基于级联式储能系统的变载波变调制波移相SPWM调制方法

摘要

本发明公开了一种基于级联式储能系统的变载波变调制波移相SPWM调制方法，其包括以下步骤：S1：主控机与每一功率单元通讯，以获取每一功率单元中的电容和电池状态；S2：主控机根据每一单元中的电容和电池状态计算每一功率单元于本次调制时的输出功率；S3：主控机根据每一功率单元于本次调制时的输出功率以及每一功率单元的直流电压、电池最大SOC以及电池降容比将级联多电平逆变器输出的波形信号s分成s1～sn，其中，s1～sn包括s的基波和多次谐波，s1～sn按时域叠加后与s相等；S4：主控机将载波v进行时域平移得到v1～vn共N个载波，其中，vi的开始时间为1≤i≤N；S5：在主控机的控制下vi分别与si进行调制得到N个调制波并将其分别输入至N个功率单元。

说明书

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，具体而言，涉及一种基于级联式储能系统的变载波变调制波移相SPWM调制方法。

背景技术

光伏发电系统具有不确定性和间歇性等特点，需要在其中设置光伏储能系统以稳定系统输出功率，从而降低对电网和敏感负荷的冲击。光伏储能系统可将光伏发电供给家庭并把多余的电能储存到电池中，当电池满额时再自动输入电网，以方便调配给其他用户使用。

现有的串联式光伏储能系统多单元调制算法(参考文献：[1]韩飞.多电平逆变器及其在光伏并网系统中的应用研究[D].河北工业大学,2014)有以下2种，以发出不同的调制波，用来控制串联式光伏储能系统。

第一种调制算法为载波移相调制的算法(以5个单元为例)：如图1所示为载波移相调制的算法的示意图，在一个载波周期内将载波开始周期分成5等份，分别开始5个载波11/21/31/41/51，然后同时对一个调制波进行调制，产生5种PWM并分别供给5个不同的单元；

这一方法的缺点为：

1)无法针对单元直流电压变化调节。由于这调制方法是基于等电压调制，因而无法根据电压变化来调节由于直流电压波动和硬件本身问题造成的输出波形畸变。

2)高次谐波比较大，且无法消除。由于发出波形为多个二电平叠加而成的，且后端并无RCR或RC滤波，谐波满载虽然可以低于5％，但是依旧有别于正常电网。

3)由于所有单元一起控制，无法实现针对各个单元的谐波和电流单独控制，减少内部电流流动。

第二种调制算法为消谐波PWM法的调制算法(以5个单元为例)：如图2所示为消谐波PWM法的调制算法示意图，通过同层相叠、正负反向相叠，交替反向层叠，实现5个单元的载波与调制波的调制，产生5种PWM输出。

这一方法的缺点为：

1)部分单元开关频率高，部分单元无开关，热分布不均匀。

2)谐波比较大。由于消谐波PWM法只能消除低次谐波或高次偶数谐波，无法消除高次奇次谐波，所以高阶奇次谐波还是比较多。

3)因为每个载波的上下沿相连，无法隔过一个计算下一个。单元相互关联比较大。无法分单元计算，实现完美补偿。

4)调制比降低时，会出现部分单元没有PWM电压输出，造成单元之间得输出功率不一致，输出电压的等效开关频率下降，使得输出电压的谐波含量增加。

可见，上述2种方法都存在当由于硬件、软件导致每个单元母线电压不均衡时，无法自动调节的情况，此时输出多电平的效果将会差很多；以及正常输出时，由于只能抵消低次谐波，导致实际上电网电压、电流高次谐波有点大，并且无法补偿的问题。

发明内容

本发明提供一种基于级联式储能系统的变载波变调制波移相SPWM调制方法，用以解决现有技术中的上述至少一个问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于级联式储能系统的变载波变调制波移相SPWM调制方法，该方法用于对级联多电平逆变器输出的波形信号进行调制，其中，级联多电平逆变器由N个功率单元级联而成，其包括以下步骤：

S1：主控机与每一功率单元通讯，以获取每一功率单元中的电容和电池状态；

S2：主控机根据每一单元中的电容和电池状态计算每一功率单元于本次调制时的输出功率；

S3：主控机根据每一功率单元于本次调制时的输出功率以及每一功率单元的直流电压、电池最大SOC以及电池降容比将级联多电平逆变器输出的波形信号s分成s1～sn，其中，s1～sn包括s的基波和多次谐波，s1～sn按时域叠加后与s相等；

S4：主控机将载波v进行时域平移得到v1～vn共N个载波，其中，vi的开始时间为1≤i≤N；

S5：在主控机的控制下vi分别与si进行调制得到N个调制波并将其分别输入至N个功率单元。

在本发明的一实施例中，N＝5。

在本发明的一实施例中，于步骤S4中，于平移之前将载波v的幅值进行拓展，拓展后载波v的幅值介于对应的功率单元的实际直流电压/额定直流电压与最大直流电压/额定直流电压之间。

