一种基于三端口变换器的直流分布式负载系统及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于三端口变换器的直流分布式负载系统及其控制方法，属于电力电子变换及分布式负载系统领域。该系统包括直流输入电源(10)、由N个子三端口变换器组成的功率变换单元(20)和由N个子负载组成的负载(30)，N为大于1的自然数，直流输入电源的输出作为系统输入端电压母线，每个子三端口变换器的输入端均连接至输入端电压母线，每个子三端口变换器的储能端均连接至储能端电压母线，每个子三端口变换器的输出端均串接一个子负载。本发明根据储能装置的充放电状态，当储能装置充电时采用储能端均流、当储能装置放电时按照各自输出功率大小分配输入端功率的混合式功率控制策略，实现系统的稳定、可靠运行。
【专利说明】—种基于三端口变换器的直流分布式负载系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于三端口变换器的直流分布式负载系统及其控制方法，属于电力电子变换及分布式负载系统领域。
【背景技术】
[0002]随着能源危机和环境污染问题日益严重，太阳能、风能、燃料电池等新能源和可再生能源的开发和利用得到越来越广泛的关注，新能源发电系统已成为世界各国关注和研究的热点。在同一个新能源发电系统中，可能会存在多个相同性质或多种不同性质的分布式负载，为了同时满足分布式负载的供电需求，通常的解决方案是采用两级式功率变换系统，即先通过一级DC / DC变换器将新能源转化成直流输出，并以此DC / DC变换器的输出为公共直流母线，然后分别串接一个DC / DC变换器到各分布式负载进行单独供电。
[0003]另外，由于太阳能电池等新能源发电装置存在电力供应不稳定、不连续和随环境条件变化等缺点，需要配备储能装置以提供峰值功率和回收多余能量，保证供电的连续性和可靠性。因此，储能装置和公共直流母线之间还需要双向DC / DC变换器来连接，以实现功率双向传输。
[0004]然而，采用上述系统结构时，功率从输入源到负载、从输入源到储能装置和从储能装置到负载等三种情形下传输时，均需要经过两级功率变换，从而降低了系统的整体效率。
【发明内容】
[0005]发明目的:
[0006]本发明针对现有技术的不足，提供一种基于三端口变换器的直流分布式负载系统及其控制方法。
[0007]技术方案:
[0008]本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案:
[0009]本发明的基于三端口变换器的直流分布式负载系统，包括直流输入电源、功率变换单元和负载，其特征在于:所述功率变换单元包括N个子三端口变换器，所述负载包括N个子负载，N为大于I的自然数，直流输入电源的输出作为系统输入端电压母线，每个子三端口变换器的输入端均连接至输入端电压母线，每个子三端口变换器的储能端均连接至储能端电压母线，每个子三端口变换器的输出端均串接一个子负载。
[0010]所述直流输入电源为直流电压源或可再生能源电源，可以是单个电源也可以由多个电源串并联构成。
[0011]所述三端口变换器为隔离型三端口直流变换器或非隔离型三端口直流变换器。
[0012]所述三端口变换器包括一个直流电压输入端、一个输出端和一个储能端，其中储能端是双向功率端口，输出端是单向功率端口或双向功率端口。
[0013]基于上述直流分布式负载系统的控制方法，所有子三端口变换器的控制方法相同，其控制过程分为如下两种情况:
[0014]A.当储能装置处于充电状态时，各子三端口变换器采用储能端均流的控制策略，具体控制过程如下:
[0015]以各子三端口变换器储能端电流的平均值或最大值作为储能端均流母线电压信号ib—bus，该信号作为各子三端口变换器储能端电流的给定信号，与各子三端口变换器储能端电流反馈信号ib经过储能端均流调节器调节后得到两者的误差信号Vrcs，该误差信号与基准电Svimef叠加后作为该子三端口变换器输入端电压的给定信号，与该子三端口变换器输入端电压反馈信号Vin经过输入端电压调节器调节后得到两者的误差信号V。，该误差信号作为输入端电压的控制信号与载波信号交截得到驱动信号，从而实现该子三端口变换器的控制；
[0016]B.当储能装置处于放电状态时，各子三端口变换器采用按照各自输出功率大小分配输入端功率的控制策略，具体控制过程如下:
