固态变压器控制器

1.本发明通常涉及用于控制固态变压器的系统，并且还涉及控制固态变压器的方法。


背景技术：

2.固态变压器(sst)被认为是使交流(ac)和直流(dc)电网现代化和协调的潜在解决方案，并且是诸如牵引、电力船舶和航空航天工业等的应用中的适当解决方案。关于sst的某些方面仍在研究中，诸如如何有效地：(a)控制sst的电容器内的储能，(b)控制sst中的功率流，以及(c)平衡sst的dc-dc转换器中的能量。
3.sst的传统控制架构基于实际的功率路径。然而，当sst在各级具有要控制的多于一个的状态变量时，这种控制架构可能不能很好地工作。实际上，ac-dc转换器通常是级联的多层次拓扑。在这种情况下，应用遵循实际功率路径的控制架构可能在sst的个体转换器的操作之间产生干扰。结果，需要平衡sst的所有dc侧电容器上的电压。
4.平衡和控制所有dc侧电容器上的电压的典型方法是使用电压平衡算法。此外，同一sst的不同dc-dc转换器将进行操作以调节低压侧电容器上的电压。因此，还需要电流分担机制来在dc-dc级之间相等地分布功率。在这种情况下，sst的dc-dc转换器的控制器被耦合，并且(高压)hv侧转换器将面临解耦集群控制器和电压平衡算法的挑战。通常，不能使不同级(例如，hv ac-dc级和dc-dc级)的控制功能完全分离。
5.在传统控制系统中，控制系统的目标是保持电容器的电压恒定。由于hv侧经常由三个独立的级联单相转换器实现，因此电容器的电压将具有二阶谐波纹波，这取决于功率。此外，在将电压信号馈送回控制系统之前，在测量之后过滤掉任何剩余的附加纹波，以避免其传播到控制系统中。这种抑制这些电压纹波的措施在硬件上增加了加大电容器尺寸的直接成本，并且在软件上增加了滤波机制的复杂性。
6.期望克服上述问题中的所有或至少之一，或者至少提供有用的替代方案。


技术实现要素：

7.本文公开了一种用于控制固态变压器(sst)的系统。所述sst包括ac-dc级、dc-ac级以及耦合在所述ac-dc级和所述dc-ac级之间的dc-dc级，所述dc-dc级包括一个或多于一个dc-dc转换器。所述系统包括：
8.储能控制器，其耦合到所述ac-dc级，所述储能控制器被配置为控制所述sst的电容器内的储能的总量；
9.功率流控制器，其耦合到所述dc-ac级，所述功率流控制器被配置为控制所述sst中的功率流；以及
10.一个或多于一个能量平衡控制器，各能量平衡控制器耦合到相应的dc-dc转换器，各能量平衡控制器被配置为平衡相应的dc-dc转换器中的能量。在一些实施例中，所述储能控制器、所述功率流控制器和所述一个或多于一个能量平衡控制器彼此解耦。
11.在一些实施例中，所述储能控制器、所述功率流控制器和所述一个或多于一个能量平衡控制器在功能层次处解耦。
12.在一些实施例中，所述储能控制器、所述功率流控制器和所述一个或多于一个能量平衡控制器在状态变量控制层次处解耦。
13.在一些实施例中，所述储能控制器、所述功率流控制器和所述一个或多于一个能量平衡控制器被配置有独立的控制目标。
14.在一些实施例中，所述储能控制器控制所述ac-dc级，所述ac-dc级包括多个ac-dc转换器，各ac-dc转换器对相应的高压电容器即hv电容器充电/放电，以根据下式调节储存在所述sst的电容器中的能量的总量：
[0015][0016]
其中，vj
hvdc
是第j个hv侧电容器的电压，cj
hv
是hv侧中的第j个电容器的电容，v
lvdc
是lv侧电容器的电压，c
lv
是lv侧电容器的电容，其中p
hv
是通过hv侧转换器的有功功率，并且p
lv
是通过lv侧转换器的有功功率。
[0017]
在一些实施例中，所述功率流控制器控制所述dc-ac级，所述dc-ac级包括dc-ac转换器，所述dc-ac转换器对低压电容器即lv电容器充电/放电以满足p
lv
。
[0018]
在一些实施例中，所述能量平衡控制器被配置为间接地控制相应的动态电容器电压以主动地去除或调节所述hv电容器电压上的电压纹波的幅值。
[0019]
在一些实施例中，所述能量平衡控制器被配置为基于由下式定义的状态变量间接地控制所述动态hv电容器电压：
[0020][0021]
其中，c
lv
是所述lv侧电容器的电容，并且v
lvdc
是所述lv侧电容器的电压。
[0022]
在一些实施例中，各控制器是比例积分控制器。
