变电站多台充电机并联运行控制方法与流程

本发明涉及一种适用于变电站多台充电机并联运行控制方法，具体涉及一种用于抑制环流的变电站多台充电机并联运行控制方法。

背景技术：

传统的充电模块通常由功率二极管和晶闸管等构成，这种类型的充电模块主要有以下缺点：体积大、谐波含量高、变换效率和功率因数低等，不利于电网发展。随着电网不断发展，作为变电站动力源泉的直流系统扮演着越来越重要的作用，其中充电机的可靠性、稳定性以及安全性尤为突出。如何提高充电机的电能变换效率、降低其谐波产生量以及提高功率因数已成为学术界研究的一个重要课题。

目前，为了提高充电机的电能质量和电能变换效率，以及为了提高充电机的总容量，有器件串联型充电机和模块并联型充电机两种解决方案。器件串联型充电机方案能有效地解决大容量电源问题，并且能有效改善输出电能的质量，但是当其容量固定时，在实时负荷变小或者生产规模减小时就会出现容量闲置的问题，降低了设备的利用率和灵活性。模块并联型充电机方案是由多组小容量的充电模块并联连接构成，其容量的大小可以灵活地增大和减小，可以方便地根据实际生产需要增减装置数量，提高设备利用率。除此之外，模块并联型充电机方案具有冗余运行特点，能大幅降低设备发生故障时的风险。因此，变电站现在大多都采用多台充电模块并联运行的方式。

随着电力电子器件的不断发展，pwm整流器也日趋成熟。新型的充电机开始使用pwm整流器作为其前级功率变换电路，其工作原理是：pwm整流器将工频的交流电变换成直流电，后级dc/dc变换电路将pwm整流器输出的高压直流电转换成变电站需要的±110v直流电。当各并联运行的充电机输出的直流电压不一致时，就会在充电机之间产生环流。这种充电机之间的环流会增加设备损耗，降低充电机的电能变换效率，在环流较大时还会对充电机中的功率开关器件产生烧毁性危害。因此，研究一种能抑制环流的多台充电机并联运行控制方法对提高充电机的电能变换效率和安全性具有重要的现实意义。

现有技术存在如下缺点：

1、目前，大部分充电机前级都采用二极管或晶闸管作为功率器件，其缺点是谐波含量高、变换效率低、功率因数低；

2、多台充电机并联运行时，没有采取有效措施抑制环流，从而达不到很好的均流效果。

为解决上述问题，本申请提供一种能有效提高充电机电能变换效率和功率因数、降低谐波含量，同时能有效抑制多台充电机并联运行时之间环流的控制方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种变电站多台充电机并联运行控制方法，该方法能有效提高充电机电能变换效率和功率因数、降低谐波含量，同时能有效抑制多台充电机并联运行时之间环流。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种变电站多台充电机并联运行控制方法，包括如下步骤，

s1、采用基于功率前馈的有功电流控制，实现每台充电机对应的pwm整流器负载功率的快速跟踪：

设每台充电机的输出功率为p，则有

(3umimcosθ)/2＝p(1)

式中：um为电网侧相电压峰值、im为电网侧相电流峰值、θ为功率因数角；理想情况下，功率因数角为0，即cosθ＝1；故可得电网侧相电流峰值的指令信号

im＝2p/(3um)(2)

为维持pwm整流器直流侧电压的稳定并弥补整个系统的能量损失，采用一个pi调节器来实现直流侧电压外环的调节

iout＝kpδudc+ki∫δudcdt(3)

式中：iout为pi调节器的输出指令信号，kp和ki分别为pi调节器的比例和积分系数，δudc为直流侧参考电压与实时电压的差；

s2、采用电流无差拍控制方法，实现快速准确跟踪指令电流：

由式(2)计算出pwm整流器网侧有功电流分量，由式(3)得到直流侧电压的电流调节信号，则总有功电流分量信号为：

ip＝im+iout(4)

将ip分别乘以各自的同步信号，得到其相应的参考电流调节信号：

在稳态时，根据双极性pwm控制方式，可得

式中，vsa、vsb、vsc为三相交流电压；isa、isb、isc为三相交流电流；udc为直流侧电压；da、db、dc分别为pwm整流器a、b、c相桥臂上功率开关管的导通占空比；l为电抗器的电感值；

将式(6)进一步化简得到各相桥臂上功率开关管导通占空比表达式并进行离散化如式(7)所示

式中：vsa(k)、vsb(k)、vsc(k)为当前采样得到的三相电网相电压；t为采样周期，ia(k)、ib(k)、ic(k)为当前采样得到的三相相电流；ia(k+1)、ib(k+1)、ic(k+1)为下一采样时刻的参考三相相电流；da(k)、db(k)、dc(k)分别为当前采样时刻pwm整流器a、b、c相桥臂上功率开关管的导通占空比；l为电抗器的电感值；此处采用式(5)中的参考电流调节信号来替代，让当前的电流信号去跟踪参考电流调节信号，从而实现电流的无差快速跟踪；

s3、采用基于虚拟阻抗的电压电流双控制方法，实现多台充电机并联均流：

将充电机的输出电流idcn与给定值ir比较，经过pi调节后，得到直流外环控制输出u'；然后将外环控制输出u'与虚拟阻抗电压反馈信号kidcn相减，得到电压内环的参考信号u*，故有

u*＝u'-kidcn(8)

