用于直流变压器的有源阻尼控制结构及方法、直流配电网

1.本发明属于直流变压器控制技术领域，更具体地，涉及一种用于直流变压器的有源阻尼控制结构及方法、直流配电网。


背景技术：

2.直流变压器是直流配电网中的关键设备，负责实现中压直流和低压直流的电能变换。其中，isop-dab型直流变压器以双有源桥(dual active bridge，dab)为子模块，各子模块以输入串联输出并联(input-series-output-parallel，isop)方式连接，因其同时兼备电气隔离、宽范围调节，大电压输入大电流输出等优点，广泛应用于直流配电网中。
3.然而，在实际运行过程中，中压直流母线上存在不可忽略的等效阻抗，当其与直流变压器的输入阻抗不匹配时，会导致直流变压器的中压母线电压因系统阻抗交点处相位裕度不足而失稳，从而产生低频振荡现象，影响直流变压器的电能质量，严重时会影响到直流变压器乃至直流配电网的安全运行。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于直流变压器的有源阻尼控制结构及方法、直流配电网，其目的在于实现直流变压器的稳定优化。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于isop-dab型直流变压器的有源阻尼控制结构，所述直流变压器具有m个子模块且子模块1至子模块m的输入端从母线电压正极依次串联至母线电压负极，所述有源阻尼控制结构包括；
6.求和模块，用于对m个子模块的输入电压进行求和，得到串联侧的母线总电压v
bus
；
7.滤波模块，用于滤除所述母线总电压v
bus
中的交流分量，得到串联侧的母线直流电压v
dc
；
8.求平均模块，用于将母线总电压v
bus
除以m，得到输入均压电压参考值v
avg
，以及将母线直流电压v
dc
除以m，得到输入直流电压参考值v
dcref
；
9.输入均压控制器，用于实现前m-1个子模块中各子模块j的输入电压v
in_j
与输入均压电压参考值v
avg
的无静差调节，输出对应的均压调节功率量p
ivs_j
；
10.输入稳压控制器，用于实现m个子模块中各子模块j的输入电压v
in_j
与直流电压参考值v
dcref
的无静差调节，输出对应的稳压调节功率量p
ivr_j
；
11.输出电压调节器，用于实现变压器输出电压vo与设定的输出电压参考值v
oref
的无静差调节，输出主导功率调节量p
ove
；
12.实际功率计算器，用于计算m个子模块中各子模块j的实际功率指令p
pu_j
：
[0013][0014]
在其中一个实施例中，还包括：
[0015]
采样模块，用于采样变换器各子模块j的输入电压v
in_j
以及变换器的输出电压vo。
[0016]
在其中一个实施例中，所述输入均压控制器包括第一求差结构和第一pi调节结构，所述第一求差结构对子模块j的输入电压v
in_j
与输入均压电压参考值v
avg
求第一偏差后将所得第一偏差送入所述第一pi调节结构中以通过均压调节功率量p
ivs_j
实现所述第一偏差趋近于0。
[0017]
在其中一个实施例中，所述输入均压控制器包括m-1个所述第一求差结构和m-1个所述第一pi调节结构，所述第一求差结构和所述第一pi调节结构一一对应连接。
[0018]
在其中一个实施例中，所述输入稳压控制器包括第二求差结构和第二pi调节结构，所述第二求差结构对子模块j的输入电压v
in_j
与直流电压参考值v
dcref
求第二偏差后将所得第二偏差送入所述第二pi调节结构中以通过稳压调节功率量p
ivr_j
实现所述第二偏差趋近于0。
[0019]
在其中一个实施例中，所述输入稳压控制器包括m个所述第二求差结构和m个所述第二pi调节结构，所述第二求差结构和所述第二pi调节结构一一对应连接。
[0020]