[0017]将各子三端口变换器的储能端电流ib除以各自的输出功率P。进行标幺化，得到各子三端口变换器的储能端电流标么值匕，以各子三端口变换器储能端电流标么值的平均值或最大值作为储能端标么均流母线电压信号i\—bus，该信号作为各子三端口变换器储能端标幺电流的给定信号，与各子三端口变换器储能端标么电流信号经过储能端标么电流均流调节器调节后得到两者的误差信号vBra，该误差信号与基准电压Vinref叠加后作为该子三端口变换器输入端电压的给定信号，与该子三端口变换器输入端电压反馈信号Vin经过输入端电压调节器调节后得到两者的误差信号V。，该误差信号作为输入端电压的控制信号与载波信号交截得到驱动信号，从而实现该子三端口变换器的控制。
[0018]本发明具有如下有益效果:
[0019](I)由于采用分布式负载结构，各个输出负载端可以独立控制，减小了各子负载之间的相互影响，满足了多个不同性质或需求负载的同时供电；
[0020](2)从直流输入电源到负载、从直流输入电源到储能装置和从储能装置到负载等三种情形下的功率变换均为单级功率变换，提高了系统的整体效率；
[0021](3)采用集成式三端口变换器作为系统的基本组成单元，简化了系统的结构，提高了系统的可靠性；
[0022](4)采用储能装置充电时储能端均流、储能装置放电时按照各自输出功率大小分配输入端功率的混合式功率控制策略，保证了系统在不同工况下的稳定、可靠运行。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]附图1为本发明的基于三端口变换器的直流分布式负载系统实施例结构示意图；
[0024]附图2为本发明储能装置充电状态时子三端口变换器的控制电路图；
[0025]附图3为本发明储能装置放电状态时子三端口变换器的控制电路图；
[0026]附图4为本发明的实施例两个三端口变换器构成的直流分布式负载系统的结构示意图；
[0027]附图5为本实施例中同步整流式半桥三端口直流变换器电路原理图；
[0028]附图6为本实施例正常运行时的实验结果；
[0029]以上附图中符号说明:10_直流输入电源；20-功率变换单元；30-负载；Vinl?vM-第I~N个子三端口变换器输入端电压；ibl~ibN-第I~N个子三端口变换器储能端电流;v0l~νΛ-第I~N个子三端口变换器输出端电压Jtjl~Ln-第I~N个子三端口变换器输出端电流；Ρ()1 ~Ρ()Ν-第I~N个子三端口变换器输出功率；i*bl~i\N-第I~N个子三端口变换器储能端电流标么值；ib—bus_三端口变换器储能端均流母线电压；i\—bus-三端口变换器储能端标么均流母线电压；Vinrefl~vinrefN-第I~N个子三端口变换器输入端电压基准值；BCS1~BCSN-第I~N个子三端口变换器的储能端均流调节器；IVR1~IVRN-第I~N个子三端口变换器的输入端电压调节器；vBCS1~Vbkn-第I~N个子三端口变换器的储能端均流调节器输出电压；Vel~veN-第I~N个子三端口变换器输入端控制电压；PV、PVUPV2-光伏阵列K^C2-输入滤波电容^~Q4-开关管；C。-输出滤波电容；L。-输出滤波电感；R。、R0I> Ro1-输出负载；v。-输出电压；i。-输出电流；iin-输入电流。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0031]本发明实施例的基于三端口变换器的直流分布式负载系统结构如图1所不，包括直流输入电源10、功率变换单元20和负载30，其中:直流输入电源10采用可再生能源电源中的光伏阵列，功率变换单元20包括N个子三端口变换器，负载30包括N个子负载，N为大于I的自然数，光伏阵列的输出作为系统输入端电压母线，每个子三端口变换器的输入端均连接至输入端电压母线，每个子三端口变换器的储能端均连接至储能端电压母线，每个子三端口变换器的输出端均串接一个子负载。 [0032]基于上述实施例的直流分布式负载系统的控制方法，所有子三端口变换器的控制方法相同，其控制过程分为如下两种情况:
[0033]A.当储能装置处于充电状态时，各子三端口变换器采用储能端均流的控制策略；
[0034]B.当储能装置处于放电状态时，各子三端口变换器采用按照各自输出功率大小分配输入端功率的控制策略。
[0035]下面结合附图2~附图3对基于上述实施例的直流分布式负载系统的功率控制方法进行具体分析。
[0036]如图2所示是本发明储能装置充电状态时子三端口变换器的控制电路图。本实施例中采用储能端均流外环、输入端电压内环的均流结构，其中储能端均流母线电压产生方式为取平均值，且均流环和电压环均采用PI调节器结构。
