一種模塊化隔離型電池儲(chǔ)能變換器的準(zhǔn)方波調(diào)制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電氣自動(dòng)化設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種模塊化隔離型電池儲(chǔ)能 變換器的準(zhǔn)方波調(diào)制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的各個(gè)方面，尤其是在負(fù)荷平衡、用戶側(cè)電能質(zhì)量、無(wú) 功補(bǔ)償以及容納可再生能源等重要領(lǐng)域占據(jù)著日益重要的位置。而由于其特殊作用及昂貴 的成本，使得電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性舉足輕重。
[0003] 模塊多電平變換器（MMC)由于輸出電壓等級(jí)較高，且可擴(kuò)展性和冗余控制容量 大，廣泛的應(yīng)用于直流配電網(wǎng)中。將隔離型模塊化多電平儲(chǔ)能變換器應(yīng)用于直流配電網(wǎng)，變 壓器原邊側(cè)通過(guò)一個(gè)濾波電感接儲(chǔ)能級(jí)聯(lián)Η橋電路，變壓器副邊側(cè)繞組通過(guò)濾波電感和副 邊橋臂接直流配電網(wǎng)，變壓器副邊橋臂由η個(gè)子模塊串聯(lián)而成，每個(gè)模塊的直流側(cè)接直流 母線電容。
[0004] 然而，由于應(yīng)用于中高壓直流配電網(wǎng)的隔離型模塊化多電平儲(chǔ)能變換器結(jié)構(gòu)的特 殊性，需要相應(yīng)的調(diào)制和控制策略來(lái)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的是為基于直流電網(wǎng)的隔離型模塊化多電平儲(chǔ) 能變換器提供一種準(zhǔn)方波調(diào)制方法，變壓器原邊交流電壓不是準(zhǔn)方波，而是準(zhǔn)方波，即原準(zhǔn) 方波上升沿與下降沿呈階梯形狀，各個(gè)子模塊輸出交流電壓之間存在相位差，并通過(guò)調(diào)節(jié) 變壓器原副邊高頻準(zhǔn)方波電壓的相位差，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池與直流電網(wǎng)之間能量的雙向傳遞， 此外，通過(guò)相應(yīng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。
[0006] 本發(fā)明提供一種隔離型模塊化多電平儲(chǔ)能變換器的準(zhǔn)方波調(diào)制方法，所述模塊化 隔離型電池儲(chǔ)能變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為：變壓器原邊通過(guò)一個(gè)濾波電感Lp接原邊橋臂Arm_pl的輸出端，變壓器原邊橋臂Arm_pl由m個(gè)Η橋級(jí)聯(lián)而成，m個(gè)Η橋的串聯(lián)的輸出作為原邊 橋臂Arm_pl的輸出，每個(gè)Η橋的直流側(cè)接儲(chǔ)能電池；變壓器的副邊側(cè)一端通過(guò)一個(gè)濾波電 感匕、副邊橋臂Arm_sl與直流電網(wǎng)母線負(fù)極相連接，變壓器的副邊側(cè)另一端與直流電網(wǎng)母 線的正極相連；副邊橋臂Arm_sl由η個(gè)子模塊串聯(lián)組成，每個(gè)子模塊直流側(cè)接直流母線電 容，構(gòu)成副邊橋臂Arm_sl的每個(gè)模塊采用全橋結(jié)構(gòu)或半橋結(jié)構(gòu)；
[0007] 所述原邊橋臂Arm_pl各個(gè)Η橋能輸出三種狀態(tài)（_1、0、1)，變壓器原邊準(zhǔn)方波電壓 的范圍是-m~m;當(dāng)副邊橋臂Arm_sl每個(gè)子模塊采用全橋結(jié)構(gòu)時(shí)，g[J邊橋臂Arm_sl輸出 準(zhǔn)方波電壓范圍是-η~η;每個(gè)半橋只能輸出兩種狀態(tài)（0、1)，當(dāng)Arm_sl每個(gè)模塊采用半 橋結(jié)構(gòu)時(shí)，Arm_sl輸出準(zhǔn)方波電壓范圍是0~η;
[0008] 所述變壓器原副邊交流電壓不是標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)方波，而是上升沿與下降沿呈現(xiàn)階梯狀 的準(zhǔn)方波，即原邊橋臂Arm_p1各個(gè)Η橋、副邊橋臂Arm_s1各子模塊交流輸出電壓占空比均 小于等于〇. 5且互不相等；
