MMC型DC-DC变换器的一次电流谐波消除方法与流程

mmc型dc-dc变换器的一次电流谐波消除方法
技术领域
1.本发明属于智能电网储能系统技术领域，具体涉及一种mmc型dc-dc变换器的一次电流谐波消除方法。


背景技术：

2.在直流配用电系统中，合理的配置储能系统可以有效地平滑可再生能源系统的出力，达到一定的削峰填谷的作用。而在高压、大容量的储能应用场合，由于电压均衡的限制，储能系统难以采用大量单体或组件串联。为了解决这一问题，往往需要在变换器中添加附加的均衡电路以实现电压均衡控制，然而这进一步地增加了系统的成本和控制的复杂度。对于采用h桥级联变换器作为应用于交流电网的储能变换方案，基于mmc的dc-dc变换器可以用于储能系统接入直流电网以降低每个储能模块的电压等级。
3.基于mmc的dc-dc变换器在用于高压大功率储能场合下具有显著的优势，包括开关器件的电压、电流应力小，在相同输出电流纹波条件下所需的电感仅为单半桥拓扑的1/n2(n为级联模块数)等特点；然而，由于每个储能电池的电荷状态（soc）难以始终保持均衡，因而各个子模块对应的占空比是不一致的，这将进一步导致其在高压侧的直流纹波增大。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明旨在解决高压、大容量的储能应用场合中，基于mmc的dc-dc变换器用于储能系统接入直流电网时高压侧的直流纹波增大的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：本发明提供了一种mmc型dc-dc变换器的一次电流谐波消除方法，包括如下步骤：利用各个子模块的占空比定义mmc型dc-dc变换器的一次电流谐波矢量，一次电流谐波矢量的定义式具体为：式中，表示一次电流谐波矢量，表示n个子模块的移相角组合，表示子模块的数量，表示第个子模块的一次电流谐波系数，表示将第个子模块的一次电流谐波系数作为第个子模块的参考移相角，，其中表示第个子模块低压侧的直流侧电压，表示第个子模块的占空比；迭代计算不同移相角组合下的一次电流谐波矢量的幅值直至满足设定条件；将满足设定条件时的移相角组合作为下一个控制周期的参考移相角组合进行执行。
6.进一步地，第个子模块的占空比的计算式具体为：
式中，表示第个子模块高压侧的直流侧电压，表示第个子模块的传输功率，表示n个子模块的总传输功率。
7.进一步地，迭代计算不同移相角组合下的一次电流谐波矢量的幅值直至满足设定条件具体包括：基于一次电流谐波矢量的定义式设置目标函数，，其中表示将第一个子模块的移相角设置为参考移相角时的一次电流谐波矢量，同理，表示将第n个子模块的移相角设置为参考移相角时的一次电流谐波矢量；迭代计算不同移相角组合下的目标函数值直至目标函数值不大于设定的最大误差限，从而使得一次电流谐波矢量的幅值满足设定条件。
8.进一步地，最大误差限具体设置为：式中，为最大误差限。
9.进一步地，迭代计算不同移相角组合下的一次电流谐波矢量的幅值直至满足设定条件具体包括：设置单位步进移相角和迭代周期时间；利用单位步进移相角计算当前移相角组合下的一次电流谐波矢量的幅值；判断在迭代周期时间内当前移相角组合下的一次电流谐波矢量的幅值是否满足设定条件，若否，则不断更新移相角组合并迭代计算对应的一次电流谐波矢量的幅值直至满足设定条件，将满足设定条件的移相角组合作为参考移相角组合以便进行后续步骤。
10.进一步地，利用单位步进移相角计算当前移相角组合下的一次电流谐波矢量的幅值具体为：计算移相角组合在增加或减少单位步进移相角时两个迭代方向下的一次电流谐波误差；判断两个迭代方向下的一次电流谐波误差的大小并在下一步迭代计算时选择一次电流谐波误差较小的迭代方向进行计算。
11.进一步地，两个迭代方向下的一次电流谐波误差具体为：式中，表示移相角组合在增加单位步进移相角时的一次电流谐波误差，表示移相角组合在减少单位步进移相角时的一次电流谐波误差，表示所述单位步进移相角。
