专利名称：电池储能用全npc三电平两级变换器的拓扑结构与调制方法
技术领域：
本发明涉及电力电子拓扑、多电平技术、中点控制技术，特别是电池储能用全NPC 三电平两级变换器的拓扑结构与调制方法。
背景技术：
电池储能装置在风电场接入电网的电能稳定，核电站应急电源系统、核电站备用电池车等大功率领域具有重要的应用价值和市场。电池储能变换器是储能系统的重要组件，随着储能市场的迅速扩大，众多世界一流厂商都基于原有技术推出了电池储能变流器产品，如ABB的PCS100-ESS就是在PCS100通用变流器模块的基础上发展起来的。从技术的角度考虑，将原有的DC/AC变换器通过并联扩容用于电池储能系统，存在两方面的问题一是单级DC/AC变换器直接和电池连接，快速小幅度的功率波动直接由电池组承受，影响电池寿命，而电池成本占到了整个系统成本的60%以上；二是两电平的单级变换器，考虑电池输出直流电压的因素，一般输出电压为低压，电压范围一般为几百伏，和风场的IOkV母线或者核电站的母线连接时需要高升压比的大功率变压器，由于低压侧存在巨大电流，对变压器的设计、性能等要求非常高。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了电池储能用的DC/DC/AC (Direct Current/ Direct Current/Alternative Current,直流 / 直流 / 交流)全 NPC (Neutral-Point Clamped,中点钳位)三电平两级变换器拓扑结构，采用全三电平NPC拓扑结构，兼顾了大容量、电压等级以及电池电压匹配的问题，高频功率流动的影响在两级之间的DC环节得到有效的缓冲，对电池组起到保护作用；同时，针对NPC全三电平结构的中电电压平衡问题，完全解决该新型结构的中点电位平衡问题。本发明的实施方案如下
电池储能用全NPC三电平两级变换器拓扑结构，其特征在于包括DC/AC (Direct Current/Alternative Current,直、流 / 交、流)环节禾口 DC/DC (Direct Current/ Direct Current，直流/直流)环节，DC/AC环节为六桥臂NPC三电平DC/AC变换器，DC/DC环节为半桥双向NPC三电平并联DC/DC变换器；
所述六桥臂NPC三电平DC/AC变换器包括三组三电平H桥臂，分别对应A、B、C三相， 每相H桥的结构和参数相同；每个H桥均为标准NPC三电平电路，由两个NPC三电平半桥组成，分别称为正桥臂和负桥臂，每个桥臂都由四个全控电力电子开关器件串联而成，正桥臂开关器件从上到下为Tl+、T2+、T3+、T4+ ；负桥臂开关器件从上到下为Tl-、T2-、T3-、T4-, 每个全控开关器件均与一个二极管反并联，每个桥臂的四个串联开关管中的最上面两个， 即Tl+和T2+、Tl-和T2-的连接点分别通过续流二极管连接到直流母线的中点M，每个桥臂的四个串联开关管中的最下面两个，即T3+和T4+、T3-和T4-的的连接点通过与所述续
5流二极管方向相反的二极管与M点连接；直流母线由两组电容器串联而成，串联连接点即为直流母线的中点M ；
所述半桥双向NPC三电平并联DC/DC变换器的半桥桥臂与六桥臂NPC三电平DC/AC变换器中的单个桥臂结构和参数一致，且半桥双向NPC三电平并联DC/DC变换器和所述直流母线及其中点M相连；
