一种三相多电平变流器及其电池SOC均衡控制方法技术

本发明专利技术公开了一种三相多电平变流器及其电池SOC均衡控制方法，在储能系统中引入星形级联式H桥逆变器，通过比较获得每相中各个模块电池的SOC排序，根据该排序选择作用矢量，通过作用矢量和各个模块开关函数的调整，使得相内各电池的SOC逐渐趋于平衡；然后通过一种基于SOC差值反馈的负序信号注入法使得相间SOC也达到均衡。最后搭建了五模块十一电平的三相星形级联式H桥逆变器仿真模型，通过仿真结果验证了所提算法的正确性和可行性。该三相多电平变流器及其电池SOC均衡控制方法易于实施，可靠性高。

A Three-phase Multilevel Converter and Its Battery SOC Equalization Control Method

The invention discloses a three-phase multi-level converter and its battery SOC equalization control method. Star cascade H-bridge inverters are introduced into the energy storage system, and the SOC ordering of each module battery in each phase is obtained by comparison. According to the ordering, the action vector is selected, and the SOC of each battery in each phase is gradually balanced by adjusting the action vector and the switch function of each module. A negative sequence signal injection method based on SOC difference feedback is used to equalize the inter-phase SOC. Finally, the simulation model of three-phase star cascaded H-bridge inverters with five modules and eleven levels is built. The simulation results verify the correctness and feasibility of the proposed algorithm. The three-phase multi-level converter and its battery SOC equalization control method are easy to implement and have high reliability.

