一种大功率多功能高效充电系统功率补偿控制方法及装置

1.本发明属于高效功率变换系统控制技术领域，尤其涉及一种大功率多功能高效充电系统功率补偿控制方法及装置。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.电动汽车对充电的需求具有随机性和间歇性，在缺乏引导和调控的情况下，用户充电行为还趋向于集聚性，会对电网造成严重的冲击，不仅影响用电平衡，而且产生谐波污染电网，导致点电能质量差。动力电池既需通过电网对其充电，又可作为灵活的分布式储能为电网提供有功和无功功率补偿或支撑。充电系统作为电动汽车与电网交互的核心，可兼具多种功能，包括变换电网能量给电池充电、变换电池能量给电网提供有功和无功功率支撑，从而成为动力电池多功能充电系统。
4.现有的充电系统大多为单向拓扑，只能对电池进行充电，无法将电池能量回馈给电网。高频链矩阵变换器是一种单级拓扑，具有能量密度和变换效率高、输入输出隔离、功率双向流动等优点。然而，发明人发现，由于该功率变换拓扑交流侧存在lc滤波器，使交流电压、电流之间存在相位偏移，偏移量的大小与选取的电感、电容相关，导致高频链矩阵变换器只能补偿固定的无功功率，有时甚至会造成过补偿或欠补偿。


技术实现要素：

5.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种大功率多功能高效充电系统功率补偿控制方法及装置，其既可扩大系统容量或功率等级，也可灵活改变系统网侧电压电流的相位，实现对电网的功率快速动态补偿。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的第一个方面提供一种大功率多功能高效充电系统功率补偿控制方法，所述充电系统的拓扑结构为至少两台并联的高频链矩阵变换器，该功率补偿控制方法包括：
8.在dq两相同步旋转坐标系下，计算第i台变换器输入电压相位和理想参考输入电流相位之差；其中，i为奇数；
9.根据上述相位之差，计算第i+1台变换器空间电流矢量所需旋转的相位角；其中，所需旋转的相位角使得第i台变换器和第i+1台变换器的输入侧总瞬时无功功率为零；
10.对第i+1台变换器的空间电流矢量进行相应旋转，判断旋转后的空间电流矢量所属的扇区；
11.基于相应扇区及调制比，生成相应控制脉冲信号，以作用于第i+1台变换器来实现功率补偿。
12.作为一种实施方式，根据abc三相静止坐标系转换到dq两相同步旋转坐标系的变换矩阵，计算第i台变换器输入电压相位和理想参考输入电流相位之差。
13.作为一种实施方式，第i台变换器输入电压的a相相位为dq两相同步旋转坐标系的d轴与abc三相静止坐标系的a轴的夹角。
14.作为一种实施方式，dq两相同步旋转坐标系的d轴与abc三相静止坐标系的a轴的夹角由锁相环锁相得到。
15.作为一种实施方式，基于双极性电流空间矢量调制方法，生成控制脉冲信号。
16.本发明的第二个方面提供了一种大功率多功能高效充电系统功率补偿控制装置，所述充电系统的拓扑结构为至少两台并联的高频链矩阵变换器，该功率补偿控制装置包括：
17.相位差计算模块，其用于在dq两相同步旋转坐标系下，计算第i台变换器输入电压相位和理想参考输入电流相位之差；其中，i为奇数；
18.矢量旋转模块，其用于根据上述相位之差，计算第i+1台变换器空间电流矢量所需旋转的相位角；其中，所需旋转的相位角使得第i台变换器和第i+1台变换器的输入侧总瞬时无功功率为零；
19.扇区判断模块，其用于对第i+1台变换器的空间电流矢量进行相应旋转，判断旋转后的空间电流矢量所属的扇区；
20.脉冲调制模块，其用于基于相应扇区及调制比，生成相应控制脉冲信号，以作用于第i+1台变换器来实现功率补偿。
21.作为一种实施方式，根据abc三相静止坐标系转换到dq两相同步旋转坐标系的变换矩阵，计算第i台变换器输入电压相位和理想参考输入电流相位之差。
22.作为一种实施方式，第i台变换器输入电压的a相相位为dq两相同步旋转坐标系的d轴与abc三相静止坐标系的a轴的夹角。
