直流双极供电系统电压不平衡的控制方法与流程

本发明涉及直流微电网，直流双极供电系统，特别是一种直流双极供电系统电压不平衡的控制方法。

背景技术：

由于直流微网中的电力电子转换级更少，可靠性和稳定性更高，受到了越来越多的关注。通常直流微网有两种结构，分别是单极式和双极式。双极式结构具有效率高、可靠性强和灵活性好的优点。以48v双极式直流微网为例，低额定电压负载和低功耗负荷可以连接到24v，而额定电压接近48v的负载可以接到48v侧。此外，在双极网络中，即使一条线路故障，也可以使用双极电网的其他两条线路来维持负载功率的连续性。但在双极式直流微网中，特有的一点是由于载荷分布不均而导致的两极电压不平衡问题。有学者提出了解决方案，设计电路通过吸收和提供电能的方法来平衡直流电压。它们往往只平衡微网的某一端口的电压，然而，现有的方法不能消除具有长馈线的双极式直流配电系统的中性线电流，从而导致馈线不平衡。

基于移相控制技术的双有源全桥变流器(dualactivebridge-isolatedbidirectionaldc/dcconverter，dab)具有功率密度高、动态响应快、容易实现软开关、功率能双向流动等优点，在不间断电源、电动汽车、固态变压器等场合广受欢迎。常见的dab变流器控制方式为移相控制，在高频变压器的原边端口和副边端口产生具有相对相移的电压方波，同时通过控制原边和副边两个全桥电路斜对角开关器件驱动的相对相移，改变电压方波的占空比，从而调节流经变流器的电流。在双极式直流微网中合理利用该变流器作为补偿器，可以起到减轻电压不平衡问题的效果。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种直流双极供电系统电压不平衡的控制方法。利用双有源全桥变流器(dualactivebridge-isolatedbidirectionaldc/dcconverter)来减轻直流双极供电系统电压不平衡。

本发明的技术解决方案如下：

一种直流双极供电系统电压不平衡的控制方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

1)在直流双极供电系统的任一负载前加设双有源全桥变流器，该双有源全桥变流器包括原边单相全桥、副边单相全桥、一个高频隔离变压器、一个高频电感和闭环控制器组成，所述的闭环控制器包括依次连接的比较器、pi控制器和调制单元构成，所述的原边单相全桥的4个全控开关器件为s1～s4，所述的副边单相全桥的4个全控开关器件为q1～q4；所述的原边单相全桥的直流母线的正极与直流双极供电系统负载侧的正极相连，原边单相全桥的直流母线的负极与双极供电系统负载侧的中性线相连，原边单相全桥交流侧通过电感与高频隔离变压器的原边相连；所述的副边单相全桥的直流母线的正极与直流双极供电系统负载侧的中性线相连，副边单相全桥的直流母线的负极与双极供电系统负载侧的负极相连，副边单相全桥交流侧通过所述的高频隔离变压器的副边相连；所述的高频隔离变压器的变比为1:1；所述的调制单元对应的开关信号的输出端与所述的原边单相全桥的开关器件s1～s4与副边单相全桥的开关器件q1～q4的控制信号的输入端相连直流双极供电系统源侧中性线电流参考值iref为0；

2)测量直流双极供电系统源侧的中性线电流isn，当源侧的中性线电流isn＝0时，转入步骤5)，否则进入下一步；

3)将源侧中性线电流isn与给定中性线电流参考值iref经所述的比较器输出差值e，通过下述公式计算该移相比控制量：

d0＝kp·(iref-isn)+ki·∫(iref-isn)dt(1)

其中，kp、ki分别为pi控制器的比例、积分系数；

4)所述的pi控制器输出移相比控制量d0，经所述的调制单元输出双有源全桥变流器的各开关的控制信号，使所述的双有源全桥变流器输出相应的补偿电流值：所述的补偿器原边正极流出的电流值icp+，所述的补偿器原边负极流出的电流值icp-，所述的补偿器副边负极流出的电流值ics-；所述的补偿器副边正极流出的电流值ics+，使所述的双极供电系统源侧的中性线电流isn趋向零值；返回步骤2)；

