一种面向电动载运系统的树状变换器和控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术在电动载运交通中的应用领域，具体涉及一种面向电动载运系统的树状变换器和控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，电动载运系统正逐步取代传统的以燃油发动机为核心的机械式载运系统，深刻改变人类的交通运输方式。典型的电动载运系统由电源分系统、输电分系统、配电分系统、推进分系统、储能分系统和控制分系统组成，其中，配电分系统通过电力电子变换器连接各种类型的能量端口，起到“能量路由器”的作用。目前，电动载运系统用电形式逐日呈现多样化特征，对配电分系统提出了新的挑战，新型配电分系统所采用的电力电子变换器需要具备更高的耐电压能力、更多电压等级的配电母线、更多的配电端口、更高的模块化水平、更高的可延展性。

传统电动载运系统配电分系统采用集中式电压母线的配电方案。不同类型的能量端口从单一的电压母线上取电，使得端口变换器种类复杂、数量庞大、变换级数多、运行效率低，特别是对于大功率电动载运系统，母线电压等级高，若继续采用传统的配电方案需要大量笨重的中压变换器，大大降低了配电系统的功率密度，提升了建造成本。综上所述，传统的基于集中式电压母线的配电装置无法满足电动载运系统配电分系统的发展需求，需要提出耐压等级高、模块化水平高、可延展性好的新型配电变换器。

发明内容

针对现有技术的不足，为解决现有基于集中式电压母线的配电装置功率密度低和建造成本高的问题，本发明提出了一种面向电动载运系统的树状变换器和控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

第一方面，本申请公开一种面向电动载运系统的树状变换器，其特征在于，包括：中压直流端口、级联半桥变换器、低压直流端口和协调控制器；

级联半桥变换器由半桥子模块在子模块电容处级联构成；级联半桥变换器设置有i级，每级内部的级联半桥变换器的功率等级、电压等级相同；

级联半桥变换器的输出端为由半桥子模块电容支撑的、电压一致的低压直流端口；其中第一级级联半桥变换器的输入端连接中压直流电源，其余级级联半桥变换器满足第i级的输出端连接第i+1级的级联半桥变换器的输入端；级联半桥变换器通过协调控制器进行控制。

在一些实施例中，前级半桥子模块总数等于后级级联半桥变换器数量，即N

在一些实施例中，每个级联半桥变换器所产生的低压直流端口输出功率分为就地负荷功率和后级负荷功率；就地负荷功率为直接挂接在该低压直流端口下的负荷功率，后级负荷功率为后级级联半桥变换器功率。

在一些实施例中，级联半桥变换器中的各半桥子模块输出功率不同时，满足所有级联半桥变换器工作在该不平衡运行边界内；不平衡运行包括理论边界和工程边界；

理论边界的占空比范围是[0,1]，第i级级联半桥变换器中子模块功率占比的取值范围是[0,u

工程边界占空比范围是[0.05,0.95]，第i级级联半桥变换器中子模块功率占比的取值范围是[0.05u

在一些实施例中，所述级联半桥变换器的各支路均安装有旁路开关。

在一些实施例中，级联半桥变换器通过协调控制器进行控制具体为：级联半桥变换器的滤波电感电流和半桥子模块电容电压通过霍尔传感器采样后送入信号调理电路，然后连接到协调控制器的AD转换输入接口。

第二方面，本申请公开一种如第一方面所述的面向电动载运系统的树状变换器的控制方法，其特征在于，树状变换器的级联半桥变换器采用平均电压双闭环加均压环的三环PI控制策略；平均电压双闭环的内环控制量为滤波电感电流，外环控制量为子模块电容电压平均值，均压环控制量为各子模块电容电压与其平均值的偏差。

在一些实施例中，还包括容错运行控制，具体包括以下步骤：在树状变换器的电路模块发生故障时，通过将前级半桥子模块下管持续导通将故障电路旁路，同时不影响其他支路的正常运行。