[0023]
在一些实施例中，通过向比例积分输出添加前馈补偿来生成针对各dc-dc转换器的功率基准。
[0024]
在一些实施例中，所述一个或多于一个dc-dc转换器中的功率是利用相移切换策略来调节的。
[0025]
本文还公开了一种用于使用所公开的系统来控制固态变压器(sst)的方法。该方法包括：
[0026]
使用所述储能控制器来控制所述sst中的储能；
[0027]
使用所述功率流控制器来控制所述sst中的功率流；以及
[0028]
使用所述一个或多于一个能量平衡控制器来平衡相应的dc-dc转换器中的能量。在一些实施例中，通过将所述储能控制器、所述功率流控制器和所述一个或多于一个能量平衡控制器解耦来进行控制储能、控制功率流和平衡能量。
[0029]
在一些实施例中，控制储能发生在第一位置处，控制功率流发生在第二位置处，并且平衡能量发生在第三位置处，其中，所述第一位置、所述第二位置和所述第三位置中的至
少两个彼此间隔开。
附图说明
[0030]
现在将参考附图通过非限制性示例描述本发明的实施例，在附图中：
[0031]
图1示出通用的单相sst架构及其物理功率流层级；
[0032]
图2示出通用的多相sst架构及其物理功率流层级；
[0033]
图3示出根据图2的sst的转换器的状态变量控制分配；
[0034]
图4示出根据图2的sst的级的控制功能分配；
[0035]
图5示出通用的多相sst架构及其虚构的功率流层级；
[0036]
图6示出根据图5的sst的转换器的状态变量控制分配；
[0037]
图7示出用于控制sst的能量相关状态变量；
[0038]
图8示出根据图7的sst的级的控制功能分配；
[0039]
图9a示出根据图7的用于控制sst的hv侧控制架构；
[0040]
图9b示出根据图7的用于控制sst的lv侧控制架构；
[0041]
图9c示出根据图7的用于控制sst的dc-dc侧控制架构；
[0042]
图10是用于控制多相sst的方法的流程图；
[0043]
图11是示出用于进行本文描述的方法的示例计算机系统的组件的示意图；
[0044]
图12示出用于模拟的sst架构；
[0045]
图13示出基于根据图9和图12的sst架构的模拟步进有功功率方向变化；
[0046]
图14示出基于根据图9和图12的sst架构的步进功率反转测试期间的hv和lv侧这两者的模拟电网电压和电流；
[0047]
图15示出基于根据图9和图12的sst架构的步进功率反转测试期间的hv侧的模拟电容器电压；
[0048]
图16示出基于根据图9和图12的sst架构的步进功率反转测试期间的模拟dc-dc平均功率；
[0049]
图17示出基于根据图9和图12的sst架构的模拟步进无功功率变化；
[0050]
图18示出基于根据图9和图12的sst架构的步进无功功率变化测试期间的模拟电网电流和电压；
[0051]
图19示出基于根据图9和图12的sst架构的步进无功功率变化测试期间的模拟电容器电压；以及
[0052]
图20示出基于根据图9和图12的sst架构的步进无功功率变化测试期间的模拟dc-dc平均功率。
具体实施方式
[0053]
本发明涉及用于控制固态变压器(sst)的系统和方法。所述sst是一种替代在ac电力分布中使用的传统变压器的电力转换器。其比在公用设施频率下操作的传统变压器更复杂，但是因为其在高频下操作，因此比传统变压器更小和更轻。本发明中的sst是ac-dc-dc-ac转换器，其中有源整流器向dc-dc转换器供电，dc-dc转换器向功率逆变器供电。
[0054]
本发明的新颖性在于对sst的控制系统架构的完全解耦。所提出的控制系统在功
能层次和状态变量控制层次这两者上都是解耦的。因此，控制系统的设计变得直接并且整个控制系统变得更简单。所提出的控制系统调节瞬时的电容器的电压，并且主动去除电容器上的电压纹波，这大大减小了所需无源组件的尺寸。
[0055]
本发明具有若干关键优点。首先，sst各级的控制器完全独立，并且各级具有独立的控制目标，这消除了各级的控制器之间的相互作用。其次，各级的独立控制架构允许将sst级分开并部署在不同的物理位置。第三，各状态变量由独立的控制器控制，这消除了控制系统内干扰的可能性。第四，由于状态变量的完全解耦控制，sst系统可以利用高级多核处理器。第五，所提出的系统不需要电压平衡机制、功率分担机制和电容器电压(cv)滤波，这大大简化了整个控制系统。有源cv整形允许使用更小的dc电容器，这实现了更紧凑的硬件。最后但同样重要的是，状态变量以及添加的前馈项的限定确保了所提出的控制系统的线性度。
