本發(fā)明涉及電力電子領域，涉及一種雙功能遷移功率的拓撲及方法，尤其是涉及一種基于開繞組電機驅動器實現雙極性直流微電網電壓平衡和儲能的拓撲及方法。

背景技術：

1、隨著新能源發(fā)電類型的增多、儲能技術的發(fā)展以及終端用戶負荷直流化趨勢明顯，直流微電網在減少能量變換、提高能源利用率和系統(tǒng)可靠性上體現出了顯著的優(yōu)勢。與單極性直流微電網架構相比，雙極性直流微電網架構具有更高的輸出等級、更高的功率傳輸效率，近些年受到了更廣泛的關注。然而，分布式發(fā)電的間歇性、不對稱性以及負載的波動性、不平衡性都會造成雙極性直流微電網電壓不穩(wěn)定、兩極間電壓不平衡的結果。不穩(wěn)定、不平衡的電壓會對系統(tǒng)的用電設備造成損壞，增加損耗。

2、為了保證電壓穩(wěn)定和平衡，儲能系統(tǒng)和電壓平衡器是必不可少的。然而，由于額外的電壓平衡器增加系統(tǒng)的復雜性和成本，已經逐漸被取代。文獻1[文獻1為g.v.d.broeck,w.martinez,m.dalla?vecchia,s.ravyts?and?j.driesen,"conversion?efficiency?ofthe?buck?three-level?dc–dc?converter?in?unbalanced?bipolar?dc?microgrids,"ieee?trans.power?electron.,vol.35,no.9,pp.9306-9319,sept.2020.(期刊論文)]提出了一種全橋三電平的dc/dc轉換器，代替發(fā)電側的轉換器，能同時穩(wěn)定和平衡電壓。然而，該轉換器常集成在于發(fā)電側，調節(jié)范圍有限。此外，為了提高系統(tǒng)可靠性，常需要配置冗余的功率開關或轉換器，增加了系統(tǒng)的成本和復雜度。為了更加精確地調整負載側電壓，基于電網模型的方法被提出。文獻2[文獻2為j.-o.lee,y.-s.kim?and?s.-i.moon,"currentinjection?power?flow?analysis?and?optimal?generation?dispatch?for?bipolar?dcmicrogrids,"ieee?trans.smart?grid,vol.12,no.3,pp.1918-1928,may?2021.(期刊論文)]提出了一個新的雙極直流微電網注入電流和發(fā)電調度優(yōu)化方法，以降低運行成本和電壓不平衡度。然而，此類方法的初始投資顯著增加。

3、將功率傳輸功能集成在負載側常出現的系統(tǒng)中，代替或部分代替電網中的電壓平衡器或儲能設備，可以有效解決成本高昂的問題，避免單點故障的風險。文獻3[文獻3為y.xuan,x.yang,w.chen,t.liu?and?x.hao,"a?novel?three-level?cllc?resonant?dc–dcconverter?for?bidirectional?ev?charger?in?dc?microgrids,"ieeetrans.ind.electron.,vol.68,no.3,pp.2334-2344,march?2021.(期刊論文)]將電動汽車充電口設計為雙向dc/dc變換器，閑置電動汽車儲能系統(tǒng)作為直流微電網的儲能系統(tǒng)。但這樣的設計增加了原系統(tǒng)的功率器件，無疑增加了制造成本和制造難度。此外，該復用方法功能受限，無法集成電壓平衡功能。

4、考慮到交流電機驅動器是雙極性直流微電網的重要組成部分并且消耗大量電能。同時，現代交流電驅動系統(tǒng)通常采用變壓變頻控制，與電力變換模塊的電力變換部件、儲能部件、穩(wěn)壓元件等元器件種類相同；電機驅動系統(tǒng)的本質也是電力變換的過程，與電力變換模塊的功能相同。這意味著交流電機驅動器具有高功率密度和功率共享潛力。所以為了充分利用交流電機驅動器的功率密度和功率傳輸能力來完成雙極性直流微電網的電壓平衡、電壓穩(wěn)定的任務，電機驅動系統(tǒng)復用于電壓平衡裝置和雙向dc/dc轉換器的方法需要被研究。

