一种模块化隔离型电池储能变换器的正弦波调制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电气自动化设备技术领域，具体地，涉及一种模块化隔离型电池储能 变换器的正弦波调制策略。
【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 功补偿以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Η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η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 能变换器提供一种正弦波调制策略，即变压器原副边交流电压为正弦波，并通过调节变压 器原副边正弦波电压的相位差，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正弦波调制方法，其中：所述 模块化隔离型电池储能变换器其拓扑结构为：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Η桥级联而成，m个Η桥的串联的输出作 为原边桥臂Arm_pl的输出，每个Η桥的直流侧接储能电池；变压器的副边侧一端通过一个 滤波电感匕、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η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、副边电压为正弦波，即原边桥臂Arm_pl与副边桥臂Arm_sl各个模 块采用载波移相SPWM，原边桥臂Arm_pl与副边桥臂Arm_sl输出为SPWM波形，经原副边滤 波电感滤波后变压器原副边为正弦波；
[0008] 原边桥臂Arm_pl的每个Η桥能输出三种状态（_1、0、1)，变压器原边正弦波电压 的范围是-m~m油于直流电网存在，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vd。，即变压器副边侧交流电压关于^。对称，当副边桥臂Arm_sl 每个模块采用全桥结构时，副边桥臂Arm_sl输出正弦波电压范围是-η~η ;每个半桥只能 输出两种状态（〇、1)，当副边桥臂Arm_sl每个模块采用半桥结构时，g[J边桥臂Arm_sl输出 正弦波电压范围是0~η ;
[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、副边正弦波之间 存在相位差奶所述方法使变压器原副边交流电压为正弦波，通过调节原副边正弦波电压之 间相位差大小和方向实现能量的双向传递，通过校正副边桥臂Arm_sl输出电压的直流分 量来调节变压器副边侧电流平均值，通过校正变压器原边侧电流L来调节副边桥臂Arm_ si所有子模块直流母线电容电压的平均值Vani_sl d。，通过校正原边桥臂Arm_pl输出电压的 交流分量vpl_a。来调节变压器原边电流UP，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 调节变压器副边侧电流平均值，即变压器副边电流L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vsl_d。。
[0011] 优选地，所述方法通过调节变压器原边侧电流来控制副边桥臂Arm_sl所有子 模块直流母线电容电压的平均值vani_sl_d。，即副边桥臂Arm_sl直流母线电容电压额定值与 副边桥臂Arm_sl所有子模块直流母线电容电压的平均值Vani sl_d。的偏差作为PI调节器输 入，PI调节器的输出乘以正弦波信号作为变压器原边电流k的给定信号。
[0012] 优选地，所述方法通过校正原边桥臂Arm_pl输出电压的交流分量vpl_ a。来调节变 压器原边电流，即k的给定信号与实际信号的偏差作为PI调节器的输入，PI调节器的输 出与副边桥臂Arm_sl输出电压的交流分量vsl_a。之和作为v pl_a。的调制信号。
[0013] 经过上述正弦波调制与控制，变换器直流电网侧直流电流、。能实现准确的控制， 而且该变换器能实现有源滤波和限流功能。
[0014] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0015] 本发明的隔离型模块化多电平储能变化器的正弦波调制策略，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原副边电 流调节，该调制与控制策略适用于变换器拓扑可以等效为图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正弦波调制。
【附图说明】
[0016] 通过阅读参照以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：
[0017] 图1为本发明一实施例的变换器的拓扑结构；
[0018] 图2为本发明一实施例的正弦波调制原理图；
[0019] 图3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平 均等效电路图；
[0020] 图4为本发明一实施例的Arm_pl输出电压交流分量调制信号生成原理图；
[0021] 图5为本发明一实施例的Arm_sl输出电压交流分量调制信号生成原理图；
[0022] 图6为本发明一实施例的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】
[0023] 下面结合具体的实施例对本发明进行详细的说明。以下实施例将有助于本领域的 技术人员进一步理解本发明，但不以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，还可以做出若干变形和改进，这都属于本发 明的保护范围。
[0024] 如图1所示，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 器的电路拓扑：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Η桥级联而成，m个Η桥的串联的输出作为原边桥臂Arm_pl的输出，每 个Η桥的直流侧接储能电池；
[0025] 隔离变压器原边桥臂Arm_pl由m个Η桥级联而成，每个Η桥记为cellpl_ ;(1彡i彡m)，cellplj直流侧接储能电池 ，cell ρ1」直流侧电池电压记为v (1彡i彡m)， cellplj交流端输出记为v n&d彡i彡m)，in&d彡i彡m)为cellplj直流侧电流，i pl_13。(1彡i彡m)为cellpl l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〇
[0026] 变压器的副边侧一端通过一个滤波电感Ls、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η个子 模块串联，每个子模块拓扑既可以是半桥结构也可以是全桥结构，每个子模块记为cellsl_ 』（1彡j彡η)，cellsl」直流侧接电容，电容电压记为v sl」>(l彡j彡η)，cellsl」交流端输 出记为vsl」_at:(l彡j彡n)，isl」_dt:(l彡j彡η)为cell sl」直流侧电流，i sl」_at:(l彡j彡η) 为cellsl j输出侧电流。副边滤波电感为Ls，副边电流为紅,。直流电网母线电压为vd。，电 流为id。。
[0027] 由于采用模块化设计，即使每个模块的电压等级比较低，仍可以达到较高的电压 等级，从而实现低损耗，低成本，高开关频率。
[0028] 所述变压器原副边电压为正弦波，即原、副边Arm_pl与Arm_sl各个模块采用载波 移相 SPWM(carrier phase-shift SPWM, CPS-SPWM)，Arm_pl 与 Arm_sl 输出为 SPWM 波形，经 原副边滤波电感滤波后变压器原副边为正弦波。由于Arm_pl各个储能模块采用Η桥结构， 每个Η桥可以输出三种状态（_1、0、1)，所以变压器原边正弦波电压的范围是-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，当Arm_sl子模块采用全桥结构时，Arm_sl 输出正弦波电压范围是-η~n，由于每个半桥只可以输出两种状态（0、1)，所以当Arm_sl 子模块采用半桥结构时，Arm_sl输出正弦波电压范围是0~η。
[0029] 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正弦波之 间存在相位差供。
[0030] 图2所示，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 的正弦波调制原