本發(fā)明涉及一種適用于變電站多臺(tái)充電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行控制方法，具體涉及一種用于抑制環(huán)流的變電站多臺(tái)充電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行控制方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的充電模塊通常由功率二極管和晶閘管等構(gòu)成，這種類型的充電模塊主要有以下缺點(diǎn)：體積大、諧波含量高、變換效率和功率因數(shù)低等，不利于電網(wǎng)發(fā)展。隨著電網(wǎng)不斷發(fā)展，作為變電站動(dòng)力源泉的直流系統(tǒng)扮演著越來(lái)越重要的作用，其中充電機(jī)的可靠性、穩(wěn)定性以及安全性尤為突出。如何提高充電機(jī)的電能變換效率、降低其諧波產(chǎn)生量以及提高功率因數(shù)已成為學(xué)術(shù)界研究的一個(gè)重要課題。

目前，為了提高充電機(jī)的電能質(zhì)量和電能變換效率，以及為了提高充電機(jī)的總?cè)萘浚衅骷?lián)型充電機(jī)和模塊并聯(lián)型充電機(jī)兩種解決方案。器件串聯(lián)型充電機(jī)方案能有效地解決大容量電源問(wèn)題，并且能有效改善輸出電能的質(zhì)量，但是當(dāng)其容量固定時(shí)，在實(shí)時(shí)負(fù)荷變小或者生產(chǎn)規(guī)模減小時(shí)就會(huì)出現(xiàn)容量閑置的問(wèn)題，降低了設(shè)備的利用率和靈活性。模塊并聯(lián)型充電機(jī)方案是由多組小容量的充電模塊并聯(lián)連接構(gòu)成，其容量的大小可以靈活地增大和減小，可以方便地根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要增減裝置數(shù)量，提高設(shè)備利用率。除此之外，模塊并聯(lián)型充電機(jī)方案具有冗余運(yùn)行特點(diǎn)，能大幅降低設(shè)備發(fā)生故障時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，變電站現(xiàn)在大多都采用多臺(tái)充電模塊并聯(lián)運(yùn)行的方式。

隨著電力電子器件的不斷發(fā)展，pwm整流器也日趨成熟。新型的充電機(jī)開始使用pwm整流器作為其前級(jí)功率變換電路，其工作原理是：pwm整流器將工頻的交流電變換成直流電，后級(jí)dc/dc變換電路將pwm整流器輸出的高壓直流電轉(zhuǎn)換成變電站需要的±110v直流電。當(dāng)各并聯(lián)運(yùn)行的充電機(jī)輸出的直流電壓不一致時(shí)，就會(huì)在充電機(jī)之間產(chǎn)生環(huán)流。這種充電機(jī)之間的環(huán)流會(huì)增加設(shè)備損耗，降低充電機(jī)的電能變換效率，在環(huán)流較大時(shí)還會(huì)對(duì)充電機(jī)中的功率開關(guān)器件產(chǎn)生燒毀性危害。因此，研究一種能抑制環(huán)流的多臺(tái)充電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行控制方法對(duì)提高充電機(jī)的電能變換效率和安全性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

現(xiàn)有技術(shù)存在如下缺點(diǎn)：

1、目前，大部分充電機(jī)前級(jí)都采用二極管或晶閘管作為功率器件，其缺點(diǎn)是諧波含量高、變換效率低、功率因數(shù)低；

2、多臺(tái)充電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，沒有采取有效措施抑制環(huán)流，從而達(dá)不到很好的均流效果。

為解決上述問(wèn)題，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N能有效提高充電機(jī)電能變換效率和功率因數(shù)、降低諧波含量，同時(shí)能有效抑制多臺(tái)充電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)之間環(huán)流的控制方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種變電站多臺(tái)充電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行控制方法，該方法能有效提高充電機(jī)電能變換效率和功率因數(shù)、降低諧波含量，同時(shí)能有效抑制多臺(tái)充電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)之間環(huán)流。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種變電站多臺(tái)充電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行控制方法，包括如下步驟，

s1、采用基于功率前饋的有功電流控制，實(shí)現(xiàn)每臺(tái)充電機(jī)對(duì)應(yīng)的pwm整流器負(fù)載功率的快速跟蹤：

設(shè)每臺(tái)充電機(jī)的輸出功率為p，則有

(3umimcosθ)/2＝p(1)

式中：um為電網(wǎng)側(cè)相電壓峰值、im為電網(wǎng)側(cè)相電流峰值、θ為功率因數(shù)角；理想情況下，功率因數(shù)角為0，即cosθ＝1；故可得電網(wǎng)側(cè)相電流峰值的指令信號(hào)

im＝2p/(3um)(2)

