一种基于共模和差模控制方法的双开关管Buck变流器

摘要

本发明涉及一种基于共模和差模控制方法的双开关管Buck变流器，属于电力电子领域的变流器及控制技术。本发明通过采集正负极线路电流之差，通过比例积分控制器将其控制为零，从而解决共地环流问题；通过采集正负极电流的平均值，并引入虚拟阻抗，从而解决各变流器间的功率均分问题；通过增加惯性环节进行电压补偿，从而解决电压跌落问题。本发明通过最少限度地增加开关管，同时采用基于共模和差模的控制方法，并且该控制方法在正常运行和故障状态下无需切换，从而有效地提高了系统的抗故障能力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于共模和差模控制方法的双开关管Buck变流器，属于电力电子领域中的变流器及其控制技术。

背景技术

近年来分布式发电源大规模发展，它们将可再生能源如太阳能、风能等源源不断地转化为电能，汇集到微电网中，进而有效地缓解能源危机问题。据中国风能协会数据可知，我国2017年累计装机容量达到188GW；据国家能源局统计数据显示，我国2017年光伏发电累计装机达到130.25GW。但分布式发电源一般安装在户外，受天气和自身结构等因素影响，易于绝缘老化。以光伏电站为例，其因光伏面板面积大，接地近，线路串并联复杂等因素，使得该系统中发电源侧相比于输电线路侧更容易出现接地故障。发电源侧的接地故障会产生共地环流，共地环流将在变流器间流入和流出，如果与某线路电流同向，则增大该线路电流，从而触发变流器保护动作，使得该组发电源退出运行，降低发电源的利用效率。此外，也给故障检修工作人员带来很大的排查困难。

本发明针对大规模分布式发电源并联系统中的电源侧负极接地故障而产生的共地环流问题和传统下垂控制导致的电压跌落问题，提出一种基于共模和差模控制的双开关管Buck变流器，能够有效地抑制并联分布式发电源因负极接地故障而出现的环流，并且能够有效恢复直流母线电压，从而提高该系统的抗故障能力，增强系统的稳定性。

发明内容

本发明旨在提出一种基于共模和差模控制的双开关管Buck变流器，能够有效地抑制并联分布式发电源因负极接地故障而出现的环流，并且能够有效地实现功率分担和电压补偿。

本发明具体技术方案步骤如下：一种基于共模和差模控制方法的双开关管Buck变流器，所述的双开关管Buck变流器是对由若干个Buck变流器并联而成的Buck变流器系统进行如下改进获得的：在每个Buck变流器的负极和二极管的正极之间增加一个开关管，其中开关管的漏极和二极管的正极相连，开关管源极和电源的负极相连。

进一步地，共模控制方法为：首先采集每个Buck变流器的正负极线路电流，然后求差值；接着通过比例积分控制器获得增加的开关管S₂的导通占空比d₂，对增加的开关管S₂进行控制，使得每个Buck变流器的正负极线路电流差值为参考值。

导通占空比d₂的计算方法如下：

其中，k_p为比例系数，k_i为积分系数，s为拉普拉斯复频率，I₁为正极输出线路电流，I₂为负极输入线路电流。

差模控制为：首先每个Buck变流器采集正负极线路电流，然后求平均值，接着引入输出电流的反馈系数，然后通过比例积分控制器获得Buck变流器中原有的开关管S₁的导通占空比d₁，对开关管S₁进行控制，实现各个Buck变流器间的功率均分。

导通占空比d₁的计算方法如下：

其中，V_ref为参考电压值，r_a为电流反馈系数，v_c为输出电容电压，k_{p_v}为外环比例系数，k_{i_v}为外环积分系数，k_{p_i}为内环比例系数，I₁为正极输出线路电流，I₂为负极输入线路电流，i₁为电感电流，s为拉普拉斯复频率，δV为电压补偿量，

其中，k时间常数。

与现有技术相比，本发明的优点有：

(1)本发明通过最小限度地增加一个开关管，同时通过基于共模和差模的控制方法有效地解决分布式发电源因负极接地故障而出现的共地环流问题，而不必触发变流器保护动作。

(2)本发明通过差模控制方法解决功率均分问题，并针对电压跌落现象采用增加惯性环节进行补偿。

(3)本发明不需要额外的通信线缆，也不需要集中式控制器，可以实现分散式控制。

附图说明

图1为分布式发电源并联系统中因负极接地而出现的共地环流图；

图2为共模和差模示意图；

图3为基于双开关管的Buck变流器结构图；

图4为基于共模和差模的控制方法图；

图5为传统的Buck结构和现有的控制方法的实验结果图；

图6为本发明中Buck结构和基于共模和差模控制方法的实验结果图；

图7为现有的控制方法和本发明中的差模控制以及共模控制方法分别使用时的效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

