一种基于A-NPC拓扑的三电平储能变流器的制作方法与流程

本发明涉及新能源与储能技术领域，并且更具体地涉及一种基于a-npc拓扑的三电平储能变流器的制作方法。

背景技术：

分布式储能装置在用户侧的推广及使用，满足了用户能量自由支配、节约电费支出及紧急电力供应等需求，同时也对储能装置提出了高效率、轻量化、小型化等要求。相较于传统两电平变流器，三电平变流器具备输出电压电流波形畸变小、器件开关损耗小、直流电流纹波小等优点，利于减小滤波电路体积、提升系统效率，被越来越多的应用到分布式新能源发电及储能领域。

目前使用较多的三电平变流器拓扑包括ⅰ型拓扑和t型拓扑，其中ⅰ型三电平拓扑即二极管钳位型三电平拓扑(three-levelneutralpointclampedconverter，npc)存在功率管损耗不均的现象，存在主电路散热设计及大功率集成困难等问题，而t型三电平拓扑(t-typethree-levelneutralpointclampedconverter，t-npc)用可控的开关器件代替钳位二极管，通过提供可选的换流通道实现损耗均衡，可显著提升变流器功率等级。在此基础上，日本富士电机推出新型t型三电平拓扑(advancedt-typethree-levelneutralpointclampedconverter，a-npc)即逆阻型npc三电平拓扑，该拓扑采用如图1所示，两个逆阻型igbt(reverseblockingigbt，rb-igbt)反并联实现中点钳位，较t-npc拓扑每相桥臂少两个钳位二极管，进一步减小了器件导通损耗、开关损耗和电抗器损耗，具备较高的工程应用价值。

技术实现要素：

发明目的在于研发一种变流器减小变流器的开关损耗、导通损耗和电抗器损耗，提升变流器效率；减小滤波电感设计量，从而减小系统体积和重量，提升变流器的功率密度；降低变流器的制作成本，提升储能系统性价比，提出了一种基于a-npc拓扑的三电平储能变流器的制作方法，本发明方法包括：

确定主电路的电路结构；

所述主电路的电路结构包括：隔离变压器、lcl滤波电路、a-npc三电平模块和直流滤波电容；所述lcl滤波电路包括滤波电感l1、滤波电感l2和滤波电容c0，所述隔离变压器与滤波电感l1相连，滤波电感l2与a-npc三电平模块交流侧相连，a-npc三电平模块直流侧与直流滤波电容相连；

确定控制系统硬件结构；

所述控制系统硬件电路基于dsp和fpga架构，包括dsp主控制器、fpga辅助控制器、光电转换及驱动电路；dsp主控制器通过电压电流采样及光耦隔离电路与主电路相连，dsp主控制器与fpga辅助控制器通过地址总线和数据总线相连，fpga辅助控制器通过电信号线与光电转换及驱动电路相连，光电转换及驱动电路通过光纤与主电路相连；

确定控制系统软件策略；

所述控制系统软件策略包括基于dsp主控制器的有源整流控制策略和基于fpga的正弦脉宽调制策略；

所述基于dsp主控制器的有源整流控制策略采用直接电流控制方式对变流器双向并网控制，根据三相平衡系统瞬时无功电压为零理论构建软件锁相环；

dsp主控制器采样电网三相电压值uabc，经坐标变换得到pi运算器反馈值无功电压分量uq，系统无功电压分量给定值uq^*为零，pi运算器输出与紧邻计算周期计算得到的相角值θ0相减得到此刻相角值θ，此刻相角值θ作为下个计算周期相角值θ0；

dsp主控制器采样交流侧三相电压电流uabc和iabc，经坐标变换得到两相旋转坐标系下有功电压ud、无功电压uq、有功电流id和无功电流iq分量，变流器交流输出的有功电流id^*与变流器交流输出的无功电流给定值iq^*，id^*与有功电流反馈值id的差值和iq^*与无功电流反馈值iq的差值经pi调节后，通过前馈解耦算法得到中间变量vd、vq，对vd、vq做坐标反变换得到旋转坐标系中三相初始调制波形va0、vb0、vc0，在三相初始调制波中注入零序电压分量v0，从而得到三相调制波va、vb、vc，三相调制波形分别通过并行总线送至fpga辅助控制器；