技術實現思路

1、為了解決雙極性直流微電網面臨的電壓不平衡、不穩(wěn)定問題，通常采用電壓平衡裝置和儲能系統(tǒng)通過控制雙極性直流微電網兩級之間、電網與儲能系統(tǒng)之間的功率流動獲得平衡、穩(wěn)定電壓，或者重新調整雙極性直流微電網上的分布式發(fā)電接口或負載。但這會增加裝置體積與制造成本，或者出現不必要的損耗和可靠性降低等問題。

2、本發(fā)明充分利用開繞組電機驅動器的功率密度和功率傳輸能力來完成雙極性直流微電網的電壓平衡和穩(wěn)定任務，并提供了一種使用非運行的電機驅動器輔助雙功率傳輸的解決方案。電機在非運行狀態(tài)，通過閉合連接器改變拓撲結構，可以單獨或同時完成電壓平衡和電能存儲兩種功率傳輸任務。當收到電機運行指令或功率遷移任務完成時，可斷開所有連接，恢復為傳統(tǒng)的拓撲結構。本發(fā)明采用的策略和相應的拓撲結構不需要額外的功率開關器件，并且不影響電機驅動器的正常運行，因為連接器斷開后拓撲結構將與傳統(tǒng)的相同。從整個雙極性直流微電網系統(tǒng)的角度來看，本發(fā)明不會明顯增加成本和占地面積。相反，通過應用本發(fā)明來降低電壓平衡器和雙向dc/dc轉換器的功率要求，一定程度上會節(jié)省成本和體積。

3、本發(fā)明解決其技術問題所采用的拓撲和技術方案是：

4、本發(fā)明利用非運行的開繞組永磁同步電機完成功率遷移任務。電路的拓撲結構如圖1所示，其中，p、o、n分別為雙極性直流微網的正極、中性線、負極；“+”為儲能系統(tǒng)的正極，“-”為儲能系統(tǒng)的正極；s1-s6為逆變器1的6個功率開關，u1、v1、w1為逆變器1輸出的三個接口，s1'-s6'為逆變器2的6個功率開關，u2、v2、w2為逆變器2輸出的三個接口；電流傳感器和電壓傳感器如圖1所示，箭頭方向代表電流的正方向。逆變器1的u1、v1、w1的端口在連接開繞組電機的u+、v+、w+繞組的同時，還通過連接器kb1、kb2、kb3與雙極性直流微電網的中性點o相連，通過控制連接器kb1、kb2、kb3的導通和關斷，從而決定是否進行電壓平衡任務；逆變器2的u2、v2、w2的端口在連接開繞組電機的u-、v-、w-繞組的同時，還通過連接器ks1、ks2、ks3與儲能系統(tǒng)的正極相連，通過控制連接器ks1、ks2、ks3的導通和關斷，從而決定是否進行儲能任務。

5、功率遷移的具體步驟如下：

6、步驟1：判斷雙功率傳輸復用系統(tǒng)的任務種類。

7、根據雙極性直流微電網上下極電壓up、un的采樣結果，以及雙極性直流微電網總電壓等于目標控制電壓utarget判斷任務的種類，判斷方式如公式(1)所示。

8、

9、并根據執(zhí)行任務時電流的方向是否與圖1規(guī)定的正方向是否一致，確定任務的極性，其中，方向一致為正任務，方向相反為負任務。具體的判斷方法如公式(2)所示。

10、

11、如果系統(tǒng)執(zhí)行電壓平衡和儲能的混合任務，則進行步驟2；若只執(zhí)行單一任務，則跳至步驟3。

12、步驟2：確定初始任務的分配方法。

13、系統(tǒng)在執(zhí)行混合任務時，規(guī)定在初始階段選擇兩個繞組承擔不同的功率傳輸任務。根據兩個任務的極性、轉子位置確定繞組執(zhí)行任務的情況，區(qū)域劃分情況如圖2所示。如果兩個任務均為正任務，任務分配劃分區(qū)域如圖2(a)所示，當轉子落在[a+,b+)、[b+,c+)、[c+,a+)三個區(qū)域時，電壓平衡任務分別由a、b、c繞組承擔，儲能功能分別由b、c、a繞組承擔；如果兩個任務均為負任務，任務分配劃分區(qū)域如圖2(b)所示，當轉子落在[b-,c-)、[c-,a-)、[a-,b-)三個區(qū)域時，電壓平衡任務分別由b、c、a繞組承擔，儲能功能分別由c、a、b繞組承擔；當兩個任務極性相反，則初始任務分配方式如圖2(c)所示，其中任務的正負和繞組的正負對應。確定好初始任務分配方式后，執(zhí)行步驟3。