在本发明的一实施例中，若波形信号s的幅值低于一预设值，主控机则控制偶数个功率单元对应的电池停止输出电压。

在本发明的一实施例中，于步骤S1、S2中，主控机与多个功率单元通讯时进一步获取多个功率单元的发热量，并根据发热量协调多个功率单元之间的输出功率比例。

本发明提供的基于级联式储能系统的变载波变调制波移相SPWM调制方法具有以下有益技术效果：

(1)对每个功率单元单独进行调制，能够单独根据每个功率单元自身的状态控制其输出功率，以使每一功率单元实现最大功率输出，调制算法简单且稳定；

(2)减少了功率单元对整个系统的依赖性，减少了功率单元之间相互的影响和耦合；

(3)通过移相抵消了较低频的谐波，减少了谐波的产生；

(4)减少了滤波器的使用，从而降低了与电网发生谐振的几率；

(5)由主控机控制每一功率单元，功率单元的可替换性好；

(6)低频输出时，可控制偶数个功率单元对应的电池停止输出电压，以使谐波减少；

(7)输出的电流正弦度好，谐波含量少，达到了向电网输送高质量电能的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为载波移相调制的算法的示意图；

图2为消谐波PWM法的调制算法示意图；

图3为本发明提供的基于级联式储能系统的变载波变调制波移相SPWM调制方法的示意图。

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付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图3为本发明提供的基于级联式储能系统的变载波变调制波移相SPWM调制方法的示意图，本发明提供的基于级联式储能系统的变载波变调制波移相SPWM调制方法用于对级联多电平逆变器输出的波形信号进行调制，其中，级联多电平逆变器由N个功率单元级联而成，其包括以下步骤：

S1：主控机与每一功率单元通讯，以获取每一功率单元中的电容和电池状态；

S2：主控机根据每一单元中的电容和电池状态计算每一功率单元于本次调制时的输出功率；

S3：主控机根据每一功率单元于本次调制时的输出功率以及每一功率单元的直流电压、电池最大SOC以及电池降容比将级联多电平逆变器输出的波形信号s分成s1～sn，其中，s1～sn包括s的基波和多次谐波，s1～sn按时域叠加后与s相等；

S4：主控机将载波v进行时域平移得到v1～vn共N个载波，其中，vi的开始时间为1≤i≤N；

S5：在主控机的控制下vi分别与si进行调制得到N个调制波并将其分别输入至N个功率单元。

图3示出的为N＝5的示意图，如图3所示，经过时域平移得到的5个载波与s1～s5分别进行调制，得到5个调制波叠加后输出图3下方的正弦波。

在本发明的一实施例中，于步骤S4中，于平移之前还可以将载波v的幅值进行拓展，拓展后载波v的幅值介于对应的功率单元的实际直流电压/额定直流电压与最大直流电压/额定直流电压之间。一般来说，每个功率单元中的电池的储能能量越大、电池输出的直流电压越大、电池的内阻越小，则拓展后载波v的幅值越大；反之，每个功率单元对应的电池的储能能量越小、电池输出的直流电压越小、电池的内阻越大，则拓展后载波v的幅值越小。通过对载波v的幅值进行拓展来调节每个功率单元的输出，使得每个电池均能够在正常工作的前提下输出相应的电压，这种调节方式能够实现对输出电压的微调。在本发明的一实施例中，若波形信号s的幅值低于一预设值，主控机则控制偶数个功率单元对应的电池停止输出电压，以减少谐波的产生，保证输出的正弦波质量。

在本发明的一实施例中，于步骤S1、S2中，主控机与多个功率单元通讯时进一步获取多个功率单元的发热量，并根据发热量协调多个功率单元之间的输出功率比例。一般而言，发热量越大的功率单元，可以将其输出功率调低，而发热量越小的功率单元，可以适当将其输出功率调高。

本发明提供的基于级联式储能系统的变载波变调制波移相SPWM调制方法具有以下有益技术效果：

(1)对每个功率单元单独进行调制，能够单独根据每个功率单元自身的状态控制其输出功率，以使每一功率单元实现最大功率输出，调制算法简单且稳定；

(2)减少了功率单元对整个系统的依赖性，减少了功率单元之间相互的影响和耦合；

(3)通过移相抵消了较低频的谐波，减少了谐波的产生；

(4)减少了滤波器的使用，从而降低了与电网发生谐振的几率；

(5)由主控机控制每一功率单元，功率单元的可替换性好；

(6)低频输出时，可控制偶数个功率单元对应的电池停止输出电压，以使谐波减少；

(7)输出的电流正弦度好，谐波含量少，达到了向电网输送高质量电能的目的。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。