双向变流系统（精选4篇）
双向变流系统 篇1
0 引言
双向储能变流器实现直流储能电池与交流电网之间的双向能量传递, 是将储能电池接入电力系统的关键设备。双向储能变流器可将夜间或平日富余的电能转移给储能元件存储起来, 并在电网电能不足时回馈给电网以平衡电网峰谷;同时, 将双向储能变流器用于风能、太阳能、潮汐能等新能源发电系统中, 可以在很大程度上平滑新能源发电输出, 使大规模可再生能源系统安全可靠地并入电网[1]。
滤波器是双向储能变流器中的关键设备, 相对传统L型滤波器, 在获得相同滤波效果的情况下, LCL滤波器的总电感量小得多, 有利于提高电流动态性能, 同时能降低成本, 减小装置的体积和重量。在中大功率应用场合, LCL滤波器的优势更为明显。然而, LCL滤波器在高频处存在谐振峰, 使系统开环相角特性出现180°的相位滞后, 极大地降低了闭环系统的幅值裕度, 严重时还可能使系统失去稳定性[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。
本文研制了一台50 k W双向储能变流器, 用于给50 k W/100 k W·h锌溴液流电池充放电。为取得较好的滤波效果并减小体积和降低成本, 双向储能变流器采用LCL滤波器, 同时为保证系统的稳定性, 选取了基于电容电流反馈的双闭环控制方案。所采取的方案均在实验样机上得到验证, 实验结果证明了控制算法的有效性和稳定性。
1 锌溴液流电池介绍
锌溴液流电池系统以50 k W·h为一个标准单元 (额定功率25 k W, 放电2 h) , 每个模组含有独立的高集成电池管理系统。电池系统恒功率放电, 若小于额定功率放电, 则放电时间大于2 h, 与功率成比例, 放电时间长短由放电功率大小决定。
锌溴液流储能系统以50 k W·h为基础, 可进行扩展, 其中可扩展至500 k W·h和1 MW·h为一个子单元, 以500 k W·h或1 MW·h为基础, 可继续扩展至40 MW·h或更大的容量, 子单元内各个50 k W·h标准储能单元由直流总线统一控制运行, 一致性好, 可靠性高。
下面给出50k W/100k W·h锌溴电池充放电参数。
a.额定功率:50 k W。额定容量:100 k W·h。
b.额定电压:直流侧DC 400 V。
c.充电电压:直流母线电压440 V, 范围420~450 V。放电电压:直流母线电压410 V, 范围350~410 V。双向储能变流器停止工作电压:直流母线电压350 V。
d.直流稳流精度≤±0.5%, 直流稳压精度≤±0.5%, 直流电压纹波系数≤0.5%。
因为锌溴液流电池系统内部自带了DC-DC变流器, 因此简化了双向储能变流器的功能, 双向储能变流器主要根据系统的指令实现对储能电池的恒功率充放电控制。
2 双向储能变流器及其参数设计
2.1 基于LCL滤波器的并网逆变器数学模型
采用LCL滤波器的双向储能变流器的拓扑结构图如图1所示。双向储能变流器采用单级式变换拓扑;VT1—VT6为三相逆变桥的6个IGBT开关管;R1、R2分别为滤波电感L1、L2的内阻;L1、L2和C2构成LCL并网滤波器;C1为直流母线电容;L3为直流滤波电感, 主要用于滤除直流电流中的开关纹波。
选择电感L1电流i1a、i1b、i1c, 电容C2电压uCa、uCb、uCc, 并网电流i2a、i2b、i2c, 电网电压usa、usb、usc以及逆变桥输出电压ua、ub、uc为状态变量, 将各状态变量变换到两相同步旋转dq坐标系下的状态方程如式 (1) 所示。
其中, i1d、i1q、i2d、i2q、uCd、uCq、usd、usq、ud、uq分别为各变量在dq坐标系下的分量, 电网电压和电流均折算到逆变侧, 并将变压器漏感折算到L2中。
因此建立LCL滤波器在dq坐标系下的数学模型如图2所示[12]。
2.2 LCL滤波器参数设计