所述半桥双向NPC三电平并联DC/DC变换器的桥臂上，包括四个串联的全空器件Tl、 T2、T3、T4，位于中间的两个全空器件T2、T3的连接点与直流平波电抗器连接，直流母线的负极连接电池组的负极E-，电池组E的正极E+与平波电抗器串联；当单个半桥双向NPC三电平DC/DC变换器的容量无法达到DC/AC环节的容量时，可以通过将多个DC/DC环节并联至直流母线及其中点M的方式实现容量的匹配。所述DC/DC/AC全NPC三电平两级变换器拓扑结构应用于大容量电池储能系统时， 由于半桥双向NPC三电平并联DC/DC变换器的平波电抗器的电感取值Lf与电流纹波的大小以及DC/DC环节的响应速度密切相关，DC/DC环节的响应速度直接关系到网侧变换器直流电压的稳定和储能系统的功率控制效果，所以平波电抗器取值满足以下条件
权利要求
1.电池储能用全NPC三电平两级变换器拓扑结构，其特征在于包括DC/AC环节和DC/ DC环节，DC/AC环节为六桥臂NPC三电平DC/AC变换器，DC/DC环节为半桥双向NPC三电平并联DC/DC变换器。
2.根据权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于所述六桥臂NPC三电平DC/AC变换器包括三组三电平H桥臂，分别对应A、B、C三相，每相H桥的结构和参数相同；每个H桥均为标准NPC三电平电路，由两个NPC三电平半桥组成，分别称为正桥臂和负桥臂，每个桥臂都由四个全控电力电子开关器件串联而成，正桥臂开关器件从上到下为T1+、T2+、T3+、T4+ ； 负桥臂开关器件从上到下为Τ1-、Τ2-、Τ3-、Τ4-，每个全控开关器件均与一个二极管反并联， 每个桥臂的四个串联开关管中的最上面两个，即Tl+和Τ2+、Tl-和Τ2-的连接点分别通过续流二极管连接到直流母线的中点Μ，每个桥臂的四个串联开关管中的最下面两个，即Τ3+ 和Τ4+、Τ3-和Τ4-的的连接点通过与所述续流二极管方向相反的二极管与M点连接；直流母线由两组电容器串联而成，串联连接点即为直流母线的中点M ；所述半桥双向NPC三电平并联DC/DC变换器的半桥桥臂与六桥臂NPC三电平DC/AC变换器中的单个桥臂结构和参数一致，且半桥双向NPC三电平并联DC/DC变换器和所述直流母线及其中点M相连。
3.根据权利要求1或2所述的拓扑结构，其特征在于所述半桥双向NPC三电平并联 DC/DC变换器的桥臂上，包括四个串联的全空器件Tl、T2、T3、T4，位于中间的两个全空器件 T2、T3的连接点与直流平波电抗器连接，直流母线的负极连接电池组的负极Ε-，电池组E的正极E+与平波电抗器串联；当单个半桥双向NPC三电平DC/DC变换器的容量无法达到DC/ AC环节的容量时，通过将多个DC/DC环节并联至直流母线及其中点M的方式实现容量的匹配。
4.根据权利要求3所述的拓扑结构，其特征在于当所述拓扑结构应用于大容量电池储能系统时，平波电抗器的电感取值乙满足以下条件
5.根据权利要求1或4所述的拓扑结构，其特征在于所述DC/DC环节的变换器的总容量与DC/AC环节的变换器的总容量一致，DC/DC环节的器件选型与DC/AC环节的器件在额定电压上一致。
6.根据权利要求1或4所述的拓扑结构，其特征在于所述六桥臂NPC三电平DC/AC变换器的单相输出电压表示为
7.针对权利要求6所述拓扑结构的调制方法，其特征在于所述六桥臂NPC三电平DC/ AC变换器的每相H桥有九种开关状态，五个输出电平，当单相的正或负桥臂开关状态为2或 0时，Isc对中点电位没有影响；当开关状态为1納,若Udcl〉Udc2,电流流入中点则抑制偏移，流出中点则加剧偏移 芳_1狐2，电流流出中点则抑制偏移，流入中点则加剧偏移；当巧和巧同时为1时，中点电位不受相电流影响。