所述基于fpga辅助控制器的正弦脉宽调制策略控制fpga辅助控制器接收到dsp主控制器发送的三相调制波后分别与上载波和下载波比较，每相桥臂可得四路驱动信号s1、s2、s3和s4，经死区调整后驱动开关管q1、q2、q3和q4动作，当三相调制波大于上载波时，s1经4us延时输出高电平驱动q1管开通，s3输出低电平驱动q3管关断；当三相调制波小于上载波时，s1输出低电平驱动q1管关断，s3经4us延时输出高电平驱动q3管开通；当三相调制波大于下载波时，s4经4us延时输出高电平驱动q4管开通，s2输出低电平驱动q2管关断；当三相调制波小于下载波时，s4输出低电平驱动q4管关断，s2经4us延时输出高电平驱动q2管开通，其中q1和q3交替导通，q2和q4交替导通，当紧急信号或停机信号发生时，q1、q2即刻关断，q3、q4延时1us关断。

可选的，控制方式有单环控制和双环控制，所述单环控制是交流输出电流环控制，实现变流器交流侧恒流输出；所述双环控制是外环控制和内环控制，内环为交流输出电流环，外环根据变流器工作模式的不同，选择交流输出功率环、直流输出功率环、直流输出电压环和直流输出电流环为外环，从而实现变流器恒压、恒流、恒功率不同工作模式的控制。

可选的，fpga辅助控制器还通过采集变流器运行状态反馈对外部io控制。

可选的，外部io控制包括交直流接触器通断控制、预充电接触器通断控制、散热风扇启停控制和指示灯控制。

可选的，主电路中隔离变压器对变流器和电网的进行隔离并滤除三次谐波；所述隔离变压器选用y/△型绕组结构，三角侧接电网，星形侧接lcl滤波电路；lcl滤波器对高频分量呈现高阻抗，对高次谐波电流起到衰减作用；直流滤波电容包括电容c1和电容c2，电容c1和电容c2串联，所述直流滤波电容用于a-npc三电平模块稳定直流侧电压，避免电压波动。

可选的，控制系统硬件dsp主控制器用于变流器电压电流采集、坐标变换、调制波输出和与上位机信息交互；fpga辅助控制器用于变流器正弦脉宽调制、死区产生、保护信号处理、状态信号采集和外部io控制；光电转换及驱动电路用于变流器的驱动信号和状态保护信号的光电转换，用于控制系统硬件与主电路的隔离。

可选的，控制系统硬件结构通过rs232接口与上位机监控系统相连。

可选的，上位机监控系统基于wince系统和c#语言实现，控制系统实时接收上位机监控系统下发的控制信号、pid参数和实时运行参数，根据上位机监控系统要求上送系统参数、实时运行工况和实时电压电流采样信号。

可选的，上位机监控系统实时控制变流器的智能运行。

本发明还提供一种基于a-npc拓扑的三电平储能变流器，本发明变流器包括：

主电路；

所述主电路包括：隔离变压器、lcl滤波电路、a-npc三电平模块和直流滤波电容；所述lcl滤波电路包括滤波电感l1、滤波电感l2和滤波电容c0，所述隔离变压器与滤波电感l1相连，滤波电感l2与a-npc三电平模块交流侧相连，a-npc三电平模块直流侧与直流滤波电容相连；

控制系统硬件；

所述控制系统硬件基于dsp和fpga架构，包括dsp主控制器、fpga辅助控制器、光电转换及驱动电路；dsp主控制器通过电压电流采样及光耦隔离电路与主电路相连，dsp主控制器与fpga辅助控制器通过地址总线和数据总线相连，fpga辅助控制器通过电信号线与光电转换及驱动电路相连，光电转换及驱动电路通过光纤与主电路相连；