本发明的有益效果：

本发明能够一站式实现电动载运系统单个中压直流端口向多个不同电压等级的低压直流端口供电。

本发明可以实现电动载运系统多个低压直流端口的功率不平衡运行控制以及容错运行控制，提升配电系统的功能性和供电可靠性；

本发明能够提升电动载运系统配电分系统的功率密度和模块化水平，降低生产、制造、维护与冗余保护成本。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为面向电动载运系统的树状变换器结构图；

图2为树状变换器不平衡运行边界表达式；

图3为树状变换器中级联半桥变换器的控制策略框图；

图4为树状变换器不平衡运行仿真结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

图1为一种面向电动载运系统的树状变换器，包括中压直流端口、不同功率等级的级联半桥变换器、不同电压等级的低压直流端口，以及协调控制器。图中CBC代表级联半桥变换器，HBSM代表半桥子模块。不同功率等级的级联半桥变换器在半桥子模块电容处级联，构成多级式直流变换器结构。第一级级联半桥变换器的输入端连接电动载运系统的中压直流电源，如动力电池或整流发电机；输出端为多个由半桥子模块电容支撑的、电压一致的低压直流端口，这些低压直流端口连接第二级级联半桥变换器的输入端。后级的电路结构以此类推，所述树状变换器可以通过上述连接形式无限延展。

所述树状变换器每一级内部级联半桥变换器的功率等级、电压等级相同，保证装置的模块化水平。每个级联半桥变换器的输入电压大于其内部单个半桥子模块电容电压，但小于其内部所有半桥子模块电容电压之和。前级级联半桥变换器的额定功率大于后级级联半桥变换器，每个级联半桥变换器所传输的实际功率等于连接在其半桥子模块电容后级的级联半桥变换器的实际功率之和。

级联半桥变换器的滤波电感电流和半桥子模块电容电压通过霍尔传感器采样后送入信号调理电路，然后连接到协调控制器的AD转换输入接口。协调控制器PWM信号输出接口连接到驱动电路，进而驱动树状变换器开关器件。当树状变换器模块数量较少时，协调控制器运算芯片采用一个DSP和一个FPGA相结合的形式，FPGA复杂信号采集和驱动脉冲下发，DSP负荷执行控制算法；当树状变换器模块数量较大时，协调控制器运算芯片采用分级式控制架构，每个级联半桥变换器采用一个DSP和一个FPGA组成的底层控制器进行控制，所有从控制器通过环网架构或星型架构进行通信，汇入以DSP为核心的中央控制器执行控制算法运算，然后将运算结果通过通信网络下发到底层控制器中。

该装置能够构建不同电压等级的低压直流母线，并实现中压直流端口向不同电压等级的低压直流母线传输功率的功能。所述协调控制器可以实现中压直流端口对各级低压直流端口的不平衡功率传输和树状变换器的容错运行控制。

所述树状变换器由不同功率等级的级联半桥变换器在半桥子模块电容处级联而成，每个级联半桥变换器将上一级的直流母线电压分割并变换为下一级的直流母线电压，每一个半桥子模块电容两端都可以引出低压直流端口，为相应电压等级的负荷供电。假设树状变换器第i级级联半桥变换器数量为N

图2为树状变换器不平衡运行边界表达式。图中δ

图3为树状变换器中级联半桥变换器的控制策略框图。图中i

图4为树状变换器不平衡运行仿真结果。该算例下，树状变换器共有2级，中压侧电压为1000V，第一级级联半桥变换器数量为1，单个级联半桥变换器中半桥子模块数量为2，子模块电容电压参考为750V，第二级级联半桥变换器数量为2，单个级联半桥变换器中半桥子模块数量为2，子模块电容电压参考为500V。于是，该树状变换器共产生了6个低压直流端口，分别是2个750V端口和4个500V端口。首先使树状变换器在前级低压直流端口功率为0，,最后一级子模块功率均分的条件下起动，然后先对第2级第1个子模块施加不平衡功率，使其运行在不平衡运行的工程边界上，然而对第1级第1个子模块进行同样的操作。从仿真结果可以看出，采用所提出的三环控制策略，树状变换器可以可靠运行，且具有较好的动静态性能，同时仿真结果显示不平衡子模块的上管占空比维持在0.95附近，验证了所提出的不平衡运行边界的准确性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。