一種能量轉(zhuǎn)換裝置及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種能量轉(zhuǎn)換裝置及其控制方法，具體是指一種采用一級(jí)變換拓?fù)涞?能量轉(zhuǎn)換裝置及其控制方法，屬于雙向變流高效率電路的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有技術(shù)中，設(shè)置在電網(wǎng)和電池間的能量轉(zhuǎn)換裝置，在變流器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻 開關(guān)紋波，其會(huì)極大的影響電網(wǎng)電流的性能。另外，在并網(wǎng)工作時(shí)，交流側(cè)瞬時(shí)功率脈動(dòng)會(huì) 使直流側(cè)產(chǎn)生較大的紋波電流，同時(shí)雙向AC/DC變流器工作時(shí)產(chǎn)生的高頻開關(guān)紋波會(huì)注入 直流側(cè)，從而導(dǎo)致電池壽命的降低，并且在電網(wǎng)電壓擾動(dòng)時(shí)，直流側(cè)電流的沖擊會(huì)對(duì)電池造 成非常不良的影響。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種能量轉(zhuǎn)換裝置及其控制方法，在電網(wǎng)和電池間實(shí)現(xiàn)能量 轉(zhuǎn)換，并且可濾除尚頻開關(guān)紋波電流，提尚并網(wǎng)電流性能，以及可濾除直流電流紋波，提尚 電池使用壽命，并且在電網(wǎng)電壓擾動(dòng)時(shí)降低直流側(cè)電流沖擊對(duì)電池造成的不良影響。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種能量轉(zhuǎn)換裝置，連接在電池組和 電網(wǎng)之間，包含：直流側(cè)CL濾波器，其與所述的電池組連接；雙向AC/DC變流器，其與所述 的直流側(cè)CL濾波器連接；交流側(cè)LCL濾波器，其分別與所述的雙向AC/DC變流器以及電網(wǎng) 連接。
[0005] 所述的直流側(cè)CL濾波器并聯(lián)連接在所述的電池組的兩端，包含：依次串聯(lián)連接的 直流濾波電阻，直流濾波電感和直流濾波電容；其中，所述的直流濾波電容的兩端分別連接 直流母線的正極端P和負(fù)極端N。
[0006] 所述的雙向AC/DC變流器為對(duì)稱三相全控橋電路，包含：分別并聯(lián)連接在直流濾 波電容兩端的三對(duì)IGBT，每對(duì)IGBT串聯(lián)連接。
[0007] 所述的交流側(cè)LCL濾波器為對(duì)稱三相濾波電路結(jié)構(gòu)，每相濾波電路包含：變流器 側(cè)電感，其一端連接在其中一對(duì)IGBT的中間；電網(wǎng)側(cè)電感，其一端與所述的變流器側(cè)電感 連接，另一端與電網(wǎng)三相交流電壓的其中一相連接；被動(dòng)電阻，其一端連接在變流器側(cè)電感 與電網(wǎng)側(cè)電感的中間；交流濾波電容，其一端與所述的被動(dòng)電阻的另一端連接，其另一端與 其他兩相濾波電路中的交流濾波電容連接，形成交流濾波電容中點(diǎn)。
[0008] 本發(fā)明還提供一種能量轉(zhuǎn)換裝置的控制方法，具體包含以下步驟：
[0009] S1、計(jì)算通過變流器側(cè)電感Q的電流i:，以及計(jì)算通過電網(wǎng)側(cè)電感L2的電流i2;
[0010] S2、計(jì)算交流濾波電容C兩端的電壓u。，以及計(jì)算直流濾波電容心。兩端的電壓 Udc，
[0011] S3、計(jì)算得到并網(wǎng)變流器交流側(cè)的狀態(tài)方程；
[0012] S4、采用兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系進(jìn)行描述，簡化并網(wǎng)變流器交流側(cè)的狀態(tài)方程， 得到并網(wǎng)變流器交流側(cè)在dq坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程；
[0013] S5、進(jìn)行拉普拉斯變換，得到能量轉(zhuǎn)換裝置在dq坐標(biāo)系下的連續(xù)域數(shù)學(xué)模型，并 通過控制器對(duì)dq軸解耦，實(shí)現(xiàn)對(duì)能量轉(zhuǎn)換裝置的控制。
[0014] 所述的S1中，具體包含以下步驟：
[0015] 311、定義變量：53、&、&為三相橋臂開關(guān)函數(shù)，值為1代表每對(duì)1681'中上管開通、 下管關(guān)斷，值為〇代表每對(duì)IGBT中上管關(guān)斷、下管開通；
