功率变换器、储能系统和控制方法与流程

本技术涉及电力电子，尤其涉及一种功率变换器、储能系统和控制方法。

背景技术：

1、在各种功率变换器中，三电平拓扑的功率变换器具有输出电压畸变率低、开关管应力小、运行效率高等优点，可广泛应用于新能源功率变换场合。三电平拓扑及多电平拓扑的功率变换器的直流侧存在串联的正母线电容和负母线电容，正母线电容和负母线电容的串联连接点为中性点，正母线电容连接在正母线与中性点之间，负母线电容连接在中性点与负母线之间。由于该功率变换器中的开关管的器件特性不一致、驱动延时差异等因素，正母线电容两端电压和负母线电容两端电压存在差异，导致中性点电位发生偏移，即产生中性点电位不平衡的问题。这种情况会导致功率变换器中开关管的应力变大，输出的电压波形发生畸变，器件寿命和系统可靠性降低。因此，需要适当控制使得功率变换器的中性点电位平衡，以保证功率变换器稳定、可靠运行。目前存在一些通过软件控制实现功率变换器的中性点电位平衡的算法，但这些算法难以满足复杂工况需求，无法有效解决功率变换器的中性点电位不平衡问题。

技术实现思路

1、本技术提供了一种功率变换器、储能系统和控制方法，可解决功率变换器的中性点电位不平衡问题。

2、第一方面，本技术提供了一种功率变换器，该功率变换器包括功率变换电路、母线电容和控制器，功率变换电路的直流输入端用于通过直流母线连接直流电源，功率变换电路的交流输出端用于通过公共耦合点pcc连接交流电网；母线电容并联于直流母线两端；直流母线包括正直流母线和负直流母线；母线电容包括串联的正母线电容和负母线电容，正母线电容与负母线电容的串联连接点为中性点。正母线电容并联于正直流母线与中性点之间，负母线电容并联于负直流母线与中性点之间。这里，该功率变换器的电路拓扑可为npc三电平拓扑、t型三电平拓扑或anpc三电平拓扑等，具体可根据实际应用场景确定。控制器可用于响应于正母线电容两端电压与负母线电容两端电压的差值大于设定阈值，控制功率变换器向交流电网注入二次谐波电流，以减小所述正母线电容两端电压与所述负母线电容两端电压的差值；其中，二次谐波电流的频率为交流电网的基频的两倍，二次谐波电流的初相角位于预设区间内，该预设区间包括[-π/4,-π/2]、[π/4,π/2]、[-π/2,π/2]、[φ,π/2]、[-π/2,φ-π]和[-π/2,π/2]，该φ为功率变换器的功率因数，功率因数为功率变换器的输出电压和输出电流之间的相位差。这里，该功率因数也可称为功率因数角。这里，正母线电容两端电压与负母线电容两端电压的差值大于设定阈值，说明中性点电位不平衡，其中，设定阈值可以基于实际应用场景确定。这样，当二次谐波电流的初相角位于上述预设区间时，通过控制功率变换器向交流电网注入该特定初相角的二次谐波电流，可以实现对正母线电容两端电压和负母线电容两端电压的差值进行调节，从而使得该差值减小，解决中性点电位不平衡问题。

3、在一种可行的实施方式中，二次谐波电流的初相角根据功率变换器的调制方式和功率因数不同而位于[-π/4,-π/2]、[π/4,π/2]、[-π/2,π/2]、[φ,π/2]、[-π/2,φ-π]和[-π/2,π/2]中任何一个区间，其中，功率因数取值区间包括：(0,π/2]、(π/2,π]、[-π,0]。也就是说，该初相角是基于功率变换器的调制方式和功率因数得到的。这样，无论调制方式和功率因数如何变化，都可以控制功率变换器向交流电网注入初相角合适的二次谐波电流，实现对正母线电容两端电压和负母线电容两端电压的差值的调节，功率变换器在功率因数处于[-π,π]范围内均可形成负反馈控制，从而解决中性点电位不平衡问题。