控制系统软件；

所述控制系统软件包括基于dsp主控制器的有源整流控制策略和基于fpga的正弦脉宽调制策略；

所述基于dsp主控制器的有源整流控制策略采用直接电流控制方式对变流器双向并网控制，根据三相平衡系统瞬时无功电压为零理论构建软件锁相环；

dsp主控制器采样电网三相电压值uabc，经坐标变换得到pi运算器反馈值无功电压分量uq，系统无功电压分量给定值uq^*为零，pi运算器输出与紧邻计算周期计算得到的相角值θ0相减得到此刻相角值θ，此刻相角值θ作为下个计算周期相角值θ0；

dsp主控制器采样交流侧三相电压电流uabc和iabc，经坐标变换得到两相旋转坐标系下有功电压ud、无功电压uq、有功电流id和无功电流iq分量，变流器交流输出的有功电流id^*与变流器交流输出的无功电流给定值iq^*，id^*与有功电流反馈值id的差值和iq^*与无功电流反馈值iq的差值经pi调节后，通过前馈解耦算法得到中间变量vd、vq，对vd、vq做坐标反变换得到旋转坐标系中三相初始调制波形va0、vb0、vc0，在三相初始调制波中注入零序电压分量v0，从而得到三相调制波va、vb、vc，三相调制波形分别通过并行总线送至fpga辅助控制器；

所述基于fpga辅助控制器的正弦脉宽调制策略控制fpga辅助控制器接收到dsp主控制器发送的三相调制波后分别与上载波和下载波比较，每相桥臂可得四路驱动信号s1、s2、s3和s4，经死区调整后驱动开关管q1、q2、q3和q4动作，当三相调制波大于上载波时，s1经4us延时输出高电平驱动q1管开通，s3输出低电平驱动q3管关断；当三相调制波小于上载波时，s1输出低电平驱动q1管关断，s3经4us延时输出高电平驱动q3管开通；当三相调制波大于下载波时，s4经4us延时输出高电平驱动q4管开通，s2输出低电平驱动q2管关断；当三相调制波小于下载波时，s4输出低电平驱动q4管关断，s2经4us延时输出高电平驱动q2管开通，其中q1和q3交替导通，q2和q4交替导通，当紧急信号或停机信号发生时，q1、q2即刻关断，q3、q4延时1us关断。

本发明的优点在于基于逆阻型igbt中点钳位三电平拓扑构建储能变流器系统，可实现并网运行工况下平滑的电压电流输出，具备转换效率高、功率因数高、电流谐波小等特点。用于分布式储能系统和集中式储能系统，可降低滤波电路电感设计值，从而减小系统整体尺寸以提升功率密度，便于储能系统小型化及模块化设计；另外变流器系统功率的提升可增加储能系统能量利用率，从而减少储能载体的投入成本，具有节能减排的社会效益和经济效益。

附图说明

图1为本发明一种基于a-npc拓扑的三电平储能变流器的制作方法a-npc拓扑图；

图2为本发明一种基于a-npc拓扑的三电平储能变流器的制作方法主电路电路结构图；

图3为本发明一种基于a-npc拓扑的三电平储能变流器的制作方法控制系统硬件结构图；

图4为本发明一种基于a-npc拓扑的三电平储能变流器的制作方法基于dsp的软件锁相环及直流电流控制逻辑框图；

图5为本发明一种基于a-npc拓扑的三电平储能变流器的制作方法基于fpga的正弦波脉宽调制策略框图；

基于fpga的正弦波脉宽调制策略框图

图6为本发明一种基于a-npc拓扑的三电平储能变流器的制作方法流程图；

图7为本发明一种基于a-npc拓扑的三电平储能变流器结构图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

本发明提供一种基于a-npc拓扑的三电平储能变流器的制作方法，本发明为基于如图1所示的逆阻型igbt中点钳位三电平拓扑构建储能变流器系统，如图6所示，本发明具体流程包括：

确定主电路的电路结构；

如图2所示，主电路的电路结构包括：隔离变压器、lcl滤波电路、a-npc三电平模块和直流滤波电容；所述lcl滤波电路包括滤波电感l1、滤波电感l2和滤波电容c0，所述隔离变压器与滤波电感l1相连，滤波电感l2与a-npc三电平模块交流侧相连，a-npc三电平模块直流侧与直流滤波电容相连；