[0016] Rd。為直流濾波電阻，Ld。為直流濾波電感，Cd。為直流濾波電容Ci為變流器側(cè)電 感，L2為電網(wǎng)側(cè)電感，Rd為被動(dòng)電阻，C為交流濾波電容；
[0017] ua、ub、uc為三相橋臂輸出電壓；ila、ilb、ilc為逆變橋偵!|濾波電感電流；uca、ucb、ucc 為交流濾波電容電壓；ira、iA、為交流濾波電容電流；usa、usb、us。為電網(wǎng)0s的三相電壓； i2a、i2b、i2。為電網(wǎng)側(cè)濾波電感電流d。為直流母線電壓；id。為直流母線電流；ibat為直流電 池側(cè)電流；〇s為電網(wǎng)中點(diǎn)，0。為交流濾波電容中點(diǎn)；
[0018] S12、計(jì)算通過變流器側(cè)電感Q的電流ii，具體為：
[0019]
[0020] 上式中，u&N為交流濾波電容中點(diǎn)0。與直流母線的負(fù)極端N之間的電位差；
[0023] 對(duì)于三相對(duì)稱系統(tǒng)，上式簡化為：
[0021] 由于三相三線制滿足ila+ilb+ilc= 0,i2a+i2b+i2c= 0,因此將上面三個(gè)方程相加 得：
[0022]
[0024]
[0025]由此可得：
[0026]
[0027]令： _
5
[0031] S13、計(jì)算通過電網(wǎng)側(cè)電感L2的電流i具體為：
[0032]
[0033] 對(duì)于三相對(duì)稱系統(tǒng)，11。^= 0,上式簡化為：
[0034] 4.1；-' ' L.f U '
\ t U- '.X-L. /' ' ^L. ' ' o
[0035] 所述的S2中，具體包含以下步驟：
[0036] S21、計(jì)算交流濾波電容C兩端的電壓u。，具體為：
[0037]
[0038] S22、計(jì)算直流濾波電容Ct兩端的電壓u具體為：
[0039] UL" ",L
6
[0040] 所述的S3中，并網(wǎng)變流器交流側(cè)的狀態(tài)方程為：
[0041 ]
[0042]其中，
[004<
[0047] 所述的S4中，具體包含以下步驟：
[0048] 將d軸定向于三相電網(wǎng)電壓合成矢量，則從ABC坐標(biāo)系到dq坐標(biāo)系的變換矩陣 為：
[0049]
[0050] 從dq坐標(biāo)系到ABC坐標(biāo)系的變換矩陣為：
[0051]
[0052] 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，得：
[0053]
[0054]
[0055]
[0056] 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，得：
[0057]
[0058] 講桿倫掛亦拖矛縣.
[0059]
[0060] 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，得：
[0061]
[0062] 得到并網(wǎng)變流器交流側(cè)在dq坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程為：
[0069] 所述的S5中，通過PI控制、重復(fù)控制、PR控制、恒頻滯環(huán)控制等一種或多種相結(jié) 合的控制方法，對(duì)能量轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行控制。
[0070] 本發(fā)明所提供的能量轉(zhuǎn)換裝置及其控制方法，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)交流電轉(zhuǎn)換為直流電 對(duì)電池充電，以及實(shí)現(xiàn)電池能量由直流電轉(zhuǎn)換為交流電回饋到交流電網(wǎng)；采用交流側(cè)LCL 濾波器對(duì)高頻開關(guān)紋波電流進(jìn)行濾除，以提高并網(wǎng)電流性能，滿足相關(guān)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求；采用 直流側(cè)CL濾波器濾除直流電流紋波，以提高電池使用壽命，并且在電網(wǎng)電壓擾動(dòng)時(shí)降低直 流側(cè)電流沖擊對(duì)電池造成的不良影響。
【附圖說明】
[0071] 圖1為本發(fā)明中的能量轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0072] 圖2為本發(fā)明中的能量轉(zhuǎn)換裝置在dq坐標(biāo)系下的連續(xù)域數(shù)學(xué)模型；
