一種基于三端口變換器的直流分布式負載系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于三端口變換器的直流分布式負載系統(tǒng)及其控制方法，屬于電力電子變換及分布式負載系統(tǒng)領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括直流輸入電源(10)、由N個子三端口變換器組成的功率變換單元(20)和由N個子負載組成的負載(30)，N為大于1的自然數(shù)，直流輸入電源的輸出作為系統(tǒng)輸入端電壓母線，每個子三端口變換器的輸入端均連接至輸入端電壓母線，每個子三端口變換器的儲能端均連接至儲能端電壓母線，每個子三端口變換器的輸出端均串接一個子負載。本發(fā)明根據(jù)儲能裝置的充放電狀態(tài)，當(dāng)儲能裝置充電時采用儲能端均流、當(dāng)儲能裝置放電時按照各自輸出功率大小分配輸入端功率的混合式功率控制策略，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運行。
【專利說明】—種基于三端口變換器的直流分布式負載系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于三端口變換器的直流分布式負載系統(tǒng)及其控制方法，屬于電力電子變換及分布式負載系統(tǒng)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著能源危機和環(huán)境污染問題日益嚴重，太陽能、風(fēng)能、燃料電池等新能源和可再生能源的開發(fā)和利用得到越來越廣泛的關(guān)注，新能源發(fā)電系統(tǒng)已成為世界各國關(guān)注和研究的熱點。在同一個新能源發(fā)電系統(tǒng)中，可能會存在多個相同性質(zhì)或多種不同性質(zhì)的分布式負載，為了同時滿足分布式負載的供電需求，通常的解決方案是采用兩級式功率變換系統(tǒng)，即先通過一級DC / DC變換器將新能源轉(zhuǎn)化成直流輸出，并以此DC / DC變換器的輸出為公共直流母線，然后分別串接一個DC / DC變換器到各分布式負載進行單獨供電。
[0003]另外，由于太陽能電池等新能源發(fā)電裝置存在電力供應(yīng)不穩(wěn)定、不連續(xù)和隨環(huán)境條件變化等缺點，需要配備儲能裝置以提供峰值功率和回收多余能量，保證供電的連續(xù)性和可靠性。因此，儲能裝置和公共直流母線之間還需要雙向DC / DC變換器來連接，以實現(xiàn)功率雙向傳輸。
[0004]然而，采用上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時，功率從輸入源到負載、從輸入源到儲能裝置和從儲能裝置到負載等三種情形下傳輸時，均需要經(jīng)過兩級功率變換，從而降低了系統(tǒng)的整體效率。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]發(fā)明目的:
[0006]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于三端口變換器的直流分布式負載系統(tǒng)及其控制方法。
[0007]技術(shù)方案:
[0008]本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案:
[0009]本發(fā)明的基于三端口變換器的直流分布式負載系統(tǒng)，包括直流輸入電源、功率變換單元和負載，其特征在于:所述功率變換單元包括N個子三端口變換器，所述負載包括N個子負載，N為大于I的自然數(shù)，直流輸入電源的輸出作為系統(tǒng)輸入端電壓母線，每個子三端口變換器的輸入端均連接至輸入端電壓母線，每個子三端口變換器的儲能端均連接至儲能端電壓母線，每個子三端口變換器的輸出端均串接一個子負載。
[0010]所述直流輸入電源為直流電壓源或可再生能源電源，可以是單個電源也可以由多個電源串并聯(lián)構(gòu)成。
[0011]所述三端口變換器為隔離型三端口直流變換器或非隔離型三端口直流變換器。
[0012]所述三端口變換器包括一個直流電壓輸入端、一個輸出端和一個儲能端，其中儲能端是雙向功率端口，輸出端是單向功率端口或雙向功率端口。