[0056]
所提出的解耦控制方案适用于可靠运行的sst产品部署，并且涵盖了sst的所有功能，包括独立无功功率控制、双向功率流控制以及具有不同频率的电网的互连能力。各级的完全解耦控制器允许在远离的物理位置部署sst的各级，以在诸如岛之间互连等的应用中使用。各级的操作独立于其他级，这允许使用不同的技术来用新硬件或控制器替换或升级任何级的单独设计。
[0057]
为了介绍所提出的系统的关键思想，本发明首先详细讨论了控制sst的一些现有方法。图1示出示例单相sst 201。该架构是最通用和最复杂的sst，因为它在低压(lv)侧和高压(hv)侧这两者中使用dc耦合(也称为直接耦合或导电耦合)。尽管在图1中为了简单起见使用了单相表示，但应当理解，高功率sst也可以是三相系统。
[0058]
在图1中，用于sst系统201的传统控制架构基于实际功率流路径，并且控制状态变量是电容器电压。跟随图1中的功率流方向，lv侧dc-ac转换器202通过对lv侧电容器204充电或放电来确定有功功率，隔离的dc-dc转换器206补偿该功率并且通过对hv侧电容器208充电或放电来调节lv侧电容器204上的电压，并且最后，hv侧转换器210用作hv侧电容器208的调节器。隔离的dc-dc转换器204包括hv侧dc-ac转换器212和lv侧ac-dc转换器214。在图1中，p
hv
、p
lv
和p
dc-dc
分别是通过hv侧ac-dc转换器210、lv侧dc-ac转换器202和dc-dc转换器206的有功功率。在稳态条件下，除损耗外，p
hv
、p
lv
和p
dc-dc
相等。在图1中，hv ac由v
hv
表示，并且lv ac由v
lv
表示。类似地，hv dc由v
hvdc
表示，lv dc由v
lvdc
表示。
[0059]
所述控制架构遵循实际功率流，并且当架构在各级具有要控制的单个变量时工作良好。然而，在实践中不经常使用作为单个层次拓扑的hv侧ac-dc转换器210。图2示出示例多串sst 301。图2示出hv侧ac-dc转换器310，其是由多个hv侧电容器308组成的级联多层次拓扑。类似地，所述sst 301也包括多个dc-dc转换器306，各dc-dc转换器306由hv侧dc-ac转换器312和lv侧ac-dc转换器314组成。lv侧dc-ac转换器302通过对lv侧电容器304充电或放电来确定有功功率。在图1中，p
nhv
、p
lv
和pn
dc-dc
分别是通过hv侧ac-dc转换器310的第n个单元、lv侧dc-ac转换器302、和第n个dc-dc转换器306的有功功率。hv侧ac-dc转换器的hv ac由v
hv
表示，并且lv ac由v
lv
表示。类似地，第n个电容器的hv dc由vn
hvdc
表示，并且lv dc由v
lvdc
表示。
[0060]
应当理解，将如图1中所示的控制架构应用于图2中的sst系统301将在个体转换器的操作之间产生一些干扰，并且还将使得控制系统变得复杂。为了解决这个问题，典型方法
是使用额外的电压平衡算法。应当理解，多个dc-dc转换器306进行操作以调节lv侧电容器304上的电压。因此，需要额外的电流分担机制来在dc-dc级306之间相等地分布功率。因此，需要耦合dc-dc转换器306的控制器。此外，hv侧转换器310和312将面临解耦集群电压控制器和电压平衡算法的挑战。
[0061]
图3示出用于控制所有内部状态变量的各独立转换器的总体控制目标。在用于控制sst 301的控制架构中，hv侧状态变量以及dc-dc转换器的控制器是相关的。电压平衡模块320和电流分担模块322的操作被耦合。本发明使用以下两个电容器的电压动态等式来说明这种耦合：
[0062][0063][0064]cihv
表示hv侧的第i个单元的电容，并且c
lv
是lv侧的电容。是lv侧的电容。用于调节hv侧状态变量的hv侧功率不是独立的。使用的对lv侧状态变量的控制干扰了对hv侧状态变量的控制。
[0065]
