一种模块化隔离型电池储能变换器的矩形波调制方法

摘要

本发明公开一种模块化隔离型电池储能变换器的矩形波调制方法，所述方法使变压器原副边交流电压在半个开关周期内占空比小于0.5，通过调节原边矩形波电压与副边矩形波电压之间的相位差来控制储能电池与直流电网之间能量传递方向及大小，通过校正相位差，稳定变压器副边侧桥臂各个子模块直流母线电容电压，通过调节变压器副边侧桥臂所有子模块输出电压直流分量来调节变压器副边侧电流平均值，即直流配电网侧电流，从而达到稳定模块电压和控制并网电流的目的，实现系统稳定可靠运行。

说明书

技术领域

本发明涉及电气自动化设备技术领域，具体地，涉及一种模块化隔离型电 池储能变换器的矩形波调制策略。

背景技术

电池储能系统在电力系统中的各个方面，尤其是在负荷平衡、用户侧电能质 量、无功补偿以及容纳可再生能源等重要领域占据着日益重要的位置。而由于其 特殊作用及昂贵的成本，使得电池储能系统的可靠性举足轻重。

模块多电平变换器(MMC)由于输出电压等级较高，且可扩展性和冗余控 制容量大，广泛的应用于直流配电网中。将隔离型模块化多电平储能变换器应用 于直流配电网，变压器原边侧通过一个滤波电感接储能级联H桥电路，变压器 副边侧绕组通过滤波电感和副边桥臂接直流配电网，变压器副边桥臂由n个子模 块串联而成，每个模块的直流侧接直流母线电容。

然而，由于应用于中高压直流配电网的隔离型模块化多电平储能变换器结构 的特殊性，需要相应的调制和控制策略来保证系统的稳定可靠运行。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是为基于直流电网的隔离型模块化多电 平储能变换器提供一种矩形波调制方法，即变压器原副边交流电压在半个开关周 期内占空比小于0.5，并通过调节变压器原副边高频矩形波电压的相位差，实现 储能电池与直流电网之间能量的双向传递，此外，通过相应的控制策略，实现系 统稳定可靠运行。

本发明提供一种隔离型模块化多电平储能变换器的矩形波调制方法，所述模 块化隔离型电池储能变换器拓扑结构为：变压器原边通过一个滤波电感L_p接原 边桥臂Arm_p1的输出端，变压器原边桥臂Arm_p1由m个H桥级联而成，m 个H桥的串联的输出作为原边桥臂Arm_p1的输出，每个H桥的直流侧接储能 电池；变压器的副边侧一端通过一个滤波电感L_s、桥臂Arm_s1与直流电网母线 负极相连接，变压器的副边侧另一端与直流电网母线的正极相连；桥臂Arm_s1 由n个子模块串联组成，每个子模块直流侧接直流母线电容，构成副边桥臂 Arm_s1的每个模块采用全桥结构或半桥结构；

所述变压器原边交流电压正负半周矩形波占空比小于0.5，即原边桥臂 Arm_p1每个H桥在半个开关周期内输出电压占空比小于0.5，各个H桥之间没 有相位差，原边桥臂Arm_p1的每个H桥能输出三种状态(-1、0、1)，变压器 原边矩形波电压的范围是-m～m；

由于直流电网存在，副边桥臂Arm_s1所有子模块输出交流电压叠加后直流 分量近似为直流电网电压vdc，即变压器副边侧交流电压关于vdc对称，且变压 器副边侧交流电压关于vdc对称的正负半周矩形波占空比D_p小于0.5，即副边桥 臂Arm_s1每个子模块在半个开关周期内输出电压占空比D_s小于0.5，各个子模 块之间没有相位差，D_p与D_s相等或不相等；当副边桥臂Arm_s1每个子模块采 用全桥结构时，副边桥臂Arm_s1输出矩形波电压范围是-n～n；每个半桥只能输 出两种状态(0、1)，当副边桥臂Arm_s1每个模块采用半桥结构时，副边桥臂 Arm_s1输出矩形波电压范围是0～n；

为实现储能电池与直流电网之间的能量双向传递，在变压器原副边矩形波之 间存在相位差本发明使变压器原副边交流电压在半个开关周期内占空比小于 0.5，通过调节原边矩形波电压与副边矩形波电压之间的相位差来控制储能电池 与直流电网之间能量传递方向及大小，通过校正相位差，稳定变压器副边侧桥臂 各个子模块直流母线电容电压，通过调节变压器副边侧桥臂所有子模块输出电压 直流分量来调节变压器副边侧电流平均值，即直流配电网侧电流，从而达到稳定 模块电压和控制并网电流的目的，实现系统稳定可靠运行。