基于传统Buck变流器的分布式发电源并联系统如图1所示，当分布式电源负极出现接地故障时，会出现共地环流现象，如图1中虚线所示。并且各线路的电阻不尽相等，这也会加剧共地环流问题。共地环流在各变流器间流入和流出，当和线路电流同向时，便会增大该线路电流，若超过保护限值，便会触动保护动作，使得该发电源退出运行。

本发明提出的双开关管Buck变流器如图2所示，即在原有的由若干个Buck变流器并联而成的Buck变流器系统的基础上，在每个Buck变流器电源的负极和二极管的正极之间增加一个开关管，其中开关管漏极和二极管的正极相连，开关管源极和电源的负极相连。

设正极输入电流为i₁，负极输出电流为i₂，设向右为正方向，则i₁和i₂用共模和差模分量表示为

则共模电流和差模电流分量可以表示为

通过上式可得，正极输入电流和负极输出电流差值的一半为共模电流分量，正极输入电流和负极输出电流和值的一半为差模电流分量。

本发明引入开关管，共模控制可如图4所示的方式实施，具体如下：

首先采集每个Buck变流器的正负极线路电流I₁、I₂，求差值。为了与公式2对应，方便理解，本实施例将差值乘以0.5，然后经过比例积分控制器，获得增加的开关管S₂的导通占空比d₂，对增加的开关管S₂进行控制，使得每个Buck变流器的正负极线路电流差值等于参考值，本实施例中，参考值为零，即每个Buck变流器的正极输出电流和负极输入电流相等。导通占空比d₂的计算方法如下：

其中，k_p为比例系数，k_i为积分系数，I₁为正极输出线路电流，I₂为负极输入线路电流。

需要说明的是，由于共模控制的目的是将差值控制在零差值，因此，本发明中，乘以的比例系数(0.5)对于结果不构成任何影响。

差模控制可如图4所示的方式实施，具体如下：

通过采集正负极电流之和，再乘以0.5，即求正负极电流的平均值，接着引入电流反馈系数，然后经过双闭环控制，外环采用比例积分控制，内环采用比例控制，将输出的信号送给开关管S₁，导通占空比d₁的计算具体公式为：

其中，V_ref为参考电压值，r_a为电流反馈系数，v_c为输出电容电压，k_{p_v}为外环比例系数，k_{i_v}为外环积分系数，k_{p_i}为内环比例系数，I₁为正极输出线路电流，I₂为负极输入线路电流，i₁为电感电流，s为拉普拉斯复频率，δV为电压补偿量，

其中，v_c为输出电容电压，k时间常数。

通过RTLAB的实验平台对上述双开关管Buck变流器(图2)和原有的Buck变流器系统(图1)进行验证，基于原有的Buck变流器系统和现有的下垂控制方法的实验结果如图5所示。其中，阶段I，II，III，IV和V分别为正常运行阶段，负极接地故障出现阶段，故障期间负载增加阶段，去除所增加的负载阶段，去除负极接地故障后恢复正常工作情况。

图5左侧为变流器a和变流器b的正负极输出和输入电流波形，右侧为共地环流和直流母线电压波形。由图5可知，当系统正常运行时，共地环流为0A；当出现电源负极接地故障时，共地环流上升到70A左右；若在此期间将负载增加0.5倍，共地环流上升到110A左右。并且，由于负载的增加，直流母线电压出现了跌落现象。

本发明提出的双开关管Buck变流器的实验结果如图6所示。其中，阶段I，II，III，IV和V分别为正常运行阶段，负极接地故障出现阶段，故障期间负载增加阶段，去除所增加的负载阶段，去除负极接地故障后恢复正常工作情况。从图中看出，共地环流基本上得到了抑制，直流母线电压在负载增加阶段也得到了恢复。

本发明提出的双开关管Buck变流器中，各控制方法的实验效果如图7所示，其中阶段I，II，III分别为现有的控制方法、差模控制方法和共模控制方法使用过程。最初使用现有的双闭环控制方法，此时各变流器的正负极电流均不相等，出现共地环流和功率均分问题。当施加差模控制方法时，能够解决功率均分问题，也即保证了变流器a和b的正极输出电流相等，但无法保证各变流器的正极输出电流和负极输入电流相等。当施加共模控制方法后，可以看到各变流器的正极输出电流和负极输入电流基本相等，此时共地环流基本得到抑制。