的电压U
c2
，从而改变所述磁体线圈放电的功率。
[0013]在其中一个实施例中，所述双向直流变换器用于通过控制所述第一功率半导体开关S1和所述第二功率半导体开关S2的占空比对所述电容C2的电压进行调节。
[0014]在其中一个实施例中，每个开关周期将所述电容C2的电压加载至所述磁体线圈两端，通过调节所述电容C2的电压能够控制所述磁体线圈进行功率交换的速度。
[0015]按照本专利技术的另一方面，提供了一种新型功率调节系统的控制方法，应用于上述的新型功率调节系统，包括：
[0016]S1：基于模型预测控制方法，利用k
‑
1时刻的开关函数S(k
‑
1)、经过所述双向电压源变换器部分后产生的直流电压U
S
、所述电容C2在k
‑
1时刻的测量值U
C2
(k
‑
1)、所述电容C2在k
‑
2时刻的测量值U
C2
(k
‑
2)预测所述电容C2在当前时刻的电压U
PC2
(k)；
[0017]S2：分别计算出S1和S2互补导通对应的两种开关状态的所述电容C2在k+1时刻的预测电压U
PC2
(k+1)及其对应的代价函数g；所述代价函数g用于表征所述电容C2的电压预测误差；
[0018]S3：当所述代价函数g低于预设值时，将对应的开关状态应用到所述新型功率调节系统中；通过实时测量滤波电感L1的电流将功率指令转化为电压指令，再利用所述模型预测控制方法控制电容C2的电压随所述电压指令改变，则能够动态控制所述新型功率调节系统的实际功率。
[0019]在其中一个实施例中，所述S1包括：
[0020]利用公式预测当前时刻所述电容C2的电压U
PC2
(k)；
[0021]其中，T
S
为模型预测控制的计算周期，S(k
‑
1)为k
‑
1时刻的开关函数，所述开关函数表示为：
[0022]在其中一个实施例中，所述S2包括：
[0023]利用公式获取k+1时刻的所述电容C2的电压预测值U
PC2
(k+1)；计算所述电压预测值U
PC2
(k+1)对应的代价函数g。
[0024]在其中一个实施例中，所述代价函数g的计算表达式为(U
C*
‑
U
PC2
(k+1))2；U
C*
为所述电容C2的电压参考值。
[0025]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0026](1)本专利技术提供一种新型功率调节系统，包括依次连接的：双向电压源变换器、双向直流变换器和直流斩波器；所述双向直流变换器，包括：第一功率半导体开关S1、第二功率半导体开关本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型功率调节系统，其特征在于，包括依次连接的：双向电压源变换器、双向直流变换器和直流斩波器；所述双向直流变换器，包括：第一功率半导体开关S1、第二功率半导体开关S2、滤波电感L1及电容C2，所述第一功率半导体开关S1的源极和所述第二功率半导体开关S2的漏极及所述滤波电感L1的一端相连；所述滤波电感L1的另一端与所述电容C2的正极相连；所述电容C2的负极和所述第二功率半导体开关S2的源极相连；所述双向直流变换器用于避免所述磁体线圈受到电网产生的脉冲电压的干扰；其中，所述磁体线圈为新型功率调节系统的负载，所述新型功率调节系统用于实现所述磁体线圈和所述电网之间的功率交换。2.如权利要求1所述的新型功率调节系统，其特征在于，所述第一功率半导体开关S1和所述第二功率半导体开关S2采用氮化镓高电子迁移率晶体管GaN HEMT。3.如权利要求2所述的新型功率调节系统，其特征在于，当所述磁体线圈工作于充电模式时，所述直流斩波器中IGBT模块G1和G2保持开通状态，二极管D1和二极管D2承受反向电压关断，电容C2和所述磁体线圈形成回路；此时所述双向直流变换器视为Buck电路，能量从所述双向电压源变换器中电容C1侧到所述双向直流变换器中电容C2侧流动；调整所述双向直流变换器中所述第一功率半导体开关S1在一个开关周期中的导通时间，则能够调整所述电容C2的电压U
c2
，从而改变所述磁体线圈充电的功率。4.如权利要求2所述的新型功率调节系统，其特征在于，当所述磁体线圈工作于放电模式时，所述直流斩波器中IGBT模块G1和G2保持关断状态，二极管D1和二极管D2导通；此时所述双向直流变换器视为Boost电路，能量从所述双向电压源变换器中电容C2侧到所述双向电压源变换器中电容C1侧流动；调整所述双向直流变换器中所述第二功率半导体开关S2在一个开关周期中的导通时间，则能够调整电容C2的电压U
c2
，从而改变所述磁体线圈放电的功率。5.如权利要求1
‑
4任一项所述的新型功率调节系统，其特征在于，所述双向直流变换器用于通过控制所述第一功率半导体开关S1和所述第二功率半导体开关S2的占空比对所述电容C2的电压进行调节。6.如权利要求5所述的新型功率调节系统，其特征在于，每个开关周期将所述电容C2的电压加载至所述磁体线圈两端，通过调节所述电容C2的电压能够控...

【专利技术属性】
技术研发人员：马少翔，李志恒，张鸿淇，朱帮友，张明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：