所述的补偿电流值可以按照如下步骤计算：

首先各分支电流的逻辑关系可分析如下：

isn＝iln'-icp-＝iln-ics+-icp-(2)

其中，iln’为流双极供电系统中性线从变流器副边至变流器原边的中段电流值，iln为直流双极供电系统负载侧的中性线电流值，icp-是所述的补偿器原边负极流入的电流值，ics+是所述的补偿器副边正极流入的电流值，要使isn＝0，则需要满足：

ics++icp-＝iln(3)

由所述的补偿器的结构可知，原边单相全桥的负极流入电流等于正极流出电流，副边单相全桥的正极流入电流等于负极流出电流，即：

其中，icp+是所述的补偿器原边正极流出的电流值，ics-是所述的补偿器副边负极流出的电流值；

稳定情况下直流双极供电系统负载侧正负极电压值应相等，即补偿器原副边端口的电压值相等，所述的高频隔离变压器的原副边变比为1:1，其端口电流逻辑关系为：

icp+＝icp-＝ics+＝ics-(5)

将式(5)代入(3)中，得出所述的变流器原边正负极和副边正负极的补偿电流值相等，且为直流双极供电系统负载侧的中性线电流值的一半：

进一步的，可以计算补偿器补偿电流的最大值：

由双有源全桥变流器传输功率：

其中，v1为补偿器的输入电压，v2为补偿器的输出电压，高频隔离变压器变比n＝1，fs为变流器开关频率，l为补偿器中电感值，d0为补偿器的控制量，取值范围为：

代入式(7)，得补偿器的补偿电流的最大值为：

其中，v为直流双极供电系统源侧的正极电压，is+为直流双极供电系统源侧的正极电流值，r为源侧至负载侧的线路电阻值。

进一步的，可以对补偿前后的直流双极供电系统线损值进行比较。

直流双极供电系统经由补偿之前的总线损可以用下式所示：

其中，iln是直流双极供电系统负载侧的中性线电流值，il+是负载侧正极电流值，il-是负载侧负极电流值。

补偿后，中性线的电流减小到零，正极线和负极线电流减少了因此，补偿后的总线损如下式所示：

把式(10)带入(11)，并由kcl定律，得：

iln＝il++il-(12)

由式(13)可以看出，经过补偿，总线损减小了。

进一步的，由于直流双极供电系统可沿线带载，并且每段负载都会影响正负极电压，负载分布不均会导致正负极电压不平衡，若仅在馈线末端进行补偿，则对于馈线较长的情况，其沿线电压也可能导致不平衡。可将该补偿方案分段补偿至直流线路中，分段嵌入补偿器，对于第i个负载节点线路中，补偿前：

第i+1个负载节点的正负极电压可表示如下：

可以看出，如果正极和负极电流不能相互抵消，就会产生中性线电流。正负极负载差值越大中性线电流也会越大，中性线电流幅值越大，正负两极电压差也会越大。

嵌入补偿器后，补偿器的补偿电流为：

补偿后，中性线电流iln,i为零，正负极电流相互抵消，该段正负极电压保持平衡。

与现有技术相比，本发明的特点如下：

1.本发明方法通过减小中性线电流可有效减轻直流双极供电系统的电压不平衡问题，进而有效降低总线损。

2.本发明方法不需要额外提供电源，所以不消耗也不提供电能，仅包含少量的转换器损耗。

3.本发明的补偿器控制量的解析表达式简洁，便于实际运行。

附图说明

图1是本发明直流双极供电系统电压不平衡的控制电路的结构图。

图2是双有源全桥补偿器的内部结构图

图3是双有源全桥补偿器驱动信号时序图及原副边交流电压电流波形图

图4是本发明的控制器的计算方法步骤。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图2，图1是本发明基于双有源全桥变流器的减轻直流双极供电系统电压不平衡的控制电路结构图，图2是双有源全桥补偿器内部结构图。图3双有源全桥补偿器驱动信号时序图及原副边交流电压电流波形图，图4为本发明的控制器的计算方法步骤。

