本發(fā)明屬于電氣自動化設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體的，涉及一種具有儲能功能的模塊化多電平變流器的控制方法。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)有的技術(shù)中，具有儲能功能的子模塊將電池直接并聯(lián)在子模塊電容旁，使得電池承受一倍工頻和二倍工頻的脈動電流，對電池的高效運(yùn)行和全壽命周期成本不利；同時，實際工況中子模塊電容電壓一般大于1500V電壓等級，以鋰離子電池為代表的高倍率電池，基于電池荷電狀態(tài)均衡和故障保護(hù)的原因，從成本和安全考慮，很難達(dá)到如此高的串聯(lián)電壓。

經(jīng)檢索，公開號為104917418A的中國專利申請，該發(fā)明提供了一種采用電池電流獨(dú)立控制的儲能型模塊化多電平變流器，其子模塊包括：一個半橋模塊、一個支撐電容和一個儲能電池。通過對電池電流的獨(dú)立控制，提高電池利用率和使用壽命。

公開號為103580050A的中國專利申請，該發(fā)明涉及一種大功率模塊化多電平鋰電池儲能變流器裝置，其子模塊為H橋型儲能變流器模塊。通過利用子模塊數(shù)量降低電池電壓等級的方式實現(xiàn)大功率儲能。

上述專利不能解決電池電壓等級的問題，使用的子模塊多且不能實現(xiàn)儲能，同時電池電壓較低；其次，上述專利提出的子模塊結(jié)構(gòu)都采用電池并聯(lián)在直流電容旁的方案，電池必然會承受一倍工頻和二倍工頻的脈動電流，對電池的高效運(yùn)行和全壽命周期成本不利。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種從拓?fù)渖咸岣唠姵貕勖c利用率，并為新能源系統(tǒng)提供慣性的儲能型模塊化多電平變流器的控制方法。

本發(fā)明提供一種具有儲能功能的模塊化多電平變流器的控制方法，其中：

所述變流器包括三個相單元，每個相單元均包括上橋臂、下橋臂、上橋臂電感、下橋臂電感；所述上橋臂的正極端作為相單元的直流出線正極端；所述上橋臂的負(fù)極端與所述上橋臂電感的一端相連；所述上橋臂電感的另一端與所述下橋臂電感的一端相連，作為相單元的交流出線端，并串聯(lián)電抗器連接到電網(wǎng)；所述下橋臂電感的另一端與所述下橋臂的正極端相連；所述下橋臂的負(fù)極端作為相單元的直流出線負(fù)極端；三個相單元中的所述上橋臂、所述下橋臂均由半橋子模塊和類全橋儲能子模塊混合串聯(lián)而成；

所述半橋子模塊和類全橋儲能子模塊中均包括多個可控開關(guān)器件，所有可控開關(guān)器件采用單極性載波移相正弦脈寬調(diào)制方法，以能量守恒、子模塊電容電壓一個工頻周期穩(wěn)定和線性調(diào)制為前提，計算獲得半橋子模塊與類全橋儲能子模塊的調(diào)制比；根據(jù)每相待輸出指令電壓波形，確定每相的上橋臂、下橋臂中每個半橋子模塊與類全橋儲能子模塊的調(diào)制波，根據(jù)每相的上橋臂、下橋臂中每個半橋子模塊與類全橋儲能子模塊的載波和半橋子模塊與類全橋儲能子模塊的調(diào)制波進(jìn)行比較產(chǎn)生控制信號，分別控制每相的上橋臂、下橋臂中各半橋子模塊與類全橋儲能子模塊的投入或切斷。

優(yōu)選地，所述的半橋子模塊，包括：第一直流電容器、第一可控開關(guān)器件、第二可控開關(guān)器件、第一續(xù)流二極管、第二續(xù)流二極管；其中：

所述第一可控開關(guān)器件、所述第二可控開關(guān)器件的集電極分別與所述第一續(xù)流二極管、所述第二續(xù)流二極管的陰極相連；所述第一可控開關(guān)器件、所述第二可控開關(guān)器件的發(fā)射極分別與所述第一續(xù)流二極管、所述第二續(xù)流二極管的陽極相連；所述第一可控開關(guān)器件的集電極與所述第一直流電容器的陽極相連；所述第二可控開關(guān)器件的發(fā)射極與所述第一直流電容器的陰極相連；所述第一可控器件，第二可控器件的柵極均與控制電路相連。

優(yōu)選地，所述的類全橋儲能子模塊，包括：第二直流電容器，電池，電池電感，第三可控開關(guān)器件、第四可控開關(guān)器件、第五可控開關(guān)器件、第六可控開關(guān)器件，以及第三續(xù)流二極管、第四續(xù)流二極管、第五續(xù)流二極管、第六續(xù)流二極管；其中：