[0013]基于上述直流分布式負載系統(tǒng)的控制方法，所有子三端口變換器的控制方法相同，其控制過程分為如下兩種情況:
[0014]A.當(dāng)儲能裝置處于充電狀態(tài)時，各子三端口變換器采用儲能端均流的控制策略，具體控制過程如下:
[0015]以各子三端口變換器儲能端電流的平均值或最大值作為儲能端均流母線電壓信號ib—bus，該信號作為各子三端口變換器儲能端電流的給定信號，與各子三端口變換器儲能端電流反饋信號ib經(jīng)過儲能端均流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后得到兩者的誤差信號Vrcs，該誤差信號與基準電Svimef疊加后作為該子三端口變換器輸入端電壓的給定信號，與該子三端口變換器輸入端電壓反饋信號Vin經(jīng)過輸入端電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后得到兩者的誤差信號V。，該誤差信號作為輸入端電壓的控制信號與載波信號交截得到驅(qū)動信號，從而實現(xiàn)該子三端口變換器的控制；
[0016]B.當(dāng)儲能裝置處于放電狀態(tài)時，各子三端口變換器采用按照各自輸出功率大小分配輸入端功率的控制策略，具體控制過程如下:
[0017]將各子三端口變換器的儲能端電流ib除以各自的輸出功率P。進行標幺化，得到各子三端口變換器的儲能端電流標么值匕，以各子三端口變換器儲能端電流標么值的平均值或最大值作為儲能端標么均流母線電壓信號i\—bus，該信號作為各子三端口變換器儲能端標幺電流的給定信號，與各子三端口變換器儲能端標么電流信號經(jīng)過儲能端標么電流均流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后得到兩者的誤差信號vBra，該誤差信號與基準電壓Vinref疊加后作為該子三端口變換器輸入端電壓的給定信號，與該子三端口變換器輸入端電壓反饋信號Vin經(jīng)過輸入端電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后得到兩者的誤差信號V。，該誤差信號作為輸入端電壓的控制信號與載波信號交截得到驅(qū)動信號，從而實現(xiàn)該子三端口變換器的控制。
[0018]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0019](I)由于采用分布式負載結(jié)構(gòu)，各個輸出負載端可以獨立控制，減小了各子負載之間的相互影響，滿足了多個不同性質(zhì)或需求負載的同時供電；
[0020](2)從直流輸入電源到負載、從直流輸入電源到儲能裝置和從儲能裝置到負載等三種情形下的功率變換均為單級功率變換，提高了系統(tǒng)的整體效率；
[0021](3)采用集成式三端口變換器作為系統(tǒng)的基本組成單元，簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性；
[0022](4)采用儲能裝置充電時儲能端均流、儲能裝置放電時按照各自輸出功率大小分配輸入端功率的混合式功率控制策略，保證了系統(tǒng)在不同工況下的穩(wěn)定、可靠運行。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]附圖1為本發(fā)明的基于三端口變換器的直流分布式負載系統(tǒng)實施例結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]附圖2為本發(fā)明儲能裝置充電狀態(tài)時子三端口變換器的控制電路圖；
[0025]附圖3為本發(fā)明儲能裝置放電狀態(tài)時子三端口變換器的控制電路圖；
[0026]附圖4為本發(fā)明的實施例兩個三端口變換器構(gòu)成的直流分布式負載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]附圖5為本實施例中同步整流式半橋三端口直流變換器電路原理圖；
[0028]附圖6為本實施例正常運行時的實驗結(jié)果；