电网通过隔离变压器与滤波电感l1相连，直流滤波电容c1和c2串联后与储能电池并联；

主电路中隔离变压器对变流器和电网的进行隔离并滤除三次谐波；所述隔离变压器选用y/△型绕组结构，三角侧接电网，星形侧接lcl滤波电路；lcl滤波器对高频分量呈现高阻抗，对高次谐波电流起到衰减作用；直流滤波电容包括电容c1和电容c2，电容c1和电容c2串联，所述直流滤波电容用于a-npc三电平模块稳定直流侧电压，避免电压波动。

确定控制系统硬件结构；

控制系统硬件电路基于dsp和fpga架构，如图3所示，包括dsp主控制器、fpga辅助控制器、光电转换及驱动电路；dsp主控制器通过电压电流采样及光耦隔离电路与主电路相连，dsp主控制器与fpga辅助控制器通过地址总线和数据总线相连，fpga辅助控制器通过电信号线与光电转换及驱动电路相连，光电转换及驱动电路通过光纤与主电路相连；

控制系统硬件dsp主控制器用于变流器电压电流采集、坐标变换、调制波输出和与上位机信息交互；fpga辅助控制器用于变流器正弦脉宽调制、死区产生、保护信号处理、状态信号采集和外部io控制；光电转换及驱动电路用于变流器的驱动信号和状态保护信号的光电转换，用于控制系统硬件与主电路的隔离；

fpga辅助控制器还通过采集变流器运行状态反馈对外部io控制，外部io控制包括交直流接触器通断控制、预充电接触器通断控制、散热风扇启停控制和指示灯控制；

控制系统硬件结构通过rs232接口与上位机监控系统相连，上位机监控系统基于wince系统和c#语言实现，控制系统实时接收上位机监控系统下发的控制信号、pid参数和实时运行参数，根据上位机监控系统要求上送系统参数、实时运行工况和实时电压电流采样信号，上位机监控系统实时控制变流器的智能运行。

确定控制系统软件策略；

其中，控制系统软件策略包括基于dsp主控制器的有源整流控制策略和基于fpga的正弦脉宽调制策略；

其中，基于dsp主控制器的有源整流控制策略采用直接电流控制方式对变流器双向并网控制，根据三相平衡系统瞬时无功电压为零理论构建软件锁相环；控制方式有单环控制和双环控制，所述单环控制是交流输出电流环控制，实现变流器交流侧恒流输出；所述双环控制是外环控制和内环控制，内环为交流输出电流环，外环根据变流器工作模式的不同，选择交流输出功率环、直流输出功率环、直流输出电压环和直流输出电流环为外环，从而实现变流器恒压、恒流、恒功率不同工作模式的控制；

如图4所示，dsp主控制器采样电网三相电压值uabc，经坐标变换得到pi运算器反馈值无功电压分量uq，系统无功电压分量给定值uq^*为零，pi运算器输出与紧邻计算周期计算得到的相角值θ0相减得到此刻相角值θ，此刻相角值θ作为下个计算周期相角值θ0；

dsp主控制器采样交流侧三相电压电流uabc和iabc，经坐标变换得到两相旋转坐标系下有功电压ud、无功电压uq、有功电流id和无功电流iq分量，变流器交流输出的有功电流id^*与变流器交流输出的无功电流给定值iq^*，id^*与有功电流反馈值id的差值和iq^*与无功电流反馈值iq的差值经pi调节后，通过前馈解耦算法得到中间变量vd、vq，对vd、vq做坐标反变换得到旋转坐标系中三相初始调制波形va0、vb0、vc0，在三相初始调制波中注入零序电压分量v0，从而得到三相调制波va、vb、vc，三相调制波形分别通过并行总线送至fpga辅助控制器；

如图5所示，基于fpga辅助控制器的正弦脉宽调制策略控制fpga辅助控制器接收到dsp主控制器发送的三相调制波后分别与上载波和下载波比较，每相桥臂可得四路驱动信号s1、s2、s3和s4，经死区调整后驱动开关管q1、q2、q3和q4动作，当三相调制波大于上载波时，s1经4us延时输出高电平驱动q1管开通，s3输出低电平驱动q3管关断；当三相调制波小于上载波时，s1输出低电平驱动q1管关断，s3经4us延时输出高电平驱动q3管开通；当三相调制波大于下载波时，s4经4us延时输出高电平驱动q4管开通，s2输出低电平驱动q2管关断；当三相调制波小于下载波时，s4输出低电平驱动q4管关断，s2经4us延时输出高电平驱动q2管开通，其中q1和q3交替导通，q2和q4交替导通，当紧急信号或停机信号发生时，q1、q2即刻关断，q3、q4延时1us关断。