所述第三可控開關(guān)器件、所述第四可控開關(guān)器件、所述第五可控開關(guān)器件、所述第六可控開關(guān)器件的集電極分別與所述第三續(xù)流二極管、所述第四續(xù)流二極管、所述第五續(xù)流二極管、所述第六續(xù)流二極管的陰極相連；所述第三可控開關(guān)器件、所述第四可控開關(guān)器件、所述第五可控開關(guān)器件、所述第六可控開關(guān)器件的發(fā)射極分別與所述第三續(xù)流二極管、所述第四續(xù)流二極管、所述第五續(xù)流二極管、所述第六續(xù)流二極管的陽極相連；所述第三可控開關(guān)器件的集電極與所述第二直流電容器的陽極相連；所述第四可控開關(guān)器件的發(fā)射極與所述第二直流電容器、所述電池的陰極相連；所述第三可控開關(guān)器件的發(fā)射極作為類全橋儲能子模塊的正極端；所述第五可控開關(guān)器件的發(fā)射極與所述電池電感的一端相連并作為類全橋儲能子模塊的負(fù)極端；所述電池電感的另一端與所述電池的陽極相連；所述第三可控開關(guān)器件、所述第四可控開關(guān)器件、所述第五可控開關(guān)器件、所述第六可控開關(guān)器件的柵極均與控制電路相連。

優(yōu)選地，所述半橋子模塊與所述類全橋儲能子模塊中調(diào)制比的直流分量與交流分量峰值存在約束，且讓變流器穩(wěn)定工作的調(diào)制比不唯一。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

本發(fā)明具有儲能功能的模塊化多電平變流器結(jié)構(gòu)簡單，通過類全橋儲能子模塊的設(shè)計，為新能源系統(tǒng)增加慣性，并且儲能所用的電池充放電電流平滑，電壓等級較低，保障了電池的高效運(yùn)行和安全性。利用載波移相脈寬調(diào)制的方法，可以提高等效開關(guān)頻率，減小諧波分布。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的變流器拓?fù)鋱D；

圖2為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的半橋子模塊電路圖；

圖3為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的類全橋儲能子模塊電路圖；

圖4中a、b、c、d分別為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的半橋子模塊、類全橋儲能子模塊的調(diào)制波與總的等效輸出電壓示意圖；

圖5中a、b、c分別為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的下橋臂電流、半橋子模塊等效輸出電壓與半橋子模塊功率脈動情況示意圖；

圖6中a、b、c分別為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的下橋臂電流、類全橋儲能子模塊等效輸出電壓與類全橋儲能子模塊功率脈動情況示意圖；

圖7為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的類全橋儲能子模塊電池電壓閉環(huán)控制電路圖；

圖8為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的變流器半橋與類全橋儲能子模塊調(diào)制波發(fā)生器電路圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(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(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，一種具有儲能功能的模塊化多電平變流器拓?fù)?，包括三個相單元；每個相單元x(x＝a，b，c)均包括上橋臂、下橋臂、上橋臂電感L_xp、下橋臂電感L_xn；其中：

所述上橋臂的正極端作為相單元的直流出線正極端；所述上橋臂的負(fù)極端與所述上橋臂電感L_xp的一端相連；所述上橋臂電感L_xp的另一端與所述下橋臂電感L_xn的一端相連，作為相單元的交流出線端，其電壓為V_x，并串聯(lián)電抗器L_Tx連接到電網(wǎng)，其電壓為V_sx；所述下橋臂電感L_xn的另一端與所述下橋臂的正極端相連；所述下橋臂的負(fù)極端作為相單元的直流出線負(fù)極端；

所述三個相單元中的上橋臂、下橋臂均由半橋子模塊和類全橋儲能子模塊混合串聯(lián)而成。子模塊xyi(x＝a，b，c，y＝p，n，i＝1，2……N；其中p代表上，n代表下)代表x相y橋臂的第i個子模塊，i_x指x相交流側(cè)電流，i_xy指x相y橋臂的電流，V_xy指x相y橋臂所有子模塊輸出的電壓和，I_d指直流側(cè)電流，V_dc指直流側(cè)電壓。

如圖2所示，為一優(yōu)選實施例的半橋子模塊電路圖；所述的半橋子模塊，包括：第一直流電容器C1，第一可控開關(guān)器件S1、第二可控開關(guān)器件S2，以及第一續(xù)流二極管D1、第二續(xù)流二極管D2；其中：

