一種模塊化隔離型電池儲能變換器的正弦波調(diào)制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電氣自動化設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種模塊化隔離型電池儲能 變換器的正弦波調(diào)制策略。
【背景技術(shù)】
[0002] 電池儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的各個方面，尤其是在負荷平衡、用戶側(cè)電能質(zhì)量、無 功補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)由于輸出電壓等級較高，且可擴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能變換器應(yīng)用于直流配電網(wǎng)，變 壓器原邊側(cè)通過一個濾波電感接儲能級聯(lián)Η橋電路，變壓器副邊側(cè)繞組通過濾波電感和副 邊橋臂接直流配電網(wǎng)，變壓器副邊橋臂由η個子模塊串聯(lián)而成，每個模塊的直流側(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)制和控制策略來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 針對現(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 能變換器提供一種正弦波調(diào)制策略，即變壓器原副邊交流電壓為正弦波，并通過調(diào)節(jié)變壓 器原副邊正弦波電壓的相位差，實現(xiàn)儲能電池與直流電網(wǎng)之間能量的雙向傳遞，此外，通過 相應(yīng)的控制策略，實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。
[0006] 本發(fā)明提供一種隔離型模塊化多電平儲能變換器的正弦波調(diào)制方法，其中：所述 模塊化隔離型電池儲能變換器其拓撲結(jié)構(gòu)為：變壓器原邊通過一個濾波電感Lp接原邊橋臂 Arm_pl的輸出端，變壓器原邊橋臂Arm_pl由m個Η橋級聯(lián)而成，m個Η橋的串聯(lián)的輸出作 為原邊橋臂Arm_pl的輸出，每個Η橋的直流側(cè)接儲能電池；變壓器的副邊側(cè)一端通過一個 濾波電感匕、橋臂Arm_sl與直流電網(wǎng)母線負極相連接，變壓器的副邊側(cè)另一端與直流電網(wǎng) 母線的正極相連；橋臂Arm_sl由η個子模塊串聯(lián)組成，每個子模塊直流側(cè)接直流母線電容， 構(gòu)成副邊橋臂Arm_sl的每個模塊采用全橋結(jié)構(gòu)或半橋結(jié)構(gòu)；
[0007] 所述變壓器原、副邊電壓為正弦波，即原邊橋臂Arm_pl與副邊橋臂Arm_sl各個模 塊采用載波移相SPWM，原邊橋臂Arm_pl與副邊橋臂Arm_sl輸出為SPWM波形，經(jīng)原副邊濾 波電感濾波后變壓器原副邊為正弦波；
[0008] 原邊橋臂Arm_pl的每個Η橋能輸出三種狀態(tài)（_1、0、1)，變壓器原邊正弦波電壓 的范圍是-m~m油于直流電網(wǎng)存在，副邊橋臂Arm_sl所有子模塊輸出交流電壓疊加后直 流分量近似為直流電網(wǎng)電壓vd。，即變壓器副邊側(cè)交流電壓關(guān)于^。對稱，當(dāng)副邊橋臂Arm_sl 每個模塊采用全橋結(jié)構(gòu)時，副邊橋臂Arm_sl輸出正弦波電壓范圍是-η~η ;每個半橋只能 輸出兩種狀態(tài)（〇、1)，當(dāng)副邊橋臂Arm_sl每個模塊采用半橋結(jié)構(gòu)時，g[J邊橋臂Arm_sl輸出 正弦波電壓范圍是0~η ;
[0009] 為實現(xiàn)儲能電池與直流電網(wǎng)之間的能量雙向傳遞，在變壓器原、副邊正弦波之間 存在相位差奶所述方法使變壓器原副邊交流電壓為正弦波，通過調(diào)節(jié)原副邊正弦波電壓之 間相位差大小和方向?qū)崿F(xiàn)能量的雙向傳遞，通過校正副邊橋臂Arm_sl輸出電壓的直流分 量來調(diào)節(jié)變壓器副邊側(cè)電流平均值，通過校正變壓器原邊側(cè)電流L來調(diào)節(jié)副邊橋臂Arm_ si所有子模塊直流母線電容電壓的平均值Vani_sl d。，通過校正原邊橋臂Arm_pl輸出電壓的 交流分量vpl_a。來調(diào)節(jié)變壓器原邊電流UP，從而達到穩(wěn)定模塊電壓和控制并網(wǎng)電流的目的， 實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。
[0010] 優(yōu)選地，所述方法通過校正副邊橋臂Arm_sl所有子模塊輸出電壓的直流分量來 調(diào)節(jié)變壓器副邊側(cè)電流平均值，即變壓器副邊電流L經(jīng)過低通濾波器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vsl_d。。
[0011] 優(yōu)選地，所述方法通過調(diào)節(jié)變壓器原邊側(cè)電流來控制副邊橋臂Arm_sl所有子 模塊直流母線電容電壓的平均值vani_sl_d。，即副邊橋臂Arm_sl直流母線電容電壓額定值與 副邊橋臂Arm_sl所有子模塊直流母線電容電壓的平均值Vani sl_d。的偏差作為PI調(diào)節(jié)器輸 入，PI調(diào)節(jié)器的輸出乘以正弦波信號作為變壓器原邊電流k的給定信號。
[0012] 優(yōu)選地，所述方法通過校正原邊橋臂Arm_pl輸出電壓的交流分量vpl_ a。來調(diào)節(jié)變 壓器原邊電流，即k的給定信號與實際信號的偏差作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，PI調(diào)節(jié)器的輸 出與副邊橋臂Arm_sl輸出電壓的交流分量vsl_a。之和作為v pl_a。的調(diào)制信號。
