一种模块化隔离型电池储能变换器的矩形波调制方法
【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 变换器的矩形波调制策略。
【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】
[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 能变换器提供一种矩形波调制方法，即变压器原副边交流电压在半个开关周期内占空比小 于0. 5,并通过调节变压器原副边高频矩形波电压的相位差，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矩形波调制方法，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H桥级联而成，m个H桥的串联的输出作为原边 桥臂Arm_pl的输出，每个H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的每个模块采用全桥结构或半桥结构；
[0007] 所述变压器原边交流电压正负半周矩形波占空比小于0. 5,即原边桥臂Arm_pl每 个H桥在半个开关周期内输出电压占空比小于0. 5,各个H桥之间没有相位差，原边桥臂 Arm_pl的每个H桥能输出S种状态（-1、0、1)，变压器原边矩形波电压的范围是-m~m ;
[0008] 由于直流电网存在，副边桥臂Arm_sl所有子模块输出交流电压叠加后直流分量 近似为直流电网电压vdc，即变压器副边侧交流电压关于Vdc对称，且变压器副边侧交流电 压关于Vdc对称的正负半周矩形波占空比Dp小于0. 5,即副边桥臂Arm_sl每个子模块在半 个开关周期内输出电压占空比町小于0. 5,各个子模块之间没有相位差，D P与D ,相等或不 相等；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输出矩形波电压范 围是-n~n ;每个半桥只能输出两种状态（0、I)，当副边桥臂Arm_sl每个模块采用半桥结 构时，副边桥臂A;rm_sl输出矩形波电压范围是0~n;
[0009] 为实现储能电池与直流电网之间的能量双向传递，在变压器原副边矩形波之间存 在相位差口S本发明使变压器原副边交流电压在半个开关周期内占空比小于0.5,通过调节 原边矩形波电压与副边矩形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，所述方法通过控制副边桥臂Arm_sl所有子模块直流母线电压，调节变压 器原副边矩形波的相位差f，即Arm_sl模块直流母线电压的额定值与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巧。
[0011] 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Vd^d。。
[0012] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0013] 本发明的隔离型模块化多电平储能变化器的矩形波调制策略，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W等效为图3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矩形波调制。
【附图说明】
[0014] 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：
[0015] 图1为本发明一实施例的变换器的拓扑结构；
[0016] 图2为本发明一实施例的矩形波调制原理图；
[0017]图3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平 均等效电路图；
[0018]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；
[0019] 图5为本发明一实施例的桥臂Arm_sl输出电压直流分量调制信号生成原理图。
【具体实施方式】
[0020] 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。
[OOW 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；
[0022] 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V PL 1_3。（1《1《111)，1。1丄4。（1《：[《111)为。611。1_道流侧电流，1。1丄3。（1《：[《111)为。611。1_; 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。
[002引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V si」_dc(l《j《n)，cellsi」交流 端输出记为Vsi」_a。(I《j《n)，isi」_d。（I《j《n)为cel Lu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。。
[0024]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巧]基于上述结构，所述变压器原边交流电压正负半周矩形波占空比Dp小于0. 5,即原 边Arm_p 1每个模块在半个开关周期内输出电压占空比Dp小于0. 5，各个模块之间没有相位 差，由于Arm_pl各个储能模块采用H桥结构，每个H桥可W输出=种状态（-1、0、1)，所W变 压器原边矩形波电压的范围是-m~m。由于直流电网存在，副边桥臂Arm_sl所有模块输出 交流电压叠加后直流分量近似为直流电网电压Vd。，即变压器副边侧交流电压关于Vd。对称， 且变压器副边侧交流电压关于Vdc对称的正负半周矩形波占空比D ,小于0. 5,即原边Arm_ Si每个模块在半个开关周期内输出电压占空比Ds小于0.5,各个模块之间没有相位差，Dp 与町既可W相等也可W不相等。Arm_sl各个子模块既可W采用半桥结构也可W采用全桥 结构，当A;rm_sl每个模块采用全桥结构时，A;rm_sl输出矩形波电压范围是-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，Arm_sl输出 矩形波电压范围是0~n。
[00%] 图2所示，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 的矩形波调制原理：原边桥臂A