一种基于PDM的直流微网共模电压抑制方法与流程

一种基于pdm的直流微网共模电压抑制方法
技术领域
[0001]
本发明涉及电力电子变换技术领域，尤其涉及一种基于pdm的直流微网共模电压抑制方法。


背景技术：

[0002]
直流微网系统是由“源、储、配”高度融合的多能互补新能源微网系统，是分布式发电、分布式储能、智能配电的有机融合，实现能源“供需集成”，更好体现了绿色低碳理念，在未来的城市供配电体系中有广泛的应用前景。而在此类直流微网系统中，考虑到效率、成本等因素，通常采用非隔离型的dc/dc变换器将发电、蓄电、配电端设备与直流公共母线连接，此时，系统中的共模电压相互叠加，会影响到工作设备的安全及系统运行的稳定性。
[0003]
对直流微网中共模电压治理的措施类比于更常见的交流变换器系统共模电压抑制措施，也可分为两类技术路线：一类是在系统拓扑中增加硬件设备(如耦合电抗器)来抑制共模电压；另一类是优化系统调制方法进行优化，但此类方法多是对单台设备的优化，未考虑系统层面的共模电压抑制。


技术实现要素：

[0004]
基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于基于现有技术中提及的第二类技术路线，在系统层面对各变换器脉冲密度进行优化，按照变换器输出最大共模电压相交叉原则进行输出开关状态优化，在满足输出电压的前提条件下，避免出现系统中各变换器最大共模电压叠加引起系统共模电压剧增导致设备运行异常甚至损坏。
[0005]
为达到上述目的，本发明提供了一种基于pdm的直流微网共模电压抑制方法，包括如下步骤：
[0006]
s1、为所述直流微网中各dc/dc变换器设置相同的载波频率并进行载波同步；
[0007]
s2、根据控制环计算各变换器的电压指令；
[0008]
s3、根据变换器拓扑、母线电压和设备电压的约束条件确定变换器的控制周期；
[0009]
s4、确定各个载波周期下各个变换器的开关状态。
[0010]
进一步的，当所述直流微网仅由两电平dc/dc变换器构成时，包括如下步骤：
[0011]
s11、选取所述直流微网n个变换器中一个变换器的载波作为同步源，采用外接同步信号的方式，使得各个变换器载波同步；
[0012]
s21、根据控制环计算各个变换器的输出电压指令；
[0013]
s31、将变换器的m个载波周期划分为一个控制周期，t＝m
·
t0，t0为载波周期，则m的约束条件为：
[0014][0015]
根据上式确定变换器的控制周期，其中，d(t)为所述dc/dc变换器的占空比函数，u
dc
和u
out-max
分别为所述dc/dc变换器的输入电压值和期望输出最大电压值；
[0016]
s41、根据所述载波周期个数m与所述直流微网中变换器个数n的关系确定各个载波周期下各个变换器的开关状态。
[0017]
进一步的，根据所述载波周期个数m与所述直流微网中变换器个数n的关系确定各个载波周期下各个变换器的开关状态，包括：
[0018]
设满足各个变换器最大共模电压矢量相交叉的变换器开关函数为f1(x,y)、f2(x,y)
……
f
n
(x,y)，其中，x为控制周期t内的各载波周期t0的递增编号，x∈n且x∈[1,m]，n为自然数，y表示两电平dc/dc变换器的开关状态；
[0019]
当m≥n时，取m＝n，此时每个控制周期内直流微网各个变换器叠加的共模电压个数z＝1，各个所述变换器开关函数的取值为：
[0020][0021]
当m<n时，取m的最大值，此时每个控制周期内直流微网各个变换器叠加的共模电压个数z如下式确定：
[0022][0023]
各个所述变换器开关函数的取值为：
[0024][0025]
进一步的，所述y的取值为1或0，其中，y＝1时，表示所述两电平dc/dc变换器开通，输出为u
dc
，y＝0时，表示所述两电平dc/dc变换器关断，输出为0。
[0026]