【技术实现步骤摘要】
一种三相多电平变流器及其电池SOC均衡控制方法
本专利技术涉及一种三相多电平变流器及其电池SOC均衡控制方法。
技术介绍
在电池储能系统中，为了提高系统容量，通常采用电池模块直接串并联，再通过单级DC/AC或两级DC/DC+DC/AC进行输出，但是串并联的电池组之间容易产生充放电电流不均衡和环流等问题，影响整个系统稳定性，而且使用两级拓扑会增加控制的复杂度，降低系统可靠性。因此有学者提出采用星型级联H桥拓扑，电池储能单元采用分布式的配置方式，接于H桥单元的直流侧。这种拓扑的优势在于：可以增加串联H桥个数实现输出高电压等级，有效降低系统对电池组电压等级的依赖性；等效开关频率提高使得并网谐波很小；电池储能单元采用分布式配置，易于能量管理；基于H桥的模块化结构便于储能系统扩容。基于级联H桥的上述优点，本专利引入星型级联H桥拓扑作为储能系统的基本拓扑。由于星型级联H桥拓扑直流侧没有公共直流母线，因此对直流侧的电压均衡要求更高，电池SOC不均衡便成为了制约整个储能系统可用容量和装置可用率的瓶颈因素，所以这种独立电池供电的储能系统运行的关键问题在于系统充放电时保持相间和相内的SOC均衡。有文章提出采用三角载波层叠PWM(SB-SPWM)实现各电池的SOC均衡，但是载波层叠调制策略下，开关频率高，开关损耗大，输出电压的分析比较困难，而且载波数量随着H桥个数增长而增长，不适用于较多电平的环境。因此，有必要设计一种新的三相多电平变流器及其电池SOC均衡控制方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种三相多电平变流器及其电池SOC均衡控制方法，该三相多电平变流器及其电池SOC均衡控制方法集成度高，功能丰富。专利技术的技术解决方案如下：一种三相多电平变流器的电池SOC均衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将每相中各个模块电池的SOC排序；比较每相中各个模块电池的SOC值，实现每相中各个模块电池的SOC排序；SOC是指电池荷电状态；步骤2：相内各电池的SOC的均衡控制；通过作用矢量和各个模块开关函数的调整实现相内的均衡控制；步骤3：相间各电池的SOC的均衡控制；通过基于SOC差值反馈的负序电压注入法实现相间的SOC均衡控制。步骤3中，在三相多电平变流器中注入负序电压；所述的负序电压的相位角和幅值分别为：其中k为正比例系数，|z|为负载阻抗幅值，γ为阻抗角，有：其中，△SOCA,△SOCB,△SOCC分别为A、B、C相的SOC不平衡度；式中SOCA,SOCB,SOCC分别为A、B、C相的SOC值；所述的三相多电平变流器是指三相星形级联式H桥逆变器。三相星形级联式H桥逆变器具有5个子模块；采用十一电平空间矢量以及三段式算法实现相内SOC的均衡。十一电平空间矢量以及三段式算法的步骤如下：步骤(1)：判断所在的大扇区N；步骤(2)：判断所在的中扇区n；步骤(3)：判断所在的小扇区m；步骤(4)：选择总电压矢量(V1，V2)以及驱动H桥开关函数；包括根据三相SOC值确定总电压矢量；还包括根据每个H桥电池SOC值确定单个H桥开关函数；步骤(5)：计算矢量作用时间(T1,T2)；步骤(6)：根据开关函数及矢量作用时间确定每个开关的调制波；步骤(7)：将调制波与载波比较生成开关PWM波；步骤(8)：输出PWM波到各H桥。步骤6-8是现有成熟技术。所述的大扇区，中扇区和小扇区划分如下：(a)划分大扇区：记三相参考电压为将转换到αβ静止坐标系下为再将空间电压矢量图划分为6个大扇区，分别记为扇区N＝Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，每一个扇区在矢量图中对应的角度为60°；(b)划分中扇区：将每个大扇区按照0～30°和30°～60°划分为两个中扇区，记为n；设α为三相参考电压与α轴的夹角，则根据tanα的值判定中扇区，共有12个中扇区；n取值为1或2；(c)划分小扇区：先将静止直角坐标系αβ转换为非正交60°gh坐标系，即将转换为Ug、Uh,转换公式如下：当N＝Ⅰ时，分别选择矢量V10＝(5，-5，-5)和矢量V20＝(5,5，-5)作为基底有效矢量，n＝1时选择矢量V10作为基底有效矢量，n＝2时选择矢量V20作为基底有效矢量；在选定基底有效矢量后，再根据相应的Ug、Uh值将中扇区1和2分别划分为5个小扇区，小扇区号记为m，具体划分如下，其他扇区由扇区Ⅰ逆时针依次旋转60°得到：①.n＝1时：当且当且当且当且当且②.n＝2时：当且当且当且当且当且步骤(4)中，V1为有效矢量1，V2为有效矢量2；依据参考矢量所在扇区位置以及SOC值选择有效矢量：为简化算法，考虑到每个中扇区的最大矢量(V10、V20、V30、V40、V50、V60)对三相的SOC状态没有影响，因此在选择矢量时，始终选择每个中扇区所包含的最大矢量作为有效矢量1，然后根据SOC值选择合适的有效矢量2对SOC进行均衡。在每相5个H桥级联系统中，单独考虑每相开关函数共有5种状态，分别为-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5，(其中，数字的绝对值代表每相中正在放电的H桥的个数。例如，4和-4代表单相中有4个H桥工作在放电状态。正负号对应不同的开关管导通，单个H桥输出电平分别为+E和-E，如果是5个同时导通，那就是+5E和-5E)其中，对均衡有作用的开关函数为-4，-3，-2，-1,1,2,3,4。为让SOC逐渐均衡，通常使得与SOC平均值偏离最多的SOC值最小的电池少放电，其他电池多放电，因此开关状态选为4或-4最为合适。但是，三相均为4或-4的开关函数(4,4,4,)或(-4，-4，-4)为零矢量，无法作为合成参考矢量的有效矢量，因此选择有效矢量2的原则是使三相总开关函数S(STA、STB、STC)中的三个单相开关函数STA、STB、STC尽可能多的为4或-4。分析各矢量可知，均有开关状态使得STA、STB、STC中有两个为4或-4，则有效矢量2优先选取这些矢量状态进行参考电压合成。例如，在中扇区n＝1中，当m＝1～5时，有效矢量1均已选为矢量V10，即V1＝V10，其中，在小扇区m＝1中，V2＝V11(4,4,3)；在小扇区m＝2中，V2＝V12(4，4，2)；在小扇区m＝3中，V2＝V13(4，4，1)；在小扇区m＝4中，V2＝V14(4，4，0)；在小扇区m＝5中，V2＝V15(4，4，-1)。步骤(5)中，有效矢量作用时间按以下方法计算：采用三段法，始终从有效矢量1开始，再经由有效矢量2，最后以零矢量结束；以小扇区1为例，设有效矢量1作用时间为T1，有效矢量2作用时间为T2，则三段法下矢量VO的作用时间为Ts-T1-T2，Ts为系统采样周期，由伏秒平衡原理可得小扇区1的矢量作用时间T1、T2、T0计算式为如下：T0＝Ts-T1-T2若T1、T2超调，即当T1+T2>Ts时(其中Ts为系统采样周期，fs为采样频率)，要按下式对计算所得的T1、T2进行超调处理：其他扇区计算方法同小扇区1，只是计算时的矢量模值和角度要根据所选的有效矢量V1、V2进行相应的变化。一种三相多电平变流器，采用三相三线制星型连接，每相由L个H桥逆变单元级联而成，主电路中性点为N，负载中性点为O；每个逆变单元子模块由独立电池并联电容C接到H桥型DC/AC变换器的直流侧；交本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三相多电平变流器的电池SOC均衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将每相中各个模块电池的SOC排序；比较每相中各个模块电池的SOC值，实现每相中各个模块电池的SOC排序；SOC是指电池荷电状态；步骤2：相内各电池的SOC的均衡控制；通过作用矢量和各个模块开关函数的调整实现相内的均衡控制；步骤3：相间各电池的SOC的均衡控制；通过基于SOC差值反馈的负序电压注入法实现相间的SOC均衡控制。