12.综上，本发明提供了一种mmc型dc-dc变换器的一次电流谐波消除方法，该方法通过分析mmc型dc-dc的基本运行机理定义了mmc型dc-dc变换器的高压侧一次电流谐波，并获取一次电流谐波的幅值；然后，以mmc型dc-dc变换器的一次电流谐波幅值为目标函数，通过改变各个子模块的载波移相角组合并进行不断地迭代计算，比较不同移相角下变换器的一次电流纹波大小以选取最优的相移角组合，从而实现降低高压侧电流谐波的目的。解决了解决高压、大容量的储能应用场合中，基于mmc的dc-dc变换器用于储能系统接入直流电网时高压侧的直流纹波增大的问题。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
14.图1为本发明实施例提供的一种mmc型dc-dc变换器的一次电流谐波消除方法的流程示意图；图2为本发明实施例提供的一种mmc型dc-dc变换器的一次电流谐波消除方法中迭代计算的流程示意图。
具体实施方式
15.为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
16.在直流配用电系统中，合理的配置储能系统可以有效地平滑可再生能源系统的出力，达到一定的削峰填谷的作用。而在高压、大容量的储能应用场合，由于电压均衡的限制，储能系统难以采用大量单体或组件串联。为了解决这一问题，往往需要在变换器中添加附加的均衡电路以实现电压均衡控制，然而这进一步地增加了系统的成本和控制的复杂度。对于采用h桥级联变换器作为应用于交流电网的储能变换方案，基于mmc的dc-dc变换器可以用于储能系统接入直流电网以降低每个储能模块的电压等级。
17.基于mmc的dc-dc变换器在用于高压大功率储能场合下具有显著的优势，包括开关器件的电压、电流应力小，在相同输出电流纹波条件下所需的电感仅为单半桥拓扑的1/n2(n为级联模块数)等特点；然而，由于每个储能电池的电荷状态（soc）难以始终保持均衡，因而各个子模块对应的占空比是不一致的，这将进一步导致其在高压侧的直流纹波增大。
18.基于此，本发明提供了一种mmc型dc-dc变换器的一次电流谐波消除方法。
19.以下是对本发明的一种mmc型dc-dc变换器的一次电流谐波消除方法的实施例进行的详细介绍。
20.请参阅图1和图2，本实施例提供一种mmc型dc-dc变换器的一次电流谐波消除方法，包括如下步骤：
s100：利用各个子模块的占空比定义mmc型dc-dc变换器的一次电流谐波矢量。
21.分析mmc型dc-dc变换器的基本运行机理可知子模块对应的占空比不一致将直接导致其在高压侧的直流波纹增大。为了减小高压侧的直流波纹，本技术实施例根据子模块的占空比定义了变换器的一次电流谐波矢量，建立了子模块占空比与高压侧直流波纹之间的关系，从而便于获得使高压侧直流波纹最小时子模块的移相角组合。
22.在定义并计算一次电流谐波矢量之前需要首先进行数据的采集以及初始化阶段。具体地，数据采集包括同时采集各个子模块的传输功率，低压侧的直流侧电压以及高压侧的直流侧电压；初始化参数包括单位步进移相角，更新周期时间和最大误差限，并设置各个子模块的初始化移相角。
23.根据所采集的各个子模块的传输功率，低压侧的直流侧电压以及高压侧的直流侧电压来计算各个子模块对应的占空比。该占空比的计算式具体表示为：
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（1）式中，表示第个子模块高压侧的直流侧电压，表示第个子模块的传输功率，表示n个子模块的总传输功率，表示子模块的数量。
24.进一步地，各个子模块的一次电流谐波系数可以计算为：
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（2）式中，表示第个子模块的一次电流谐波系数，表示第个子模块低压侧的直流侧电压。
25.结合式（1）和式（2），mmc型dc-dc变换器的一次电流谐波矢量可以表示为，
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（3）式中，表示一次电流谐波矢量，表示n个子模块的移相角组合，表示将第个子模块的一次电流谐波系数作为第个子模块的参考移相角。