LCL参数设计方法较多[13,14,15,16,17,18], 本文采用如下步骤:
a.滤波电容吸收的无功功率不能大于系统额定有功功率的5%;
b.LCL滤波器总的电感所产生的阻抗压降小于正常额定工作情况下电网电压的10%;
c.为了不使LCL滤波器的谐振峰出现在低频或高频段, 所以设计LCL滤波器的谐振频率时, 应该大于电网频率的10倍, 小于开关频率的1/2。
按照上述方法, 经过综合考虑, 设计LCL滤波器参数如下:L1=0.8 m H, L2=0.2 m H (L2中包含了变压器的漏感) , C2=80μF, 开关频率f=6 k Hz。
建立并网电流与逆变器输出电压的函数关系式, 对比LCL滤波器和L型滤波器的滤波效果, 利用MATLAB绘出其Bode图, 如图3所示。
从图3中可以看出在高频时, LCL滤波器是以60 d B/ (°) 进行衰减, 而L型滤波器是以20 d B/ (°) 进行衰减。因此, LCL滤波器可以对高次电流谐波有更好的衰减效果。在低频时, 两者频率响应的斜率都是-20 d B/ (°) 。这就意味着在低频时LCL滤波器可以被当作电感为L1+L2的一个等效电抗器。由于2种结构的滤波器在高频时对谐波衰减不同, 因此在同样的滤波效果的情况下, LCL滤波器总的电抗器值L1+L2要比纯电感滤波器中的电抗器值小, 滤波器的损耗也小些。考虑到一般对于整个系统设备, 磁性材料的电感无论是重量、体积, 还是成本所占的比重都比较大, 因此尽可能地减小磁性材料所占的比重。另一方面电容的体积小、重量轻而且成本不高, 所以基于成本、体积和重量方面考虑, 通过适当增加电容值, 可以减小系统设备的成本和体积[19,20,21]。
3 双向储能变流器控制策略
3.1 基于电容电流反馈的电流双环控制
传统以逆变侧电流为控制对象的单电流环控制无法增加系统的阻尼, 对系统的稳定性改善效果不明显, 而且并网电流输出容易受到电网电压的影响[22,23], 因此本文采用基于电容电流反馈的网侧电流双环控制策略, 其系统控制框图如图4所示。
3.2 电容电流内环参数设计分析
图5是以并网电流作为电流外环控制变量、电容电流作为电流内环的双环控制系统框图。
可以推导出系统的开环传递函数为:
闭环传递函数为:
其中, A0=KpKcKPWM;A1=KiKcKPWM;B0=L1L2C2;B1=R1L2C2+R2L1C2+L2C2KcKPWM;B2=L1+L2+R1R2C2+R2C2KcKPWM;B3=R1+R2。
分析内环比例参数Kc对系统性能的影响。采用电容电流作为内环时, 内环的比例环节可抑制LCL滤波器的谐振峰, 且内环比例参数Kc越大对谐振峰的抑制作用越强。为了更好地分析Kc对系统的影响, 取外环Kp=1, Ki=500, 分别取Kc为0.1、2、10时的系统开环波特图如图6所示。当Kc=10时, 谐振峰的抑制效果最好, 低频增益更大, 闭环系统的稳态误差也越小, 但Kc太大会使高频谐波抑制效果变弱。
与此同时, 采用电容电流作为内环时, 可以从系统闭环下的极点分布图来分析内环比例参数Kc的取值对整个系统稳定性的影响。当并网电流外环Kp=1, Ki=100, 分别取Kc为0.1、2、10, 系统极点分布图如图7所示。由图可以看出相比Kc=2, 当Kc=10时, 闭环极点更加靠近单位圆, 这样会危及系统的稳定性。所以Kc的取值范围很小, 合适的值在Kc=2附近。
从上述分析可知, Kc的取值太小则对LCL滤波器的谐振峰抑制作用很小, Kc的取值太大又会危及闭环系统的稳定性[24], 因此Kc需取折中值。综合考虑选择Kp=0.8, Ki=500, Kc=0.48, 经分析理论和实际存在差异主要是由于电感参数、线路分布参数、死区及数字化过程等原因造成理论建模和实际存在偏差。
4 实验验证
4.1 实验平台
