一种模块化隔离型电池储能变换器及其调制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电气自动化设备技术领域，具体地，设及一种模块化隔离型电池储能 变换器及其调制方法。
【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W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。
[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】
阳0化]针对现有技术的缺陷，本发明的目的提供一种模块化隔离型电池储能变换器，同 时为模块化隔离型电池储能变换器提供一种两电平调制方法，通过调节变压器原副边高频 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，并通过相应的控制策 略，实现系统稳定可靠运行。
[0006] 根据本发明的第一方面，提供一种模块化隔离型电池储能变换器，所述模块化隔 离型电池储能变换器包括变压器，其拓扑结构为：变压器原边桥臂Arm_pl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_pl通过一个滤波电感Lp接变压 器原边；变压器的副边侧一端通过一个滤波电感Lg、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；桥臂Arm_sl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_sl的每个模块为全桥结构或半 桥结构。
[0007] 本发明中，变压器原边为高频方波，即变压器原边m个H桥之间没有相位差，每个H桥能输出S种状态（-1、0、1)，则变压器原边方波电压的范围是-m~m;
[0008] 变压器副边为高频方波，即变压器副边n个子模块之间没有相位差，每个全桥能 输出S种状态（-1、0、1)，则当桥臂Arm_sl每个模块采用全桥结构时，桥臂Arm_sl输出方波 电压范围是-n~n;每个半桥只能输出两种状态（0、1)，则当桥臂Arm_sl每个模块采用半 桥结构时，Arm_sl输出方波电压范围是0~n;
[0009] 根据本发明的第二方面，提供一种模块化隔离型电池储能变换器的调制方法，其 中：所述方法通过调节变压器原边方波电压与副边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。
[0010] 优选地，所述方法通过控制桥臂Arm_sl所有子模块直流母线电压，调节变压器 原、副边方波的相位差f，即桥臂Arm_sl直流母线电压的额定值与桥臂Arm_sl所有子模块 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沪
[0011] 优选地，所述变压器副边侧电流平均值通过校正桥臂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Arm_ Si直流电压调制信号Vdd。。
[0012] 经过上述方波调制与控制策略，变换器直流电网侧直流电流id。能实现准确的控 审IJ，而且该变换器能实现有源滤波和限流功能。
[0013]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0014] 本发明提供了一种新颖的模块化隔离型电池储能变换器，同时提供了其调制策 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W等效为图3的平 均模型的所有模块化隔离型电池储能变换器的方波调制。
【附图说明】
[0015] 通过阅读参照W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：
[0016] 图1为本发明一实施例的变换器的拓扑结构；
[0017] 图2为本发明一实施例的方波调制原理图；
[0018]图3为本发明一实施例的变换器的等效平均模型；
[0019] 图4为本发明一实施例的桥臂Arm_sl各个模块直流母线电容电压均衡的控制 图；
[0020] 图5为本发明一实施例的桥臂A;rm_sl输出电压直流分量调制信号生成原理图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合具体的实施例对本发明进行详细的说明。W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W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W做出若干变形和改进，运都属于本发 明的保护范围。 阳0巧如图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_pl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_pl通过一个滤波电感Lp接变压器原边；
[0023] 隔离变压器原边桥臂A;rm_pl的每个H桥记为cellpu(1《i《m)，cellpu直流侧 接储能电池，cellpu直流侧电池电压记为V《i《m) ,cellpu交流端输出记为VPL i_ac(l《i《m)，ipi丄dc(l《i《m)为cellpL道流侧电流，iPi丄ac(l《i《m)为cellpLi输出侧电流。原边滤波电感为Lp,原边电流为变压器变比为1 :N。
[0024] 变压器的副边侧一端通过一个滤波电感心副边桥臂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；变压器副边桥臂Arm_sl由 n个子模块串联，每个子模块拓扑既可W是半桥结构也可W是全桥结构，每个子模块记为 cellsi」（1《j《n)，cellsu直流侧接电容，电容电压记为Vsi」_dc(l《j《n)，cellsi」交流 端输出记为Vsi」_a。(I《j《n)，isi」_d。（I《j《n)为celLu直流侧电流，isi」_a。（I《j《n) 为celLu输出侧电流。副边滤波电感为Lg，副边电流为i^。直流电网母线电压为Vd。，电 流为id。。
[0025] 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W达到较高的电压 等级，从而实现低损耗，低成本，高开关频率。
[00%] 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方波之间 存在相位差?^。
[0027] 变压器原边为高频方波，即原边m个H桥之间没有相位差，由于每个H桥可W输出 S种状态（-1、0、1)，所W变压器原边方波电压的范围是-m~m。变压器副边为高频方波， 即副边n个子模块之间没有相位差，由于每个全桥可W输出S种状态（-1、0、1)，所W当副 边桥臂A;rm_sl每个子模块采用全桥结构时，A;rm_sl输出方波电压范围是-n~n，由于每个 半桥只可W输出两种状态（〇、1)，所W当Arm_sl每个模块采用半桥结构时，副边桥臂Arm_ Si输出方波电压范围是0~n。
[0028] 上述模块化隔离型电池储能变换器的调制方法，具体包括W下方面：
[0029] SI,基于图1的模块化隔离型电池储能变换器，为使Arm_sl各个模块直流电容电 压稳定在额定值附近，将Arm_sl每个模块直流侧电容电压额定值Vgfmsi^d。*与Arm_sl所有 模块直流侧电容电压平均值。比较，比较后的偏差经PI调节器校正后作为相位差終， 即通过校正相位差口稳定Arm_sl各个模块直流电容电压。
[0030] S2,基于图1的模块化隔离型电池储能变换器，根据方波调制原理，原副边桥臂 Arm_pl、Arm_sl所有模块输出之间没有相位差，即所有模块输出占空比均为0. 5或者0,即 Arm_pl与Arm_sl输出Vpi与Vd均为方波，且两方波之间相位差为和根据Vpi与Vd方波幅 值确定A;rm_pl与A;rm_sl载入模块个数。 阳03US3,为了控制需要校正Arm_sl输出电压直流分量