4、在一种可行的实施方式中，当功率变换器的调制方式为不连续脉冲宽度调制dpwm时，上述二次谐波电流的初相角与功率变换器的功率因数满足以下的至少一个关系：

5、当功率因数φ∈(0,π/2]时，初相角θ满足θ∈[-π/4,-π/2]；

6、当功率因数φ∈(π/2,π]时，初相角θ满足θ∈[π/4,π/2]；

7、当功率因数φ∈[-π,0]时，初相角θ满足θ∈[-π/2,π/2]。

8、这里，dpwm调制方式可以包括dpwm0、dpwm1、dpwm2等。

9、这样，当功率变换器调制方式为dpwm时控制二次谐波电流的初相角与功率因数满足该特定关系，并控制功率变换器向交流电网注入该初相角特定的二次谐波电流，可以在功率因数随意变化时，始终可基于该二次谐波电流实现对正母线电容两端电压和负母线电容两端电压的差值的调节，使得功率变换器在全功率因数范围内均能形成负反馈控制，从而解决中性点电位不平衡问题。另外，该二次谐波电流的初相角自适应变化，可适用于强电网和弱电网等多种电网工况，适用性强，操作简单，稳定性好。

10、在一种可行的实施方式中，当功率变换器的调制方式为连续脉冲宽度调制cpwm时，上述二次谐波电流的初相角与功率变换器的功率因数满足以下的至少一个关系：

11、当功率因数φ∈(0,π/2]时，该初相角θ满足θ∈[φ,π/2]；

12、当功率因数φ∈(π/2,π]时，该初相角θ满足θ∈[-π/2,φ-π]；

13、当功率因数φ∈[-π,0]时，该初相角θ满足θ∈[-π/2,π/2]。

14、这里，cpwm调制方式可以包括正弦脉宽调制法(sinusoidal pulse widthmodulation,spwm)、空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,svpwm)等。

15、这样，当功率变换器调制方式为cpwm时控制二次谐波电流的初相角与功率因数满足该特定关系，并控制功率变换器向交流电网注入该初相角特定的二次谐波电流，可以在功率因数随意变化时，始终可基于该二次谐波电流实现对正母线电容两端电压和负母线电容两端电压的差值的调节，使得功率变换器在全功率因数范围内均能形成负反馈控制，从而解决中性点电位不平衡问题，另外，该二次谐波电流的初相角自适应变化，可适用于强电网和弱电网等多种电网工况，适用性强，操作简单，稳定性好。

16、在一种可行的实施方式中，控制器可用于基于二倍频调制电压信号控制功率变换器中的开关管导通或关断，以实现控制功率变换器向交流电网注入二次谐波电流，其中，二倍频调制电压信号是通过对二次谐波电流进行pi控制得到的。这里，基于二倍频调制电压信号控制功率变换器中的开关管导通或关断实际上是指，将功率变换器的初始调制信号与目标调制电压信号叠加得到总调制信号，基于该总调制信号控制功率变换器中的开关管导通或关断。其中，功率变换器的初始调制信号也称原始调制波，是指未进行中性点电位平衡控制时控制器控制生成的调制波。例如，当调制方式为spwm时，初始调制信号为正弦波信号。

17、这样，通过生成二倍频调制电压信号，基于该二倍频调制电压信号控制功率变换器的开关管导通或关断，即可实现控制功率变换器向交流电网注入二次谐波电流，且该二次谐波电流的初相角与上述调制方式和功率因数满足特定关系，从而可使得正母线电容两端电压与负母线电容两端电压的差值减小，解决中性点电位不平衡问题，提高功率变换器的可靠性。

18、在一种可行的实施方式中，功率变换器的功率因数为多个功率因数瞬时值的平均值，其中，该多个功率因数瞬时值是在采样周期内得到的，多个功率因数瞬时值中每个功率因数瞬时值基于pcc电压和功率变换器的输出电流得到，采样周期小于交流电网的基频对应周期的一半。这样，获得的功率因数具有代表性，可体现在该采样周期内的功率因数的平均情况。进一步的，可提高基于该功率因数获得二次谐波电流的初相角的准确性，从而保证中性点电位平衡的效果。