搭建双向储能变流器实验样机, 实验控制系统是基于TI公司的数字信号处理器TMS320F28335和Altera公司的EPM7256AETI144-7, 其中DSP主要完成信号采样、算法处理以及PWM信号生成, CPLD主要完成逻辑控制和保护等。锌溴液流电池主要用于电力系统的功率调节, 因此其控制策略较为简单, 通过接收上位机指令以指定功率进行充放电。
实验平台参数为:L1=0.8 m H, L2=0.2 m H (L2中包含了变压器的漏感) , C2=80μF, 开关频率f=6 k Hz。
4.2 实验结果
通过实验对所采取的控制算法进行验证, 图8为从放电到充电电流切换波形;图9为从充电到放电电流切换波形;图10为并网电流a相电流波形, 通过分析其THD为2.415%;图11为从放电到充电切换时直流滤波电感上的电流;图12为从充电到放电切换时直流滤波电感上的电流。从实验结果可以看出, 采用基于电容电流反馈的双闭环控制策略, 不仅可以保证LCL滤波器稳定工作, 而且可以有效减小并网电流谐波, 本样机充放电切换时间约为2.8 s, 该切换时间在双向储能变换器不同的应用场合可以调整。
5 结论
基于LCL滤波器的双向储能变流器在抑制谐波方面有着显著的效果, 而且可以降低变流器的成本和减小变流器体积, 但是由于增加了电容支路, 使得变流器的数学模型由一阶变成三阶, 并且LCL滤波器的谐振原因更增加了控制的复杂性。通过增加电容电流反馈可以有效地消除谐振对控制的影响, 实现对并网电流的直接控制, 易于工程实现, 具有一定的实用价值。
摘要：为了在中/大型功率并网系统中引入更具优势的LCL滤波器, 必须采用特殊的控制策略对LCL滤波器引入的谐振峰加以抑制。从节省双向储能变流器系统成本的角度, 提出了一种基于滤波电容电流内环、并网电流外环的双环控制策略。从主电路的参数设计、控制器的参数设计、控制器的性能分析3个方面对策略进行了详细的阐述, 并给出了先内环后外环的参数设计方法。搭建了一台50 kW的双向储能变流器作为试验样机, 通过实验证明了所提控制策略不仅可以保证LCL滤波器稳定工作, 而且可以减小并网电流谐波。
关键词：双向储能变流器,滤波器,双环控制,并网逆变器,电流控制
双向变流系统 篇2
江西省公安厅为了提高公安系统应急能力，建设全省公安系统的移动通信多媒体系统，支撑警用移动业务系统，接处警车辆之间能够实现包括视频、语音、数据传输与电话等功能，提高执行公务时信 息化水平，
业务需求：
系统需要具备网状网拓扑、双向数据通信、无线高速高带宽特性、设备外型小等特点，实现视频、语音、数据通信与电话等功能;作为车载设备，提高非常好车载特性。
难点分析：
实现多点对多点网络拓扑结构，提供终端中继功能，并能有效避免同频干扰问题。
技术方案：
采用GBCOM GR200PS/JS/R双向图传系统，构建移动警车之间以及与公安管理平台之间的移动通信框架，基本网络框架为警车网状网网络，同时支持警车与公安管理平台之间星状网络，
在公安管理平台可以通信并控制警车，警车之间也可以相互通信，同时也可实现警车终端中继功能，作战系统的警车数目可高达几百台。
方案特点：
采用GBCOM 专有双向数据通信技术，实现双向无线通信链路，提供高达28Mbps链路带宽，并提供多点对多点通信网络拓扑，支持网状网路由拓扑，同时支持终端中继功能。
实施效果：
双向变流系统 篇3
关键词：用电信息;双向互动;智能电网;功能设计;关键技术
中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）26-0061-02
1 概 述
随着国家能源和技术的发展，当下社会各阶层对电能的依赖逐渐增强，目前国家正积极利用现代信息技术全面发展智能电网，从2011年开始，中国的智能电网已跨入全面建设的阶段，智能电网的互动功能和服务体系也将逐步形成完善，与之相关的关键技术也将获得广泛的应用。用电信息采集系统是建设智能电网的重要部分，是综合计算机技术、数字通信技术和多种电力技术为一体的实时性和综合性的应用平台。