23.作为一种实施方式，dq两相同步旋转坐标系的d轴与abc三相静止坐标系的a轴的夹角由锁相环锁相得到。
24.作为一种实施方式，在所述脉冲调制模块中，基于双极性电流空间矢量调制方法，生成控制脉冲信号。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
26.(1)本发明提出的大功率多功能高效充电系统功率补偿控制方法，可以灵活改变系统网侧电压电流的相位差，使其快速同相位，进而完成功率补偿动态控制和单位功率因数。
27.(2)本发明应用的拓扑可通过多台中小功率变换器并联实现整机大功率输出，扩大了系统容量，可扩展性好；输出侧串联可通过电流相位控制，减小电流纹波，避免纹波对电池的损伤。该功率控制补偿方法设计巧妙，实现便携，可广泛推广应用于其他类型的功率变换器。
28.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
29.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
30.图1是本发明实施例的充电系统结构示意图；
31.图2是本发明实施例的模块化并联的高频链矩阵变换器拓扑结构图；
32.图3是本发明实施例的大功率多功能高效充电系统功率补偿控制原理框图；
33.图4是本发明实施例的扇区划分及电流矢量图；
34.图5是本发明实施例的旋转后扇区划分及电流矢量图；
35.图6是本发明实施例的载波周期与矢量的关系图；
36.图7(a)是本发明实施例的旋转后第一台变换器输入侧a相电压电流；
37.图7(b)是本发明实施例的旋转后第二台变换器输入侧a相电压电流；
38.图8是本发明实施例的系统网侧输入a相电压电流波形。
具体实施方式
39.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
40.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
41.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
42.实施例一
43.参照图1，本实施例提供了一种大功率多功能高效充电系统功率补偿控制方法，其中所述充电系统的拓扑结构为并联的高频链矩阵变换器，如图1所示。这样能够实现功率双向流动，既可以对动力电池充电，也可以补偿电网功率。
44.功率变换器的拓扑结构如图2所示。整个系统可以由多个中小功率的高频链矩阵变换器组成，图2中所示为两台高频链矩阵变换器的组成结构。两台变换器共用一个三相交流电源和负载，其连接方式与多台变换器相同，均为：输入侧并联、输出侧串联，还包括输入滤波器、三相/单相ac-dc矩阵变换器、高频变压器、单相整流桥以及输出滤波器。
45.三相/单相ac-dc矩阵变换器将三相工频交流电，转换成单相高频交流电，其频率与功率开关器件mosfet的开关频率相同；给直流侧负载充电时，交流侧的lc低通滤波器可滤除三相/单相ac-dc矩阵变换器引入的高次谐波；单相高频交流电通过高频变压器(完成交流侧和直流侧的电气隔离)，经单相整流桥转换为直流，再经过直流侧lc低通滤波器滤除直流中的高频谐波，最终形成高品质直流电给电池充电。
46.为了滤除三相/单相ac-dc矩阵变换器开关引入的高次谐波，在三相电网和三相/单相ac-dc矩阵变换器主电路之间增加lc低通滤波器，最大限度的减小谐波污染。然而，由于输入侧lc低通滤波器的引入会增加系统的容性无功分量，使网侧电流相位超前电压，从而导致网侧功率因数不为1，只能完成无功功率的固定补偿。
47.为了使交流侧电网功率因数达到单位功率因数，实现无功功率的灵活补偿，发明一种新的补偿控制方法，通过对偶数台变换器的空间矢量进行旋转，改变系统网侧电压电流相位，实现单位功率因数的灵活补偿。其整体控制框图如图3所示。
48.其功率补偿控制原理为：
