用于电动汽车集群并网的直流变压器启动研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22099

摘要/Abstract

摘要：

模块化多电平直流变压器(modular multilevel direct current transformer，MMDCT)为实现电动汽车充放电集群高效稳定并入城市直流配电网提供了一种可行的解决方案，但其启动过程中存在电容充电和变压器励磁涌流造成的冲击电流。为此，提出了一种基于复合频率控制的快速预充电策略，利用直流量和中频量分别独立MMDCT的原边和副边充电。原边充电采用双闭环控制，副边充电采用变步长移相的峰值电流控制，解决了充电速度和冲击电流之间的矛盾。进一步对多种预充电策略的冲击电流进行了量化对比分析。通过仿真验证了所提出预充电策略的有效性和可行性，结果表明，所提出的方法有效控制了冲击电流大小和充电时间。

关键词: 电动汽车, 直流变压器(DCT), 预充电, 复合频率控制

Abstract:

Modular multilevel direct current transformer (MMDCT) provides a feasible solution to realize the efficient and stable integration of electric vehicle charging and discharging cluster into urban DC distribution network. However, there are impulse currents caused by capacitor charging and transformer inrush current in its starting process. Therefore, a fast pre-charging strategy based on compound frequency control was proposed. The independent control of direct current component and intermediate frequency component was used to realize simultaneous charging of the primary and secondary sides. The double closed-loop control was adopted in the primary side, while the variable-step phase shift peak current control was adopted in the secondary side, which solved the contradiction between charging speed and inrush current. Furthermore, a quantitative comparative analysis of various pre-charging strategies was carried out. The effectiveness and feasibility of the proposed pre-charging strategy were verified through simulation. The results show that the magnitude of the inrush current and the charging time are effectively controlled by the proposed method.

Key words: electric vehicle, direct current transformer (DCT), pre-charging, compound frequency control

中图分类号:

TK 01

贾俊, 范炜豪, 吕志鹏, 姚建光, 周珊, 王健, 张锦涛. 用于电动汽车集群并网的直流变压器启动研究[J]. 发电技术, 2023, 44(6): 875-882.

Jun JIA, Weihao FAN, Zhipeng LÜ, Jianguang YAO, Shan ZHOU, Jian WANG, Jintao ZHANG. Research on Startup of DC Transformer for Electric Vehicle Cluster Grid-Connection[J]. Power Generation Technology, 2023, 44(6): 875-882.

图/表 15

图1 MMDCT拓扑结构

Fig. 1 Topology structure of MMDCT

图2 原边充电等效电路

Fig. 2 Equivalent circuit of the primary side charging

图3 副边充电等效电路

Fig. 3 Equivalent circuit of the secondary side charging

图4 基于复合频率控制的预充电策略控制框图

Fig. 4 Block diagram of pre-charging strategy based on composite frequency control

图5 电压电流双闭环控制框图

Fig. 5 Block diagram of voltage and current double closed loop control

图6 子模块电容电压平衡控制框图

Fig. 6 Block diagram of submodule capacitor voltage balancing control

图7 变步长控制框图

Fig. 7 Block diagram of variable step control

图8 预充电策略工作曲线

Fig. 8 Working curve of pre-charging strategy

图9 副边充电阶段电压电流工作曲线

Fig. 9 Working curve of voltage and current on the secondary side

表1 变压器冲击电流峰值

Tab.1 Peak of inrush current on the transformer

策略	冲击电流峰值i_peak
策略1	$V d c 1 4 f a c (L p + L k)$
策略2	$V d c 1 φ 1 m 2 π f a c (L p + L k)$
本文策略	$n π v C - k T φ 1 v C o 2 π f a c (L p + L k)$

表1 变压器冲击电流峰值

Tab.1 Peak of inrush current on the transformer

策略	冲击电流峰值i_peak
策略1	$V d c 1 4 f a c (L p + L k)$
策略2	$V d c 1 φ 1 m 2 π f a c (L p + L k)$
本文策略	$n π v C - k T φ 1 v C o 2 π f a c (L p + L k)$

表2 MMDCT仿真参数

Tab. 2 Simulation parameters of MMDCT

参数	数值
原边直流电压V_dc1/kV	20
原边桥臂子模块数n	40
原边子模块电容电压稳态值V_C/V	500
原边子模块电容C_SM/μF	1 000
桥臂电感L_p/mH	5
变压器变比k_T	20∶3
变压器漏感L_k/mH	20
变压器频率f_ac/Hz	800
副边输出滤波电容C_o/μF	2 000
副边额定输出电压V_dc2/kV	3
载波频率f_c/Hz	3 200
变步长控制模块允许最大电流值/A	150