其中，双向互动功能是在用电信息采集系统的基础上，利用实时能效管理技术和信息可视化等先进技术，采用开放性的、互联性的数据共享模式，从而为供电企业和用电客户搭建安全可靠、多元开放的信息平台，双向互动功能应用在用电信息采集系统中，能够有效地提高电能的利用效率。智能电网的全面建设将实现国家电网的智能化和信息化，优化能源结构，提高传输电力的安全性和可靠性。为实现智能电网的建设，国家正全力推进用电信息采集系统的发展，开展双向互动功能，并发挥其核心技术的作用，将是智能电网建设的重要课题。
2 当下用电信息采集系统的发展现状
对于用电信息采集系统的双向互动的功能研究，相对于国外发达国家，中国的起步较晚。许多国家在建设智能电网和多样化服务等方面都进行了大量的工作研究，为了使电网运行效率增高，提高供电的服务质量，促进供电企业和用电客户之间的和谐互动，美国于2008年在科罗拉多州的波尔德市成功建成了第一个智能的电网城，并且逐步建立起电能互联网，有效提高了供电企业与用电客户的互动能力。
与国外的发达国家相比，中国在电力客户用 电设备的自动化控制、双向高速通信实用化、供用电双方智能化沟通等方面与发达国家还有着一定的差距。所以，发展用电信息采集系统的双向互动功能是当下的重要需求，这需要综合考虑用户的需求及感受，结合相关的用电信息采集技术，设计方便、有效的用电信息采集双向互动模式，为供用电双方提 供一种全新的沟通交流通道。
3 双向互动功能组成
发展用电信息采集系统的双向互动功能，首先应该考虑供电企业和用电客户之间的需求，其次再结合现有的各种先进的技术，进而实现用电客户和电网之间全方位和深层次的双向互动。双向互动功能主要由以下几个部分组成。
3.1 综合监控和安全认证
双向互动要构建完善的综合监控功能，是为了实现用电采集系统的安全运行，这其中主要包括以下几个程序：可视化展示、控制操作、时间信息处理和报警处理等，双向互动功能能够使电力公司和用电客户及时进行交流互动，从而实现最大程度上的降低运行中的安全隐患，保证电网安全运行。安全认证，用电信息采集系统是复杂的，随之带来的问题就是信息安全，信息安全问题一方面对电力系统的稳定和安全运行有所威胁，另一方面还影响着电力系统的长远发展。安全认证是用电信息采集系统得以安全运行的重要保障，我们应该从采集信道防护、采集设备防护、系统主站防护、安全管理和用户用电安全等方面入手。
3.2 采集信息和发布信息
实现双向互动功能的重要前提和基本保证就是依靠真实而可靠的信息采集，这部分信息需要准确而全面，能够覆盖到供电企业和用电客户所有的设备和技术指标，包括了数据采集、数据存储、数据验证和计算处理等方面。发布信息，基于用电信息采集系统的双向互动平台可以向用电客户展示更加生动形象的用电信息，这种优势一方面满足了用电客户对用电情况实时查询的需求，用电客户可方便的通过手机客户端、智能用电 终端、线上个人账户等双向互动平台获取其日常用电数据，并通过对客户用电负荷曲线的分析，给与科学的用电信息指导，丰富用电客户的用电体验。
3.3 控制设备
继续增强用电客户控制用电设备的能力需要双向互动功能的进一步完善，用电客户可以通过互联网和手机等移动设备对用电设备进行实时的监测和控制。其中费控功能是重要的组成部分，所谓的智能费控技术是指用电客户先交费后用电，基于这种模式，用电信息采集系统首先会收集用电客户的用电情况，经过数据分析，计算用电客户剩余的电费，当用电客户电费将要不足时，系统会自动提示用电客户，提醒其尽快缴费，如果用电客户的电费为零时，系统会自动跳闸。采集终端、主站和智能电表是组成智能费控技术的主要系统，要充分利用智能费控技术，需要较高的通信响应能力。
4 用电信息采集系统的关键技术
4.1 通信技术
用电信息采集系统的基础就是通信技术，因此建设用电信息采集系统需要安全可靠和实时有效的通信技术作支撑，当今电网中，微功率无线、电力线载波、无线公网、光纤和无线专网230 MHz是应用于用电信息采集系统的主要通信技术。