在其中一个实施例中，所述输出电压调节器包括第三求差结构和第三pi调节结构，所述第三求差结构对变压器输出电压vo与设定的输出电压参考值v
oref
求第三偏差后将所得第三偏差送入所述第三pi调节结构中以通过主导功率调节量p
ove
实现所述第三偏差趋近于0。
[0021]
在其中一个实施例中，所述实际功率计算器包括m个计算结构，每个计算结构用于计算一个不同的子模块的实际功率指令。
[0022]
按照本发明的另一方面，提供了一种用于isop-dab型直流变压器的有源阻尼控制方法，包括：
[0023]
采样变换器各子模块j的输入电压v
in_j
以及变换器的输出电压vo；
[0024]
对m个子模块的输入电压进行求和，得到串联侧的母线总电压v
bus
，滤除所述母线总电压v
bus
中的交流分量，得到串联侧的母线直流电压v
dc
；
[0025]
将母线总电压v
bus
除以m，得到输入均压电压参考值v
avg
，以及将母线直流电压v
dc
除以m，得到输入直流电压参考值v
dcref
；
[0026]
对前m-1个子模块中各子模块j的输入电压v
in_j
与输入均压电压参考值v
avg
进行无静差调节，输出对应的均压调节功率量p
ivs_j
；
[0027]
对m个子模块中各子模块j的输入电压v
in_j
与直流电压参考值v
dcref
进行无静差调节，输出对应的稳压调节功率量p
ivr_j
；
[0028]
对变压器输出电压vo与设定的输出电压参考值v
oref
进行无静差调节，输出主导功率调节量p
ove
；
[0029]
计算m个子模块中各子模块j的实际功率指令p
pu_j
：
[0030][0031]
基于各子模块j的实际功率指令p
pu_j
调节各子模块j的功率。
[0032]
按照本发明的另一方面，提供了一种直流配电网，包括isop-dab型直流变压器及其控制结构，所述控制结构为上述用于isop-dab型直流变压器的有源阻尼控制结构，在所述有源阻尼控制结构的控制下，所述直流变压器实现中压直流和低压直流的稳定电能转
换。
[0033]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0034]
本发明联合输入均压控制器、输入稳压控制器、输出电压调节器和实际功率计算器，形成调控dab子模块的反馈网络，通过对各子模块的输入电压v
in_j
与输入均压电压参考值v
avg
进行无静差调节，使所有子模块的输入电压保持相等，通过对各子模块的输入电压v
in_j
与直流电压参考值v
dcref
进行无静差调节，使所有子模块的输入电压稳定在直流电压参考值v
dcref
附近，保证了输入电压的稳定。通过对变压器输出电压vo与设定的输出电压参考值v
oref
进行无静差调节，保证了输出电压的稳定。且一方面通过输入均压控制器使输入电压v
in_j
与输入均压电压参考值v
avg
无静差，一方面通过输入稳压控制器使输入电压v
in_j
与直流电压参考值v
dcref
无静差，间接调节母线总电压v
bus
使其趋近于母线直流电压v
dc
，去除交流分量，从而维持isop-dab型直流变压器的稳定。而且，通过本发明的控制结构，能够对isop-dab直流变压器的输入阻抗进行重塑，使得其与中压直流母线的等效阻抗满足奈奎斯特判据，保证了级联系统的稳定性。
附图说明
[0035]
图1是一实施例中的直流变压器的拓扑结构；
[0036]
图2是一实施例中的直流变压器的有源阻尼控制结构的结构框架图；
[0037]
图3是一实施例中的直流变压器的阻抗伯德图；
[0038]
图4是一实施例中的未利用本发明提出的有源阻尼控制方法时的实验波形；
[0039]
图5是一实施例中的利用本发明提出的有源阻尼控制方法之后的实验波形。
具体实施方式
[0040]
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以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0041]