所述第一可控開關(guān)器件S1的集電極、所述第二可控開關(guān)器件S2的集電極分別與所述第一續(xù)流二極管D1的陰極、所述第二續(xù)流二極管D2的陰極相連；所述第一可控開關(guān)器件S1的發(fā)射極、所述第二可控開關(guān)器件S2的發(fā)射極分別與所述第一續(xù)流二極管D1的陽極、所述第二續(xù)流二極管D2的陽極相連；所述第一可控開關(guān)器件S1的集電極還與所述第一直流電容器C1的陽極相連；所述第二可控開關(guān)器件S1的發(fā)射極還與所述第一直流電容器C1的陰極相連；所述第一可控開關(guān)器件S1的柵極、第二可控開關(guān)器件S2的柵極均與控制電路相連。

如圖3所示，為一優(yōu)選實施例的類全橋儲能子模塊電路圖；所述的類全橋儲能子模塊，包括：第二直流電容器C2，電池，電池電感L，第三可控開關(guān)器件S3、第四可控開關(guān)器件S4、第五可控開關(guān)器件S5、第六可控開關(guān)器件S6，以及第三續(xù)流二極管D3、第四續(xù)流二極管D4、第五續(xù)流二極管D5、第六續(xù)流二極管D6；其中：

所述第三可控開關(guān)器件S3的集電極、所述第四可控開關(guān)器件S4的集電極、所述第五可控開關(guān)器件S5的集電極、所述第六可控開關(guān)器件S6的集電極分別與所述第三續(xù)流二極管D3的陰極、所述第四續(xù)流二極管D4的陰極、所述第五續(xù)流二極管D5的陰極、所述第六續(xù)流二極管D6的陰極相連；所述第三可控開關(guān)器件S3的發(fā)射極、所述第四可控開關(guān)器件S4的發(fā)射極、所述第五可控開關(guān)器件S5的發(fā)射極、所述第六可控開關(guān)器件S6的發(fā)射極分別與所述第三續(xù)流二極管D3的陽極、所述第四續(xù)流二極管D4的陽極、所述第五續(xù)流二極管D5的陽極、所述第六續(xù)流二極管D6的陽極相連；所述第三可控開關(guān)器件S3的集電極還與所述第二直流電容器C2的陽極相連；所述第四可控開關(guān)器件S4的發(fā)射極還與所述第二直流電容器C2的陰極、所述電池的陰極相連；所述第三可控開關(guān)器件S3的發(fā)射極還作為所述類全橋儲能子模塊的正極端；所述第五可控開關(guān)器件S5的發(fā)射極還與所述電池電感L的一端相連并作為所述類全橋儲能子模塊的負(fù)極端；所述電池電感L的另一端與所述電池的陽極相連；所述第三可控開關(guān)器件S3的柵極、所述第四可控開關(guān)器件S4的柵極、所述第五可控開關(guān)器件S5的柵極、所述第六可控開關(guān)器件S6的柵極均與控制電路相連。

如圖4中a、b、c、d所示，分別為一優(yōu)選實施例的下橋臂半橋子模塊、類全橋儲能子模塊的調(diào)制波與總的等效輸出電壓示意圖；記調(diào)制波為正弦的橋臂為MMC橋臂(如圖4中(c)所示)，調(diào)制波為直流的橋臂為儲能橋臂(如圖4中(d)所示)；其中：m_dc-HB、m_ac-HB分別為半橋子模塊上管調(diào)制比的直流分量和交流分量峰值，m_dc-FB、m_ac-FB分別為類全橋儲能子模塊MMC橋臂上管調(diào)制比的直流分量和交流分量峰值，m_b為類全橋儲能子模塊儲能橋臂的調(diào)制比；通過半橋子模塊與類全橋儲能子模塊共同輸出帶偏置的交流分量，可以支撐起直流電壓與交流電壓(相電壓峰值為V_s)。

如圖5中a、b、c所示，分別為下橋臂電流、半橋子模塊等效輸出電壓與半橋子模塊功率脈動情況示意圖；下橋臂電流中直流分量為交流分量峰值為V_c為電容電壓的直流均值；通過圖形觀察可以發(fā)現(xiàn)，選取合適的調(diào)制比能讓半橋子模塊的功率波動在一個工頻周期內(nèi)平衡，從而半橋子模塊穩(wěn)定工作。

如圖6中a、b、c所示，分別為下橋臂電流、類全橋儲能子模塊等效輸出電壓與類全橋儲能子模塊功率脈動情況示意圖；下橋臂電流中直流分量為交流分量峰值為V_c為電容電壓的直流均值；通過圖形觀察可以發(fā)現(xiàn)，選取合適的調(diào)制比能讓類全橋儲能子模塊的功率波動在一個工頻周期內(nèi)的平均值等于電池存儲或釋放的功率，從而類全橋儲能子模塊穩(wěn)定工作。