[0013] 經(jīng)過上述正弦波調(diào)制與控制，變換器直流電網(wǎng)側(cè)直流電流、。能實現(xiàn)準(zhǔn)確的控制， 而且該變換器能實現(xiàn)有源濾波和限流功能。
[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能變化器的正弦波調(diào)制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)儲能電池 與直流電網(wǎng)之間的能量交換，并通過一定的控制策略實現(xiàn)模塊電壓均衡和變壓器原副邊電 流調(diào)節(jié)，該調(diào)制與控制策略適用于變換器拓撲可以等效為圖3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能變換器的正弦波調(diào)制。
【附圖說明】
[0016] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0017] 圖1為本發(fā)明一實施例的變換器的拓撲結(jié)構(gòu)；
[0018] 圖2為本發(fā)明一實施例的正弦波調(diào)制原理圖；
[0019] 圖3為本發(fā)明一實施例中基于直流電網(wǎng)的隔離型模塊化多電平儲能變換器的平 均等效電路圖；
[0020] 圖4為本發(fā)明一實施例的Arm_pl輸出電壓交流分量調(diào)制信號生成原理圖；
[0021] 圖5為本發(fā)明一實施例的Arm_sl輸出電壓交流分量調(diào)制信號生成原理圖；
[0022] 圖6為本發(fā)明一實施例的Arm_sl輸出電壓直流分量調(diào)制信號生成原理圖。
【具體實施方式】
[0023] 下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明進行詳細的說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的 技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員來說，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，這都屬于本發(fā) 明的保護范圍。
[0024] 如圖1所示，為本發(fā)明一實施例的基于直流電網(wǎng)的隔離型模塊化多電平儲能變換 器的電路拓撲：變壓器原邊通過一個濾波電感Lp接原邊橋臂Arm_pl的輸出端，變壓器原邊 橋臂Arm_pl由m個Η橋級聯(lián)而成，m個Η橋的串聯(lián)的輸出作為原邊橋臂Arm_pl的輸出，每 個Η橋的直流側(cè)接儲能電池；
[0025] 隔離變壓器原邊橋臂Arm_pl由m個Η橋級聯(lián)而成，每個Η橋記為cellpl_ ;(1彡i彡m)，cellplj直流側(cè)接儲能電池 ，cell ρ1」直流側(cè)電池電壓記為v (1彡i彡m)， cellplj交流端輸出記為v n&d彡i彡m)，in&d彡i彡m)為cellplj直流側(cè)電流，i pl_13。(1彡i彡m)為cellpl l輸出側(cè)電流。原邊濾波電感為Lp，原邊電流為、，變壓器變比為 1 :N〇
[0026] 變壓器的副邊側(cè)一端通過一個濾波電感Ls、橋臂Arm_sl與直流電網(wǎng)母線負極相連 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；變壓器副邊橋臂Arm_sl由η個子 模塊串聯(lián)，每個子模塊拓撲既可以是半橋結(jié)構(gòu)也可以是全橋結(jié)構(gòu)，每個子模塊記為cellsl_ 』（1彡j彡η)，cellsl」直流側(cè)接電容，電容電壓記為v sl」>(l彡j彡η)，cellsl」交流端輸 出記為vsl」_at:(l彡j彡n)，isl」_dt:(l彡j彡η)為cell sl」直流側(cè)電流，i sl」_at:(l彡j彡η) 為cellsl j輸出側(cè)電流。副邊濾波電感為Ls，副邊電流為紅,。直流電網(wǎng)母線電壓為vd。，電 流為id。。
[0027] 由于采用模塊化設(shè)計，即使每個模塊的電壓等級比較低，仍可以達到較高的電壓 等級，從而實現(xiàn)低損耗，低成本，高開關(guān)頻率。
[0028] 所述變壓器原副邊電壓為正弦波，即原、副邊Arm_pl與Arm_sl各個模塊采用載波 移相 SPWM(carrier phase-shift SPWM, CPS-SPWM)，Arm_pl 與 Arm_sl 輸出為 SPWM 波形，經(jīng) 原副邊濾波電感濾波后變壓器原副邊為正弦波。由于Arm_pl各個儲能模塊采用Η橋結(jié)構(gòu)， 每個Η橋可以輸出三種狀態(tài)（_1、0、1)，所以變壓器原邊正弦波電壓的范圍是-m~m。由于 直流電網(wǎng)存在，副邊橋臂Arm_sl所有模塊輸出交流電壓疊加后直流分量近似為直流電網(wǎng) 電壓vd。，即變壓器副邊側(cè)交流電壓關(guān)于vd。對稱，當(dāng)Arm_sl子模塊采用全橋結(jié)構(gòu)時，Arm_sl 輸出正弦波電壓范圍是-η~n，由于每個半橋只可以輸出兩種狀態(tài)（0、1)，所以當(dāng)Arm_sl 子模塊采用半橋結(jié)構(gòu)時，Arm_sl輸出正弦波電壓范圍是0~η。
[0029] 為實現(xiàn)儲能電池與直流電網(wǎng)之間的能量雙向傳遞，需要在變壓器原副邊正弦波之 間存在相位差供。
[0030] 圖2所示，為本發(fā)明一實施例的基于直流電網(wǎng)的隔離型模塊化多電平儲能變換器 的正弦波調(diào)制原