一种具有储能功能的模块化多电平变流器的控制方法技术

本发明专利技术公开一种具有储能功能的模块化多电平变流器的控制方法，其中变流器包括三个相单元，每个相单元包括上桥臂，下桥臂，上桥臂电感，下桥臂电感，上、下桥臂均由半桥子模块和类全桥储能子模块混合串联而成；所述方法根据每相待输出指令电压波形，确定每相桥臂中每个子模块的调制波，其中子模块的调制波包括半桥子模块调制波与类全桥储能子模块调制波；根据每相桥臂中每个子模块的载波和子模块的调制波进行比较产生控制信号，分别控制每相桥臂中各子模块投入或切断。上述具有储能功能的模块化多电平变流器可以为新能源系统增加惯性，并且储能所用的电池充放电电流平滑，电压等级较低，保障了电池的高效运行和安全性。

Method for controlling modular multilevel converter with energy storage function

The invention discloses a control method with energy storage function of the modular multilevel converter, the converter includes three phase units, each unit comprises an upper arm, lower arm, upper arm inductor, inductance bridge arm, upper and lower bridge arm by half bridge module and full bridge reservoir sub module in series hybrid; the method according to the output voltage waveform of each instruction treatment, determine each phase modulation wave bridge each sub arm module, the module includes the half wave modulation module and full bridge modulation wave energy storage module modulation wave; compared to generate a control signal according to the modulation of each phase the bridge arm module in each sub carrier wave and sub module, respectively control the bridge arm of each phase in each sub module or cut off. With the function of energy storage modular multilevel converter can increase the inertia as a new energy system, the battery charge and discharge current is smooth and energy use, the lower voltage level, ensuring efficient operation and the safety of the battery.