由图可见，本发明直流双极供电系统电压不平衡的控制方法，包括下列步骤：

1)在直流双极供电系统的任一负载前加设双有源全桥变流器，该双有源全桥变流器包括原边单相全桥h1、副边单相全桥h2、一个高频隔离变压器、一个高频电感l和闭环控制器组成，所述的闭环控制器包括依次连接的比较器、pi控制器和调制单元构成，所述的原边单相全桥的4个全控开关器件为s1～s4，所述的副边单相全桥的4个全控开关器件为q1～q4；所述的原边单相全桥的直流母线的正极与直流双极供电系统负载侧的正极相连，原边单相全桥的直流母线的负极与双极供电系统负载侧的中性线相连，原边单相全桥交流侧通过电感l与高频隔离变压器的原边相连；所述的副边单相全桥的直流母线的正极与直流双极供电系统负载侧的中性线相连，副边单相全桥的直流母线的负极与双极供电系统负载侧的负极相连，副边单相全桥交流侧通过所述的高频隔离变压器的副边相连；所述的高频隔离变压器的变比为1:1；所述的调制单元对应的开关信号的输出端与所述的原边单相全桥的开关器件s1～s4与副边单相全桥的开关器件q1～q4的控制信号的输入端相连，直流双极供电系统源侧中性线电流参考值iref为0；

2)测量直流双极供电系统源侧的中性线电流isn，当源侧的中性线电流isn＝0时，转入步骤5)，否则进入下一步；

3)将源侧中性线电流isn与给定中性线电流参考值iref经所述的比较器输出差值e，通过式(1)计算该移相比控制量d0：4)所述的pi控制器输出移相比控制量d0，经所述的调制单元输出双有源全桥变流器的各开关的控制信号，使所述的双有源全桥变流器输出相应的补偿电流值：所述的补偿器原边正极流出的电流值icp+，所述的补偿器原边负极流出的电流值icp-，所述的补偿器副边负极流出的电流值ics-；所述的补偿器副边正极流出的电流值ics+，使所述的双极供电系统源侧的中性线电流isn趋向零值；返回步骤2)；

计算方法具体实现如下：

1)检测直流双极供电系统源侧中性线电流isn。

2)设计pi控制器，设置控制参数，对电流进行闭环，将isn控制在零值，由闭环控制其得出移相比控制量d0，根据式(1)可计算d0值。

3)移相比控制量d0经调制单元输出双有源全桥变流器各全控开关器件的开关信号，各开关控制信号s1～s4，q1～q4，以及原边电压信号vp、副边电压信号vs，原边电流信号il的波形如图3所示。

4)通过双有源全桥变流器原边正负极和副边正负极四条支路对直流双极供电系统中性线和正负极电流进行调节，将中性线电流分别补偿至正负两极线路中，从而使中性线电流值保持在零值。

由式(2)(3)(4)(5)分析得出直流双极供电系统负载侧的中性线电流值iln和补偿器原副边单相全桥模快端口电流icp+、icp-、ics+、ics-相互的逻辑关系。

由式(6)推导出补偿器的补偿电流值。

根据式(7)计算得双有源全桥变流器传输功率，并推导出式(9)为补偿器可以补偿的最大电流值。

由式(10)计算补偿前的系统总线损值，由式(11)计算补偿后的系统总线损值，由(13)比较得经过补偿后的线损小于补偿前。

对于馈线较长的情况，可分段嵌入补偿器，原理与单段式相似，每段补偿电流值可根据式(15)计算得出。

实验表明：

1.本发明方法通过减小中性线电流可有效减轻直流双极供电系统的电压不平衡问题，进而有效降低总线损。

2.本发明方法不需要额外提供电源，所以不消耗也不提供电能，仅包含少量的转换器损耗。

3.本发明的补偿器控制量的解析表达式简洁，便于实际运行。