图4示出各级(即hv ac-dc级310、dc-dc级306和lv dc-ac级302)的相应控制功能分配。特别地，在hv ac-dc级处，需要控制和平衡hv侧电容器电压。在dc-dc级处，需要控制lv侧电容器电压，并且需要平衡dc-dc转换器所处理的功率。在lv ac-dc级处，需要控制功率流以控制sst 301中的功率流。应当理解，sst 301的各级的控制器不是独立的，并且各级没有独立的控制目标。如图4所示，hv侧电容器电压控制和lv侧电容器电压控制耦合。结果，不能消除所述级302、306和310的控制器之间的相互作用。各级的控制功能不能分离。
[0066]
为了解决状态变量控制(如图3所示)间的耦合的上述问题，本发明提出了新颖的控制架构。所提出的控制架构提供了解耦控制平台，该平台通过消除对电压平衡和功率分担机制的需求而显著简化了整个控制系统。图5示出用于控制sst 101的示例系统。sst 101包括ac-dc级102、dc-ac级104以及耦合在ac-dc级102和dc-ac级104之间的dc-dc级106，dc-dc级106包括一个或多于一个dc-dc转换器108。在所提出的控制解决方案中，代替遵循物理功率流，基于虚构的功率流层级来设计系统，如图5所示。
[0067]
在图5中，p
hv
、p
lv
和pn
dc-dc
分别是通过hv侧ac-dc转换器102、lv侧dc-ac转换器104和第n个dc-dc转换器的有功功率。hv侧ac-dc转换器的hv ac由v
hv
表示，并且lv ac由v
lv
表示。类似地，第n个电容器的hv dc由vn
hvdc
表示，并且lv dc由v
lvdc
表示。
[0068]
图6示出所提出的针对各sst级的功能分配。特别地，包括多个ac-dc转换器的ac-dc级102控制lv电容器电压。功率流控制器控制dc-ac级，dc-ac级包括dc-ac转换器104，dc-ac转换器104对lv电容器充电/放电以满足功率需求(p
lv
)，即通过dc-ac转换器的功率。dc-dc级106包括一个或多于一个dc-dc转换器，各dc-dc转换器被分配用于控制相应的hv电容器电压。
[0069]
对于由所提出的系统控制的sst 101，电容器动态的电压可以写成：
[0070]
[0071][0072]cjhv
表示hv侧的第j个单元的电容并且通过使用这样的功率流模型，各状态变量现在可利用独立的转换器控制。因此，如图6中所示，消除了对功率分担或电压平衡的需要，图6示出针对各独立转换器的状态变量控制分配。应当理解，虽然所提出的控制策略显著地简化了控制系统，但是简化仍然依赖于一些物理限制。假设p
hv
通过dc-dc级而没有动态考虑对于低带宽dc-dc操作是无效的。此外，当dc-dc转换器控制hv侧状态变量的作用也影响lv侧状态变量时，状态变量间的耦合问题不能完全解决。
[0073]
为了解决上述问题并实现完全解耦的控制系统，本发明基于惯性或能量而不是电容器电压来重新定义状态变量。结果，hv侧转换器的控制功能是控制转换器中的总储能，而不管该能量储存在何处。各dc-dc转换器的功能是在电容器间分布该能量。dc-dc转换器只能将能量从一个电容器传递到另一电容器，即dc-dc转换器不能改变系统中的储能的总量，因此它们的操作不会对hv侧转换器的操作产生任何影响。本发明中的控制器去除电容器的电压纹波，这消除了对任何滤波机制或大dc电容器的需要。
[0074]
广泛地，所提出的解耦控制系统包括：
[0075]
储能控制器(未示出)，其耦合到ac-dc级102，该储能控制器被配置为控制sst 101的电容器内的储能的总量；
[0076]
功率流控制器(未示出)，其耦合到dc-ac级104，该功率流控制器被配置为控制sst 101中的功率流；以及
[0077]
一个或多于一个能量平衡控制器(未示出)，各能量平衡控制器耦合到相应的dc-dc转换器，各能量平衡控制器被配置为平衡相应的dc-dc转换器中的能量。
[0078]
总之，所提出的控制系统完全解耦了sst内各状态变量的控制。在正常操作期间，sst的各级，即高压侧dc-ac转换器、dc-dc转换器和低压侧ac-dc转换器仅负责一个控制目标，以消除这些级的操作之间的任何不想要的耦合。各级的控制器是线性的，这提高了性能并进一步简化了设计。此外，所提出的控制系统完全消除了电容器的电压上的二阶纹波，这便于使用较小的膜电容器。
[0079]