在稳态时，由于内环pi调节的作用，负载电压udcn会跟踪期望电压u*；根据电路等效原理，将充电机后级dc/dc变换器虚拟成一个内阻为k的可变电源；选择一k值，使充电机的外特性在控制上不受其物理内阻的限制，从控制上改变系统的输出特性，提高装置的抗扰和均流；当多台充电机并联运行并公用一个k值时，在控制上具有相同的输出特性，通过闭环控制方法即可实现多台充电机并联均流。

在本发明一实施例中，所述k取k＞10r，其中r为dc/dc变换器的内阻。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明控制方法动态响应速度快，能实现无差跟踪；

2、充电机电能变换效率高、功率因数高、谐波含量低；

3、多台充电机并列运行时均流效果好，无环流。

附图说明

图1是多台充电机并联运行结构图。

图2是多台pwm整流器并联运行控制方法原理图。

图3是基于虚拟阻抗的电压电流双环控制方法原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

如图1所示，本发明一种变电站多台充电机并联运行控制方法，按照控制指令的流向分为主控制层和从控制层两个控制层。主控制层由一台上位机作为主控制器，从控制层由每台充电机控制系统中的dsp控制器组成。主控制器负责采集负载侧电压udc和电流idc、供电侧电压us和电流is同时计算出各台从控制器的同步参考电压u以及输出功率p。从控制器主要负责每台充电机的控制算法实现。

如图2所示，为实现每台pwm整流器负载功率的快速跟踪和提高系统的动态响应性能，本发明采用了基于功率前馈的有功电流控制。假设每台充电机的输出功率为p，根据能量守恒原理有

(3umimcosθ)/2＝p(1)

式中：um为电网侧相电压峰值、im为电网侧相电流峰值、θ为功率因数角；理想情况下，因此可认为功率因数角为0，即cosθ＝1；故可得电网侧相电流峰值的指令信号

im＝2p/(3um)(2)

为维持pwm整流器直流侧电压的稳定并弥补整个系统的能量损失，采用一个pi调节器来实现直流侧电压外环的调节

iout＝kpδudc+ki∫δudcdt(3)

式中：iout为pi调节器的输出指令信号，kp和ki分别为pi调节器的比例和积分系数，δudc为直流侧参考电压与实时电压的差；

为了实现内环电流的快速跟踪，本发明采用一种电流无差拍控制方法，能够实现快速准确跟踪指令电流。由式(2)计算出pwm整流器网侧有功电流分量，由式(3)得到直流侧电压的电流调节信号，则总有功电流分量信号为：

ip＝im+iout(4)

将ip分别乘以各自的同步信号，得到其相应的参考电流调节信号：

在稳态时，根据双极性pwm控制方式，可得

式中，vsa、vsb、vsc为三相交流电压；isa、isb、isc为三相交流电流；udc为直流侧电压；da、db、dc分别为pwm整流器a、b、c相桥臂上功率开关管的导通占空比；l为电抗器的电感值；

将式(6)进一步化简得到各相桥臂上功率开关管导通占空比表达式并进行离散化如式(7)所示

式中：vsa(k)、(vsb(k)、(vsc(k)为当前采样得到的三相电网相电压；t为采样周期，ia(k)、ib(k)、ic(k)为当前采样得到的三相相电流；ia(k+1)、ib(k+1)、ic(k+1)为下一采样时刻的参考三相相电流；da(k)、db(k)、dc(k)分别为当前采样时刻pwm整流器a、b、c相桥臂上功率开关管的导通占空比；l为电抗器的电感值。此处采用式(5)中的参考电流调节信号来替代，让当前的电流信号去跟踪参考电流调节信号，从而实现电流的无差快速跟踪；

如图3所示，本发明采用基于虚拟阻抗的电压电流双控制方法，实现多台充电机并联均流，具体即：将充电机的输出电流idcn与给定值ir比较，经过pi调节后，得到直流外环控制输出u'；然后将外环控制输出u'与虚拟阻抗电压反馈信号kidcn相减，得到电压内环的参考信号u*，故有

u*＝u'-kidcn(8)

在稳态时，由于内环pi调节的作用，负载电压udcn会跟踪期望电压u*；根据电路等效原理，将充电机后级dc/dc变换器虚拟成一个内阻为k的可变电源；通过合理的选择k值(要远远大于变换器内阻r，一般取k>10r)，使充电机的外特性在控制上不受其物理内阻的限制，从控制上改变系统的输出特性，提高装置的抗扰和均流。尤其，当多台充电机并联运行并公用一个k值时，这样它们在控制上具有相同的输出特性，通过闭环控制方法可以实现多台充电机并联均流。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。