CN103151917A - 微网储能复合双向三电平直流变换器占空比扰动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微网储能复合双向三电平直流变换器占空比扰动控制方法，涉及电力电子功率变换技术领域，本方法弱化了串联电容容量必须相等时的硬性条件，并且能够校正功率开关实际动作不一致带来的串联电容充放电时间不等的结果；通过调整对应电容的充放电时间，串联电容电压经过一个暂态过程后，实现电容电压均衡，避免了同标称参数元器件的电气差异性。

Description

微网储能复合双向三电平直流变换器占空比扰动控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子功率变换技术领域，涉及分布式发电供能系统，特别涉及一种微网储能复合双向三电平直流变换器占空比扰动控制方法。

背景技术

随着煤炭、石油和天然气等不可再生资源的逐渐枯竭，世界范围内对风能、太阳能和生物质能等绿色可再生能源的充分利用已提上了日程。对现有的大电网系统来说，需要“消纳”这些可再生能源产生的电能，学者们已经提出了分布式发电方式。将分布式电源配置在负荷附近，对可再生能源“现产现消”，减轻了大电网的负荷压力。

为了能够消除可再生能源间歇性特点带来的供电不稳定性，需要在分布式发电系统中配置分布式储能系统，从而和负荷一起构成一个微网系统。分布式电源和分布式储能系统的能量以微网为载体，既可以和大电网并网，又可以孤岛运行。微网储能系统不仅可以平滑可再生能源发电的波动性，而且还能对大电网起到“削峰填谷”的作用，是分布式发电的重要组成部分。目前，微网储能的形式较多，有蓄电池储能、飞轮储能、超导储能和超级电容储能等。蓄电池储能技术最为成熟，是微网储能系统的首选。而蓄电池与微网系统的交流母线之间，需要通过双向功率变换器接口，实现储能系统的充电和放电过程。

现有的复合双向三电平直流变换器可以实现高电压增益运行，并且功率开关可以运行在非极端占空比状态，功率开关的电压应力为高压直流母线电压的一半，电感电流波动减小，这些都有利于复合双向三电平直流变换器应用于微网储能系统中。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下的缺点和不足：

变换器中的元器件（即串联电容、可控功率开关和二极管）都需要采用同标称参数（即串联电容容量完全相同甚至在运行老化过程中容量变化也一致、各可控功率开关、二极管的实际开通时的上升时间和关断时的下降时间都分别相等）。但在实际工程应用中，这些同标称参数元器件的电气特性存在差异，使得该双向变换器在长期运行过程中，难以保证串联电容电压的均衡，从而影响到变换器输出性能，甚至会导致变换器的功率开关因电压应力不均而烧毁。

发明内容

本发明提供了一种微网储能复合双向三电平直流变换器占空比扰动控制方法，本方法通过对复合双向三电平直流变换器进行控制，避免了同标称参数元器件的电气差异性，保证了串联电容电压的均衡，详见下文描述：

一种微网储能复合双向三电平直流变换器占空比扰动控制方法，所述方法包括以下步骤：

（1）当高压直流侧第一滤波电容的电压V_C1大于高压直流侧第二滤波电容的电压V_C2时，需要增大高压直流侧第一滤波电容的放电时间；

（2）比例调节器输入V_C1与V_C2的差值，调节后输出占空比扰动强度Δp；

（3）对所述占空比扰动强度Δp进行限幅，输出1+Δp的占空比扰动强度；

（4）通过所述1+Δp的占空比扰动强度对初始占空比d_初进行线性增加，获取第一占空比d_控；

（5）通过所述第一占空比d_控将第二可控功率开关的关断时间由t_off2减小为t_off2扰。

一种微网储能复合双向三电平直流变换器占空比扰动控制方法，所述方法包括以下步骤：

（1）当高压直流侧第一滤波电容的电压V_C1小于高压直流侧第二滤波电容的电压V_C2时，需要减小高压直流侧第一滤波电容的放电时间；

（2）比例调节器输入V_C1与V_C2的差值，调节后输出占空比扰动强度负Δp；

（3）对所述占空比扰动强度负Δp进行限幅，输出1-Δp的占空比扰动强度；

（4）通过所述1-Δp的占空比扰动强度对初始占空比d_初进行线性减少，获取第二占空比d_控’；

（5）通过所述第二占空比d_控’将第二可控功率开关Q₂的关断时间由t_off2增加为t_off2扰’。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本方法弱化了串联电容容量必须相等时的硬性条件，并且能够校正功率开关实际动作不一致带来的串联电容充放电时间不等的结果；通过调整对应电容的充放电时间，串联电容电压经过一个暂态过程后，实现电容电压均衡，避免了同标称参数元器件的电气差异性。