其中电力线载波和光纤技术是双向互动实现的重要技术，这些通信技术各有优劣，首先微功率无线通信，受障碍物影响大，因此距离短，覆盖的范围小，而且严重受现场同频干扰影响。其次电力线载波通信，它的好处是不需要重新布线，因此施工方便，然而这种通信技术的稳定性和实时性较差。另一种无线公网通信的劣势是费用高，某些地区信号弱、数据采集相对困难，维护运行都不及时，特别是在紧急情况下，很容易造成信道拥堵。
此外，光纤通信的劣势是成本高，布线较为困难，而且工程量大。无线专网230 MHz通信技术的覆盖范围小，尤其受地形地貌的影响较大，数据容易被阻挡。最后还有一种接入网通信技术，它的优势是灵活组网，大量的系统接口，能够一体化接入数据、图像和语音等信息，这种通信技术是提高用电信息采集、监测和控制安全可靠的有效手段。
目前电力系统已经试点用宽带载波通信和微功率无线通信相结合的双模技术，未来会大规模应用。综上所述，我们需要对现下用电系统和通信网络进行分析，综合考虑各方面的实际情况，采用最为适合的通信技术。
4.2 安全的数据检索和分析技术
我国国家电网的涉及区域包括二十七个省市，覆盖范围内的用户数量超过三亿，由于大量的用户数，因此数据的采集量也较大，这要求我们进一步探究数据并行处理、数据批量处理和多线程处理等技术，以期实现同时处理大量数据和任务，从而使主站可靠的运行。另一方面，用电信息采集系统由于信息采集量大、覆盖范围广和安全隐患较多等问题，需要我们全面建设可靠的安全防护体系。
建立安全的防护需要从下面几个方向入手：首先，高速密码机是系统主站不可或缺的，高速密码机主要用来加密和解密主站数据的，它包括密码更新、身份认证和数据加密解密等功能。其次，要在智能电表中安装加密，这样做的目的是保证主站与采集设备、敏感信息和关键信息的传输安全，对设备内部数据进行加密和解密，可以保护数据的完整性和机密性。另外，采集终端的完善还需要接入平台的安全推广，这一应用可以实现安全接入、实时监控和防御预警等重要功能。
4.3 信息共享和融合的双向互动技术
目前我国正在积极建设智能电网，利用现有的基础设施和通信网络来构建完整、安全的系统是重要的战略任务，就当今的形势来看，用电信息采集系统的建设还居于初级阶段，有效的整合在信息共享和融合技术与其他业务系统之间还很难实现，用电信息采集系统的集成化水平低，还需要进一步完善信息共享、融合和服务功能，在用电信息采集系统的基础上，采集信息，分析数据，创新信息共享和融合的模式，针对实际情况和实际需求，完善信息共享和融合技术。
电力线载波信道和光纤信道依赖用电信息采集系统而建成，双向互动技术在此基础上发展应用，监控管理家庭用电设备，采集并分析用电信息等数据，同时在人机交互、网络化和业务融合的原则下，双向互动技术能够提供电价政策、实时用电信息和告警信息，提供数据统计图形和历史用电记录，从而更好地指导用户合理用电。另外，双向互动技术还可以搭建时效的、友好的用电交互平台，为用电客户提供更多的、更完善的增值服务信息。
5 结 语
双向互动功能是建设智能电网的重要环节，也是用电信息采集系统的重要技术，双向互动功能完善了智能用电的服务系统，实现了电力公司和用电客户之间实时地信息同步、交互响应和满足互动的需求、同时也增强电力公司综合服务能力。
建设电力公司和用电客户之间双向互动的功能系统，能够使用电客户及时地响应电力公司的需求，选择用电方式更为自主，两一方面，电力公司也能够引导用电客户更合理、更科学地用电，避免用电高峰，电网运行成本也将大大降低，这样做不仅能更加安全性和经济性地使用电能，还能有效提高社会能源利用率，进而实现电力公司和用电客户的双赢。
参考文献：
[1] 胡江溢，祝恩国，杜新纲，等.用电信息采集系统应用现状及发展趋势[J].
电力系统自动化，2014，02：131-135.
