减少变换器无功功率的方法及装置与流程

1.本发明属于新能源分布式发电、电力电子技术领域，具体涉及一种减少变换器无功功率的方法及装置。


背景技术：

2.分布式发电具有环境污染少、安装地点灵活、能源利用率高、输电线路损耗少等优点，是未来电力系统的重要发展趋势之一，利用可再生能源发电是解决能源危机和环境污染的一种重要途径。但在可再生能源发电系统中，由于受气候和天气的影响，可再生能源存在间歇性和随机性的问题，需要引入储能装置，将储能装置与可再生能源发电单元结合使用，以便于提供稳定连续的电能。储能装置与直流母线之间一般通过一个双向dc
‑
dc变换器来控制能量的双向传输。双有源全桥双向dc
‑
dc变换器具有开关器件电压电流应力相对小、结构对称以及易实现开关管的零电压开关等优点，适用于中大功率场合。
3.目前，已经被提出的用于双有源全桥变换器提高转换效率，减少无功功率的控制方法大多是使用移相控制和pwm加移向控制的方法实现的。文献“消除无功功率和提高系统效率的隔离型双向双有源桥变换器采用新颖的双移相控制”提出了一种用pwm加移向控制的新方法控制无功功率。但该方法仅能适当减小变换器两侧无功功率或仅消除变换器原边或副边单侧的无功功率，尚不能完全消除两侧的无功功率。无功功率的存在会使直流侧电容和电池过度充放电，减少器件使用寿命。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供了一种减少变换器无功功率的方法及装置，减小系统的无功损耗，提高变换器的传输功率。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种减少变换器无功功率的方法，包括：
6.根据原边开关管的开关信号的移项占空比d1、副边开关管的开关信号的移项占空比d2、原副边桥臂中点间电压的移项角对应的移项占空比得到限制无功功率的约束条件；
7.在所述约束条件满足的前提下，通过控制原边开关管的开关信号的移项占空比d1、和原副边桥臂中点间电压的移项角对应的移项占空比得到变换器的最大化传递功率；
8.在变换器的最大化传递功率的前提下，再次控制原副边桥臂中点间电压的移项角对应的移项占空比，简化减少变换器无功功率的控制步骤。
9.可选的，所述限制无功功率的约束条件为：
[0010][0011]
d2＝1+k(d1‑
1)
[0012]
其中，k＝nv1/v2,n为变压器变比，v1为原边直流侧电压，v2为副边直流侧电压。
[0013]
可选的，所述通过控制原边开关管的开关信号的移项占空比d1、和原副边桥臂中
点间电压的移项角对应的移项占空比得到变换器的最大化传递功率，包括：
[0014]
变换器一个开关周期的平均功率传输表达式为：
[0015][0016]
其中，l为变压器侧电感值，f
s
为开关频率。当满足约束条件时，分情况讨论p的最大值，表达式为：
[0017][0018]
整定d1作为主控制参数，p
max
的表达式为：
[0019][0020]
当d1在(d
12
,1)时，可实现功率控制的单调变化，为使得p有最大值，整定d1为：
[0021][0022]
可选的，根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在变换器的最大化传递功率的前提下，再次控制原副边桥臂中点间电压的移项角对应的移项占空比，简化减少变换器无功功率的控制步骤，包括：
[0023][0024]
可选的，在根据原边开关管的开关信号的移项占空比d1、副边开关管的开关信号的移项占空比d2、原副边桥臂中点间电压的移项角对应的移项占空比得到限制无功功率的约束条件之前，所述方法还包括：
[0025]
确定产生无功电流的条件。
[0026]
可选的，所述确定产生无功电流的条件为：
[0027]
当原边桥臂中点输出电压v
h1
，或副边桥臂中点电压v
h2
的极性和变压器侧电感电流i
l
极性不同时，则会在原边或副边产生无功电流。
[0028]
第二方面，本发明实施例还提供了一种减少变换器无功功率的装置，包括：
[0029]
约束条件确定模块，用于根据原边开关管的开关信号的移项占空比d1、副边开关管的开关信号的移项占空比d2、原副边桥臂中点间电压的移项角对应的移项占空比得到限制无功功率的约束条件；
[0030]
最大化传递功率获取模块，用于在所述约束条件满足的前提下，通过控制原边开关管的开关信号的移项占空比d1、和原副边桥臂中点间电压的移项角对应的移项占空比得到变换器的最大化传递功率；
[0031]
减少变换器无功功率的装置，用于在变换器的最大化传递功率的前提下，再次控制原副边桥臂中点间电压的移项角对应的移项占空比，简化减少变换器无功功率的控制步骤。
[0032]
可选的，所述限制无功功率的约束条件为：
[0033][0034]
d2＝1+k(d1‑
1)
[0035]
