一种面向电动载运系统的串联型直流配电装置和控制方法

本发明涉及电力电子技术在电动载运工程中的应用领域，具体涉及一种面向电动载运系统的串联型直流配电装置和控制方法。

背景技术：

1、随着电力电子技术的发展，电动载运系统正逐步取代传统的以燃油发动机为核心的机械式载运系统，深刻改变人类的交通运输方式。配电系统是电动载运系统的关键环节，其将电源发出的电力通过电力电子变换器进行变换，供给各类形式的负荷。区别于能量来源充足稳定、部署空间限制小、断电维护较为便捷、基本处于稳定运行状态的陆上配电系统，电动载运系统的配电系统面临电源容量小、可利用空间有限、持续供电需求强、面临负荷大范围快速变化等问题，对电力电子配电装置的运行效率、功率密度、容错能力和动态响应速度提出了更高的要求。同时，相比于常规低压小功率电动载运系统，大功率电动载运系统通过提升母线电压等级来降低功率传输损耗，提升配电效率，这意味着需要进一步提升配电装置的耐电压等级。

2、目前，大功率电动载运系统的配电系统仍采用并联型配电结构，即各类负荷通过不同类型的端口变换器连接到统一的中压母线上。这种并联型配电装置技术较为成熟，但在该配电形式下，要将不同类型的低压负荷接入到中压母线上，需要数量庞大、种类多样的中压大功率端口变换器，不仅降低了配电系统的功率密度，也不利于电气设备的模块化生产、制造与维护。

3、因此，传统的并联型配电装置无法适应大功率电动载运系统的发展，需要提出耐压等级高、模块化水平高、功率密度大的新型配电装置。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，解决并联型配电装置功率密度和模块化水平不足的问题，本发明提出了一种面向大功率电动载运系统的串联型直流配电装置。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、第一方面，本申请公开一种面向电动载运系统的串联型直流配电装置，由中压直流端口、中压滤波电感、单向功率传输模块和双向功率传输模块串联组成；

4、所述单向功率传输模块由半桥式电力电子接口、功率模块电容、单向端口变换器和单向低压直流端口级联组成；

5、所述双向功率传输模块由全桥式电力电子接口、功率模块电容、双向端口变换器和双向低压直流端口级联组成。

6、在一些实施例中，所述单向低压直流端口能吸收功率，不能发出功率；所述双向低压直流端口能吸收功率和发出功率。

7、在一些实施例中，所有功率模块电容电压一致，所述中压直流端口的电压umv高于功率模块电容电压uc，但中压直流端口电压低于低压直流端口电压之和，即uc<umv<(m+n)uc，其中m和n分别是为单向低压直流端口和双向低压直流端口数量。

8、在一些实施例中，所述单向端口变换器为buck变换器、交错并联buck变换器、移相全桥变换器、llc谐振变换器中的至少一种。

9、在一些实施例中，所述双向端口变换器为buck/boost变换器、交错并联buck/boost变换器、双有源桥变换器、双向llc谐振变换器中的至少一种。

10、在一些实施例中，包括三种运行状态：

11、正常运行状态：中压直流端口电能充足，中压直流端口向单向低压直流端口供电，双向低压直流端口可以发出功率也可以吸收功率；

12、紧急运行状态：中压直流端口故障旁路，双向低压直流端口向单向低压直流端口供电；

13、反向运行状态：中压直流端口功率不足，双向低压直流端口向中压直流端口供电。

14、在一些实施例中，低压直流端口的功率占比需要满足不平衡运行边界；不同运行状态对应不同的不平衡运行边界；同种运行状态下单向低压直流端口和双向低压直流端口的不平衡运行边界不同；所述不平衡运行边界分为理论边界和工程边界；

15、正常运行状态下，不平衡运行边界定义为单个低压直流端口的功率与整个配电装置总功率的比值；单向低压直流端口不平衡运行理论边界是[0,uc/umv]，工程边界是[0.1uc/umv,0.9uc/umv]；双向低压直流端口不平衡运行理论边界是[-uc/umv,uc/umv]，工程边界是[-0.9uc/umv,0.9uc/umv]；

16、紧急运行状态下，不平衡运行边界定义为单个低压直流端口的功率与所有同类型低压直流端口总功率的比值；单向低压直流端口不平衡运行理论边界是[0,uc/umv]，工程边界是[0.1uc/umv,0.9uc/umv]；双向低压直流端口不平衡运行理论边界是[-uc/umv,uc/umv]，工程边界是[-0.9uc/umv,0.9uc/umv]；