為維持pwm整流器直流側(cè)電壓的穩(wěn)定并彌補(bǔ)整個(gè)系統(tǒng)的能量損失，采用一個(gè)pi調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓外環(huán)的調(diào)節(jié)

iout＝kpδudc+ki∫δudcdt(3)

式中：iout為pi調(diào)節(jié)器的輸出指令信號(hào)，kp和ki分別為pi調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù)，δudc為直流側(cè)參考電壓與實(shí)時(shí)電壓的差；

s2、采用電流無(wú)差拍控制方法，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確跟蹤指令電流：

由式(2)計(jì)算出pwm整流器網(wǎng)側(cè)有功電流分量，由式(3)得到直流側(cè)電壓的電流調(diào)節(jié)信號(hào)，則總有功電流分量信號(hào)為：

ip＝im+iout(4)

將ip分別乘以各自的同步信號(hào)，得到其相應(yīng)的參考電流調(diào)節(jié)信號(hào)：

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，根據(jù)雙極性pwm控制方式，可得

式中，vsa、vsb、vsc為三相交流電壓；isa、isb、isc為三相交流電流；udc為直流側(cè)電壓；da、db、dc分別為pwm整流器a、b、c相橋臂上功率開關(guān)管的導(dǎo)通占空比；l為電抗器的電感值；

將式(6)進(jìn)一步化簡(jiǎn)得到各相橋臂上功率開關(guān)管導(dǎo)通占空比表達(dá)式并進(jìn)行離散化如式(7)所示

式中：vsa(k)、vsb(k)、vsc(k)為當(dāng)前采樣得到的三相電網(wǎng)相電壓；t為采樣周期，ia(k)、ib(k)、ic(k)為當(dāng)前采樣得到的三相相電流；ia(k+1)、ib(k+1)、ic(k+1)為下一采樣時(shí)刻的參考三相相電流；da(k)、db(k)、dc(k)分別為當(dāng)前采樣時(shí)刻pwm整流器a、b、c相橋臂上功率開關(guān)管的導(dǎo)通占空比；l為電抗器的電感值；此處采用式(5)中的參考電流調(diào)節(jié)信號(hào)來(lái)替代，讓當(dāng)前的電流信號(hào)去跟蹤參考電流調(diào)節(jié)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)電流的無(wú)差快速跟蹤；

s3、采用基于虛擬阻抗的電壓電流雙控制方法，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)充電機(jī)并聯(lián)均流：

將充電機(jī)的輸出電流idcn與給定值ir比較，經(jīng)過(guò)pi調(diào)節(jié)后，得到直流外環(huán)控制輸出u'；然后將外環(huán)控制輸出u'與虛擬阻抗電壓反饋信號(hào)kidcn相減，得到電壓內(nèi)環(huán)的參考信號(hào)u*，故有

u*＝u'-kidcn(8)

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，由于內(nèi)環(huán)pi調(diào)節(jié)的作用，負(fù)載電壓udcn會(huì)跟蹤期望電壓u*；根據(jù)電路等效原理，將充電機(jī)后級(jí)dc/dc變換器虛擬成一個(gè)內(nèi)阻為k的可變電源；選擇一k值，使充電機(jī)的外特性在控制上不受其物理內(nèi)阻的限制，從控制上改變系統(tǒng)的輸出特性，提高裝置的抗擾和均流；當(dāng)多臺(tái)充電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行并公用一個(gè)k值時(shí)，在控制上具有相同的輸出特性，通過(guò)閉環(huán)控制方法即可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)充電機(jī)并聯(lián)均流。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述k取k＞10r，其中r為dc/dc變換器的內(nèi)阻。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明控制方法動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)無(wú)差跟蹤；

2、充電機(jī)電能變換效率高、功率因數(shù)高、諧波含量低；

3、多臺(tái)充電機(jī)并列運(yùn)行時(shí)均流效果好，無(wú)環(huán)流。

附圖說(shuō)明

圖1是多臺(tái)充電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖。

圖2是多臺(tái)pwm整流器并聯(lián)運(yùn)行控制方法原理圖。

圖3是基于虛擬阻抗的電壓電流雙環(huán)控制方法原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行具體說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明一種變電站多臺(tái)充電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行控制方法，按照控制指令的流向分為主控制層和從控制層兩個(gè)控制層。主控制層由一臺(tái)上位機(jī)作為主控制器，從控制層由每臺(tái)充電機(jī)控制系統(tǒng)中的dsp控制器組成。主控制器負(fù)責(zé)采集負(fù)載側(cè)電壓udc和電流idc、供電側(cè)電壓us和電流is同時(shí)計(jì)算出各臺(tái)從控制器的同步參考電壓u以及輸出功率p。從控制器主要負(fù)責(zé)每臺(tái)充電機(jī)的控制算法實(shí)現(xiàn)。