[0029]以上附圖中符號說明:10_直流輸入電源；20-功率變換單元；30-負載；Vinl?vM-第I~N個子三端口變換器輸入端電壓；ibl~ibN-第I~N個子三端口變換器儲能端電流;v0l~νΛ-第I~N個子三端口變換器輸出端電壓Jtjl~Ln-第I~N個子三端口變換器輸出端電流；Ρ()1 ~Ρ()Ν-第I~N個子三端口變換器輸出功率；i*bl~i\N-第I~N個子三端口變換器儲能端電流標么值；ib—bus_三端口變換器儲能端均流母線電壓；i\—bus-三端口變換器儲能端標么均流母線電壓；Vinrefl~vinrefN-第I~N個子三端口變換器輸入端電壓基準值；BCS1~BCSN-第I~N個子三端口變換器的儲能端均流調(diào)節(jié)器；IVR1~IVRN-第I~N個子三端口變換器的輸入端電壓調(diào)節(jié)器；vBCS1~Vbkn-第I~N個子三端口變換器的儲能端均流調(diào)節(jié)器輸出電壓；Vel~veN-第I~N個子三端口變換器輸入端控制電壓；PV、PVUPV2-光伏陣列K^C2-輸入濾波電容^~Q4-開關(guān)管；C。-輸出濾波電容；L。-輸出濾波電感；R。、R0I> Ro1-輸出負載；v。-輸出電壓；i。-輸出電流；iin-輸入電流。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0031]本發(fā)明實施例的基于三端口變換器的直流分布式負載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所不，包括直流輸入電源10、功率變換單元20和負載30，其中:直流輸入電源10采用可再生能源電源中的光伏陣列，功率變換單元20包括N個子三端口變換器，負載30包括N個子負載，N為大于I的自然數(shù)，光伏陣列的輸出作為系統(tǒng)輸入端電壓母線，每個子三端口變換器的輸入端均連接至輸入端電壓母線，每個子三端口變換器的儲能端均連接至儲能端電壓母線，每個子三端口變換器的輸出端均串接一個子負載。 [0032]基于上述實施例的直流分布式負載系統(tǒng)的控制方法，所有子三端口變換器的控制方法相同，其控制過程分為如下兩種情況:
[0033]A.當(dāng)儲能裝置處于充電狀態(tài)時，各子三端口變換器采用儲能端均流的控制策略；
[0034]B.當(dāng)儲能裝置處于放電狀態(tài)時，各子三端口變換器采用按照各自輸出功率大小分配輸入端功率的控制策略。
[0035]下面結(jié)合附圖2~附圖3對基于上述實施例的直流分布式負載系統(tǒng)的功率控制方法進行具體分析。
[0036]如圖2所示是本發(fā)明儲能裝置充電狀態(tài)時子三端口變換器的控制電路圖。本實施例中采用儲能端均流外環(huán)、輸入端電壓內(nèi)環(huán)的均流結(jié)構(gòu)，其中儲能端均流母線電壓產(chǎn)生方式為取平均值，且均流環(huán)和電壓環(huán)均采用PI調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)。
[0037]以第k個子三端口變換器的控制為例，詳細介紹其在儲能裝置充電狀態(tài)時儲能端均流控制的具體過程。
[0038]儲能端均流母線電壓的產(chǎn)生方式為取平均值，即:
[0039]ib bus = — (hi +ibi +L +ibk +L +ibN)⑴
—N
[0040]該信號作為各子三端口變換器儲能端電流的給定信號，與第k個子三端口變換器儲能端電流反饋信號(ibk)經(jīng)過儲能端均流調(diào)節(jié)器(BCSk)調(diào)節(jié)后得到兩者的誤差信號(vrcsk)，該誤差信號與基準電壓(Vinrefk)疊加后作為該子三端口變換器輸入端電壓的給定信號，與該子三端口變換器輸入端電壓反饋信號(Vink)經(jīng)過輸入端電壓調(diào)節(jié)器(IVRk)調(diào)節(jié)后得到兩者的誤差信號V。,，該誤差信號作為輸入端電壓的控制信號與載波信號交截得到驅(qū)動信號，從而實現(xiàn)該子三端口變換器的控制。
[0041 ] 如圖3所示是本發(fā)明儲能裝置放電狀態(tài)時子三端口變換器的控制電路圖。本實施例中采用儲能端標么電流均流外環(huán)、輸入端電壓內(nèi)環(huán)的均流結(jié)構(gòu)，其中儲能端標么均流母線電壓產(chǎn)生方式為取平均值，且均流環(huán)和電壓環(huán)均采用PI調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)。