本发明还提供一种基于a-npc拓扑的三电平储能变流器，如图7所示，变流器200包括：

主电路201；

主电路201包括：隔离变压器、lcl滤波电路、a-npc三电平模块和直流滤波电容；所述lcl滤波电路包括滤波电感l1、滤波电感l2和滤波电容c0，所述隔离变压器与滤波电感l1相连，滤波电感l2与a-npc三电平模块交流侧相连，a-npc三电平模块直流侧与直流滤波电容相连；

控制系统硬件202；

控制系统硬件202基于dsp和fpga架构，包括dsp主控制器、fpga辅助控制器、光电转换及驱动电路；dsp主控制器通过电压电流采样及光耦隔离电路与主电路相连，dsp主控制器与fpga辅助控制器通过地址总线和数据总线相连，fpga辅助控制器通过电信号线与光电转换及驱动电路相连，光电转换及驱动电路通过光纤与主电路相连；

控制系统软件203；

控制系统软件203包括基于dsp主控制器的有源整流控制策略和基于fpga的正弦脉宽调制策略；

基于dsp主控制器的有源整流控制策略采用直接电流控制方式对变流器双向并网控制，根据三相平衡系统瞬时无功电压为零理论构建软件锁相环；

dsp主控制器采样电网三相电压值uabc，经坐标变换得到pi运算器反馈值无功电压分量uq，系统无功电压分量给定值uq^*为零，pi运算器输出与紧邻计算周期计算得到的相角值θ0相减得到此刻相角值θ，此刻相角值θ作为下个计算周期相角值θ0；

dsp主控制器采样交流侧三相电压电流uabc和iabc，经坐标变换得到两相旋转坐标系下有功电压ud、无功电压uq、有功电流id和无功电流iq分量，变流器交流输出的有功电流id^*与变流器交流输出的无功电流给定值iq^*，id^*与有功电流反馈值id的差值和iq^*与无功电流反馈值iq的差值经pi调节后，通过前馈解耦算法得到中间变量vd、vq，对vd、vq做坐标反变换得到旋转坐标系中三相初始调制波形va0、vb0、vc0，在三相初始调制波中注入零序电压分量v0，从而得到三相调制波va、vb、vc，三相调制波形分别通过并行总线送至fpga辅助控制器；

基于fpga辅助控制器的正弦脉宽调制策略控制fpga辅助控制器接收到dsp主控制器发送的三相调制波后分别与上载波和下载波比较，每相桥臂可得四路驱动信号s1、s2、s3和s4，经死区调整后驱动开关管q1、q2、q3和q4动作，当三相调制波大于上载波时，s1经4us延时输出高电平驱动q1管开通，s3输出低电平驱动q3管关断；当三相调制波小于上载波时，s1输出低电平驱动q1管关断，s3经4us延时输出高电平驱动q3管开通；当三相调制波大于下载波时，s4经4us延时输出高电平驱动q4管开通，s2输出低电平驱动q2管关断；当三相调制波小于下载波时，s4输出低电平驱动q4管关断，s2经4us延时输出高电平驱动q2管开通，其中q1和q3交替导通，q2和q4交替导通，当紧急信号或停机信号发生时，q1、q2即刻关断，q3、q4延时1us关断。

本发明基于逆阻型igbt中点钳位三电平拓扑构建储能变流器系统，可实现并网运行工况下平滑的电压电流输出，具备转换效率高、功率因数高、电流谐波小等特点。用于分布式储能系统和集中式储能系统，可降低滤波电路电感设计值，从而减小系统整体尺寸以提升功率密度，便于储能系统小型化及模块化设计；另外变流器系统功率的提升可增加储能系统能量利用率，从而减少储能载体的投入成本，具有节能减排的社会效益和经济效益。