【技术实现步骤摘要】
一种具有储能功能的模块化多电平变流器的控制方法
本专利技术属于电气自动化设备
，具体的，涉及一种具有储能功能的模块化多电平变流器的控制方法。
技术介绍
在现有的技术中，具有储能功能的子模块将电池直接并联在子模块电容旁，使得电池承受一倍工频和二倍工频的脉动电流，对电池的高效运行和全寿命周期成本不利；同时，实际工况中子模块电容电压一般大于1500V电压等级，以锂离子电池为代表的高倍率电池，基于电池荷电状态均衡和故障保护的原因，从成本和安全考虑，很难达到如此高的串联电压。经检索，公开号为104917418A的中国专利申请，该专利技术提供了一种采用电池电流独立控制的储能型模块化多电平变流器，其子模块包括：一个半桥模块、一个支撑电容和一个储能电池。通过对电池电流的独立控制，提高电池利用率和使用寿命。公开号为103580050A的中国专利申请，该专利技术涉及一种大功率模块化多电平锂电池储能变流器装置，其子模块为H桥型储能变流器模块。通过利用子模块数量降低电池电压等级的方式实现大功率储能。上述专利不能解决电池电压等级的问题，使用的子模块多且不能实现储能，同时电池电压较低；其次，上述专利提出的子模块结构都采用电池并联在直流电容旁的方案，电池必然会承受一倍工频和二倍工频的脉动电流，对电池的高效运行和全寿命周期成本不利。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种从拓扑上提高电池寿命与利用率，并为新能源系统提供惯性的储能型模块化多电平变流器的控制方法。本专利技术提供一种具有储能功能的模块化多电平变流器的控制方法，其中：所述变流器包括三个相单元，每个相单元均包括上桥臂、下桥臂、上桥臂电感、下桥臂电感；所述上桥臂的正极端作为相单元的直流出线正极端；所述上桥臂的负极端与所述上桥臂电感的一端相连；所述上桥臂电感的另一端与所述下桥臂电感的一端相连，作为相单元的交流出线端，并串联电抗器连接到电网；所述下桥臂电感的另一端与所述下桥臂的正极端相连；所述下桥臂的负极端作为相单元的直流出线负极端；三个相单元中的所述上桥臂、所述下桥臂均由半桥子模块和类全桥储能子模块混合串联而成；所述半桥子模块和类全桥储能子模块中均包括多个可控开关器件，所有可控开关器件采用单极性载波移相正弦脉宽调制方法，以能量守恒、子模块电容电压一个工频周期稳定和线性调制为前提，计算获得半桥子模块与类全桥储能子模块的调制比；根据每相待输出指令电压波形，确定每相的上桥臂、下桥臂中每个半桥子模块与类全桥储能子模块的调制波，根据每相的上桥臂、下桥臂中每个半桥子模块与类全桥储能子模块的载波和半桥子模块与类全桥储能子模块的调制波进行比较产生控制信号，分别控制每相的上桥臂、下桥臂中各半桥子模块与类全桥储能子模块的投入或切断。优选地，所述的半桥子模块，包括：第一直流电容器、第一可控开关器件、第二可控开关器件、第一续流二极管、第二续流二极管；其中：所述第一可控开关器件、所述第二可控开关器件的集电极分别与所述第一续流二极管、所述第二续流二极管的阴极相连；所述第一可控开关器件、所述第二可控开关器件的发射极分别与所述第一续流二极管、所述第二续流二极管的阳极相连；所述第一可控开关器件的集电极与所述第一直流电容器的阳极相连；所述第二可控开关器件的发射极与所述第一直流电容器的阴极相连；所述第一可控器件，第二可控器件的栅极均与控制电路相连。优选地，所述的类全桥储能子模块，包括：第二直流电容器，电池，电池电感，第三可控开关器件、第四可控开关器件、第五可控开关器件、第六可控开关器件，以及第三续流二极管、第四续流二极管、第五续流二极管、第六续流二极管；其中：所述第三可控开关器件、所述第四可控开关器件、所述第五可控开关器件、所述第六可控开关器件的集电极分别与所述第三续流二极管、所述第四续流二极管、所述第五续流二极管、所述第六续流二极管的阴极相连；所述第三可控开关器件、所述第四可控开关器件、所述第五可控开关器件、所述第六可控开关器件的发射极分别与所述第三续流二极管、所述第四续流二极管、所述第五续流二极管、所述第六续流二极管的阳极相连；所述第三可控开关器件的集电极与所述第二直流电容器的阳极相连；所述第四可控开关器件的发射极与所述第二直流电容器、所述电池的阴极相连；所述第三可控开关器件的发射极作为类全桥储能子模块的正极端；所述第五可控开关器件的发射极与所述电池电感的一端相连并作为类全桥储能子模块的负极端；所述电池电感的另一端与所述电池的阳极相连；所述第三可控开关器件、所述第四可控开关器件、所述第五可控开关器件、所述第六可控开关器件的栅极均与控制电路相连。优选地，所述半桥子模块与所述类全桥储能子模块中调制比的直流分量与交流分量峰值存在约束，且让变流器稳定工作的调制比不唯一。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：本专利技术具有储能功能的模块化多电平变流器结构简单，通过类全桥储能子模块的设计，为新能源系统增加惯性，并且储能所用的电池充放电电流平滑，电压等级较低，保障了电池的高效运行和安全性。利用载波移相脉宽调制的方法，可以提高等效开关频率，减小谐波分布。附图说明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，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术一优选实施例的变流器拓扑图；图2为本专利技术一优选实施例的半桥子模块电路图；图3为本专利技术一优选实施例的类全桥储能子模块电路图；图4中a、b、c、d分别为本专利技术一优选实施例的半桥子模块、类全桥储能子模块的调制波与总的等效输出电压示意图；图5中a、b、c分别为本专利技术一优选实施例的下桥臂电流、半桥子模块等效输出电压与半桥子模块功率脉动情况示意图；图6中a、b、c分别为本专利技术一优选实施例的下桥臂电流、类全桥储能子模块等效输出电压与类全桥储能子模块功率脉动情况示意图；图7为本专利技术一优选实施例的类全桥储能子模块电池电压闭环控制电路图；图8为本专利技术一优选实施例的变流器半桥与类全桥储能子模块调制波发生器电路图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。如图1所示，一种具有储能功能的模块化多电平变流器拓扑，包括三个相单元；每个相单元x(x＝a，b，c)均包括上桥臂、下桥臂、上桥臂电感Lxp、下桥臂电感Lxn；其中：所述上桥臂的正极端作为相单元的直流出线正极端；所述上桥臂的负极端与所述上桥臂电感Lxp的一端相连；所述上桥臂电感Lxp的另一端与所述下桥臂电感Lxn的一端相连，作为相单元的交流出线端，其电压为Vx，并串联电抗器LTx连接到电网，其电压为Vsx；所述下桥臂电感Lxn的另一端与所述下桥臂的正极端相连；所述下桥臂的负极端作为相单元的直流出线负极端；所述三个相单元中的上桥臂、下桥臂均由半桥子模块和类全桥储能子模块混合串联而成。子模块xyi(x＝a，b，c，y＝p，n，i＝1，2……N；其中p代表上，n代表下)代表x相y桥臂的第i个子模块，ix指x相交流侧电流，ixy指x相y桥臂的电流，Vxy指x相y桥臂所有子模块输出的电压和，Id指直流侧电流，Vdc指直流侧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有储能功能的模块化多电平变流器的控制方法，其特征在于：所述变流器包括三个相单元，每个相单元均包括上桥臂、下桥臂、上桥臂电感、下桥臂电感；所述上桥臂的正极端作为相单元的直流出线正极端；所述上桥臂的负极端与所述上桥臂电感的一端相连；所述上桥臂电感的另一端与所述下桥臂电感的一端相连，作为相单元的交流出线端，并串联电抗器连接到电网；所述下桥臂电感的另一端与所述下桥臂的正极端相连；所述下桥臂的负极端作为相单元的直流出线负极端；三个相单元中的所述上桥臂、所述下桥臂均由半桥子模块和类全桥储能子模块混合串联而成；所述半桥子模块和类全桥储能子模块中均包括多个可控开关器件，所有可控开关器件采用单极性载波移相正弦脉宽调制方法，以能量守恒、子模块电容电压一个工频周期稳定和线性调制为前提，计算获得半桥子模块与类全桥储能子模块的调制比；根据每相待输出指令电压波形，确定每相的上桥臂、下桥臂中每个半桥子模块与类全桥储能子模块的调制波，根据每相的上桥臂、下桥臂中每个半桥子模块与类全桥储能子模块的载波和半桥子模块与类全桥储能子模块的调制波进行比较产生控制信号，分别控制每相的上桥臂、下桥臂中各半桥子模块与类全桥储能子模块的投入或切断。...