应当理解，储能控制器、功率流控制器和一个或多于一个能量平衡控制器彼此解耦。在本发明中，当与储能控制器、功率流控制器和能量平衡控制器相关地使用时，术语“解耦”是指各控制器能够独立于其他控制器来执行其控制功能。
[0080]
应当理解，储能控制器、功率流控制器和一个或多于一个能量平衡控制器可以在不同的层次处解耦。特别地，所提出的储能控制器、功率流控制器和一个或多于一个能量平衡控制器可以在功能层次和/或状态变量控制层次处解耦。因此，所提出的控制系统可以消除对电压平衡和功率分担机制的需要。此外，可以主动去除sst中的电容器的电压纹波，这消除了对任何滤波机制或额外的大dc电容器的需要。同时，储能控制器、功率流控制器和一个或多于一个能量平衡控制器被配置有独立的控制目标，这消除了ac-dc级、dc-ac级和dc-dc级的控制器之间的相互作用。
[0081]
图7示出所提出的用于控制sst 101的状态变量。如图7所示，lv侧dc-ac转换器被保留用于功率流控制。所述能量平衡控制器被配置为基于由以下定义的状态变量来间接地
控制动态hv电容器电压：
[0082][0083]
其中
[0084]
其中，c
lv
是lv侧电容器的电容，v
lvdc
是lv侧电容器的电压。耦合到ac-dc级的储能控制器被配置为基于由以下定义的状态变量来控制电容器内的储能的总量：
[0085][0086]
其中，vj
hvdc
是第j个hv侧电容器的电压，cj
hv
是hv侧的第j个电容器的电容，v
lvdc
是lv侧电容器的电压，c
lv
是lv侧电容器的电容，其中p
hv
是通过hv侧转换器的有功功率，并且p
lv
是通过lv侧转换器的有功功率。在本发明中，可以根据上述等式线性地控制储存在sst的电容器中的能量的总量。
[0087]
针对各级的重新定义的完全解耦的控制功能如图8所示。特别地，在hv ac-dc级102处，需要控制sst的电容器内储能的总量。在dc-dc级106处，通过控制各dc-dc转换器的hv电容器和lv电容器中的储能的差来实现能量平衡。在lv ac-dc级104处，需要控制功率流以控制sst中的功率流。sst的各级的控制器是独立的，并且各级都有独立的控制目标。应当理解，各级的独立控制结构允许将sst级分离并部署在不同的物理位置。
[0088]
图9a-图9c示出所提出的解耦控制系统的细节。如图9a-图9c所示，控制系统由用于sst 101的各级的三个独立的控制模块组成，即hv侧上的储能控制器(见图9a)、lv侧上的功率流控制器(见图9b)和dc-dc侧上的能量平衡控制器(见图9c)。特别地，如图9b所示，功率流由lv侧上的功率流控制器控制，其可以使用公知的解耦电流控制器。然而，可以应用任何其他电流控制方案来控制有功功率和无功功率。这里，vd和vq是由va、vb和vc示出的三相电压的dq分量。类似地，三相电流ia、ib和ic的dq分量是id和iq。使用下标lv和hv区分lv侧量和hv侧量。下标ref表示基准信号。有功功率和无功功率分别示出为p和q。
[0089]
如图9c所示，对于dc-dc级处的能量平衡控制器，使用单独的比例积分控制器(pid控制器)通过控制功率流来维持电容器之间的能量平衡。应当理解，所提出的控制系统中的各控制器都是pid控制器。pid控制器是采用反馈的控制回路机制，其广泛用于工业控制系统和需要连续调制控制的各种其他应用。pid控制器连续地计算作为期望的设置值和测得的处理变量之间的差的误差值，并且应用基于比例、积分和导数项的校正。
[0090]
在一些实施例中，通过向比例积分输出添加前馈补偿来生成针对各dc-dc转换器的功率基准。通过向pid控制器的输出添加前馈项来生成针对阶段x处的第j个dc-dc级的功率基准pxj
dc-dc-ref
。该前馈补偿pxj
2ω
定义为：
[0091][0092]
特别地，通过添加该前馈项，二阶功率振荡将通过dc-dc转换器在相位之间循环。因此，dc电容器上的电压保持恒定并且不会振荡。通过利用该特征，hv侧电容器的尺寸可以比传统系统小得多。应当理解，在上述等式中，a是从0到1范围内的权重因子以控制振荡功
率。当a接近于1时，电容器上的纹波接近于零，并且电容器尺寸理论上接近于零。相反，当a接近于零时，电容器电压上的二阶谐波增长。因此，电容需要增加以将该纹波限制在10％。
[0093]