49.(1)在dq两相同步旋转坐标系下，计算第i台变换器输入电压相位和理想参考输入电流相位之差；其中，i为奇数。
50.具体地，三相电压实际值e
abc
和三相电流实际值i
abc
经clark和park变换得到ed、eq、id、iq；
51.建立高频链矩阵变换器的数学模型：
52.当三相电网电压对称时，根据基尔霍夫定律，建立高频链矩阵变换器网侧回路方程为
[0053][0054][0055][0056][0057][0058]
其中ea、eb、ec为电网电压，um为三相电网电压幅值，ω为电网角速度，ia、ib、ic为电网电流，i
ia
、i
ib
、i
ic
为三相/单相ac-dc矩阵变换器的输入电流，va、vb、vc为三相/单相ac-dc矩阵变换器的三个桥臂中点电压，i
dc
为二极管整流桥输出电流，u
dc
为二极管整流桥输出电压，m为abc三相静止坐标系下三相/单相ac-dc矩阵变换器的调制比，l为输入滤波电感，c为输入滤波电容，为输入电压相位和理想参考输入电流相位之差。
[0059]
其中，根据abc三相静止坐标系转换到dq两相同步旋转坐标系的变换矩阵，计算第i台变换器输入电压相位和理想参考输入电流相位之差。
[0060]
第i台变换器输入电压的a相相位为dq两相同步旋转坐标系的d轴与abc三相静止坐标系的a轴的夹角。
[0061]
dq两相同步旋转坐标系的d轴与abc三相静止坐标系的a轴的夹角由锁相环锁相得到。
[0062]
具体地，锁相环pll计算得到三相静止坐标系a轴和两相旋转坐标系d轴的夹角θ；
[0063]
将abc三相静止坐标系转换到dq两相同步旋转坐标系，其变换矩阵t为
[0064][0065]
其中θ为则三相静止坐标系a轴和两相旋转坐标系d轴的夹角，取值范围：0≤θ≤2π；考虑变换前后功率不发生变化，即采用等功率变换矩阵，因此取
[0066]
通过clark和park变换模块后，上述方程可转换为
[0067][0068][0069][0070][0071][0072]
其中，ed、eq是电网电压有功分量和无功分量，id、iq是电网电流有功分量和无功分量，i
id
、i
iq
是三相/单相ac-dc矩阵变换器的输入电流的有功分量和无功分量，vd、vq为三相/单相ac-dc矩阵变换器的桥臂中点电压的有功分量和无功分量。
[0073]
为进一步讨论θ对系统中各个量的影响，对系统中的各动态元件进行直流分析，即电容元件保持开路，电感元件保持短路，可以得到系统的直流特性。
[0074]
将式(8)和式(9)联立，可以得到
[0075][0076]
当网侧d轴电流变化率主电路q轴电压变化率时，式(12)变为
[0077][0078]
根据式(13)可以整理得到网侧q轴电流分量为
[0079][0080]
将式(7)、式(10)带入到式(14)中，可得网侧q轴电流分量
[0081][0082]
同理，当网侧q轴电流变化率主电路d轴电压变化率时，式(12)变为
[0083][0084]
根据式(16)可以整理得到网侧d轴电流分量为
[0085][0086]
将式(7)、式(10)代入到式(16)中，可得网侧d轴电流分量
[0087][0088]
根据三相电路瞬时功率理论，输入侧有功及无功功率可以表示为
[0089][0090]
其中，ps表示有功功率，qs表示无功功率。则将式(7)、式(15)、式(18)代入到式(19)中，可得矩阵整流器输入侧的瞬时无功功率qs，如式(20)所示。
[0091][0092]
因此，第一台变换器的无功功率为：
[0093][0094]
r为输出侧负载；q
s1
为第一台变换器的无功功率。
[0095]
(2)根据上述相位之差，计算第i+1台变换器空间电流矢量所需旋转的相位角；其中，所需旋转的相位角使得第i台变换器和第i+1台变换器的输入侧总瞬时无功功率为零。
[0096]
由式(20)可以看出，无功功率主要与c、有关。因此，可将第二台变换器的空间电流矢量进行旋转，来改变θ，进而改变然后改变其输入侧电压电流的相位，从而实现灵活的无功补偿，也可以使整个系统达到单位功率因数。
