一种储能用三电平级联制造技术

本发明专利技术提供了一种储能用三电平级联

【技术实现步骤摘要】
一种储能用三电平级联Buck
‑
Boost变换器的模型预测控制方法


[0001]本专利技术属于电力电子
，具体涉及一种储能用三电平级联
Buck
‑
Boost
变换器的模型预测控制方法
。

技术介绍

[0002]近年来，以光伏
、
储能为代表的分布式直流型电源飞速发展并得到广泛应用，直流微电网成为了研究热点，作为直流端口变换器的
DC
‑
DC
变换器可实现直流母线和储能单元之间能量的双向流动，受到广泛关注和研究，直流微网中的新能源发电单元具有输出电压范围宽
、
输出功率波动大的特点，因此，系统的稳定运行和能量的高效传输要求与各单元连接的直流端口变换器具有应对宽范围电压变化的能力，三电平级联
Buck
‑
Boost
变换器
(TLCBBC)
开关器件电压应力小，在正向和反向运行工况下均能够实现升降压，相比于传统两电平
DC
‑
DC
变换器的耐压能力弱，电压等级低等缺陷，更适应宽电压范围接入的场合
。
[0003]三电平级联
Buck
‑
Boost
的拓扑结构可以实现
Buck、Boost、Buck
‑
Boost
变换器的功能，对于其控制方法，虽然可以通过采用
Buck
‑
Boost
单模式控制实现升降压控制，控制方法简单，但在任一开关周期内，四个开关管同时动作，开关损耗较大，当输入电压靠近输出电压时，电感电流纹波大，传输效率低
。
采用双模式控制，当
TLCBBC
换器的输出电压低于输入电压时，使其工作在
Buck
模式；当输出电压高于输入电压时，使其工作在
Boost
模式，任一模式只控制单个自由度变化，在开关周期内只有一个开关管动作，相比于单模式控制而言，其开关损耗降低，同时电感电流纹波明显降低，效率大大提升，然而由于开关死区的存在，
TLCBBC
在电压增益接近1的时候会出现电压增益不连续和输出电压电感电流纹波大幅增加的现象，导致开关管的损耗上升，降低了变换器的效率
。
为了实现死区平滑过渡，更为普遍的是使用三模式控制，在死区内引入
Buck
‑
Boost
模式进行单个自由度控制，固定住非主控桥臂的占空比，进一步的，学者们提出了四模式控制，在三模式的基础上，将死区划分为两个子模式，相关实验证明四模式控制可实现电感电流纹波最小，变换器效率最优
。
然而多种模式切换配合需要针对每个模式单独设计控制系统和参数，设计复杂度大大增加
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服多种模式切换配合需要针对每个模式单独设计控制系统和参数，设计复杂度大大增加的缺陷
。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提出了一种储能用三电平级联
Buck
‑
Boost
变换器的模型预测控制方法，所述变换器的电路结构为：输入侧为一个三电平
Buck
变换器，输出测为一个三电平
Boost
变换器，两侧通过一个电感
L
集成在一起；
[0006]所述三电平
Buck
变换器包括开关管
S
11
、S
12
、S
13
和
S
14
，电容
C
11
和
C
12
；其中，开关管
S
11
和
S
14
为三电平
Buck
单元的主控管；
[0007]所述三电平
Boost
变换器包括开关管
S
21
、S
22
、S
23
和
S
24
，电容
C
21
和
C
22
；其中，开关管
S
22
和
S
23
为三电平
Boost
单元的主控管；
[0008]所述方法包括：
[0009]步骤
S1
：采集电感
L
的电流
i
L
(k)
，电容
C
11
、C
12
、C
21
和
C
22
的电压
V
C11
、V
C12
、V
C21
和
V
C22
；计算模态切换点的电流
i
L_j
和各个模式的占空比；
[0010]步骤
S2
：对输出侧电容电压
V
C21
、V
C22
求和，与输出侧电容电压参考值
V
o
作差，差值送入
PI
控制器，得到电感电流参考指令
i
Lref
；
[0011]步骤
S3
：将输入侧的电容差
C
11
‑
C
12
和输出侧的电容差
C
21
‑
C
22
，分别送入
P
控制器中产生电容电压调节信号
adjV1和
adjV2；
[0012]步骤
S4
：将电感电流
i
L
(k)、
电感电流参考指令
i
Lref
、
各电容电压
V
C11
、V
C12
、V
C21
、V
C22
，电容电压调节信号
adjV1、adjV2送入
CCS
‑
MPC
控制单元，得到各主控开关管的的占空比；
[0013]步骤
S5
：将占空比信号送入载波层叠和载波移相调制单元，得到各开关管的控制信号，将控制信号送入三电平级联
Buck
‑
Boost
变换器
。
[0014]作为上述方法的一种改进，所述步骤
S1
具体包括：
[0015]根据输入的电感电流
i
L
(k)、
电感电流参考指令
i
Lref
、
各直流电容电压
V
C12
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种储能用三电平级联
Buck
‑
Boost
变换器的模型预测控制方法，所述变换器的电路结构为：输入侧为一个三电平
Buck
变换器，输出测为一个三电平