如图1所示为isop-dab型直流变压器的拓扑结构，其包括中压侧直流母线、低压直流母线，具有等效电抗l
bus
和等效电阻r
bus
的中压侧输入母线，isop型连接的isop型连接结构，与isop结构连接的m(m≥2)个dab变换器子模块(submodule，sm)。其中，中压侧直流稳压源v
dc
恒定不变，dab的中压串联侧总电压为v
bus
，dab的低压并联侧电压为vo。对于第j个sm，输入电压为v
in_j
。
[0042]
实施例1
[0043]
如图2所示为本发明提出的直流变压器的有源阻尼控制结构的结构框图。该控制结构包括求和模块、滤波模块、求平均模块、输入均压控制器、输入稳压控制器、输出电压调节器和实际功率计算器。
[0044]
其中，求和模块用于对m个子模块的输入电压进行求和，得到串联侧的母线总电压v
bus
。
[0045]
在一实施例中，还包括采样模块，用于采样变换器各子模块j的输入电压v
in_j
以及
变换器的输出电压vo。将m个子模块的输入电压(v
in_1
，v
in_2
，
…
，v
in_m
)送入求和模块进行求和，得到母线总电压v
bus
：
[0046]vbus
＝v
in_1
+v
in_2
+v
in_3
+
……
+v
in_m
[0047]
其中，滤波模块用于滤除所述母线总电压v
bus
中的交流分量，得到串联侧的母线直流电压v
dc
。由于中压侧输入母线等效电抗l
bus
和等效电阻r
bus
的存在，v
bus
可能是一个混合了直流量与低频交流量的电压，需要滤除交流分量。在一实施例中，滤波模块可以为低通滤波器，用于滤除其中的交流分量。
[0048]
其中，求平均模块用于将母线总电压v
bus
除以m，得到输入均压电压参考值v
avg
，以及将母线直流电压v
dc
除以m，得到输入直流电压参考值v
dcref
，即：
[0049][0050][0051]
其中，输入均压控制器用于实现前m-1个子模块中各子模块j的输入电压v
in_j
与输入均压电压参考值v
avg
的无静差调节，输出对应的均压调节功率量p
ivs_j
。即，输入均压控制器实现前m-1个子模块与输入均压电压参考值的无静差调节。
[0052]
在一实施例中，输入均压控制器包括第一求差结构和第一pi调节结构g
ivs
，所述第一求差结构对子模块j的输入电压v
in_j
与输入均压电压参考值v
avg
求第一偏差后将所得第一偏差送入所述第一pi调节结构中以通过均压调节功率量p
ivs_j
实现所述第一偏差趋近于0。具体的，可以包括m-1个所述第一求差结构和m-1个所述第一pi调节结构，所述第一求差结构和所述第一pi调节结构一一对应连接。针对isop-dab中的前m-1个子模块，即sm
j(j＝1,
…
m-1)
，对v
avg
和v
in_j(j＝1,
…
m-1)
做差，并将该偏差送入第一pi调节器g
ivs
中，该调节器用于实现v
in_j
与v
avg
之间的无静差调节，从而实现isop-dab的输入电压均分功能。该调节器的输出定义为相应的输入均压调节功率量p
ivs_j(j＝1,
…
m-1)
。
[0053]
其中，输入稳压控制器用于实现m个子模块中各子模块j的输入电压v
in_j
与直流电压参考值v
dcref
的无静差调节，输出对应的稳压调节功率量p
ivr_j
。即，输入稳压控制器用于实现m个子模块与直流电压参考值v
dcref
的无静差调节。
[0054]
在一实施例中，输入稳压控制器包括第二求差结构和第二pi调节结构g
ivr
，所述第二求差结构对子模块j的输入电压v
in_j
与直流电压参考值v
dcref
求第二偏差后将所得第二偏差送入所述第二pi调节结构中以通过稳压调节功率量p
ivr_j