[2] 祝恩国，窦健.用电信息采集系统双向互动功能设计及关键技术[J].电 力系统自动化，2015，17：62-67.
矩阵式双向变流器改进型换流策略 篇4
可再生能源(如光能、风能等)具有间歇性、不稳定性的特点,故需要储能装置解决可再生能源发电系统与电力负荷的供需不平衡问题,从而提高可再生能源发电系统运行稳定性[1,2]。双向变流器作为电网与储能电池之间的连接枢纽,具有相当重要的研究意义。与传统的三相桥式脉宽调制(PWM)型变流器相比,矩阵式双向变流器同样能够实现输入电流正弦、功率因数可调、能量双向流动等功能,此外其为Buck型降压整流器 ,能够实现降压功能 ,电压调节范围大,在0 V到1.5倍的相电压幅值内连续可调而三相桥式变流器为Boost型升压整流器,因此矩阵式双向变流器能够实现一级变换,省掉中间直流环节,结构紧凑,体积小,功率密度大,更适合于液流电池等低压蓄电池场合[3,4]。
目前矩阵 式变换器 工业产品 的最高容 量为200 V / 63 k W和400 V / 114 k W,限制其大功率应用的主要原因在于开关管较多、成本高、安全可靠的换流算法以及大功率变流器的电磁兼容设计等。换流是矩阵式双向变流器正常工作的必要条件之一,换流的原则是在保证安全换流的前提下,不使硬件开销过大,同时尽可能减小对调制策略、输入电流和输出电压的影响。国内外许多文献提出了各种换流策略[5,6,7,8,9],归纳起来可分为基于输出电流方向的电流型换流策略和基于输入相电压的相对大小的电压型换流策略。由于矩阵式双向变流器的输出电流为直流方向固定,只有在整流和逆变工作状态切换的时候才会出现电流方向改变,电流型换流方法更适合于这种场合。常用的电流型换流策略有四步换流、三步换流、两步换流等[10,11,12],换流步数较多时,特别是在低调制比区域,换流过程引起的输出电压误差相对于直流输出电压较大,通常功率等级越大,开关管的开通与关断时间越长,此种情况下减小换流步数显得更为重要。
文献[13]采用一种电压电流型一步换流方法能够实现安全换流,但输入相电压相对大小判断不准确时会因为输入相导通错误使输入电流波形畸变本文对此进行了详细分析,并提出利用输入电流扇区的划分方法来判断输入电压的相对大小,在可能出现大小相等的电压相之间采用两步换流,其他情况下采用一步换流的方法,并根据仿真和实验对所提换流策略进行了验证。仿真和实验结果表明,该方法不需要外加专门的精确检测输入相电压相对大小关系的测量装置,即可实现矩阵式双向变流器安全、可靠、快速换流和稳定运行,且输入电流波形不受影响。
1 矩阵式双向变流器基本原理
图1为接电池负载的矩阵式双向变流器主电路图,双向开关由2个IGBT组成,方向可控。其中,ua、ub、uc为网侧输入相电压;ia、ib、ic为输入相电流;Udc、idc分别为变换器侧输出直流电压和直流电流;Uo、Io分别为电池端电压和端电流。
对于储能电池而言,无论是以恒压、恒流还是恒功率作为充放电方式,其落脚点都是控制电池的端电压和端电流,因此充放电模式下对矩阵式双向变流器的输出电压和输出电流的控制示意图如图2所示。其中,Uo*为指令充放电电池电压;id*c为指令充放电电池电流;θu为期望功率因数角;φs为电网电压相位角;mu为电压调制比;Gcu、Gci分别为电压和电流调节控制器。
矩阵式双向变流器的每相输出与多相输入经双向开关连接,双向开关必须满足输入不短路、输出不断路的原则[14,15,16,17],因此双向可控开关的安全换流是在矩阵式双向变流器应用于实际系统中最重要的一个环节[18]。
2 电压电流一步换流策略