[0009] 所述變換器為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池與直流電網(wǎng)之間的能量雙向傳遞，需要在變壓器原副 邊準(zhǔn)方波之間存在相位差的所述方法通過(guò)調(diào)節(jié)原邊準(zhǔn)方波電壓與副邊準(zhǔn)方波電壓之間的 相位差來(lái)控制儲(chǔ)能電池與直流電網(wǎng)之間能量傳遞方向及大小，通過(guò)校正相位差，穩(wěn)定變壓 器副邊橋臂各個(gè)子模塊直流母線電容電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器副邊橋臂所有子模塊輸出電壓 直流分量來(lái)調(diào)節(jié)變壓器副邊側(cè)電流平均值，即直流配電網(wǎng)側(cè)電流，從而達(dá)到穩(wěn)定模塊電壓 和控制并網(wǎng)電流的目的，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。
[0010] 優(yōu)選地，所述變壓器原邊交流電壓不是準(zhǔn)方波，而是準(zhǔn)方波，即原準(zhǔn)方波上升 沿與下降沿呈階梯形狀，原邊橋臂的各個(gè)Η橋輸出交流電壓之間存在相位差，原邊橋臂 Arm_pl各個(gè)Η橋輸出交流電壓在半個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的占空比由大到小依次記為DP11~DΡ1_ "(0.4 <DP1」< 0·5，1 <i<m)，DP1-i與DP1-1+1(1 <i<m)之間差值相同或不相同；為了 提高交流電壓有效值，DP1j(1 <i<m)盡量接近于0. 5。所述原邊橋臂Arm_pl采用Η橋 級(jí)聯(lián)式結(jié)構(gòu)，變壓器原邊側(cè)交流電壓為正負(fù)對(duì)稱的準(zhǔn)方波。
[0011] 優(yōu)選地，所述副邊橋臂Arm_sl各個(gè)子模塊占空比由大到小依次記為Dsll~Dsl_ n(0.4彡Dsl」彡0. 5, 1彡j彡n)，Dsl^Dsl_1+1(l彡j彡η)之間差值相同或不相同，但是為 了提高交流電壓有效值，Dsl](l<j<η)應(yīng)盡量接近于0. 5。由于副邊直流電網(wǎng)存在，為 了維持副邊橋臂Arm_s1各個(gè)Η橋電壓穩(wěn)定，變壓器副邊交流電壓為關(guān)于直流電網(wǎng)vd。對(duì)稱 的準(zhǔn)方波。
[0012] 優(yōu)選地，所述方法通過(guò)控制副邊橋臂Arm_sl所有子模塊直流母線電壓可以調(diào)節(jié) 變壓器原副邊準(zhǔn)方波的相位差，即副邊橋臂Arm_sl所有子模塊直流母線電壓的額定值與 副邊橋臂Arm_sl所有模塊直流母線電壓均值的偏差作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，PI調(diào)節(jié)器的輸 出作為相位差@。_
[0013] 優(yōu)選地，所述變壓器副邊側(cè)電流平均值通過(guò)校正副邊橋臂Arm_sl所有子模塊輸 出電壓的直流分量來(lái)調(diào)節(jié)，即變壓器副邊電流L經(jīng)過(guò)低通濾波器LF濾波后與直流電網(wǎng)電 流的給定值相加作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，PI調(diào)節(jié)器的輸出與直流電網(wǎng)母線電壓vd。偏差作為 副邊橋臂Arm_sl直流電壓調(diào)制信號(hào)vsl_d。。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0015] 本發(fā)明的隔離型模塊化多電平儲(chǔ)能變化器的準(zhǔn)方波調(diào)制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)儲(chǔ)能電池 與直流電網(wǎng)之間的能量交換，并通過(guò)一定的控制策略實(shí)現(xiàn)模塊電壓均衡和變壓器二次側(cè)電 流調(diào)節(jié)，該調(diào)制與控制策略適用于變換器拓?fù)淇梢缘刃閳D4的平均模型的所有基于直流 配電網(wǎng)的隔離型模塊化多電平儲(chǔ)能變換器的準(zhǔn)方波調(diào)制。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0017] 圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0018] 圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的準(zhǔn)方波調(diào)制原理圖；