[0073] 圖3為本發(fā)明中的能量轉(zhuǎn)換裝置的充放電控制框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0074] 以下結(jié)合圖1~圖3,詳細(xì)說明本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例。
[0075] 如圖1所示，為本發(fā)明所提供的能量轉(zhuǎn)換裝置，連接在電池組和電網(wǎng)之間，包含： 直流側(cè)CL(電容-電感）濾波器，其與所述的電池組連接；雙向AC/DC(直流/交流）變流 器，其與所述的直流側(cè)CL濾波器連接；交流側(cè)LCL(電感-電容-電感）濾波器，其分別與 所述的雙向AC/DC變流器以及電網(wǎng)0S連接。
[0076] 所述的直流側(cè)CL濾波器并聯(lián)連接在所述的電池組的兩端，包含：依次串聯(lián)連接的 直流濾波電阻Rd。，直流濾波電感Ld。和直流濾波電容Cd。;其中，所述的直流濾波電容Cd。的 兩端分別連接直流母線的正極端P和負(fù)極端N。
[0077] 所述的雙向AC/DC變流器為對(duì)稱三相全控橋電路，包含：分別并聯(lián)連接在直流濾 波電容Cd。兩端的三對(duì)IGBT(絕緣柵雙極型晶體管），每對(duì)IGBT串聯(lián)連接。
[0078] 所述的交流側(cè)LCL濾波器為對(duì)稱三相濾波電路結(jié)構(gòu)，每相濾波電路包含：變流器 側(cè)電感Q，其一端連接在其中一對(duì)IGBT的中間；電網(wǎng)側(cè)電感L2，其一端與所述的變流器側(cè)電 感Q連接，另一端與電網(wǎng)三相交流電壓的其中一相連接；被動(dòng)電阻Rd，其一端連接在變流器 偵_感Q與電網(wǎng)側(cè)電感L2的中間；交流濾波電容C，其一端與所述的被動(dòng)電阻R滿另一端 連接，其另一端與其他兩相濾波電路中的交流濾波電容連接，形成交流濾波電容中點(diǎn)0。。
[0079] 所述的雙向AC/DC變流器可工作在整流狀態(tài)或逆變狀態(tài)。在并網(wǎng)充電工作模式 下，雙向AC/DC變流器處于整流工作狀態(tài)，將電網(wǎng)側(cè)交流電轉(zhuǎn)換為直流電對(duì)電池充電，將能 量儲(chǔ)存到電池中。在并網(wǎng)放電工作模式下，雙向AC/DC變流器處于逆變工作狀態(tài)，將電池能 量由直流電轉(zhuǎn)換為交流電回饋到交流電網(wǎng)。
[0080] 由于雙向AC/DC變流器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻開關(guān)紋波，為了在較低開關(guān)頻率下獲得 較好的并網(wǎng)電流波形，減小并網(wǎng)電流中的高次諧波含量，因此采用交流側(cè)LCL濾波器對(duì)高 頻開關(guān)紋波電流進(jìn)彳丁濾除，以提尚并網(wǎng)電流性能，滿足相關(guān)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求。
[0081] 在并網(wǎng)工作時(shí)，交流側(cè)瞬時(shí)功率脈動(dòng)會(huì)使直流側(cè)產(chǎn)生較大的紋波電流，同時(shí)雙向 AC/DC變流器工作時(shí)產(chǎn)生的高頻開關(guān)紋波會(huì)注入直流側(cè)，因此采用直流側(cè)CL濾波器濾除直 流電流紋波，以提高電池使用壽命。另外，直流側(cè)CL濾波電路也可以在電網(wǎng)電壓擾動(dòng)時(shí)降 低直流側(cè)電流沖擊對(duì)電池造成的不良影響。
[0082] 如圖1所示，本發(fā)明還提供一種能量轉(zhuǎn)換裝置的控制方法，具體包含以下步驟：
[0083] S1、計(jì)算通過變流器側(cè)電感Q的電流i:，以及計(jì)算通過電網(wǎng)側(cè)電感L2的電流i2;
[0084] S2、計(jì)算交流濾波電容C兩端的電壓u。，以及計(jì)算直流濾波電容心。兩端的電壓 Udc，
[0085] S3、計(jì)算得到并網(wǎng)變流器交流側(cè)的狀態(tài)方程；
[0086] S4、由于在三相三線系統(tǒng)中三相電壓、電流并不是獨(dú)立變量，難以直接控制，因此 采用兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系進(jìn)行描述，簡化并網(wǎng)變流器交流側(cè)的狀態(tài)方程，得到并網(wǎng)變流 器交流側(cè)在dq坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程；
[0087] S5、進(jìn)行拉