14、步驟3：拓撲切換

15、當系統(tǒng)只需要執(zhí)行單一任務時，不同任務的拓撲切換方法如下：當執(zhí)行電壓平衡任務時，斷開ks1、ks2、ks3并導通kb1、kb2、kb3，變換拓撲結構如圖3所示；當執(zhí)行電壓平衡任務時，斷開kb1、kb2、kb3并導通ks1、ks2、ks3，變換拓撲結構如圖4所示。并繼續(xù)執(zhí)行步驟4。

16、當系統(tǒng)執(zhí)行復合任務時，根據步驟2的初始任務分配方法切換復合系統(tǒng)拓撲：如果該相執(zhí)行電壓平衡任務，則需要斷開對應相的ks1、ks2或ks3，打開該相對應的kb1、kb2或kb3；如果該相執(zhí)行儲能任務，則需要斷開對應相的kb1、kb2或kb3，打開該相對應的ks1、ks2或ks3。切換完成后跳至步驟5。

17、步驟4：單一任務的控制方法。

18、在執(zhí)行電壓平衡任務時，控制目標為un-up＝0；在執(zhí)行儲能任務時，控制目標為un+up＝utarget。利用電壓傳感器采樣的反饋值un、up進行電壓pi調節(jié)，計算出需要的目標電流值itarget，同時三相繞組采用均流控制，將目標電流按照公式(3)分配，得到每一相的目標電流。目標電流與真實的相電流反饋值比較，在通過pi調節(jié)，得到每相繞組的占空比。

19、

20、當復用系統(tǒng)僅執(zhí)行電壓平衡的正任務時，將a、b、c相對應的占空比分配給逆變器2的功率開關s2'、s4'、s6'，即可實現雙極性直流微電網下極向上極的功率傳輸；當復用系統(tǒng)執(zhí)行電壓平衡的負任務時，將a、b、c相對應的占空比分配給逆變器2的功率開關s1'、s3'、s5'，即可實現雙極性直流微電網下極向上極的功率傳輸；

21、當復用系統(tǒng)僅執(zhí)行儲能的正任務時，將a、b、c相對應的占空比分配給逆變器1的功率開關s1、s3、s5，即可實現雙極性直流微電網向儲能系統(tǒng)的充電；當復用系統(tǒng)執(zhí)行儲能的負任務時，將a、b、c相對應的占空比分配給逆變器1的功率開關s2、s4、s6，即可實現儲能系統(tǒng)向雙極性直流微電網的放電；

22、如果要繼續(xù)執(zhí)行功率傳輸任務，則循環(huán)執(zhí)行該步驟；如果系統(tǒng)任務類型需要改變或接收到結束功率傳輸任務指令，則跳至步驟9；

23、步驟5：初始混合任務控制方法。

24、執(zhí)行電壓平衡任務時，控制目標為un-up＝0；執(zhí)行儲能任務時，控制目標為un+up＝utarget。通過電壓傳感器采樣得到的un、up計算不同任務的控制電壓，通過電壓pi調節(jié)，計算出不同任務的目標電流值itarget，將目標電流與對應相真實的相電流反饋值比較，在通過pi調節(jié)，得到電壓平衡任務和儲能任務的占空比。

25、如果該相執(zhí)行電壓平衡任務正任務，則將電壓平衡任務的占空比分配給該相對應的s2'、s4'或s6'；如果該相執(zhí)行電壓平衡任務負任務，則將電壓平衡任務的占空比分配給該相對應的s1'、s3'或s5'。如果該相執(zhí)行儲能正任務，則將儲能任務的占空比分配給該相對應的s1、s3或s5；如果該相執(zhí)行儲能負任務，則將儲能任務的占空比分配給該相對應的s2、s4或s6。同時，將輔助換向標志位置0、將輔助功率傳輸標志位置0。