实现所述第二偏差趋近于0。具体的，输入稳压控制器包括m个所述第二求差结构和m个所述第二pi调节结构，所述第二求差结构和所述第二pi调节结构一一对应连接。针对isop-dab中的所有子模块，即sm
j(j＝1,
…
m)
，对v
dcref
和v
in_j(j＝1,
…
m)
做差，并将该偏差送入pi调节器g
ivr
中，该调节器用于实现v
in_j
与v
dcref
之间的无静差调节，从而实现isop-dab的稳定输入电压的功能。该调节器的输出定义为相应的输入稳压调节功率量p
ivr_j(j＝1,
…
m)
。
[0055]
其中，输出电压调节器用于实现变压器输出电压vo与设定的输出电压参考值v
oref
的无静差调节，输出主导功率调节量p
ove
。
[0056]
在一实施例中，输出电压调节器包括第三求差结构和第三pi调节结构g
ovc
，所述第三求差结构对变压器输出电压vo与设定的输出电压参考值v
oref
求第三偏差后将所得第三偏
差送入所述第三pi调节结构中以通过主导功率调节量p
ove
实现所述第三偏差趋近于0。具体的，对输出电压参考值v
oref
和输出电压vo做差，并将该偏差送入第三pi调节器g
ovc
中，该调节器用于实现vo与v
oref
之间的无静差调节，实现稳定输出电压的功能。该调节器的输出定义为主导功率调节量p
ovc
。
[0057]
实际功率计算器用于计算m个子模块中各子模块j的实际功率指令p
pu_j
：
[0058][0059]
在一实施例中，实际功率计算器包括m个计算结构，每个计算结构用于计算一个不同的子模块的实际功率指令。具体的，通过主导功率调节量p
ovc
减去其对应的稳压调节功率量p
ivr_j(j＝1,
…
m-1)
，再减去其对应的均压调节功率量p
ivs_j(j＝1,
…
m-1)
，得到isop-dab中的前m-1个sm的实际功率指令p
pu_j(j＝1,
…
m-1)
；通过主导功率调节量p
ovc
减去稳压调节功率量p
ivr_m
，再加上所有的均压调节功率量σp
ivs_j
，得到isop-dab中的第m个sm的实际功率指令p
pu_m
。即：
[0060][0061]
上文涉及多处无静差调节，由于输入均压控制器、输入稳压控制器、输出电压调节器和实际功率计算器形成对isop-dab的反馈调节网络，通过调节各子模块的功率，调节对应的输入电压v
in_j
，母线总电压v
bus
、母线直流电压v
dc
、输入均压电压参考值v
avg
、输入直流电压参考值v
dcref
和输出电压vo均会联动变化，通过无静差调节，最终实现三处无静差，使输入输出达到稳定。其中的无静差调节结构可以参考常规设计。
[0062]
而且，基于上述控制结构，在维持输入输出稳定的同时，能够对isop-dab直流变压器的输入阻抗进行重塑，使得其与中压直流母线的等效阻抗满足奈奎斯特判据，保证了级联系统的稳定性。可以理解的，在得到各sm的实际功率指令后，利用各sm的实际功率指令p
pu_j(j＝1,
…
m)
对isop-dab进行直接功率控制。
[0063]
实施例2
[0064]
本发明还涉及一种用于isop-dab型直流变压器的有源阻尼控制方法，包括：
[0065]
步骤s1：采样变换器各子模块j的输入电压v
in_j
以及变换器的输出电压vo。
[0066]
步骤s2：对m个子模块的输入电压进行求和，得到串联侧的母线总电压v
bus
，滤除所述母线总电压v
bus
中的交流分量，得到串联侧的母线直流电压v
dc
；将母线总电压v
bus
除以m，得到输入均压电压参考值v
avg
，以及将母线直流电压v
dc
除以m，得到输入直流电压参考值v
dcref
。
[0067]
步骤s3：对前m-1个子模块中各子模块j的输入电压v
in_j
与输入均压电压参考值v
avg
进行无静差调节，输出对应的均压调节功率量p
ivs_j
；对m个子模块中各子模块j的输入电压v
in_j
与直流电压参考值v