图10 本文策略下变压器冲击电流峰值曲线

Fig. 10 Peak curves of inrush current on the transformer of the proposed strategy

图11 3种策略下变压器冲击电流峰值曲线

Fig. 11 Peak curves of inrush current on the transformer

图12 预充电策略仿真波形

Fig. 12 Simulation waveforms of pre-charging strategy

表3 预充电策略仿真结果

Tab. 3 Simulation results of pre-charging strategy

	充电时间/ms	原边冲击电流/A
策略1	750	432
策略2	950	215
本文策略	620	122

参考文献 20

1	陈小波，杨秀媛．泛在电力物联网中考虑风电消纳的电动汽车充放电控制策略研究[J]．发电技术，2021，42(5)：561-567． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.20008
	CHEN X B， YANG X Y ． Research on charging-discharging control strategy of electric vehicles considering wind power consumption in ubiquitous power internet of things[J]．Power Generation Technology，2021，42(5)：561-567． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.20008
2	贺瑜环，杨秀媛，陈麒宇，等．电动汽车智能充放电控制与应用综述[J]．发电技术，2021，42(2)：180-192． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.20022
	HE Y H， YANG X Y， CHEN Q Y，et al ．Review of intelligent charging and discharging control and application of electric vehicles[J]．Power Generation Technology，2021，42(2)：180-192． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.20022
3	刘建华，侯川川，张满，等．基于直流固态变压器的充电站研究[J]．电力电子技术，2016，50(11)：104-106．
	LIU J H， HOU C C， ZHANG M，et al ．Research on charging station based on DC solid state transformer[J]．Power Electronics，2016，50(11)：104-106．
4	毛亚哲，何柏娜，王德顺，等．基于改进深度强化学习的智能微电网群控制优化方法[J]．智慧电力，2021，49(3)：19-25． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2021.03.004
	MAO Y Z， HE B N， WANG D S，et al ．Optimization method for smart multi-microgrid control based on improved deep reinforcement learning[J]．Smart Power，2021，49(3)：19-25． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2021.03.004
5	王朝辉，王天威，张军明．模块化多电平直流变压器研究[J]．中国电机工程学报，2016，36(1)：31-39． doi:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2016.01.003
	WANG Z H， WANG T W， ZHANG J M ．Research on modular multilevel DC transformer[J]．Proceedings of the CSEE，2016，36(1)：31-39． doi:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2016.01.003
6	胡思洋，杨健维，廖凯，等．计及大规模电动汽车接入的配电网故障分析方法[J]．电力系统保护与控制，2022，50(16)：33-46．
	HU S Y， YANG J W， LIAO K，et al ．Fault analysis method for an urban distribution network considering large-scale electric vehicle access[J]．Power System Protection and Control，2022，50(16)：33-46．
7	张航，李子欣，高范强，等．一种混合模块型直流变压器冗余设计及控制策略[J]．电工技术学报，2022，37(2)：409-423． doi:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90128
	ZHANG H， LI Z X， GAO F Q，et al ．A redundant design and control strategy of hybrid modular DC transformer[J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2022，37(2)：409-423． doi:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90128
8	周念成，张渝，廖建权，等．计及直流变压器控制的多电压等级双极直流配电网线性化潮流计算[J]．中国电机工程学报，2022，42(6)：2070-2084．
	ZHOU N C， ZHANG Y， LIAO J Q，et al ．Linearization formulation based power flow calculation of multiple-voltage grades bipolar DC distribution network considering control modes of DC transformer[J]．Proceedings of the CSEE，2022，42(6)：2070-2084．
9	XU J Z， ZHAO C Y， ZHANG B B，et al ．New precharge and submodule capacitor voltage balancing topologies of modular multilevel converter for VSC-HVDC application[C]//2011 Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference．Wuhan，China：IEEE，2011：1-4． doi:10.1109/appeec.2011.5748666
10	TIAN K， WU B， DU S X，et al ．A simple and cost-effective precharge method for modular multilevel converters by using a low-voltage DC source[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2016，31(7)：5321-5329． doi:10.1109/tpel.2015.2484222
11	岳雨霏，王文，唐欣，等．基于等效电流分解模型的模块化多电平交-交变换器控制方法[J]．电力科学与技术学报，2021，36(5)：50-60．
	YUE Y F， WANG W， TANG X，et al ．A control method for modular multilevel AC/AC converter based the equivalent current decomposition model [J]．Journal of Electric Power Science and Technology，2021，36(5)：50-60．
12	董云龙，田杰，黄晓明，等．模块化多电平换流器的直流侧主动充电策略[J]．电力系统自动化，2014，38(24)：68-72． doi:10.7500/AEPS20140401004
	DONG Y L， TIAN J， HUANG X M，et al ．A DC-side active charging strategy for modular multilevel converters[J]．Automation of Electric Power Systems，2014，38(24)：68-72． doi:10.7500/AEPS20140401004
13	LI B B， XU D D， ZHANG Y，et al ．Closed-loop precharge control of modular multilevel converters during start-up processes[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2015，30(2)：524-531． doi:10.1109/tpel.2014.2334055
14	SU G J， TANG L X ．A reduced-part，triple-voltage DC-DC converter for EV/HEV power management[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(10)：2406-2410． doi:10.1109/tpel.2009.2026989
15	PENG F Z， LI H， SU G J，et al ．A new ZVS bidirectional DC-DC converter for fuel cell and battery application[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19(1)：54-65． doi:10.1109/tpel.2003.820550
16	INOUE S， AKAGI H ．A bidirectional DC-DC converter for an energy storage system with galvanic isolation[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22(6)：2299-2306． doi:10.1109/tpel.2007.909248
17	曲平，李子欣，宋鹏先，等．隔离式双向全桥DC-DC变换器预充电研究[J]．电工技术学报，2014，29(S1)：320-325．
	QU P， LI Z X， SONG P X，et al ．Pre-charge strategy study for isolated dual active bridge DC-DC converter[J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(S1)：320-325．
18	LIU X H， LI H， WANG Z ．A start-up scheme for a three-stage solid-state transformer with minimized transformer current response[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(12)：4832-4836． doi:10.1109/tpel.2012.2200047
19	MO R， LI H， SHI Y J ．A phase-shifted square wave modulation (PS-SWM) for modular multilevel converter (MMC) and DC transformer for medium voltage applications[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2019，34(7)： 6004-6008． doi:10.1109/tpel.2018.2885278
20	GOWAID I A， ADAM G P， MASSOUD A M，et al ．Quasi two-level operation of modular multilevel converter for use in a high-power DC transformer with DC fault isolation capability[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2015，30(1)：108-123． doi:10.1109/tpel.2014.2306453