进一步的，当所述直流微网仅由三电平dc/dc变换器构成时，包括如下步骤：
[0027]
s12、选取所述直流微网n个变换器中一个变换器的载波作为同步源，采用外接同步信号的方式，使得各个变换器载波同步；
[0028]
s22、根据控制环计算各个变换器的输出电压指令；
[0029]
s32、将变换器的m个载波周期划分为一个控制周期，t＝m
·
t0，t0为载波周期，则m的约束条件为：
[0030][0031]
根据上式确定变换器的控制周期，其中，d(t)为所述dc/dc变换器的占空比函数，u
dc
和u
out-max
分别为所述dc/dc变换器的输入电压值和期望输出最大电压值；
[0032]
s42、根据所述载波周期个数m与所述直流微网中变换器个数n的关系确定各个载波周期下各个变换器的开关状态。
[0033]
进一步的，根据所述载波周期个数m与所述直流微网中变换器个数n的关系确定各个载波周期下各个变换器的开关状态，包括：
[0034]
设满足各个变换器最大共模电压矢量相交叉的变换器开关函数为f1(x,y)、f2(x,y)
……
f
n
(x,y)，其中，x为控制周期t内的各载波周期t0的递增编号，x∈n且x∈[1,m]，n为自然数，y表示三电平dc/dc变换器的开关状态；
[0035]
当m≥n时，取m＝n，此时每个控制周期内直流微网各个变换器叠加的共模电压个数各个所述变换器开关函数的取值为：
[0036][0037][0038]
当m<n时，取m的最大值，此时每个控制周期内直流微网各个变换器叠加的共模电压个数z如下式确定：
[0039][0040]
各个所述变换器开关函数的取值为：
[0041][0042][0043]
进一步的，所述y的取值为1、或0，其中，y＝1时，表示所述三电平dc/dc变换器开通，输出为u
dc
，时，输出为0.5u
dc
，y＝0时，表示所述三电平dc/dc变换器关断，输出为0。
[0044]
进一步的，当所述直流微网为由两电平dc/dc变换器和三电平dc/dc变换器混合构成时，包括如下步骤：
[0045]
s13、分别在n1个两电平dc/dc变换器构成的两电平变换器组中和n2个三电平dc/dc变换器构成的三电平变换器组中各选取一个变换器载波作为各组的同步源，采用外接同步信号的方式，使得各个变换器载波同步；
[0046]
s23、根据控制环计算各个变换器的输出电压指令。
[0047]
进一步的，所述根据变换器拓扑、母线电压和设备电压的约束条件确定变换器的控制周期和确定各个载波周期下各个变换器的开关状态这两个步骤，对于两电平变换器组中的变换器，采用上文中当直流微网仅由两电平变换器构成时所述的共模电压抑制方法中相应的步骤进行控制；对于三电平变换器组中的变换器，采用上文中当直流微网仅由三电平变换器构成时所述的共模电压抑制方法中相应的步骤进行控制。
[0048]
综上所述，本发明提供了一种基于pdm(pulse density modulation，脉冲密度调制)的直流微网共模电压抑制方法，为直流微网系统中各dc/dc变换器设置相同的载波频率并载波进行同步，根据控制环计算电压指令，根据变换器拓扑，母线电压和设备电压的约束条件确定变换器的控制周期，按照变换器输出最大共模电压相交叉原则进行输出开关状态
优化，避免出现各变换器最大共模电压叠加，在满足输出电压的前提条件下，避免出现直流微网系统中各变换器最大共模电压叠加引起系统共模电压剧增导致设备运行异常甚至损坏。
附图说明
[0049]
图1是本发明一种基于pdm的直流微网共模电压抑制方法的流程图；
[0050]
图2是本发明仅由两电平dc/dc变换器构成的直流微网系统拓扑结构示意图；
[0051]
图3是本发明仅由三电平dc/dc变换器构成的直流微网系统拓扑结构示意图；
[0052]
图4是本发明由两电平和三电平dc/dc变换器混合构成的直流微网系统拓扑结构示意图。
具体实施方式