dcref
进行无静差调节，输出对应的稳压调节功率量p
ivr_j
；对变压
器输出电压vo与设定的输出电压参考值v
oref
进行无静差调节，输出主导功率调节量p
ove
。
[0068]
步骤s4：计算m个子模块中各子模块j的实际功率指令p
pu_j
：
[0069][0070]
步骤s5：基于各子模块j的实际功率指令p
pu_j
调节各子模块j的功率。
[0071]
其中，各步骤的具体实现方式可参考上文介绍，在此不再赘述。
[0072]
实施例3
[0073]
本发明还涉及一种直流配电网，包括isop-dab型直流变压器及其控制结构，其特征在于，所述控制结构为上文介绍的用于isop-dab型直流变压器的有源阻尼控制结构，在所述有源阻尼控制结构的控制下，所述直流变压器实现中压直流和低压直流的稳定电能转换。
[0074]
实施例4
[0075]
通过matlab软件对参数如表1所示的直流变压器进行阻抗验证。
[0076][0077]
如图3所示为仿真得到的阻抗伯德图，其中，中压直流母线的输出阻抗为z
bus
，在利用本发明提出的用于直流变压器的有源阻尼控制方法之前，isop-dab的输入阻抗为z
in_isop
；利用本发明提出的有源阻尼控制方法后，isop-dab的输入阻抗重塑为z
in_rs
。从图3中可以看出，在利用本发明提出的有源阻尼方法之前，z
bus
和z
in_isop
在其幅频曲线交点处的相位差为183.2
°
，大于180
°
，不满足奈奎斯特判据，系统不稳定；利用本发明提出的有源阻尼方法之后，z
bus
和z
in_rs
在其幅频曲线交点处的相位差为101.4
°
，小于180
°
，满足奈奎斯特判据，系统稳定。可以看出，本发明提出的有源阻尼方法有效重塑了isop-dab的输入阻抗。
[0078]
如图4所示为未利用本发明提出的有源阻尼方法时的实验波形，其中，i
l_1
、i
l_2
分别表示第一个、第二个dab模块中的电感电流，在利用本发明提出的有源阻尼方法之前，各模块的输入电压
vin_1
,v
in_2
处于振荡状态，系统不稳定；在利用本发明提出的有源阻尼方法之后，实验波形如图5所示，振荡在加入有源阻尼方法6ms后消除，系统恢复稳定，表明了本发明提出的有源阻尼方法的有效性。
[0079]
综上，利用本发明的控制结构及方法，不仅可以保证变压器输入输出的稳定，还重塑了isop-dab的输入阻抗，使得isop-dab直流变压器的输入阻抗和中压直流母线的输出阻抗满足奈奎斯特判据，进一步保证了系统的稳定性。
[0080]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于isop-dab型直流变压器的有源阻尼控制结构，所述直流变压器具有m个子模块且子模块1至子模块m的输入端从母线电压正极依次串联至母线电压负极，其特征在于，所述有源阻尼控制结构包括；求和模块，用于对m个子模块的输入电压进行求和，得到串联侧的母线总电压v
bus
；滤波模块，用于滤除所述母线总电压v
bus
中的交流分量，得到串联侧的母线直流电压v
dc
；求平均模块，用于将母线总电压v
bus
除以m，得到输入均压电压参考值v
avg
，以及将母线直流电压v
dc
除以m，得到输入直流电压参考值v
dcref
；输入均压控制器，用于实现前m-1个子模块中各子模块j的输入电压v
in_j
与输入均压电压参考值v
avg
的无静差调节，输出对应的均压调节功率量p
ivs_j
；输入稳压控制器，用于实现m个子模块中各子模块j的输入电压v
in_j
与直流电压参考值v
dcref
的无静差调节，输出对应的稳压调节功率量p
ivr_j
；输出电压调节器，用于实现变压器输出电压v
o
与设定的输出电压参考值v
oref
的无静差调节，输出主导功率调节量p
ove
；实际功率计算器，用于计算m个子模块中各子模块j的实际功率指令p