【技术特征摘要】
1.一种具有储能功能的模块化多电平变流器的控制方法，其特征在于：所述变流器包括三个相单元，每个相单元均包括上桥臂、下桥臂、上桥臂电感、下桥臂电感；所述上桥臂的正极端作为相单元的直流出线正极端；所述上桥臂的负极端与所述上桥臂电感的一端相连；所述上桥臂电感的另一端与所述下桥臂电感的一端相连，作为相单元的交流出线端，并串联电抗器连接到电网；所述下桥臂电感的另一端与所述下桥臂的正极端相连；所述下桥臂的负极端作为相单元的直流出线负极端；三个相单元中的所述上桥臂、所述下桥臂均由半桥子模块和类全桥储能子模块混合串联而成；所述半桥子模块和类全桥储能子模块中均包括多个可控开关器件，所有可控开关器件采用单极性载波移相正弦脉宽调制方法，以能量守恒、子模块电容电压一个工频周期稳定和线性调制为前提，计算获得半桥子模块与类全桥储能子模块的调制比；根据每相待输出指令电压波形，确定每相的上桥臂、下桥臂中每个半桥子模块与类全桥储能子模块的调制波，根据每相的上桥臂、下桥臂中每个半桥子模块与类全桥储能子模块的载波和半桥子模块与类全桥储能子模块的调制波进行比较产生控制信号，分别控制每相的上桥臂、下桥臂中各半桥子模块与类全桥储能子模块的投入或切断。2.根据权利要求1所述的具有储能功能的模块化多电平变流器的控制方法，其特征在于：所述的半桥子模块，包括：第一直流电容器、第一可控开关器件、第二可控开关器件、第一续流二极管、第二续流二极管；其中：所述第一可控开关器件、所述第二可控开关器件的集电极分别与所述第一续流二极管、所述第二续流二极管的阴极相连；所述第一可控开关器件、所述第二可控开关器件的发射极分别与所述第一续流二极管、所述第二续流二极管的阳极相连；所述第一可控开关器件...

【专利技术属性】
技术研发人员：李睿，张弢，王平，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31