19、在一种可行的实施方式中，上述二次谐波电流的电流幅值是通过对半母线压差进行比例积分调节得到的，该半母线压差为正母线电容两端电压与负母线电容的两端电压的差值。这样，后续控制功率变换器注入该电流幅值的二次谐波电流，可实现对正母线电容两端电压和负母线电容两端电压的差值的调节，从而解决中性点电位不平衡问题，提升功率变换器的可靠性和稳定性。

20、第二方面，本技术还提供一种储能系统，该储能系统包括储能电池和如第一方面及第一方面任一种实施方式中的功率变换器，功率变换器的直流输入端通过直流母线连接储能电池，功率变换器的交流输出端通过公共耦合点pcc连接交流电网；其中，当储能电池处于放电状态下，功率变换器用于基于储能电池提供的直流电进行直流-交流变换并输出至交流电网。该储能系统中的功率变换器在中性点电位发生偏移时，可被控制向交流电网注入初相角合适的二次谐波电流，从而解决中性点电位不平衡问题，提高储能系统的可靠性。

21、第三方面，本技术还提供一种控制方法，该方法包括：

22、响应于正母线电容两端电压与负母线电容两端电压的差值大于设定阈值，控制功率变换器向交流电网注入二次谐波电流，以减小正母线电容两端电压与负母线电容两端电压的差值；其中，二次谐波电流的频率为交流电网的基频的两倍，二次谐波电流的初相角位于预设区间内，预设区间包括[-π/4,-π/2]、[π/4,π/2]、[-π/2,π/2]、[φ,π/2]、[-π/2,φ-π]和[-π/2,π/2]，其中φ为功率变换器的功率因数，功率因数为功率变换器的输出电压和输出电流之间的相位差。

23、在一种可行的实施方式中，二次谐波电流的初相角根据功率变换器的调制方式和功率因数不同而位于[-π/4,-π/2]、[π/4,π/2]、[-π/2,π/2]、[φ,π/2]、[-π/2,φ-π]和[-π/2,π/2]中任何一个区间，其中，功率因数取值区间包括：(0,π/2]、(π/2,π]、[-π,0]。

24、在一种可行的实施方式中，当功率变换器的调制方式为不连续脉冲宽度调制dpwm时，初相角功率因数满足以下的至少一个关系：

25、当功率因数φ∈(0,π/2]时，初相角θ满足θ∈[-π/4,-π/2]；

26、当功率因数φ∈(π/2,π]时，初相角θ满足θ∈[π/4,π/2]；

27、当功率因数φ∈[-π,0]时，初相角θ满足θ∈[-π/2,π/2]。

28、在一种可行的实施方式中，当功率变换器的调制方式为连续脉冲宽度调制cpwm时，初相角与功率因数满足以下的至少一个关系：

29、当功率因数φ∈(0,π/2]时，初相角θ满足θ∈[φ,π/2]；

30、当功率因数φ∈(π/2,π]时，初相角θ满足θ∈[-π/2,φ-π]；

31、当功率因数φ∈[-π,0]时，初相角θ满足θ∈[-π/2,π/2]。

32、这样，按照功率变换器的调制方式和功率因数来确定二次谐波电流的初相角，并控制功率变换器向交流电网注入该初相角满足特定要求的二次谐波电流，可通过控制使得该注入的二次谐波电流在功率因数变化时均能对中性点的偏移产生影响，使得功率变换器在全功率因数范围内均能形成负反馈控制，从而能使得正母线电容两端电压与负母线电容两端电压的差值减小，解决中性点电位不平衡问题。且该控制方法可适用于强电网工况和弱电网工况，在各种电网工况下均可以使得功率变换器稳定、可靠运行，可提高功率变换器的稳定性和可靠性，适用范围广，操作简单。