其中，k＝nv1/v2,n为变压器变比，v1为原边直流侧电压，v2为副边直流侧电压。
[0036]
可选的，所述装置还包括：
[0037]
条件确定模块，用于确定产生无功电流的条件。
[0038]
可选的，所述条件确定模块，还用于：
[0039]
当原边桥臂中点输出电压v
h1
，或副边桥臂中点电压v
h2
的极性和变压器侧电感电流i
l
极性不同时，则会在原边或副边产生无功电流。
[0040]
本发明所提供的一种减少变换器无功功率的方法及装置，通过减小系统的无功损耗，提高变换器的传输功率。根据原边开关管的开关信号的移项占空比d1、副边开关管的开关信号的移项占空比d2、原副边桥臂中点间电压的移项角对应的移项占空比得到限制无功功率的约束条件；在所述约束条件满足的前提下，通过控制原边开关管的开关信号的移项占空比d1、和原副边桥臂中点间电压的移项角对应的移项占空比得到变换器的最大化传递功率；在变换器的最大化传递功率的前提下，再次控制原副边桥臂中点间电压的移项角对应的移项占空比，简化减少变换器无功功率的控制步骤。该方法在保证消除无功功率，减少损耗的前提下，最大限度地提高了变换器传输功率并易于调节功率输出大小。
[0041]
本实施例应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
[0042]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]
图1为本发明一实施例提供的基于减少变换器无功功率的方法的流程示意图；
[0044]
图2为本发明一实施例提供的双有源全桥变换器拓扑图；
[0045]
图3为本发明一实施例提供的变换器简化原理图；
[0046]
图4为本发明一实施例提供的传统pwm加移相控制波形图；
[0047]
图5为本发明一实施例提供的变换器功率传输曲线图；
[0048]
图6为本发明一实施例提供的改进后双pwm加移向控制的波形图；
[0049]
图7为本发明一实施例提供的减少变换器无功功率的装置的结构示意图。
具体实施方式
[0050]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，不能理解为对本发明具体保护范围的限定。
[0051]
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
[0052]
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。
[0053]
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。符号“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0054]
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
[0055]
图1示出了本发明实施例提供的一种减少变换器无功功率的方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括以下步骤：
[0056]
101、根据原边开关管的开关信号的移项占空比d1、副边开关管的开关信号的移项占空比d2、原副边桥臂中点间电压的移项角对应的移项占空比得到限制无功功率的约束条件；
[0057]
其中，限制无功功率的约束条件为：
[0058][0059]
d2＝1+k(d1‑
1)
[0060]
其中，k＝nv1/v2,n为变压器变比，v1为原边直流侧电压，v2为副边直流侧电压。
[0061]
102、在所述约束条件满足的前提下，通过控制原边开关管的开关信号的移项占空比d1、和原副边桥臂中点间电压的移项角对应的移项占空比得到变换器的最大化传递功率；
[0062]
在步骤102中，变换器一个开关周期的平均功率传输表达式为：
[0063][0064]
其中，l为变压器侧电感值，f
s
为开关频率。当满足约束条件时，分情况讨论p的最大值，表达式为：
[0065][0066]
整定d1作为主控制参数，p
max
的表达式为：
[0067][0068]
当d1在(d
12
,1)时，可实现功率控制的单调变化，为使得p有最大值，整定d1为：
[0069][0070]
103、在变换器的最大化传递功率的前提下，再次控制原副边桥臂中点间电压的移项角对应的移项占空比，简化减少变换器无功功率的控制步骤。
[0071]
上述方法通过减小系统的无功损耗，提高变换器的传输功率。根据原边开关管的开关信号的移项占空比d1、副边开关管的开关信号的移项占空比d2、原副边桥臂中点间电压的移项角对应的移项占空比得到限制无功功率的约束条件；在所述约束条件满足的前提下，通过控制原边开关管的开关信号的移项占空比d1、和原副边桥臂中点间电压的移项角对应的移项占空比得到变换器的最大化传递功率；在变换器的最大化传递功率的前提下，再次控制原副边桥臂中点间电压的移项角对应的移项占空比，简化减少变换器无功功率的控制步骤。该方法在保证消除无功功率，减少损耗的前提下，最大限度地提高了变换器传输功率并易于调节功率输出大小。