[0097]
系统中第一台变换器的空间矢量如图4所示。
[0098]
其中，θ1就是旋转坐标系与α轴的夹角，这个夹角是周期变化的与三相电压中的a相电压的相位相同。
[0099]
然后对第二台变换器的空间矢量进行逆时针旋转γ，如图5所示。
[0100]
旋转后，第二台变换器的θ2相对于θ1超前γ，相当于在的基础上减小γ，因此第二台变换器的无功功率可表示为
[0101][0102]
其中，，γ为第二台变换器空间矢量旋转的角度；只有旋转角γ与q
s1
有区别，因此，可改变γ的角度使qs＝q
s1
+q
s2
，从而使系统可以灵活补偿无功功率；当q
s2
＝-q
s1
时，并联系统还可实现单位功率因数。
[0103]
由于对第二台变换器的空间矢量进行了旋转，使计算的空间电流矢量的作用时间比第一台变换器空间电流矢量提前，如图6所示，会导致三相/单相ac-dc矩阵变换器中的双向开关提前导通和关断，造成系统网侧电压电流相位的偏移。
[0104]
因此，也将第二台变换器的载波进行延迟，抑制其对使网侧电压电流相位的影响。
[0105]
(3)对第i+1台变换器的空间电流矢量进行相应旋转，判断旋转后的空间电流矢量所属的扇区。
[0106]
(4)基于相应扇区及调制比，生成相应控制脉冲信号，以作用于第i+1台变换器来实现功率补偿。
[0107]
基于双极性电流空间矢量调制方法，生成控制脉冲信号。这样驱动三相/单相ac-dc矩阵变换器的双向开关。通过软件仿真验证本实施例的有益效果。
[0108]
仿真软件选用matlab/simulink2020a，仿真参数如表1所示。
[0109]
表1仿真参数
[0110]
[0111][0112]
图7(a)和图7(b)给出了本实施例的旋转后第一台变换器输入侧a相电压电流，以及旋转后第二台变换器输入侧a相电压电流；图8给出了本实施例的系统网侧输入a相电压电流波形。通过上述仿真结果可知，本实施例的该功率补偿控制方法可以灵活改变系统网侧电压电流的相位差，使其快速同相位，进而完成功率补偿动态控制和单位功率因数。
[0113]
实施例二
[0114]
本实施例提供了一种大功率多功能高效充电系统功率补偿控制装置，所述充电系统的拓扑结构为至少两台并联的高频链矩阵变换器，该功率补偿控制装置包括：
[0115]
(1)相位差计算模块，其用于在dq两相同步旋转坐标系下，计算第i台变换器输入电压相位和理想参考输入电流相位之差；其中，i为奇数；
[0116]
作为一种实施方式，根据abc三相静止坐标系转换到dq两相同步旋转坐标系的变换矩阵，计算第i台变换器输入电压相位和理想参考输入电流相位之差。其中，第i台变换器输入电压的a相相位为dq两相同步旋转坐标系的d轴与abc三相静止坐标系的a轴的夹角。dq两相同步旋转坐标系的d轴与abc三相静止坐标系的a轴的夹角由锁相环锁相得到。
[0117]
(2)矢量旋转模块，其用于根据上述相位之差，计算第i+1台变换器空间电流矢量所需旋转的相位角；其中，所需旋转的相位角使得第i台变换器和第i+1台变换器的输入侧总瞬时无功功率为零；
[0118]
(3)扇区判断模块，其用于对第i+1台变换器的空间电流矢量进行相应旋转，判断旋转后的空间电流矢量所属的扇区；
[0119]
(4)脉冲调制模块，其用于基于相应扇区及调制比，生成相应控制脉冲信号，以作用于第i+1台变换器来实现功率补偿。
[0120]
在具体实施过程中，在所述脉冲调制模块中，基于双极性电流空间矢量调制方法，生成控制脉冲信号。
[0121]
此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。
[0122]
本发明提供的大功率多功能高效充电系统功率补偿控制方法可为存储有计算机程序。本发明是参照本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0123]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。