[0053]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0054]
下面对结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种基于pdm的直流微网共模电压抑制方法，该共模电压抑制方法的流程图如图1所示，如图1可知，该方法主要包括如下步骤：
[0055]
s1、为所述直流微网中各dc/dc变换器设置相同的载波频率并进行载波同步；
[0056]
s2、根据控制环计算各变换器的电压指令；
[0057]
s3、根据变换器拓扑、母线电压和设备电压的约束条件确定变换器的控制周期；
[0058]
s4、确定各个载波周期下各个变换器的开关状态。
[0059]
通过上述步骤的实施，可以使得所述直流微网系统避免出现各变换器最大共模电压叠加。
[0060]
而对于实际的直流微网系统来说，可能具有不同的变换器拓扑构成，例如，仅由两电平dc/dc变换器构成的直流微网系统，仅由三电平dc/dc变换器构成的直流微网系统，以及由两电平dc/dc变换器和三电平dc/dc变换器混合构成的直流微网系统。针对上述不同的系统拓扑构成，本发明提供如下的实施例来对其进行共模电压抑制的控制。
[0061]
根据本发明的第二个实施例，提供了一种适用于仅由两电平dc/dc变换器构成的直流微网的共模电压抑制方法，该仅由两电平dc/dc变换器构成的直流微网系统拓扑结构如图2所示，设该系统具有n个两电平dc/dc变换器，控制各个变换器每个控制周期进行如下操作：
[0062]
控制各个变换器进行载波同步和电压指令计算：
[0063]
在所述n个变换器中选取一个变换器载波作为同步源，采用外接同步信号方式，使各变换器载波同步。根据控制环计算各个变换器的输出电压指令。
[0064]
确定变换器控制周期：
[0065]
假设每个载波周期为t0，将变换器m个载波周期划分为一个控制周期t，即t＝m
·
t0，若使该控制周期t内，每个变换器仅有1个最大共模电压开关状态，相当将脉冲的密度调
整为原有的1/m。对两电平dc/dc变换器而言，输出电压为u
out
＝d(t)
·
u
dc
，对脉冲密度调整后，输出电压为后，输出电压为因此根据变换器的期望输出最大电压值u
out-max
和输入电压值u
dc
，对m的约束条件如下：
[0066][0067]
上式中d(t)为占空比函数，根据变换器拓扑可以得到，例如buck拓扑的dc/dc变换器boost拓扑的dc/dc变换器buck-boost拓扑的dc/dc变换器
[0068]
确定各个载波周期下各个变换器的开关状态:
[0069]
将所述n个变换器进行递增编号，则满足各个变换器最大共模电压矢量相交叉的变换器开关函数为f1(x,y)、f2(x,y)
……
f
n
(x,y)，式中x、y的定义如下：x为控制周期t内的各载波周期t0的递增编号，x∈n且x∈[1,m]；y表示两电平拓扑变的开关状态，可取值为1或0，(1代表开通、变换器的输出u
dc
，0代表关断、变换器的输出0)。为实现各个变换器最大共模电压矢量相交叉，各变换器根据m的取值范围在各载波周期进行如下操作：
[0070]
当m≥n时，取m＝n，可实现每个控制周期内系统各变换器叠加的共模电压个数z＝1，各变换器开关函数f1(x,y)、f2(x,y)
……
f
n
(x,y)的取值如下：
[0071][0072]
当m<n时，取m的最大值，可实现每个控制周期内系统各变换器叠加的共模电压个数z如下式确定：
[0073][0074]
各个变换器开关函数f1(x,y)、f2(x,y)
……
f
n
(x,y)的取值如下：
[0075][0076]
根据本发明的第三个实施例，提供了一种适用于仅由三电平dc/dc变换器构成的直流微网的共模电压抑制方法，该仅由三电平dc/dc变换器构成的直流微网系统拓扑结构如图3所示，设该系统具有n个三电平dc/dc变换器，控制各个变换器每个控制周期进行如下操作：