【技术特征摘要】
1.一种三相多电平变流器的电池SOC均衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将每相中各个模块电池的SOC排序；比较每相中各个模块电池的SOC值，实现每相中各个模块电池的SOC排序；SOC是指电池荷电状态；步骤2：相内各电池的SOC的均衡控制；通过作用矢量和各个模块开关函数的调整实现相内的均衡控制；步骤3：相间各电池的SOC的均衡控制；通过基于SOC差值反馈的负序电压注入法实现相间的SOC均衡控制。2.根据权利要求1所述的三相多电平变流器的电池SOC均衡控制方法，其特征在于，步骤3中，在三相多电平变流器中注入负序电压；所述的负序电压的相位角和幅值分别为：其中k为正比例系数，|z|为负载阻抗幅值，γ为阻抗角，有：其中，ΔSOCA，ΔSOCB，ΔSOCC分别为A、B、C相的SOC不平衡度；式中SOCA，SOCB，SOCC分别为A、B、C相的SOC值；3.根据权利要求1所述的三相多电平变流器的电池SOC均衡控制方法，其特征在于，所述的三相多电平变流器是指三相星形级联式H桥逆变器。4.根据权利要求3所述的三相多电平变流器的电池SOC均衡控制方法，其特征在于，三相星形级联式H桥逆变器具有5个子模块；采用十一电平空间矢量以及三段式算法实现相内SOC的均衡。5.根据权利要求4所述的三相多电平变流器的电池SOC均衡控制方法，其特征在于，十一电平空间矢量以及三段式算法的步骤如下：步骤(1)：判断所在的大扇区N；步骤(2)：判断所在的中扇区n；步骤(3)：判断所在的小扇区m；步骤(4)：选择总电压矢量(V1，V2)以及驱动H桥开关函数；包括根据三相SOC值确定总电压矢量；还包括根据每个H桥电池SOC值确定单个H桥开关函数；步骤(5)：计算矢量作用时间(T1，T2)；步骤(6)：根据开关函数及矢量作用时间确定每个开关的调制波；步骤(7)：将调制波与载波比较生成开关PWM波；步骤(8)：输出PWM波到各H桥。6.根据权利要求5所述的三相多电平变流器的电池SOC均衡控制方法，其特征在于，所述的大扇区，中扇区和小扇区划分如下：(a)划分大扇区：记三相参考电压为将转换到αβ静止坐标系下为再将空间电压矢量图划分为6个大扇区，分别记为扇区N＝I、II、III、IV、V、VI，每一个扇区在矢量图中对应的角度为60°；(b)划分中扇区：将每个大扇区按照0～30°和30°～60°划分为两个中扇区，记为n；设α为三相参考电压与α轴的夹角，则根据tanα的值判定中扇区，共有12个中扇区；n取值为1或2；(c)划分小扇区：先将静止直角坐标系αβ转换...

【专利技术属性】
技术研发人员：于晶荣，余若雪，胡楷，林显富，
申请(专利权)人：中南大学，长沙起克电气技术有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43