优选地，所述方法通过控制副边桥臂Arm_s1所有子模块直流母线电压，调 节变压器原副边矩形波的相位差即Arm_s1模块直流母线电压的额定值与 Arm_s1所有模块直流母线电压均值的偏差作为PI调节器的输入，PI调节器的输 出作为相位差

优选地，所述变压器副边侧电流平均值通过校正副边桥臂Arm_s1所有子模 块输出电压的直流分量来调节，即变压器副边电流i_Ls经过低通滤波器LF滤波后 与直流电网电流的给定值相加作为PI调节器的输入，PI调节器的输出与直流电 网母线电压v_dc偏差作为副边桥臂Arm_s1直流电压调制信号v_{s1_dc}。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的隔离型模块化多电平储能变化器的矩形波调制策略，能够实现储能 电池与直流电网之间的能量交换，并通过一定的控制策略实现模块电压均衡和变 压器二次侧电流调节，该调制与控制策略适用于变换器拓扑可以等效为图3的平 均模型的所有基于直流配电网的隔离型模块化多电平储能变换器的矩形波调制。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其 它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的变换器的拓扑结构；

图2为本发明一实施例的矩形波调制原理图；

图3为本发明一实施例的基于直流电网的隔离型模块化多电平储能变换器 的平均等效电路图；

图4为本发明一实施例的桥臂Arm_s1各个模块直流母线电容电压均衡的控 制图；

图5为本发明一实施例的桥臂Arm_s1输出电压直流分量调制信号生成原理 图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明进行详细的说明。以下实施例将有助于本领 域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是， 对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干 变形和改进，这都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明一实施例中模块化隔离型电池储能变换器的电路拓扑， 其中：变压器原边桥臂Arm_p1由m个H桥串联组成，每个H桥的直流侧接储 能电池，变压器原边桥臂Arm_p1通过一个滤波电感L_p接变压器原边；

隔离变压器原边桥臂Arm_p1的每个H桥记为cell_{p1_i}(1≤i≤m)，cell_{p1_i}直流侧 接储能电池，cell_{p1_i}直流侧电池电压记为v_{p1_i_dc}(1≤i≤m)，cell_{p1_i}交流端输出记为 v_{p1_i_ac}(1≤i≤m)，i_{p1_i_dc}(1≤i≤m)为cell_{p1_i}直流侧电流，i_{p1_i_ac}(1≤i≤m)为cell_{p1_i}输出 侧电流。原边滤波电感为L_p，原边电流为i_Lp，变压器变比为1：N。

变压器的副边侧一端通过一个滤波电感L_s、副边桥臂Arm_s1与直流电网母 线负极相连接，变压器的副边侧另一端与直流电网母线的正极相连；变压器副边 桥臂Arm_s1由n个子模块串联，每个子模块拓扑既可以是半桥结构也可以是全 桥结构，每个子模块记为cell_{s1_j}(1≤j≤n)，cell_{s1_j}直流侧接电容，电容电压记为 v_{s1_j_dc}(1≤j≤n)，cell_{s1_j}交流端输出记为v_{s1_j_ac}(1≤j≤n)，i_{s1_j_dc}(1≤j≤n)为cell_{s1_j}直流 侧电流，i_{s1_j_ac}(1≤j≤n)为cell_{s1_j}输出侧电流。副边滤波电感为L_s，副边电流为i_Ls。 直流电网母线电压为v_dc，电流为i_dc。

由于采用模块化设计，即使每个模块的电压等级比较低，仍可以达到较高的 电压等级，从而实现低损耗，低成本，高开关频率。

基于上述结构，所述变压器原边交流电压正负半周矩形波占空比D_p小于0.5， 即原边Arm_p1每个模块在半个开关周期内输出电压占空比D_p小于0.5，各个模 块之间没有相位差，由于Arm_p1各个储能模块采用H桥结构，每个H桥可以 输出三种状态(-1、0、1)，所以变压器原边矩形波电压的范围是-m～m。由于直 流电网存在，副边桥臂Arm_s1所有模块输出交流电压叠加后直流分量近似为直 流电网电压v_dc，即变压器副边侧交流电压关于v_dc对称，且变压器副边侧交流电 压关于v_dc对称的正负半周矩形波占空比D_s小于0.5，即原边Arm_s1每个模块 在半个开关周期内输出电压占空比D_s小于0.5，各个模块之间没有相位差，D_p与D_s既可以相等也可以不相等。Arm_s1各个子模块既可以采用半桥结构也可以 采用全桥结构，当Arm_s1每个模块采用全桥结构时，Arm_s1输出矩形波电压 范围是-n～n，由于每个半桥只可以输出两种状态(0、1)，所以当Arm_s1每个模 块采用半桥结构时，Arm_s1输出矩形波电压范围是0～n。