Boost
变换器，两侧通过一个电感
L
集成在一起；所述三电平
Buck
变换器包括开关管
S
11
、S
12
、S
13
和
S
14
，电容
C
11
和
C
12
；其中，开关管
S
11
和
S
14
为三电平
Buck
单元的主控管；所述三电平
Boost
变换器包括开关管
S
21
、S
22
、S
23
和
S
24
，电容
C
21
和
C
22
；其中，开关管
S
22
和
S
23
为三电平
Boost
单元的主控管；所述方法包括：步骤
S1
：采集电感
L
的电流
i
L
(k)
，电容
C
11
、C
12
、C
21
和
C
22
的电压
V
C11
、V
C12
、V
C21
和
V
C22
；计算模态切换点的电流
i
L_j
和各个模式的占空比；步骤
S2
：对输出侧电容电压
V
C21
、V
C22
求和，与输出侧电容电压参考值
V
o
作差，差值送入
PI
控制器，得到电感电流参考指令
i
Lref
；步骤
S3
：将输入侧的电容差
C
11
‑
C
12
和输出侧的电容差
C
21
‑
C
22
，分别送入
P
控制器中产生电容电压调节信号
adjV1和
adjV2；步骤
S4
：将电感电流
i
L
(k)、
电感电流参考指令
i
Lref
、
各电容电压
V
C11
、V
C12
、V
C21
、V
C22
，电容电压调节信号
adjV1、adjV2送入
CCS
‑
MPC
控制单元，得到各主控开关管的的占空比；步骤
S5
：将占空比信号送入载波层叠和载波移相调制单元，得到各开关管的控制信号，将控制信号送入三电平级联
Buck
‑
Boost
变换器
。2.
根据权利要求1所述的储能用三电平级联
Buck
‑
Boost
变换器的模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤
S1
具体包括：根据输入的电感电流
i
L
(k)、
电感电流参考指令
i
Lref
、
各直流电容电压
V
C12
、V
C11
、V
C21
、V
C22
和电容电压调节信号
adjV1、adjV2，计算模态切换点的电流
i
L_j
和各个模式的占空比：和各个模式的占空比：和各个模式的占空比：和各个模式的占空比：其中，
k
表示时间；
E
为输入电压；
T
s
为控制周期；
L
为电感；
V
o
为输出电压；
d
min
为受变换器硬件设计限制的开关管的最小占空比；为
Buck1
模式和
Buck2
模式三电平
Buck
变换器主控管的占空比；
Buck1
模式为电压增益
M<0.5
时的模式；
Buck1
模式时开关周期的模态为
(3,1)
‑
(2,1)
‑
(4,1)
‑
(2,1)
；
Buck2
模式为电压增益
0.5<M<1
时的模式；
Buck2
模式时每个开关周期的模态为
(1,1)
‑
(3,1)
‑
(2,1)
‑
(1,1)
；为
Boost1
模式和
Boost2
模式三电平
Boost
变换器主控管的占空比；
Boost1
模式为电压增益
1<M<2
时的模式；
Boost1
模式时每个开关周期的模态为
(1,3)
‑
(1,1)
‑
(1,2)
‑
(1,1)
；
Boost2
模式为电压增益
M>2
时的模式；
Boost2
模式时每个开关周期的模态为
(1,3)
‑
(1,1)
‑
(1,2)
‑
(1,1)
；为
Buck
‑
Boost1
模式三电平
Buck
变换器主控管的占空比：
Buck
‑
Boost1
模式时每个开关周期的模态为
(1,1)
‑
(2,1)
‑
(2,3)
‑
(2,1)
‑
(1,1)
‑
(3,1)
‑
(3,2)
‑
(3,1)
；为
Buck
‑
Boost2
模式三电平
Boost
变换器主控管的占空比；
Buck
‑
Boost2
模式时每个开关周期的模态为
(1,2)
‑
(1,1)
‑
(1,3)
‑
(2,3)
‑
(1,3)
‑
(1,1)
‑
(1,2)
‑
(3,2)
；由下式计算模态切换点的电流：其中，
Δ
t
表示每个模态的持续时间；
i
L_j
‑1为上一模态末尾时刻的电感电流；
V
L
为电感两端电压
。3.
根据权利要求2所述的储能用三电平级联
Buck
‑
Boost
变换器的模型预测控制方法，其特征在于，各模态对应开关管状态为：模态
(1,1)
：
S
11
开
S
12
关
S
13
关
S
14
开
S
21
关
S
22
关
S
23
关
S
24
关；模态
(1,2)
：
S
11
开
S
12
关
S
13
关
S
14
开
S
21
关
S
22
关
S
23
开
S
24
关；模态
(1,3)
：
S
11
开
S
12
关
S
13
关
S
14
开
S
21
关
S
22
开
S
23
关
S
24
关；模态
(1,4)
：
S
11
开
S
12
关
S
13
关
S
14
开
S
21
关
S
22
开
S
23
开
S
24
关；模态
(2,1)
：
S
11
开
S
12
关
S
13
关
S
14
关
S
21
关
S
22
关
S
23
关
S
24
关；模态
(2,2)
：
S

【专利技术属性】
技术研发人员：朱良栋，陈刚，徐志威，
申请(专利权)人：国家电投集团湖北电力有限公司风电分公司，
类型：发明
国别省市：