[1]	吴小汉, 张谦, 粟尧嘉, 黄耀宇, 吴佳琦. 基于区块链的私有充电桩共享平台交易策略[J]. 发电技术, 2022, 43(3): 439-451.
[2]	陈小波, 杨秀媛. 泛在电力物联网中考虑风电消纳的电动汽车充放电控制策略研究[J]. 发电技术, 2021, 42(5): 561-567.
[3]	宣文博, 李慧, 刘忠义, 孙业广, 侯恺. 一种基于虚拟电厂技术的城市可再生能源消纳能力提升方法[J]. 发电技术, 2021, 42(3): 289-297.
[4]	贺瑜环, 杨秀媛, 陈麒宇, 卜思齐, 徐智蔷, 肖天颖. 电动汽车智能充放电控制与应用综述[J]. 发电技术, 2021, 42(2): 180-192.
[5]	蒋燕萍,陈佩军,陈海燕. 电动汽车集约型换电设施的设计研究[J]. 发电技术, 2019, 40(6): 535-539.
[6]	陈麒宇. 泛在电力物联网实施策略研究[J]. 发电技术, 2019, 40(2): 99-106.
[7]	陈宇,彭潇,丁婧,王亚洲,邵敬平. 电动汽车参与风电场输出功率波动平抑方法研究[J]. 发电技术, 2019, 40(1): 91-98.
[8]	张祖平,陈麒宇,杨秀媛,贺瑜环. 大容量直流充电桩集群的调峰研究[J]. 发电技术, 2019, 40(1): 11-16.
[9]	王军亮,李永,李建设,陈麒宇. 电动汽车充电对电网安全风险影响及管控措施研究[J]. 发电技术, 2018, 39(5): 405-411.