图2所示，为本发明一实施例中基于直流电网的隔离型模块化多电平储能变 换器的矩形波调制原理：原边桥臂Arm_p1所有H桥输出之间没有相位差，叠加 结果为正负对称的矩形波波v_p1，记半个开关周期为T_s，在(0～D_pT_s)时间内， v_p1为正，在(D_pT_s～T_s)时间内，v_p1为0，在(T_s～(1+D_p)T_s))时间内，v_p1为负， 在((1+D_p)T_s～2T_s)时间内，v_p1为0。记相位差相对π的比值为则在时间内，v_s1输出0，在 时间内，v_s1输出大于v_dc，在时间内，v_s1输出0，在 时间内，v_s1输出小于v_dc，在时 间内，v_s1输出0。原边侧交流电流i_Lp为正负对称的周期性变化曲线，即i_Lp直流 分量为0，副边侧交流电流i_Ls包含直流分量(i_Ls(avs))对称，i_Ls(avs)即为直流电网 电流i_dc，即i_Ls为关于i_dc对称的周期性变化曲线。

图3所示，为本发明一实施例中模块化隔离型电池储能变换器的平均等效电 路图。变换器的平均模型可以等效为：原边交流侧等效为变压器原边绕组、滤波 电感L_p与一个受控电压源v_P1(Arm_p1输出等效为v_P1)的串联回路，直流储能 侧等效为储能电池v_{arm_p1_dc}串联一个受控电流源d_p1i_Lp；副边交流侧等效为副边 绕组、滤波电感L_s、受控电压源v_s1(Arm_s1输出等效为v_s1)、直流电网v_dc的串 联回路，模块直流侧等效为v_{arm_s1_dc}串联一个受控电流源d_s1i_Ls，Arm_s1的所有 模块直流侧等效电容为Cs/n，该电容等效电压为v_{arm_s1_dc}，i_Ls为副边变压器侧 电流，i_dc为直流电网侧电流。

v_{arm_p1_dc}为原边桥臂Arm_p1所有H桥电池电压之和，d_p1为原边桥臂Arm_p1 所有H桥的等效占空比之和，v_p1为原边桥臂Arm_p1输出电压，既包含直流分 量也包含交流分量。v_{arm_s1_dc}为副边桥臂Arm_s1所有子模块直流电容电压之和， d_s1为副边桥臂Arm_s1所有子模块的等效占空比之和，v_s1为副边桥臂Arm_s1输 出电压，既包含直流分量也包含交流分量。v_dc为直流电网电压。

根据上述变换器的平均模型，通过控制Arm_s1所有子模块直流母线电压可 以调节变压器原副边矩形波的相位差即Arm_s1所有模块直流母线电压的额 定值与Arm_s1所有模块直流母线电压均值的偏差作为PI调节器的输入，PI调 节器的输出作为相位差

图4所示，为本发明一实施例的桥臂Arm_s1各个模块直流母线电容电压均 衡的控制图，V_{arms1_dc}*表示副边桥臂Arm_s1每个子模块直流侧电容电压额定值， v_{arms1_dc}表示副边桥臂Arm_s1所有子模块直流侧电容电压平均值，V_{arms1_dc}*与 v_{arms1_dc}偏差经PI调节器校正后作为相位差即通过校正相位差将副边桥臂 Arm_s1各个子模块直流电容电压稳定在额定值附近。

图5所示，为本发明一实施例种基于直流电网的隔离型模块化多电平储能变 换器的Arm_s1输出电压直流分量调制信号v_{s1_dc}生成原理图：副边电流i_Ls通过 低通滤波器LF与直流电网电流额定值i_dc*相加作为PI调节器的输入，PI调节器 的输出与直流电网电压v_dc的偏差作为v_{s1_dc}调制信号。即通过校正副边桥臂 Arm_s1输出电压直流分量来控制i_Ls。

综上所述，本实施例提供了一种隔离型模块化多电平储能变换器矩形波调制 策略，该方法要求变压器原副边电压在半个开关周期内占空比小于0.5，并且原 副边矩形波之间存在相位差实现储能电池与直流电网之间的能量交换，通过校正 相位差，稳定变压器副边侧桥臂各个子模块直流母线电容电压，通过调节变压器 副边侧桥臂所有子模块输出电压直流分量来调节变压器副边侧电流平均值，从而 实现系统稳定可靠运行。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局 限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种 变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。