在本发明中，所提出的dc-dc侧控制器中的功率利用相移切换策略调节。应当理解，也可以使用其他切换策略。特别地，lv侧和hv侧转换器的波形之间的延迟是
[0094][0095]
其中p为功率幅值(绝对值)，f为切换频率，α为相移大小，并且l为从hv侧观察的总电感。在本发明中，hv侧控制使用pid控制器来调节电容器内的总储能。hv侧的电流控制器与lv侧使用的电流控制器类似。在hv侧，由电流控制器生成的ac电压基准在hv侧多电平转换器的单元之间相等地分布，以实现等功率分布。
[0096]
图10示出使用所公开的系统来控制sst的示例方法1000。广泛地，方法1000包括：
[0097]
步骤1002：使用储能控制器来控制sst中的储能；
[0098]
步骤1004：使用功率流控制器来控制sst中的功率流；以及
[0099]
步骤1006：使用一个或多于一个能量平衡控制器来平衡相应的dc-dc转换器中的能量。应当理解，通过解耦储能控制器、功率流控制器和一个或多于一个能量平衡控制器来进行控制储能、控制功率流和平衡能量。
[0100]
在一些实施例中，控制储能发生在第一位置处，控制功率流发生在第二位置处，并且平衡能量发生在第三位置处，其中第一位置、第二位置和第三位置中的至少两个彼此间隔开。应当理解，各级的独立控制结构允许将sst级分离并部署在不同的物理位置。各状态变量由独立控制器控制，这消除了控制系统内的干扰的可能性。
[0101]
图11是示出可以实施本发明的实施例的示例计算机装置1100的框图。计算机装置1100可以是诸如智能电话、可穿戴装置、掌上计算机和支持多媒体互联网的蜂窝电话等的移动计算机装置、车载计算系统或任何其他计算系统、诸如由appletm有限公司制造的iphone tm或例如由lgtm、htctm和samsungtm制造的移动装置等的移动装置或其他装置。
[0102]
如图所示，移动计算机装置1100包括通过总线1106进行电子通信的以下组件：
[0103]
(a)显示器1102；
[0104]
(b)非易失性(非暂时性)存储器1104；
[0105]
(c)随机存取存储器(“ram”)1108；
[0106]
(d)n个处理组件1110；
[0107]
(e)包括n个收发器的收发器组件1112；以及
[0108]
(f)用户控件1114。
[0109]
尽管图11中描述的组件表示物理组件，但图11并非旨在作为硬件图。因此，图11中描绘的许多组件可以通过公共构造实现或分布在附加的物理组件间。此外，当然可以设想，可以利用其他现有和待开发的物理组件和架构来实现参考图11描述的功能组件。
[0110]
显示器1102通常进行操作以向用户提供内容的呈现，并且可以通过各种显示器(例如，crt，lcd，hdmi，微投影仪和oled显示器)中的任一个来实现。
[0111]
通常，非易失性数据存储装置1104(也称为非易失性存储器)用于存储(例如，永久存储)数据和可执行代码。系统架构可以在存储器1104中实现，或者通过存储在存储器1104
中的指令来实现。
[0112]
在一些实施例中，例如，非易失性存储器1104包括引导加载程序代码、调制解调器软件、操作系统代码、文件系统代码和用于促进实现组件的代码，这些组件对于本领域普通技术人员来说是公知的，为了简单起见，既不绘制也不描述这些组件。
[0113]
在许多实现中，非易失性存储器1104由闪存(例如，nand或onenand存储器)实现，但是当然可以设想也可以利用其他存储器类型。尽管可以执行来自非易失性存储器1104的代码，但是非易失性存储器1104中的可执行代码通常被加载到ram 1108中并且由n个处理组件1110中的一个或多于一个执行。
[0114]
与ram 1108连接的n个处理组件1110通常进行操作以执行存储在非易失性存储器1104中的指令。如本领域普通技术人员将理解的，n个处理组件1110可以包括视频处理器、调制解调器处理器、dsp、图形处理单元(gpu)和其他处理组件。
[0115]
收发器组件1112包括可以用于经由无线网络与外部装置通信的n个收发器链。n个收发器链各自可以表示与特定通信方案相关联的收发器。例如，各收发器可以对应于特定于局域网、蜂窝网络(例如，cdma网络、gprs网络、umts网络)和其他类型的通信网络的协议。
[0116]
图11的系统1100可以连接到任何设备1118，诸如安装到运载工具的一个或多于一个照相机、速度计、用于更新本地情境的天气服务、或者可以从中获取情境的外部数据库等。
