一种模块化隔离型电池储能变换器的准方波调制方法
【技术领域】
[0001] 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 变换器的准方波调制方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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Η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η个子模块串联而成，每个模块的直流侧接直流 母线电容。
[0004] 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】
[0005] 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 能变换器提供一种准方波调制方法，变压器原边交流电压不是准方波，而是准方波，即原准 方波上升沿与下降沿呈阶梯形状，各个子模块输出交流电压之间存在相位差，并通过调节 变压器原副边高频准方波电压的相位差，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。
[0006] 本发明提供一种隔离型模块化多电平储能变换器的准方波调制方法，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Lp接原边桥臂Arm_pl的输出端，变压器原边桥臂Arm_pl由m个Η桥级联而成，m个Η桥的串联的输出作为原边 桥臂Arm_pl的输出，每个Η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 感匕、副边桥臂Arm_sl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；副边桥臂Arm_sl由η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_sl的每个模块采用全桥结构或半桥结构；
[0007] 所述原边桥臂Arm_pl各个Η桥能输出三种状态（_1、0、1)，变压器原边准方波电压 的范围是-m~m;当副边桥臂Arm_sl每个子模块采用全桥结构时，g[J边桥臂Arm_sl输出 准方波电压范围是-η~η;每个半桥只能输出两种状态（0、1)，当Arm_sl每个模块采用半 桥结构时，Arm_sl输出准方波电压范围是0~η;
[0008] 所述变压器原副边交流电压不是标准的准方波，而是上升沿与下降沿呈现阶梯状 的准方波，即原边桥臂Arm_p1各个Η桥、副边桥臂Arm_s1各子模块交流输出电压占空比均 小于等于〇. 5且互不相等；
[0009] 所述变换器为实现储能电池与直流电网之间的能量双向传递，需要在变压器原副 边准方波之间存在相位差的所述方法通过调节原边准方波电压与副边准方波电压之间的 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 器副边桥臂各个子模块直流母线电容电压，通过调节变压器副边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。
[0010] 优选地，所述变压器原边交流电压不是准方波，而是准方波，即原准方波上升 沿与下降沿呈阶梯形状，原边桥臂的各个Η桥输出交流电压之间存在相位差，原边桥臂 Arm_pl各个Η桥输出交流电压在半个开关周期内的占空比由大到小依次记为DP11~DΡ1_ "(0.4 <DP1」< 0·5，1 <i<m)，DP1-i与DP1-1+1(1 <i<m)之间差值相同或不相同；为了 提高交流电压有效值，DP1j(1 <i<m)尽量接近于0. 5。所述原边桥臂Arm_pl采用Η桥 级联式结构，变压器原边侧交流电压为正负对称的准方波。
[0011] 优选地，所述副边桥臂Arm_sl各个子模块占空比由大到小依次记为Dsll~Dsl_ n(0.4彡Dsl」彡0. 5, 1彡j彡n)，Dsl^Dsl_1+1(l彡j彡η)之间差值相同或不相同，但是为 了提高交流电压有效值，Dsl](l<j<η)应尽量接近于0. 5。由于副边直流电网存在，为 了维持副边桥臂Arm_s1各个Η桥电压稳定，变压器副边交流电压为关于直流电网vd。对称 的准方波。
[0012] 优选地，所述方法通过控制副边桥臂Arm_sl所有子模块直流母线电压可以调节 变压器原副边准方波的相位差，即副边桥臂Arm_sl所有子模块直流母线电压的额定值与 副边桥臂Arm_sl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@。_
[0013] 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_sl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L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vd。偏差作为 副边桥臂Arm_sl直流电压调制信号vsl_d。。
[0014] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0015] 本发明的隔离型模块化多电平储能变化器的准方波调制策略，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4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准方波调制。
【附图说明】
[0016] 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：
[0017] 图1为本发明一实施例的变换器的拓扑结构；
[0018] 图2为本发明一实施例的准方波调制原理图；
[0019] 图3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平 均等效电路图；
[0020] 图4为本发明一实施例的Arm_s1各个模块直流母线电容电压均衡的控制图；
[0021] 图5为本发明一实施例的Arm_sl输出电压直流分量调制信号生成。
【具体实施方式】
[0022] 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。
[0023] 如图1所示，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 器的电路拓扑：变压器原边通过一个滤波电感Lp接原边桥臂Arm_pl的输出端，变压器原边 桥臂Arm_pl由m个Η桥级联而成，m个Η桥的串联的输出作为原边桥臂Arm_pl的输出，每 个Η桥的直流侧接储能电池；隔离变压器原边桥臂Arm_pl由m个Η桥级联而成，每个Η桥 记为cellplj(l彡i彡m)，cellplj直流侧接储能电池，cellρ1」直流侧电池电压记为νρ1」_ dc(l彡i彡m)，cellpl-;交流端输出记为vpl-ac(l彡i彡m)，ipl-dc(l彡i彡m)为cellpl- i直流侧电流，im(l<i<m)为cellpll输出侧电流。原边滤波电感为Lp，原边电流为 ??ρ，变压器变比为1 :N。
[0024] 变压器的副边侧一端通过一个滤波电感Ls、副边桥臂Arm_sl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；副边桥臂Arm_sl由η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_sl的每个模块拓扑既 可以是半桥结构也可以是全桥结构，每个子模块记为cellslj(l<j<n)，cellslj直流侧 接电容，电容电压记为vsl」_dt:(l彡j彡n)，cellsl」交流端输出记为vsl」_at:(l彡j彡η)，isl_ #(1彡J_彡η)为cellsl」直流侧电流，isl」_at:(l彡j彡η)为cellsl」输出侧电流。副边滤 波电感为Ls，副边电流为紅,。直流电网母线电压为vd。，电流为id。。
[0025] 所述原边桥臂Arm_pl各个储能模块采用Η桥结构，每个Η桥可以输出三种状态 (_1、0、1)，所以变压器原边准方波电压的范围是-m~m。当副边桥臂Arm_sl每个子模块采 用全桥结构时，副边桥臂Arm_sl输出准方波电压范围是-η~n，由于每个半桥只可以输出 两种状态（〇、1)，所以当副边桥臂Arm_sl每个子模块采用半桥结构时，g[J边桥臂Arm_sl输 出准方波电压范围是0~η。
[0026] 由于采用模块化设计，即使每个模块的的电压等级比较低，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。
[0027] 所述变压器原边交流电压不是准方波，而是准方波，即原准方波上升沿与下降 沿呈阶梯形状，各个子模块输出交流电压之间存在相位差；原边桥臂Arm_pl各个Η桥 输出交流电压在半个开关周期内的占空比由大到小依次记为DP11~DΡ1ηι (0. 4彡DP1_ A0. 5, 1彡i彡m)，DP11与DP1_1+1(l彡i彡m)之间差值可以相同也可以不相同，但是为了 提高交流电压有效值，DP11 (1 &l