[0072]
本方法基于这种消除无功功率的方法进行延申，探究了双有源全桥双向dc
‑
dc变换器的控制策略，对双有源全桥变换器的双pwm加移向控制方法进行设计，得出了消除无功功功率的三步法。本方法提高变换器在宽输入或输出电压范围内的工作效率，对高效利用可再生能源具有重要的意义。
[0073]
在现有技术中，对变换器使用双pwm加移向控制方法来减少无功功率的控制方法还没有明确给出。为了克服双有源桥变换器现有的控制方法的缺点，更好的改善传输效率，需要寻求一种更佳的用于储能的双有源全桥变换器提高转换效率，减少无功功率的控制方法，在更普适的情况下实现双有源全桥变换器的优化控制。
[0074]
通过上述分析可知，本变换器无功功率控制方法主要总结为三步，找到产生无功功率的原因，得出消除无功功率的约束条件；在功率最大化的条件下整定d1的值；根据和d1的关系式，简化整定d2和的值。
[0075]
本发明的有益效果为：
[0076]
本发明为解决变换器产生无功功率的问题，提出了一种可以减小变换器产生无功功率并且提高传输功率的方法，该方法在已有传统的控制方法上进行改进，用一种较为简便的控制方法，实现双有源全桥变换器的传输功率效率的提高。本发明为储能用的双有源
全桥变换器减小无功功率提供了一种新的方法。与现有技术相比，该方法优点为：
[0077]
1、该方法在保证消除无功功率，减少损耗的前提下，最大限度地提高了变换器传输功率并易于调节功率输出大小。
[0078]
2、该方法具有一定普适性，更易于实现，不论变压器工作在升压模式或降压模式都可以实现对其无功功率的控制。
[0079]
3、该方法在变换器电压大范围变化下，可以满足消除无功功率的要求。
[0080]
下面通过具体的实施例对上述方法进行详细说明。
[0081]
本发明为双有源全桥变换器减小无功功率和功率控制的问题，提出了一种具有普适性的控制方法，该方法在已有传统的控制方法上进行改进，用一种较为简便的控制方法，实现双有源全桥变换器的传输功率的效率的提高。本发明为储能用的双有源全桥变换器减小无功功率提供了一种新的方法。具体包括如下步骤：
[0082]
步骤1：通过传统的双有源全桥变换器pwm加移相控制的方法，分析变换器产生无功功率本质原因；
[0083]
步骤1中，如图2所示的双有源全桥dc
‑
dc变换器拓扑图，图中明确标示了变换器中各变量所示含义，当变换器使用第一种单pwm加移相控制方法时，即仅控制q3和q4开关信号相对于q1和q2开关信号的移相角占空比d1和原副边桥臂中点间电压的移相角对应的移向占空比变换器原副边两侧输入输出电流i1、i2均会出现无功电流；
[0084]
当变换器使用第二种单pwm加移相控制方法时，即同时控制q3和q4开关信号相对于q1和q2开关信号的移相角占空比d1与q7和q8开关信号相对于q5和q6开关信号的移相角占空比d2(d1＝d2)和原副边桥臂中点间电压的移相角对应的移向占空比当在时副边侧无功电流消失，只有原边侧有无功电流。
[0085]
因此确定产生无功电流(i1、i2<0)的原因为：当原边桥臂中点输出电压v
h1
，或副边桥臂中点电压v
h2
的极性和变压器侧电感电流i
l
极性不同时，则会在原边或副边产生无功电流。如图3所示原副边桥臂输出电压和电感电流的简化电路关系图。
[0086]
步骤2：根据上述总结出的产生无功功率的原因，如图4所示传统pwm加移相控制波形图，从图中可观察传统方法原边或副边产生的无功功率，本发明实施例设计使用双pwm加移相控制的方法，通过控制q3和q4开关信号相对于q1和q2开关信号的移相角占空比d1,q7和q8开关信号相对于q5和q6开关信号的移相角占空比d2和原副边桥臂中点间电压的移相角对应的移向占空比三个变量，实现无功功率的消除，推导出限制无功功率的约束条件；
[0087]
步骤2中，为使一个开关周期内原副边桥输出电压和电感电流同极性，消除两侧无功电流，需要满足i
l
(t1)、i
l
(t2)、i
l
(t5)、i
l
(t6)＝0。
[0088]
则需满足的表达式为：
[0089]
|δi
l
(t4‑
t2)|＝|δi
l
(t5‑
t4)|
[0090]
简化表达式为：
[0091]
d2＝1+k(d1‑
1)
[0092]
其中，k＝nv1/v2,n为变压器变比，v1为原边直流侧电压，v2为副边直流侧电压。
[0093]
分析得到消除无功功率的两个约束条件为：
[0094]
[0095]
d2＝1+k(d1‑
1)
[0096]