如圖2所示，為實(shí)現(xiàn)每臺(tái)pwm整流器負(fù)載功率的快速跟蹤和提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，本發(fā)明采用了基于功率前饋的有功電流控制。假設(shè)每臺(tái)充電機(jī)的輸出功率為p，根據(jù)能量守恒原理有

(3umimcosθ)/2＝p(1)

式中：um為電網(wǎng)側(cè)相電壓峰值、im為電網(wǎng)側(cè)相電流峰值、θ為功率因數(shù)角；理想情況下，因此可認(rèn)為功率因數(shù)角為0，即cosθ＝1；故可得電網(wǎng)側(cè)相電流峰值的指令信號(hào)

im＝2p/(3um)(2)

為維持pwm整流器直流側(cè)電壓的穩(wěn)定并彌補(bǔ)整個(gè)系統(tǒng)的能量損失，采用一個(gè)pi調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓外環(huán)的調(diào)節(jié)

iout＝kpδudc+ki∫δudcdt(3)

式中：iout為pi調(diào)節(jié)器的輸出指令信號(hào)，kp和ki分別為pi調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù)，δudc為直流側(cè)參考電壓與實(shí)時(shí)電壓的差；

為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)電流的快速跟蹤，本發(fā)明采用一種電流無(wú)差拍控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)快速準(zhǔn)確跟蹤指令電流。由式(2)計(jì)算出pwm整流器網(wǎng)側(cè)有功電流分量，由式(3)得到直流側(cè)電壓的電流調(diào)節(jié)信號(hào)，則總有功電流分量信號(hào)為：

ip＝im+iout(4)

將ip分別乘以各自的同步信號(hào)，得到其相應(yīng)的參考電流調(diào)節(jié)信號(hào)：

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，根據(jù)雙極性pwm控制方式，可得

式中，vsa、vsb、vsc為三相交流電壓；isa、isb、isc為三相交流電流；udc為直流側(cè)電壓；da、db、dc分別為pwm整流器a、b、c相橋臂上功率開關(guān)管的導(dǎo)通占空比；l為電抗器的電感值；

將式(6)進(jìn)一步化簡(jiǎn)得到各相橋臂上功率開關(guān)管導(dǎo)通占空比表達(dá)式并進(jìn)行離散化如式(7)所示

式中：vsa(k)、(vsb(k)、(vsc(k)為當(dāng)前采樣得到的三相電網(wǎng)相電壓；t為采樣周期，ia(k)、ib(k)、ic(k)為當(dāng)前采樣得到的三相相電流；ia(k+1)、ib(k+1)、ic(k+1)為下一采樣時(shí)刻的參考三相相電流；da(k)、db(k)、dc(k)分別為當(dāng)前采樣時(shí)刻pwm整流器a、b、c相橋臂上功率開關(guān)管的導(dǎo)通占空比；l為電抗器的電感值。此處采用式(5)中的參考電流調(diào)節(jié)信號(hào)來(lái)替代，讓當(dāng)前的電流信號(hào)去跟蹤參考電流調(diào)節(jié)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)電流的無(wú)差快速跟蹤；

如圖3所示，本發(fā)明采用基于虛擬阻抗的電壓電流雙控制方法，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)充電機(jī)并聯(lián)均流，具體即：將充電機(jī)的輸出電流idcn與給定值ir比較，經(jīng)過(guò)pi調(diào)節(jié)后，得到直流外環(huán)控制輸出u'；然后將外環(huán)控制輸出u'與虛擬阻抗電壓反饋信號(hào)kidcn相減，得到電壓內(nèi)環(huán)的參考信號(hào)u*，故有

u*＝u'-kidcn(8)

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，由于內(nèi)環(huán)pi調(diào)節(jié)的作用，負(fù)載電壓udcn會(huì)跟蹤期望電壓u*；根據(jù)電路等效原理，將充電機(jī)后級(jí)dc/dc變換器虛擬成一個(gè)內(nèi)阻為k的可變電源；通過(guò)合理的選擇k值(要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變換器內(nèi)阻r，一般取k>10r)，使充電機(jī)的外特性在控制上不受其物理內(nèi)阻的限制，從控制上改變系統(tǒng)的輸出特性，提高裝置的抗擾和均流。尤其，當(dāng)多臺(tái)充電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行并公用一個(gè)k值時(shí)，這樣它們?cè)诳刂粕暇哂邢嗤妮敵鎏匦?，通過(guò)閉環(huán)控制方法可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)充電機(jī)并聯(lián)均流。

以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時(shí)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。