[0117]
应当认识到，图11仅是示例的，并且在一个或多于一个示例实施例中，这里描述的功能可以以硬件、软件、固件或其任何组合来实现。如果以软件实现，则功能可以存储在非暂时性计算机可读介质1104上或作为在非暂时性计算机可读介质1104上编码的一个或多于一个指令或代码来传输。非暂时性计算机可读介质1104包括计算机存储介质和通信介质这两者，通信介质包括便于计算机程序从一个地方转移到另一地方的任何介质。存储介质可以是可以由计算机访问的任何可用介质。
[0118]
模拟结果：
[0119]
本发明现在使用模拟来验证所提出的解耦线性sst控制策略的有效性。作为示例，在matlab/simulink环境中模拟将三相110v 60hz电网连接到220v 50hz电网的12kva sst。图12示出用于该模拟的sst硬件。表i示出模拟用sst硬件的参数。
[0120][0121]
示出包括步进有功功率变化和独立无功功率控制的两个操作场景的结果。在第一测试场景中，sst以其额定有功功率从hv侧递送至lv侧来最初地操作。在t＝0.05s时，基准功率方向突然变化。图13示出第一测试场景中的步进有功功率方向变化。图14示出步进功率反转测试期间的电网电压和电流。如图13和图14所示，sst控制能够快速地跟随基准并在小于一个周期内使功率方向反向。
[0122]
图15示出第一测试场景中的电容器电压。控制系统能够以良好的动态来调节电压。针对a＝1，hv侧电容器上的低频电压纹波被有效地去除。在该图中，还示出部分补偿结果a＝0.9和a＝0.8以用于比较。从部分补偿(a《1)可以看出，电容器电压纹波增加。另一方面，通过允许hv侧电容器上的更多电压纹波，dc-dc转换器需要处理的最大功率幅值减小，这是因为如图16中所示减少了相位之间所需的循环功率。在这种情况下，当电容器上的电压纹波变得过大时，在不增加hv侧电容器的电容的情况下不可能进一步减小a值。
[0123]
在第二测试场景中，评估sst的无功功率控制功能。在第二测试期间，有功功率保持恒定在6kw(从hv侧到lv侧)。在图17中，示出sst的无功功率和有功功率。在t＝0.04s时，hv侧的无功功率基准从5kw变为零。然后，在t＝0.06s时，lv侧的无功功率基准从-4kw变为+4kw。可以看出，sst能够在两侧遵循无功功率命令，而不会中断或干扰有功功率。此外，如可以看出的，lv侧和hv侧的无功功率控制是完全独立的。该测试期间电网参数的变化在图18中示出。电容器的电压和dc-dc转换器的平均功率分别在图19和图20中示出。与先前的场景类似，所提出的控制系统能够控制电容器的电压纹波幅值，而不依赖于功率幅值(取决于a)。
[0124]
应当理解，所描述的实施例的各个方面的许多进一步的修改和排列是可能的。因此，所描述的方面旨在包括落入所附权利要求书的精神和范围内的所有这些改变、修改和
变化。
[0125]
在本说明书和随后的权利要求书中，除非上下文另有要求，否则词语“包括(comprise)”以及诸如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”等的变型将被理解为意味着包括所陈述的整数或步骤或者整数或步骤组，但是不排除任何其他整数或步骤或者整数或步骤组。
[0126]
本说明书中提及的任何先前出版物(或从其获得的信息)，或任何已知的事项不是也不应被视为承认或认可或任何形式的暗示：该先前出版物(或从其获得的信息)或已知事项构成本说明书所涉及的努力领域中的共同一般知识的一部分。

技术特征：
1.一种用于控制固态变压器即sst的系统，所述sst包括ac-dc级、dc-ac级以及耦合在所述ac-dc级和所述dc-ac级之间的dc-dc级，所述dc-dc级包括一个或多于一个dc-dc转换器，所述系统包括：储能控制器，其耦合到所述ac-dc级，所述储能控制器被配置为控制所述sst的电容器内的储能的总量；功率流控制器，其耦合到所述dc-ac级，所述功率流控制器被配置为控制所述sst中的功率流；以及一个或多于一个能量平衡控制器，各能量平衡控制器耦合到相应的dc-dc转换器，各能量平衡控制器被配置为平衡相应的dc-dc转换器中的能量，其中，所述储能控制器、所述功率流控制器和所述一个或多于一个能量平衡控制器彼此解耦。