26.s200：迭代计算不同移相角组合下的一次电流谐波矢量的幅值直至满足设定条件。
27.根据前述分析及定义可以得到mmc型dc-dc变换器的一次电流谐波矢量，为了有效降低一次电流谐波以减小滤波元件的体积和重量，可以设置目标函数，具体可表示为：（4）其中表示将第一个子模块的移相角设置为参考移相角时的一次电流谐波矢量，同理，表示将第n个子模块的移相角设置为参考移相角时的一次电流谐波矢量。
28.该目标函数即表示将第一个子模块的移相角设置为参考移相角，然后通过选择合适的移相角组合以使得dc-dc变换器的一次电流谐波矢量幅值最小，而上述选择过程是通过迭代计算来实现的。
29.在执行上述算法的迭代计算过程中，需要通过设置合适的最大误差限来判断是否终止迭代，最大误差限可以选择为迭代过程中的电感电流一次谐波的最大值并进行不断更新，即可以表示为：
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（5）基于上述一次电流谐波矢量的定义式所设置的目标函数可知，当迭代计算不同移相角组合下的目标函数值不大于设定的最大误差限时，可认为此时一次电流谐波矢量的幅值满足设定条件。
30.迭代计算不同移相角组合下的一次电流谐波矢量的幅值直至满足设定条件包括以下步骤：s201：设置单位步进移相角和迭代周期时间。
31.s202：利用单位步进移相角计算当前移相角组合下的一次电流谐波矢量的幅值。
32.在进行上述的迭代计算时，需要判断迭代方向从而进行迭代计算。具体地，迭代方向有两个，即可以为，也可以为。在选择迭代方向的时候，应该首先判断和计算两个迭代方向下的一次电流谐波误差（对应于增加）和（对应于减少），具体地可以表示为：
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（6）式中，表示移相角组合在增加单位步进移相角时的一次电流谐波误差，表示移相角组合在减少单位步进移相角时的一次电流谐波误差，表示所述单位步进移相角。
33.s203：判断在迭代周期时间内当前移相角组合下的一次电流谐波矢量的幅值是否满足设定条件，若否，则不断更新移相角组合并迭代计算对应的一次电流谐波矢量的幅值直至满足设定条件，将满足设定条件的移相角组合作为参考移相角组合以便进行后续步骤。
34.即需计算移相角组合在增加或减少单位步进移相角时两个迭代方向下的一次电流谐波误差；判断两个迭代方向下的一次电流谐波误差的大小并在下一步迭代计算时选择一次电流谐波误差较小的迭代方向进行计算。具体地，如果二者的迭代误差满足，则下一步迭代计算的参考移相角应该选择；反之下一步迭代计算的参考移相角应该选择为。
35.按照上述的迭代计算方法即可对不同的移相角组合进行迭代计算，直到所选择的移相角组合所对应的一次电流谐波满足所设置的迭代误差限。
36.s300：将满足设定条件时的移相角组合作为下一个控制周期的参考移相角组合进
行执行。
37.在所设置的迭代周期时间tr内，若所选择的移相角组合迭代计算结果满足所设置的迭代误差限，则即可停止迭代并将该移相角组合作为下一个控制周期的参考移相角组合进行执行；反之，则回到s200继续执行新的迭代计算。
38.本实施例提供了一种mmc型dc-dc变换器的一次电流谐波消除方法，该方法通过分析mmc型dc-dc的基本运行机理定义了mmc型dc-dc变换器的高压侧一次电流谐波，并获取一次电流谐波的幅值；然后，以mmc型dc-dc变换器的一次电流谐波幅值为目标函数，通过改变各个子模块的载波移相角组合并进行不断地迭代计算，比较不同移相角下变换器的一次电流纹波大小以选取最优的相移角组合，从而实现降低高压侧电流谐波的目的。相比于传统的载波移相计算，该方法可以有效地降低mmc型dc-dc变换器的高压侧电流谐波，减小高压侧滤波电抗器的体积，从而降低系统成本。
39.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。