26、步驟6：判斷是否要剩余相輔助換向

27、通過電壓傳感器獲取反饋電壓值，根據反饋的電壓再次計算兩種任務的itarget。

28、如果輔助換向標志位置為0，根據上一次的itarget值判斷兩種任務的極性有無同時改變：若沒有同時改變，則實行步驟7；若同時改變，則需要判斷輔助功率傳輸標志位是否為0，如果輔助功率傳輸標志位為1，則需要先停止該相的輔助任務，設置剩余相的目標電流設置為0，歸還輔助的工作，待剩余相的輔助任務結束后，將輔助功率傳輸標志位置0，再繼續(xù)剩余相輔助換向過程。根據兩個任務itarget的大小，判斷出任務較重的那一相為被替代相，將被替代相的任務分配給剩余相，具體的過程為：切換剩余相拓撲與被替代相相同，設置被替代相的參考電壓為0，剩余相的參考電壓為itarget，將輔助換向標志位置為1，跳至步驟8。

29、如果輔助換向標志位為1，繼續(xù)設置被替代相的參考電壓為0，剩余相的參考電壓為itarget，跳至步驟8。

30、步驟7：判斷是否需要剩余相輔助功率傳輸任務。

31、根據步驟6的兩種任務的itarget判斷是否需要剩余相輔助功率傳輸。如果其中一相任務的itarget_max大于另一相任務的itarget_min，則稱較大itarget_max的繞組為繁重相。設置分流閾值ishunt，此時，若itarget_max≤ishunt，則不需要剩余相輔助功率傳輸任務，跳至步驟5；若itarget_max>ishunt，則需要剩余相輔助功率傳輸任務。

32、如果此時輔助功率傳輸標志位置0，輔助功率傳輸任務的步驟為：切換剩余相的拓撲為繁重相拓撲，并按照公式(4)進行itarget_max的重新分配，并將輔助功率傳輸標志位置1。

33、

34、如果輔助功率傳輸標志位為1，則需要判斷輔助相的任務是否發(fā)生變化，如果變化了，需要切換輔助相的拓撲，然后再按照公式(4)進行itarget_max的重新分配。

35、步驟8：混合任務控制方法。

36、通過電流傳感器獲取各相的反饋電流，根據各相的目標電流計算所需的占空比，并分配給相應的功率開關。

37、如果輔助換向標志位記為1，進行位置采樣，判斷位置是否轉到如圖2所劃分的區(qū)域內：如果轉子沒有轉到對應區(qū)域，則換向標志位仍為1；如果轉子轉到對應區(qū)域，則需要將輔助相的任務歸給被替代相，設置被替代相的參考電壓為itarget，剩余相的參考電壓為0，并將輔助換向標志位清零。

38、如果要繼續(xù)執(zhí)行功率傳輸任務，則跳至步驟6；如果系統(tǒng)任務類型需要改變或接收到結束功率傳輸任務指令，則跳至步驟9。

39、步驟9：停止功率遷移任務。

40、設置itarget＝0，采樣得到電機的相電流，然后計算每一相應該產生的占空比，并分配給對應的功率開關。等電機的相電流小到一定的范圍后，關閉所有功率開關，打開所有的連接器。此時可以執(zhí)行步驟1繼續(xù)新的功率遷移任務，或停止功率傳輸工作。

41、本發(fā)明的有益效果在于：

42、(1)本發(fā)明可以降低電壓平衡器和電網中儲能設備的功率要求，降低經濟成本和占用空間：本發(fā)明提出的策略充分利用了隸屬于雙極性直流微電網的非運行開繞組電機驅動器，從而分擔了電壓平衡器和儲能設備的部分功率傳輸和儲能負擔。另外，考慮到雙極性直流微電網中附屬的電機驅動器很多，有可能降低電壓平衡器的功率要求，從而減小成本、體積、重量。

43、(2)本發(fā)明可以分別或同時實現電壓平衡和能量存儲功能，根據電網的需求可以靈活變換拓撲，保證負載側的電壓平衡和穩(wěn)定。

44、(3)本發(fā)明在整個功率傳輸過程中避免系統(tǒng)震蕩情況：為防止動力傳輸啟動時電機轉動或擺動，在初始任務分配階段利用任務極性和電機轉子位置情況確定繞組任務的分配；在功率傳輸的過程中，又采用剩余相輔助換向和輔助功率傳輸混合方法，避免了由于系統(tǒng)任務變動導致的系統(tǒng)震蕩問題。

45、(4)本發(fā)明可以實現對雙極性直流母線電壓值的精確控制：所提出的策略可以根據雙極性直流母線的上下極電壓、相電流的反饋值，實行電壓、電流的雙閉環(huán)控制，從而實現直流母線的精準控制。