[0037]以第k个子三端口变换器的控制为例，详细介绍其在储能装置充电状态时储能端均流控制的具体过程。
[0038]储能端均流母线电压的产生方式为取平均值，即:
[0039]ib bus = — (hi +ibi +L +ibk +L +ibN)⑴
—N
[0040]该信号作为各子三端口变换器储能端电流的给定信号，与第k个子三端口变换器储能端电流反馈信号(ibk)经过储能端均流调节器(BCSk)调节后得到两者的误差信号(vrcsk)，该误差信号与基准电压(Vinrefk)叠加后作为该子三端口变换器输入端电压的给定信号，与该子三端口变换器输入端电压反馈信号(Vink)经过输入端电压调节器(IVRk)调节后得到两者的误差信号V。,，该误差信号作为输入端电压的控制信号与载波信号交截得到驱动信号，从而实现该子三端口变换器的控制。
[0041 ] 如图3所示是本发明储能装置放电状态时子三端口变换器的控制电路图。本实施例中采用储能端标么电流均流外环、输入端电压内环的均流结构，其中储能端标么均流母线电压产生方式为取平均值，且均流环和电压环均采用PI调节器结构。
[0042]以第k个子三端口变换器的控制为例，详细介绍其在储能装置放电状态时按照各自输出功率大小分配输入端功率的具体过程。
[0043]首先将各子三端口变换器模块的储能端电流除以各自的输出功率进行标么化，得到其储能端电流标幺值:
[0044]
【权利要求】
1.一种基于三端口变换器的直流分布式负载系统，包括直流输入电源(10)、功率变换单元(20)和负载(30)，其特征在于:所述功率变换单元(20)包括N个子三端口变换器，所述负载(30)包括N个子负载，N为大于I的自然数，直流输入电源的输出作为系统输入端电压母线，每个子三端口变换器的输入端均连接至输入端电压母线，每个子三端口变换器的储能端均连接至储能端电压母线，每个子三端口变换器的输出端均串接一个子负载。
2.根据权利要求1所述的基于三端口变换器的直流分布式负载系统，其特征在于:所述直流输入电源(10)为直流电压源或可再生能源电源，可以是单个电源也可以由多个电源串并联构成。
3.根据权利要求1所述的基于三端口变换器的直流分布式负载系统，其特征在于:所述三端口变换器为隔离型三端口直流变换器或非隔离型三端口直流变换器。
4.根据权利要求3所述的三端口直流变换器，其特征在于:所述三端口直流变换器包括一个直流电压输入端、一个输出端和一个储能端，其中储能端是双向功率端口，输出端是单向功率端口或双向功率端口。
5.一种基于权利要求1所述的基于三端口变换器的直流分布式负载系统的控制方法，其特征在于:所有子三端口变换器的控制方法相同，其控制过程分为如下两种情况: A.当储能装置处于充电状态时，各子三端口变换器采用储能端均流的控制策略，具体控制过程如下: 以各子三端口变换器储能端电流的平均值或最大值作为储能端均流母线电压信号ib—bus，该信号作为各子三端口变换器储能端电流的给定信号，与各子三端口变换器储能端电流反馈信号ib经过储能端均流调节器调节后得到两者的误差信号Vrcs，该误差信号与基准电压Vimef叠加后作为该子三端口变换器输入端电压的给定信号，与该子三端口变换器输入端电压反馈信号Vin经过输入端电压调节器调节后得到两者的误差信号V。，该误差信号作为输入端电压的控制信号与载波信号交截得到驱动信号，从而实现该子三端口变换器的控制； B.当储能装置处于放电状态时，各子三端口变换器采用按照各自输出功率大小分配输入端功率的控制策略，具体控制过程如下: 将各子三端口变换器的储能端电流ib除以各自的输出功率P。进行标么化，得到各子三端口变换器的储能端电流标么值，以各子三端口变换器储能端电流标么值的平均值或最大值作为储能端标么均流母线电压信号i\—bus，该信号作为各子三端口变换器储能端标幺电流的给定信号，与各子三端口变换器储能端标么电流信号经过储能端标么电流均流调节器调节后得到两者的误差信号vrcs，该误差信号与基准电压Vimef叠加后作为该子三端口变换器输入端电压的给定信号，与该子三端口变换器输入端电压反馈信号Vin经过输入端电压调节器调节后得到两者的误差信号V。，该误差信号作为输入端电压的控制信号与载波信号交截得到驱动信号，从而实现该子三端口变换器的控制。
【文档编号】H02J7/35GK103904638SQ201410154890
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月17日 优先权日:2014年4月17日
【发明者】张君君, 吴红飞, 曹锋, 胡海兵 申请人:南京航空航天大学