[0019] 圖3為本發(fā)明一實(shí)施例中基于直流電網(wǎng)的隔離型模塊化多電平儲(chǔ)能變換器的平 均等效電路圖；
[0020] 圖4為本發(fā)明一實(shí)施例的Arm_s1各個(gè)模塊直流母線電容電壓均衡的控制圖；
[0021] 圖5為本發(fā)明一實(shí)施例的Arm_sl輸出電壓直流分量調(diào)制信號(hào)生成。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的 技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這都屬于本發(fā) 明的保護(hù)范圍。
[0023] 如圖1所示，為本發(fā)明一實(shí)施例的基于直流電網(wǎng)的隔離型模塊化多電平儲(chǔ)能變換 器的電路拓?fù)洌鹤儔浩髟呁ㄟ^(guò)一個(gè)濾波電感Lp接原邊橋臂Arm_pl的輸出端，變壓器原邊 橋臂Arm_pl由m個(gè)Η橋級(jí)聯(lián)而成，m個(gè)Η橋的串聯(lián)的輸出作為原邊橋臂Arm_pl的輸出，每 個(gè)Η橋的直流側(cè)接儲(chǔ)能電池；隔離變壓器原邊橋臂Arm_pl由m個(gè)Η橋級(jí)聯(lián)而成，每個(gè)Η橋 記為cellplj(l彡i彡m)，cellplj直流側(cè)接儲(chǔ)能電池，cellρ1」直流側(cè)電池電壓記為νρ1」_ dc(l彡i彡m)，cellpl-;交流端輸出記為vpl-ac(l彡i彡m)，ipl-dc(l彡i彡m)為cellpl- i直流側(cè)電流，im(l<i<m)為cellpll輸出側(cè)電流。原邊濾波電感為L(zhǎng)p，原邊電流為 ??ρ，變壓器變比為1 :N。
[0024] 變壓器的副邊側(cè)一端通過(guò)一個(gè)濾波電感Ls、副邊橋臂Arm_sl與直流電網(wǎng)母線負(fù)極 相連接，變壓器的副邊側(cè)另一端與直流電網(wǎng)母線的正極相連；副邊橋臂Arm_sl由η個(gè)子模 塊串聯(lián)組成，每個(gè)子模塊直流側(cè)接直流母線電容，構(gòu)成副邊橋臂Arm_sl的每個(gè)模塊拓?fù)浼?可以是半橋結(jié)構(gòu)也可以是全橋結(jié)構(gòu)，每個(gè)子模塊記為cellslj(l<j<n)，cellslj直流側(cè) 接電容，電容電壓記為vsl」_dt:(l彡j彡n)，cellsl」交流端輸出記為vsl」_at:(l彡j彡η)，isl_ #(1彡J_彡η)為cellsl」直流側(cè)電流，isl」_at:(l彡j彡η)為cellsl」輸出側(cè)電流。副邊濾 波電感為L(zhǎng)s，副邊電流為紅,。直流電網(wǎng)母線電壓為vd。，電流為id。。
[0025] 所述原邊橋臂Arm_pl各個(gè)儲(chǔ)能模塊采用Η橋結(jié)構(gòu)，每個(gè)Η橋可以輸出三種狀態(tài) (_1、0、1)，所以變壓器原邊準(zhǔn)方波電壓的范圍是-m~m。當(dāng)副邊橋臂Arm_sl每個(gè)子模塊采 用全橋結(jié)構(gòu)時(shí)，副邊橋臂Arm_sl輸出準(zhǔn)方波電壓范圍是-η~n，由于每個(gè)半橋只可以輸出 兩種狀態(tài)（〇、1)，所以當(dāng)副邊橋臂Arm_sl每個(gè)子模塊采用半橋結(jié)構(gòu)時(shí)，g[J邊橋臂Arm_sl輸 出準(zhǔn)方波電壓范圍是0~η。
[0026] 由于采用模塊化設(shè)計(jì)，即使每個(gè)模塊的的電壓等級(jí)比較低，仍可以達(dá)到較高的電 壓等級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)低損耗，低成本，高開(kāi)關(guān)頻率。
[0027] 所述變壓器原邊交流電壓不是準(zhǔn)方波，而是準(zhǔn)方波，即原準(zhǔn)方波上升沿與下降 沿呈階梯形狀，各個(gè)子模塊輸出交流電壓之間存在相位差；原邊橋臂Arm_pl各個(gè)Η橋 輸出交流電壓在半個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的占空比由大到小依次記為DP11~DΡ1ηι (0. 4彡DP1_ A0. 5, 1彡i彡m)，DP11與DP1_1+1(l彡i彡m)之間差值可以相同也可以不相同，但是為了 提高交流電壓有效值，DP11 (1 &l