电压电流混合型一步换流策略是利用输入电压相对大小的判断,每个主开关状态预导通辅助开关管,从而省去电流型两步换流中的第一步,实现一步换流。根据输入电压相对大小将三相输入电压划分为6个电压扇区,如图3(a)所示,每个扇区内三相电压大小明确,定义输入电压最大相为up、中间相为um、最小相为un,则3种输入相电压接通输出端时的主开关状态如图3(b)所示,其中二极管表示开关管仅开通导通电流方向开关管。由于预导通了开关管,3种主开关状态间的切换仅需一步就能实现。但当输出电流方向改变时,由于需要先关断预导通的顺管才能开通反向的逆管,因此电流方向切换时需要4步实现。开关状态图如图4所示,图中的六位数字分别表示输出一相连接到输入三相a、b、c的双向开关,“1”表示开通,“0”表示关断。如:“001001”表示输出相连接到输入a相的2个开关均关断,连接到输入b相的开关顺管导通、逆管关断,连接到输入c相的开关顺管关断、逆管导通。在图4所示一步换流逻辑状态图中,当i > 0时,假设ua> ub> uc, 则ua=up,ub= um,uc= un。此时 ,从a相切换到c相的开关顺序是同时关断a相和b相的开关顺管,输入电流由a相切换到c相,换流过程为强制换流;从c相切换到a相的开关顺序是同时开通a相和b相的开关顺管,输入电流由c相切换到a相,换流过程为自然换流。同理其他状态下各相之间的切换逻辑均类似。
电压电流型一步换流策略实现的前提条件是需要知道当前时刻输出电流方向以及所在的电压扇区。在三相电压对称、没有谐波并且锁相准确的情况下,理论上可以根据划分好的电压扇区来实现一步换流策略。但由于输入电压中存在着谐波、采样误差以及三相电压不平衡等原因,实际中仍然是根据三相输入电压的大小来判断扇区,而在相邻扇区切换时,因为三相电压中的两相电压大小相近容易造成扇区判断错误,使PWM周期中所使用的有效矢量不是期望的有效矢量,最终导致输入电流畸变。
以图3中的输入电压扇区1为例,在扇区1与扇区2交界处,ua与ub大小相近,会出现检测不准确的情况。假设此时为扇区1,ua> ub> uc,ua= up,ub= um,uc=un, 输出接a相时为“101010” , 输出接b相时为“001010”,输出接c相时为“000010”;假如检测结果为ub> ua> uc,ub= up,ua= um,uc= un, 输出接a相时为“100010”,输出接b相时为“101010”,输出接c相时为“000010”。此时电压差值较大两相间进行切换时,如a相切换到c相,直接关断a相顺管即完成换流;b相切换到c相,同时关断a、b相顺管即可正确换流。而相近电压相之间进行换流时,如a相切换到b相,直接开通b相顺管即可,但由实际电压大小(ub<ua)知此时输出仍然接通在输入a相 ,没有换相。按照两零矢量调制模式[19],正常情况下PWM周期内,扇区1有效矢量为线电压uac与ubc,如图5(a)所示 ;在检测输入电压相对大小错误的情况下,由于a相与b相直接换流不能完成,有效矢量一直为线电压uac,即在检测出现错误时,本应输入b相导通的电流都从a相流过,如图5(b)所示,造成输入a相与b相电流发生畸变,而输入c相正常,其中tα、tβ、t0为空间矢量作用时间。
3 改进型一步换流策略
为解决输入电压扇区检测错误导致输入电流波形畸变的问题,提出采用“过渡区间”的方法,对输入电压区间重新划分,将输入电压相近两相采用两步换流。如图6所示,将输入三相电压相对大小明确的区域命为主区间,两相电压相近的区间定义为过渡区间(见阴影框部分),在主区间内采用图3中的一步换流,过渡区间内,电压差值较大的两相采用一步换流,而差值较小的两相采用图7中的两步换流,换流的原则是不允许输入相不确定的状态出现。该方法能够有效解决扇区判断不准确导致输入电流畸变的问题。由图6可知,过渡区间出现在相邻扇区的交界点处,即线电压的过零点位置。设置过渡区间时,首先应当保证在过渡区间内检测电路能够准确判断三相输入电压的大小,因此过渡扇区的宽度要大于采样输入电压的纹波,例如当经过电压霍尔采样到的输入电压纹波大小为ur时,则此时过渡区间的宽度应该设置为至少大于ur; 其次如果过渡区间过宽,相邻扇区切换时采用的两步换流次数越多,也会影响到输入电流波形。因此过渡区间宽度的设置原则为:在能够准确判断出输入相电压之间的相对大小下尽可能地小。