17、反向运行状态下，不平衡运行边界定义为双向低压直流端口的功率与所有双向低压直流端口总功率的比值；双向低压直流端口不平衡运行理论边界是[-uc/umv,uc/umv]，工程边界是[-0.9uc/umv,0.9uc/umv]；

18、第二方面，本申请公开一种如第一方面所述的面向电动载运系统的串联型直流配电装置的控制方法，功率传输模块与中压直流端口连接，并根据中压直流端口的运行状态采用不同方式进行控制，具体包括以下步骤：

19、控制方式1：正常运行状态下，中压直流端口发出功率，所有电力电子接口采用平均电压双闭环与均压环相结合的三环控制策略，控制功率模块电容电压；

20、控制方式2：紧急运行状态下，中压直流端口旁路时，半桥电力电子接口采用三环控制策略，控制功率模块电容电压，全桥电力电子接口采用固定调制比控制，维持中压直流母线电压和功率模块吸收功率占比；

21、控制方式3：反向运行状态下，中压直流端口吸收功率，全桥电力电子接口采用固定调制比控制，维持功率模块发出功率占比。

22、在一些实施例中，还包括容错运行控制，具体包括以下步骤：

23、当功率模块发生故障时，通过对应的电力电子接口将故障的功率模块旁路，并重构直流配电装置的控制策略和调制策略，使得其他功率模块正常运行；故障的功率模块完成维修和预充电后重新串入直流配电装置，直流配电装置恢复正常运行。

24、本发明的有益效果：

25、本发明能够实现大功率电动载运系统在不同工况下，包括正常运行状态、紧急运行状态以及反向运行状态下，单个中压直流端口与多个低压直流端口之间的能量灵活控制；

26、本发明可以实现大功率电动载运系统多个低压直流端口的功率不平衡运行控制以及容错运行控制，提升配电系统的功能性和供电可靠性；

27、本发明能够为大功率电动载运系统省去体积笨重、数量庞大、种类复杂的中压直流配电变换器，提升配电系统功率密度和模块化水平，便于生产、制造、维护与冗余保护设计。

技术特征：

1.一种面向电动载运系统的串联型直流配电装置，其特征在于，由中压直流端口、中压滤波电感、单向功率传输模块和双向功率传输模块串联组成；

2.根据权利要求1所述的一种面向电动载运系统的串联型直流配电装置，其特征在于，所述单向低压直流端口能吸收功率，不能发出功率；所述双向低压直流端口能吸收功率和发出功率。

3.根据权利要求1所述的一种面向电动载运系统的串联型直流配电装置，其特征在于，所有功率模块电容电压一致，所述中压直流端口的电压umv高于功率模块电容电压uc，但中压直流端口电压低于低压直流端口电压之和，即uc<umv<(m+n)uc，其中m和n分别是为单向低压直流端口和双向低压直流端口数量。

4.根据权利要求1所述的面向电动载运系统的串联型直流配电装置，其特征在于，所述单向端口变换器为buck变换器、交错并联buck变换器、移相全桥变换器、llc谐振变换器中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的面向电动载运系统的串联型直流配电装置，其特征在于，所述双向端口变换器为buck/boost变换器、交错并联buck/boost变换器、双有源桥变换器、双向llc谐振变换器中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的面向电动载运系统的串联型直流配电装置，其特征在于，包括三种运行状态：

7.根据权利要求1所述的面向大功率电动载运系统的串联型直流配电装置，其特征在于，低压直流端口的功率占比需要满足不平衡运行边界；不同运行状态对应不同的不平衡运行边界；同种运行状态下单向低压直流端口和双向低压直流端口的不平衡运行边界不同；所述不平衡运行边界分为理论边界和工程边界；

8.一种如权利要求1-6任意一项所述的面向电动载运系统的串联型直流配电装置的控制方法，其特征在于，功率传输模块与中压直流端口连接，并根据中压直流端口的运行状态采用不同方式进行控制，具体包括以下步骤：

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括容错运行控制，具体包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种面向电动载运系统的串联型直流配电装置和控制方法，属于电力电子技术在电动载运工程中的应用领域。该串联型直流配电装置基于级联桥式电路拓扑，通过串联的桥式电力电子接口将中压直流电压转变为多路低压直流电压连接单向或双向端口变换器，进而连接不同类型的负荷，实现单个中压直流端口和多个低压直流端口之间的功率流双向灵活控制。协调控制器可以实现低压直流端口的功率不平衡运行控制和容错运行控制。本发明为大功率电动载运系统省去中压直流变换器，提升模块化水平和功率密度，适用于大功率电力船舶、电力飞机和轨道列车的直流区域配电及推进系统供电具体应用场景。

技术研发人员：陈鹏,赵剑锋,刘康礼,董坤
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16