步骤3：在满足步骤二的前提下，为保证变换器的功率传输效率，整定d1的值来实现传输功率最大化，并使功率控制单调性优化；如图5所示变换器功率传输曲线图，实现控制方法传输功率最大化。图6为改进后双pwm加移向控制的波形图，从图中可观察改进后控制方法无功电流已被消除。
[0097]
步骤3中，为进一步满足传输功率最大化的要求，需同时满足步骤2中d2和d1约束条件，再通过控制和d1来实现传递功率最大化。
[0098]
变换器一个开关周期的平均功率传输表达式为：
[0099][0100]
其中，l为变压器侧电感值，f
s
为开关频率。当满足约束条件时，分情况讨论p的最大值，表达式为：
[0101][0102]
整定d1作为主控制参数，p
max
的表达式为：
[0103][0104]
当d1在(d
12
,1)时，可实现功率控制的单调变化。为使得p有最大值，整定d1为：
[0105][0106]
实际情况中将d1控制在(d
12
,1)即可实现对功率控制的优化。
[0107]
步骤4：在满足步骤二和三的前提下，整定的值，简化控制方法；
[0108]
步骤4中，将作为辅助控制变量，为简化控制，并保证功率传输最大化，取其最大值即可，整定为：
[0109][0110]
上述给出的整定约束条件若均满足，则可实现双有源变换器的无功功率消除，减小功率损耗，并使得其传输功率最大化，简化控制。
[0111]
图7示出了本发明实施例提供的一种减少变换器无功功率的装置的结构示意图，如图6所示，该装置包括：
[0112]
约束条件确定模块71，用于根据原边开关管的开关信号的移项占空比d1、副边开关管的开关信号的移项占空比d2、原副边桥臂中点间电压的移项角对应的移项占空比得到限制无功功率的约束条件；
[0113]
最大化传递功率获取模块72，用于在所述约束条件满足的前提下，通过控制原边开关管的开关信号的移项占空比d1、和原副边桥臂中点间电压的移项角对应的移项占空比得到变换器的最大化传递功率；
[0114]
减少变换器无功功率的装置73，用于在变换器的最大化传递功率的前提下，再次控制原副边桥臂中点间电压的移项角对应的移项占空比，简化减少变换器无功功率的控制步骤。
[0115]
可选的，所述限制无功功率的约束条件为：
[0116][0117]
d2＝1+k(d1‑
1)
[0118]
其中，k＝nv1/v2,n为变压器变比，v1为原边直流侧电压，v2为副边直流侧电压。
[0119]
可选的，所述装置还包括：
[0120]
条件确定模块，用于确定产生无功电流的条件。
[0121]
可选的，所述条件确定模块，还用于：
[0122]
当原边桥臂中点输出电压v
h1
，或副边桥臂中点电压v
h2
的极性和变压器侧电感电流i
l
极性不同时，则会在原边或副边产生无功电流。
[0123]
本公开实施例提供的减少变换器无功功率的装置中的各个模块、单元和子单元的具体实现可以参照上述减少变换器无功功率的方法中的内容，在此不再赘述。
[0124]
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块、单元和子单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块、单元和子单元的特征和功能可以在一个模块、单元和子单元中具体化。反之，上文描述的一个模块、单元和子单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块、单元和子单元来具体化。
[0125]
以上结合具体实施例描述了本发明的基本原理，但是，需要指出的是，在本发明中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本发明的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本发明为必须采用上述具体的细节来实现。
[0126]
本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0127]
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。
[0128]
本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0129]
可能以许多方式来实现本发明的方法和装置。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和装置。用于所述方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特
别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。
[0130]
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。