pu_j
：2.如权利要求1所述的用于isop-dab型直流变压器的有源阻尼控制结构，其特征在于，还包括：采样模块，用于采样变换器各子模块j的输入电压v
in_j
以及变换器的输出电压v
o
。3.如权利要求1所述的用于isop-dab型直流变压器的有源阻尼控制结构，其特征在于，所述输入均压控制器包括第一求差结构和第一pi调节结构，所述第一求差结构对子模块j的输入电压v
in_j
与输入均压电压参考值v
avg
求第一偏差后将所得第一偏差送入所述第一pi调节结构中以通过均压调节功率量p
ivs_j
实现所述第一偏差趋近于0。4.如权利要求3所述的用于isop-dab型直流变压器的有源阻尼控制结构，其特征在于，所述输入均压控制器包括m-1个所述第一求差结构和m-1个所述第一pi调节结构，所述第一求差结构和所述第一pi调节结构一一对应连接。5.如权利要求1所述的用于isop-dab型直流变压器的有源阻尼控制结构，其特征在于，所述输入稳压控制器包括第二求差结构和第二pi调节结构，所述第二求差结构对子模块j的输入电压v
in_j
与直流电压参考值v
dcref
求第二偏差后将所得第二偏差送入所述第二pi调节结构中以通过稳压调节功率量p
ivr_j
实现所述第二偏差趋近于0。6.如权利要求1所述的用于isop-dab型直流变压器的有源阻尼控制结构，其特征在于，所述输入稳压控制器包括m个所述第二求差结构和m个所述第二pi调节结构，所述第二求差结构和所述第二pi调节结构一一对应连接。7.如权利要求1所述的用于isop-dab型直流变压器的有源阻尼控制结构，其特征在于，所述输出电压调节器包括第三求差结构和第三pi调节结构，所述第三求差结构对变压器输出电压v
o
与设定的输出电压参考值v
oref
求第三偏差后将所得第三偏差送入所述第三pi调节结构中以通过主导功率调节量p
ove
实现所述第三偏差趋近于0。
8.如权利要求1所述的用于isop-dab型直流变压器的有源阻尼控制结构，其特征在于，所述实际功率计算器包括m个计算结构，每个计算结构用于计算一个不同的子模块的实际功率指令。9.一种用于isop-dab型直流变压器的有源阻尼控制方法，其特征在于，包括：采样变换器各子模块j的输入电压v
in_j
以及变换器的输出电压v
o
；对m个子模块的输入电压进行求和，得到串联侧的母线总电压v
bus
，滤除所述母线总电压v
bus
中的交流分量，得到串联侧的母线直流电压v
dc
；将母线总电压v
bus
除以m，得到输入均压电压参考值v
avg
，以及将母线直流电压v
dc
除以m，得到输入直流电压参考值v
dcref
；对前m-1个子模块中各子模块j的输入电压v
in_j
与输入均压电压参考值v
avg
进行无静差调节，输出对应的均压调节功率量p
ivs_j
；对m个子模块中各子模块j的输入电压v
in_j
与直流电压参考值v
dcref
进行无静差调节，输出对应的稳压调节功率量p
ivr_j
；对变压器输出电压v
o
与设定的输出电压参考值v
oref
进行无静差调节，输出主导功率调节量p
ove
；计算m个子模块中各子模块j的实际功率指令p
pu_j
：基于各子模块j的实际功率指令p
pu_j
调节各子模块j的功率。10.一种直流配电网，包括isop-dab型直流变压器及其控制结构，其特征在于，所述控制结构为权利要求1至8任一项所述的用于isop-dab型直流变压器的有源阻尼控制结构，在所述有源阻尼控制结构的控制下，所述直流变压器实现中压直流和低压直流的稳定电能转换。

技术总结
本发明公开了一种直流变压器的有源阻尼控制结构及方法、直流配电网，属于直流变压器控制技术领域，在控制结构中：求和模块对M个子模块的输入电压进行求和，得到电压v


技术研发人员：张宇 陈杨帆
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/9/20