[0042]以第k個子三端口變換器的控制為例，詳細介紹其在儲能裝置放電狀態(tài)時按照各自輸出功率大小分配輸入端功率的具體過程。
[0043]首先將各子三端口變換器模塊的儲能端電流除以各自的輸出功率進行標么化，得到其儲能端電流標幺值:
[0044]
【權(quán)利要求】
1.一種基于三端口變換器的直流分布式負載系統(tǒng)，包括直流輸入電源(10)、功率變換單元(20)和負載(30)，其特征在于:所述功率變換單元(20)包括N個子三端口變換器，所述負載(30)包括N個子負載，N為大于I的自然數(shù)，直流輸入電源的輸出作為系統(tǒng)輸入端電壓母線，每個子三端口變換器的輸入端均連接至輸入端電壓母線，每個子三端口變換器的儲能端均連接至儲能端電壓母線，每個子三端口變換器的輸出端均串接一個子負載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三端口變換器的直流分布式負載系統(tǒng)，其特征在于:所述直流輸入電源(10)為直流電壓源或可再生能源電源，可以是單個電源也可以由多個電源串并聯(lián)構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三端口變換器的直流分布式負載系統(tǒng)，其特征在于:所述三端口變換器為隔離型三端口直流變換器或非隔離型三端口直流變換器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三端口直流變換器，其特征在于:所述三端口直流變換器包括一個直流電壓輸入端、一個輸出端和一個儲能端，其中儲能端是雙向功率端口，輸出端是單向功率端口或雙向功率端口。
5.一種基于權(quán)利要求1所述的基于三端口變換器的直流分布式負載系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:所有子三端口變換器的控制方法相同，其控制過程分為如下兩種情況: A.當(dāng)儲能裝置處于充電狀態(tài)時，各子三端口變換器采用儲能端均流的控制策略，具體控制過程如下: 以各子三端口變換器儲能端電流的平均值或最大值作為儲能端均流母線電壓信號ib—bus，該信號作為各子三端口變換器儲能端電流的給定信號，與各子三端口變換器儲能端電流反饋信號ib經(jīng)過儲能端均流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后得到兩者的誤差信號Vrcs，該誤差信號與基準電壓Vimef疊加后作為該子三端口變換器輸入端電壓的給定信號，與該子三端口變換器輸入端電壓反饋信號Vin經(jīng)過輸入端電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后得到兩者的誤差信號V。，該誤差信號作為輸入端電壓的控制信號與載波信號交截得到驅(qū)動信號，從而實現(xiàn)該子三端口變換器的控制； B.當(dāng)儲能裝置處于放電狀態(tài)時，各子三端口變換器采用按照各自輸出功率大小分配輸入端功率的控制策略，具體控制過程如下: 將各子三端口變換器的儲能端電流ib除以各自的輸出功率P。進行標么化，得到各子三端口變換器的儲能端電流標么值，以各子三端口變換器儲能端電流標么值的平均值或最大值作為儲能端標么均流母線電壓信號i\—bus，該信號作為各子三端口變換器儲能端標幺電流的給定信號，與各子三端口變換器儲能端標么電流信號經(jīng)過儲能端標么電流均流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后得到兩者的誤差信號vrcs，該誤差信號與基準電壓Vimef疊加后作為該子三端口變換器輸入端電壓的給定信號，與該子三端口變換器輸入端電壓反饋信號Vin經(jīng)過輸入端電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后得到兩者的誤差信號V。，該誤差信號作為輸入端電壓的控制信號與載波信號交截得到驅(qū)動信號，從而實現(xiàn)該子三端口變換器的控制。
【文檔編號】H02J7/35GK103904638SQ201410154890
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月17日
【發(fā)明者】張君君, 吳紅飛, 曹鋒, 胡海兵 申請人:南京航空航天大學(xué)