图8为改进型一步换流过程开关状态图,例如在图8(b)中,当i>0时,假设ua为最大相(ua= up),ub和uc幅值相近,那么a相和b相、a相和c相之间的切换均为一步换流。假设ub> uc,从输入b相切换到输入c相的开关顺序是先开通c相顺管,此时c相顺管开通对变换器无影响,然后关断b相顺管,输入电流由b相切换到c相,换流过程为强制换流;如果ub< uc,则先开通c相顺管 ,输入电流即切换到输入相,为自然换流,再关断b相顺管,对输入电流无影响。同理其他状态下各相之间的切换逻辑均类似。
4 仿真及实验结果
利用MATLAB / Simulink构建矩阵式双向变流器仿真模型,仿真条件:输入线电压有效值200 V,电阻负载36Ω,调制周期200μs(开关频率5 k Hz),调制比mu=0.6,输入滤波电感1 m H,输入滤波电容10μF,输出滤波电感5 m H,输出滤波电容20μF。
图9为电压电流型一步换流仿真结果,图中给出了输入三相电流波形、输出直流电压波形以及输入电压扇区。由仿真波形可以看出在扇区切换的位置,每个调制周期进行一次电压扇区判断,存在一定的误差,使得调制周期内输出相与输入相接通错误从而导致输入电流波形畸变,但由于每个调制周期输出电压平均值没有改变,因而输入电压扇区的判断错误不对输出电压造成影响。
图10为改进型电压电流型一步换流仿真结果。
过渡区间的宽度设置为π/ 6。从仿真可以看出,整个波形中不再出现电流波形畸变的情况,通过设置过渡区间,能够有效避免因为输入电压大小判断错误导致的输入相与输出相接通错误造成输入电流波形畸变的情况,证明了换流策略的有效性。
在仿真的基础上,搭建了实验样机对矩阵式双向变流器带蓄电池负载进行了性能测试。实验条件与仿真条件相同,采用DSP TMS320F28335与FGPAEP2C8为控制核心 , 由运算能力较强的处理器DSP实现矩阵式双向变流器的调制策略,换流策略逻辑性较强,用FPGA实现较为容易。该实验样机由1只英飞凌1200V / 40A分立IGBT器件IKW40N120T构成,首先通过估算IGBT损耗计算出其热阻,然后根据热阻选择散热器表面积,再通过散热器厂家提供的手册选择合适形状的散热器及长度,设计时会考虑一定裕量。12只IGBT均匀布置在散热器上,散热器左右两侧均有风机,一侧吹风,另一侧抽风。实验中通过带额定5 k W负载连续工作3 h,散热器上温度达到稳定,最高温升不超过30℃,满足设计要求。
图11为电压电流型一步换流实验波形,图1为改进型电压电流型一步换流实验波形,实验结果与仿真结果基本一致,进一步验证了所提换流策略的有效性。
5 结论
本文对矩阵式双向变流器电压电流混合型一步换流策略进行了分析,详细研究了电压电流型一步换流中存在的问题,并提出了在过渡区间采用两步换流的改进型换流策略。该换流策略不需要外加专门的精确检测输入相电压相对大小关系的测量装置,能够有效解决输入电压大小判断错误时输入电流波形畸变的问题。通过仿真和实验对所提换流策略进行了验证,仿真和实验结果证明了所提方法的有效性。
摘要：针对基于矩阵式变换器的双向变流器电压电流型一步换流策略进行研究。通过分析电压电流型一步换流中存在的问题,指出其在输入相电压相对大小判断不准确时会使得输入电流波形畸变,并提出了基于过渡区间两步换流的改进型换流策略。通过在输入相电压大小相近时设置合适宽度的过渡区间,在过渡区间内采用两步换流,在过渡区间外采用一步换流,从而有效地避免了电压扇区判断错误的情况。最后通过仿真模型和实验样机,对所提出的改进型换流策略的有效性和正确性进行了仿真和实验验证,结果证明所提换流策略能准确地判断电压扇区所在空间,改善输入电流波形。