一種具有儲能功能的模塊化多電平變流器拓?fù)涞目刂品椒ǎ隹刂品椒ú捎幂d波移向SPWM調(diào)制。

以下僅以A相中的上橋臂為例進(jìn)行說明；三個相單元，B、C相與A相的調(diào)制僅存在一個相角差，下橋臂中的子模塊(包括半橋子模塊和類全橋儲能子模塊)交流調(diào)制比是上橋臂中的同類子模塊交流調(diào)制比的相反數(shù)。

在整流、逆變工況：

半橋子模塊中，第一可控開關(guān)器件S1與第二可控開關(guān)器件S2互補(bǔ)導(dǎo)通，記第一可控開關(guān)器件S1調(diào)制波為：

D1＝m_dc-HB+m_ac-HBcos(wt)

類全橋儲能子模塊中：第三可控開關(guān)器件S3與第四可控開關(guān)器件S4、第五可控開關(guān)器件S5與第六可控開關(guān)器件S6互補(bǔ)導(dǎo)通，記第三可控開關(guān)器件S3調(diào)制波為：

D3＝m_dc-FB+m_ac-FBcos(wt)

記第五可控開關(guān)器件S5調(diào)制波為：

D5＝m_b；

將所得的調(diào)制波送入載波移向PWM發(fā)生器中，獲得最終輸出的SPWM波。

設(shè)上橋臂中：半橋子模塊的個數(shù)為N₁，類全橋儲能子模塊的個數(shù)為N₂，直流側(cè)電壓V_d，直流側(cè)電流I_d，交流出線端相電壓峰值V_s，交流側(cè)相電流峰值I_s，功率因數(shù)角電池電流I_b，電池電壓V_b，半橋子模塊電容電壓V_C-HB，類全橋儲能子模塊電容電壓V_C-FB，m_dc-HB、m_ac-HB分別為半橋子模塊調(diào)制比的直流分量和交流分量峰值，m_dc-FB、m_ac-FB分別為類全橋儲能子模塊MMC橋臂調(diào)制比的直流分量和交流分量峰值，m_b為類全橋儲能子模塊儲能橋臂的調(diào)制比。

列寫基爾霍夫電壓方程以及子模塊電容電壓一個工頻周期平衡方程：

以及線性調(diào)制約束條件：

m_dc-HB≥m_ac-HB＞0

m_dc-FB≥m_ac-FB＞0

0≤m_dc-HB+m_ac-HB≤1

0≤m_dc-FB+m_ac-FB≤1

解得上述可控開關(guān)器件調(diào)制波之中的變量滿足以下關(guān)系：

如圖7所示，為一優(yōu)選實施例的類全橋儲能子模塊電池電流閉環(huán)控制：首先，電池電流目標(biāo)值與電池實際電流平均值I_b作差，通過PI閉環(huán)獲得調(diào)制比偏差信號Δm_b，與理想儲能橋臂調(diào)制比進(jìn)行求和，以獲得實際應(yīng)該輸出的調(diào)制比信號m_b；當(dāng)電池電流平均值大于目標(biāo)值時，PI輸出調(diào)制比偏差信號為負(fù)，實際輸出的調(diào)制比信號m_b小于理想調(diào)制比所以電池的充電時間會減少，使得電池電流平均值下降，從而這種控制是可行的；在電池電流平均值小于目標(biāo)值時有同樣的分析。

如圖8所示，為一優(yōu)選實施例的變流器半橋與類全橋儲能子模塊調(diào)制波發(fā)生器：首先，根據(jù)當(dāng)前三相電流的值進(jìn)行dq變換，以獲得當(dāng)前的dq軸電流i_d、i_q；通過經(jīng)典的dq解耦控制，以獲得當(dāng)前應(yīng)該輸出的交流出線端的dq軸電壓V_d、V_q；再經(jīng)逆dq變換獲得當(dāng)前應(yīng)該輸出的交流出線端相電壓峰值V_s；根據(jù)V_s與其他實際工況中測量到的數(shù)值，代入計算調(diào)制比的公式(1)-(5)，即可得到半橋子模塊與類全橋儲能子模塊應(yīng)該輸出的調(diào)制比，從而發(fā)出合適的調(diào)制波，并和對應(yīng)子模塊的三角載波(由控制板發(fā)出)進(jìn)行比較后產(chǎn)生控制信號。

以上對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。