[0077]
控制各个变换器进行载波同步和电压指令计算：
[0078]
在所述n个变换器中选取一个变换器载波作为同步源，采用外接同步信号方式，使各变换器载波同步。根据控制环计算各个变换器的输出电压指令。
[0079]
确定变换器控制周期：
[0080]
假设每个载波周期为t0，将变换器m个载波周期划分为一个控制周期t，即t＝m
·
t0，若使该控制周期t内，每个变换器仅有1个最大共模电压开关状态，相当将脉冲的密度调
整为原有的对三电平dc/dc变换器而言，输出电压为u
out
＝d(t)
·
u
dc
，对脉冲密度调整后，输出电压为u
dc
，因此根据变换器的期望输出最大电压值u
out-max
和输入电压值u
dc
，对m的约束条件如下：
[0081][0082]
确定各个载波周期下各个变换器的开关状态:
[0083]
将所述n个变换器进行递增编号，则满足各个变换器最大共模电压矢量相交叉的变换器开关函数为f1(x,y)、f2(x,y)
……
f
n
(x,y)，式中x、y的定义如下：x为控制周期t内的各载波周期t0的递增编号，x∈n且x∈[1,m]；n为自然数，y表示三电平拓扑变换器的开关状态，可取值为1、或0，(1代表开通、输出u
dc
，y为时、输出为0.5u
dc
，0代表关断、输出0)。为实现各个变换器最大共模电压矢量相交叉，各变换器根据m的取值范围在各载波周期进行如下操作：
[0084]
当m≥n时，取m＝n，可实现每个控制周期内系统各变换器叠加的共模电压个数各变换器开关函数f1(x,y)、f2(x,y)
……
f
n
(x,y)的取值如下：
[0085][0086][0087]
当m<n时，取m的最大值，可实现每个控制周期内系统各变换器叠加的共模电压个数z如下式确定：
[0088][0089]
各个变换器开关函数f1(x,y)、f2(x,y)
……
f
n
(x,y)的取值如下：
[0090][0091][0092]
根据本发明的第四个实施例，提供了一种适用于由两电平dc/dc变换器和三电平dc/dc变换器混合构成的直流微网的共模电压抑制方法，该由两电平dc/dc变换器和三电平dc/dc变换器混合构成的直流微网系统拓扑结构如图4所示，设其中两电平dc/dc变换器为一组，个数为n1个；三电平dc/dc变换器为一组，个数为n2个。控制各个变换器每个控制周期进行如下操作：
[0093]
控制各个变换器进行载波同步和电压指令计算：
[0094]
分别在所述两电平dc/dc变换器组和三电平dc/dc变换器组中个选取一个变换器载波作为各组的同步源，采用外接同步信号方式，使各变换器载波同步，并根据控制环计算各变换器输出电压指令。
[0095]
对于确定变换器控制周期的步骤和确定各个载波周期下各个变换器的开关状态的步骤，针对该直流微网系统中的两电平dc/dc变换器，采用如本发明第二个实施例中相应的步骤进行共模电压抑制，针对该直流微网系统中的三电平dc/dc变换器，采用如本发明第三个实施例中相应的步骤进行共模电压抑制，以使得该直流微网系统内同时刻输出最大共模电压不超过两者的叠加。
[0096]
综上所述，本发明涉及一种基于pdm(pulse density modulation，脉冲密度调制)的直流微网共模电压抑制方法，为直流微网系统中各dc/dc变换器设置相同的载波频率并载波进行同步，根据控制环计算电压指令，根据变换器拓扑，母线电压和设备电压的约束条件确定变换器的控制周期，按照变换器输出最大共模电压相交叉原则进行输出开关状态优化，避免出现各变换器最大共模电压叠加，在满足输出电压的前提条件下，避免出现直流微网系统中各变换器最大共模电压叠加引起系统共模电压剧增导致设备运行异常甚至损坏。
[0097]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。