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述储能控制器、所述功率流控制器和所述一个或多于一个能量平衡控制器在功能层次处解耦。3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述储能控制器、所述功率流控制器和所述一个或多于一个能量平衡控制器在状态变量控制层次处解耦。4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述储能控制器、所述功率流控制器和所述一个或多于一个能量平衡控制器被配置有独立的控制目标。5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，所述储能控制器控制所述ac-dc级，所述ac-dc级包括多个ac-dc转换器，各ac-dc转换器对相应的高压电容器即hv电容器充电/放电，以根据下式调节储存在所述sst的电容器中的能量的总量：其中，vj
hvdc
是第j个hv侧电容器的电压，cj
hv
是hv侧中的第j个电容器的电容，v
lvdc
是lv侧电容器的电压，c
lv
是lv侧电容器的电容，其中p
hv
是通过hv侧转换器的有功功率，并且p
lv
是通过lv侧转换器的有功功率。6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述功率流控制器控制所述dc-ac级，所述dc-ac级包括dc-ac转换器，所述dc-ac转换器对低压电容器即lv电容器充电/放电以满足p
lv
。7.根据权利要求5或6所述的系统，其中，所述能量平衡控制器被配置为间接地控制相应的动态电容器电压以主动地去除或调节所述hv电容器电压上的电压纹波的幅值。8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述能量平衡控制器被配置为基于由下式定义的状态变量来间接地控制动态的hv电容器电压：其中，c
lv
是所述lv侧电容器的电容，并且v
lvdc
是所述lv侧电容器的电压。9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中，各控制器是比例积分控制器。10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中，针对各dc-dc转换器的功率基准是
通过向比例积分输出添加前馈补偿来生成的。11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，其中，所述一个或多于一个dc-dc转换器中的功率是利用相移切换策略来调节的。12.一种使用根据权利要求1至11中任一项所述的系统来控制固态变压器即sst的方法，包括：使用所述储能控制器来控制所述sst中的储能；使用所述功率流控制器来控制所述sst中的功率流；以及使用所述一个或多于一个能量平衡控制器来平衡相应的dc-dc转换器中的能量，其中，通过将所述储能控制器、所述功率流控制器和所述一个或多于一个能量平衡控制器解耦来进行控制储能、控制功率流和平衡能量。13.根据权利要求12所述的方法，其中，控制储能发生在第一位置处，控制功率流发生在第二位置处，并且平衡能量发生在第三位置处，其中，所述第一位置、所述第二位置和所述第三位置中的至少两个彼此间隔开。

技术总结
本文公开了一种控制固态变压器(SST)的系统，该SST包括AC-DC级、DC-AC级以及耦合在AC-DC级和DC-AC级之间的DC-DC级，该DC-DC级包括一个或多于一个DC-DC转换器。该系统包括：储能控制器，其耦合到AC-DC级，该能量控制器被配置为控制SST的电容器内的储能的总量；功率流控制器，其耦合到DC-AC级，该功率流控制器被配置为控制SST中的功率流；以及一个或多于一个能量平衡控制器，各能量平衡控制器耦合到相应的DC-DC转换器，各能量平衡控制器被配置为平衡相应的DC-DC转换器中的能量。在一些实施例中，储能控制器、功率流控制器和一个或多于一个能量平衡控制器彼此解耦。量平衡控制器彼此解耦。量平衡控制器彼此解耦。


技术研发人员：G
受保护的技术使用者：南洋理工大学
技术研发日：2021.11.03
技术公布日：2023/9/7