8.根据权利要求7所述的调制方法，其特征在于为控制中点电位平衡，J相电压指令 Ur*在不同输出电平范围、直流母线上下电容电压Udcl和似&、输出J相电流iW (J=a, b 或c)满足如下关系时，对应的开关策略如下A、当0.5<Ur*< 1时，若Udcl>Udc2，isj>0，则开关状态选取《=之1，巧=0 ； 当 0.5<Ur*f 1 时，若 Udcl>Udc2，isj<0，则开关状态选取《=^,S7 = 1,0 ； 当0. 5<Ur* s 1时，若Udcl<Udc2，isj >0，则开关状态选取《== 1,0 ； 当 0. 5<Ur* < 1 时，若 Udcl<Udc2，is j<0，则开关状态选取< =2二巧=0 ；B、当0<Ur* s 0. 5 时，若 Udcl>Udc2，isj>0,则开关状态选取S} =1，S; =1，0 ； 当 0<to·* < 0. 5 时，若 Udcl>Udc2，is j<0，则开关状态选取巧=2，SJ =2，1 ； 当 0<Ur* < 0. 5 时，若 Udcl<Udc2，isj >0，则开关状态选取芍=2，SJ =2，1 ； 当 _ 0 5 时，若 Udcl<Udc2，isj <0，则开关状态选取巧=1，S] =1,0 ；C、当-0.5<Ur* < 0 时，若 Udcl>Udc2，isj >0，则开关状态选取芍=1，S] =2，1 ； 当-0. 5<Ur* < 0 时，若 UdcDUdc2，isj <0，则开关状态选取巧=1，0, S] =1 ； 当-0. 5<Ur* 左 0 时，若 Udcl<Udc2，isj >0，则开关状态选取巧=1，0, S; =1 ； 当-0. 5<Ur* < 0 时，若 Udcl<Udc2，isj <0，则开关状态选取-Xj =1，S] =2，1 ；D、当-1 Ur* -0· 5 时，若 UdcDUdc2，isj >0，则开关状态选取S} =1，0, S; =2 ； 当-1 S Ur* < -0. 5 时，若 UdcDUdc2，is j<0，则开关状态选取巧=0，S] =2, 1 ；当-1 S Ur* < -0. 5 时，若 Udcl<Udc2，is j>0，则开关状态选取巧=0，S] =2，1 ；当-1 S Ur* S -0· 5 时，若 Udcl<Udc2，isj <0，则开关状态选取巧=1，0, S] =2 ；根据上述开关策略，中点平衡控制能够持续向中点提供有益的控制能力而抑制中点偏移，且不会增加总的开关损耗，在实现三电平DPWM调制的同时简单地实现中点平衡控制。
9.根据权利要求8所述的调制方法，其特征在于所述拓扑结构在两电干模式下工作时，将电平从0跳变到0.5的时间提前ΔΙ ,把电平从0.5跳变到1的时间推迟u且 大于器件完全导通、关断所需时间，则将^^/淑控制到普通三电平等级，而ii/对中点电位的冲击时间仅仅为4 M，因此中点电位强制恢复模式下三电平时间片的计算式如下
全文摘要
本发明涉及电力电子拓扑、多电平技术、中点控制技术，特别是电池储能用全NPC三电平两级变换器的拓扑结构与调制方法，该结构包括DC/AC环节和DC/DC环节，DC/AC环节为六桥臂NPC三电平DC/AC变换器，DC/DC环节为半桥双向NPC三电平并联DC/DC变换器，该调制方法通过中点平衡控制策略持续向中点提供有益的控制能力而抑制中点电位偏移，并在中点电位出现明显偏移时实施强制恢复；本拓扑结构可使储能系统输出的高频功率波动在直流母线得到缓冲，对电池组起到保护作用；三电平结构使输出电压等级更高，对变压器要求相对降低，系统效率更高；本发明应用于10MW级电池储能系统时，DC/AC环节无须并联，可靠性提高。
文档编号H02M7/483GK102427302SQ201110444299
公开日2012年4月25日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年12月27日
发明者况明伟, 吴建东, 唐健 申请人:中国东方电气集团有限公司