附图说明

图1为本发明所采用的复合双向三电平直流变换器；

图2为本发明所采用的微网储能系统；

图3为V_C1>V_C2时复合双向三电平直流变换器Buck运行模式时的PWM控制方法；

图4为V_C1<V_C2时复合双向三电平直流变换器Buck运行模式时的PWM控制方法；

图5为复合双向三电平直流变换器的占空比扰动控制原理图。

附图中各标号所代表的部件列表如下：

图3(a)中，m_a、m_b为双向直流变换器的调制度；carrier_1、carrier_2为载波；图3(b)～(e)中，S₁、S₂、S₇、S₈为可控功率开关Q₁、Q₂、Q₇、Q₈的开关驱动信号；t_off1、t_off2、t_off7、t_off8为对应功率开关的关断时间；t_off2扰为占空比扰动控制后功率开关Q₂的关断时间；图3(f)～(h)中，V_ag、V_bg、V_ab为变换器输出脉冲电压，“S₁S₂S₃S₄”为开关状态；图3(i)为电感电流波形；图3(j)～(k)为串联电容电压波形；图4中V_C1、V_C2为串联电容C₁、C₂的电压；P为比例调节系数；Δp为占空比扰动强度；d_初为无占空比扰动方法时的初始占空比；d_控为第一占空比；d_控’为第二占空比。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图1，复合双向三电平直流变换器包括：低压直流侧滤波电容C_f、高压直流侧第一滤波电容C₁、高压直流侧第二滤波电容C₂、第一箝位二极管D₁、第二箝位二极管D₂、第三箝位二极管D₃、第四箝位二极管D₄、第一可控功率开关Q₁、第二可控功率开关Q₂、第三可控功率开关Q₃、第四可控功率开关Q₄、第五可控功率开关Q₅、第六可控功率开关Q₆、第七可控功率开关Q₇、第八可控功率开关Q₈、高压直流侧母线电压V_dcH、低压直流侧母线电压V_dcL和储能电感L_f，

三电平双向直流变换器由2个半桥构成，低压直流侧母线电压V_dcL的正极性端分别与储能电感L_f的一端和低压直流侧滤波电容C_f的一端相连，低压直流侧母线电压V_dcL的负极性端分别与低压直流侧滤波电容C_f的另一端和右半桥的中点b相连；储能电感L_f的另一端连接左半桥的中点a，左半桥的中点a分别与第二可控功率开关Q₂的发射极和第三可控功率开关Q₃的集电极相连；第二可控功率开关Q₂的集电极、第一可控功率开关Q₁的发射极和第一箝位二极管D₁的阴极相连；第一可控功率开关Q₁的集电极、第五可控功率开关Q₅的集电极、高压直流侧第一滤波电容C₁的一端和高压直流侧母线电压V_dcH的正极性端相连；第三可控功率开关Q₃的发射极、第四可控功率开关Q₄的集电极和第二箝位二极管D₂的阳极相连；第二箝位二极管D₂的阴极分别与第一箝位二极管D₁的阳极、第三箝位二极管D₃的阳极、第四箝位二极管D₄的阴极、高压直流侧第一滤波电容C₁的另一端和高压直流侧第二滤波电容C₂的一端相连；第四可控功率开关Q₄的发射极、第八可控功率开关Q₈的发射极、高压直流侧第二滤波电容C₂的另一端和高压直流侧母线电压V_dcH的负极性端相连；第五可控功率开关Q₅的发射极、第三箝位二极管D₃的阴极和第六可控功率开关Q₆的集电极相连；第四箝位二极管D₄的阳极分别与第七可控功率开关Q₇的发射极和第八可控功率开关Q₈的集电极相连；第七可控功率开关Q₇的集电极和第六可控功率开关Q₆的发射极同时连接右半桥的中点b；每个可控功率开关都反并联一个续流二极管。

参见图2，微网储能系统包括：三电平PWM整流器（由可控功率开关、反并联续流二极管和箝位二极管组成）、复合双向三电平直流变换器、储能蓄电池和微网交流母线等。微网储能系统的交流母线电压一般为400V，为了使得储能蓄电池安全、经济，宜采用低压大容量蓄电池，例如：36V和48V。因此，微网交流母线侧采用三电平PWM整流器，既能整流出较高的直流母线电压，例如：600V，又能将高压直流母线上的电能逆变到微网交流母线上。而复合双向三电平直流变换器既能高电压增益运行，又能实现高压直流母线与低压蓄电池之间电能的双向流动，适用于微网储能系统。

但是，复合双向三电平直流变换器的高压直流母线侧为两个串联均压电容（C₁和C₂），各电容电压既为功率开关的电压应力，又是变换器输出脉冲电压的幅值。因此，高压直流母线侧串联均压电容的均衡性对变换器的正常运行起到至关重要的作用。虽然该变换器双向工作时的各PWM控制方法能够保证串联分压电容在载波周期内的充放电时间相等，但是由于电容、功率开关电气特性的差异性，有时会破坏电容电压的均衡性。尤其是当串联电容的容量相差较大时，串联电容电压的均衡性将难以得到保证，恶化了变换器的运行性能，甚至会造成微网储能系统重大故障。

本发明用于微网储能的复合双向三电平直流变换器中，如图2所示，以功率变换器对蓄电池充电为例说明最佳实施方式，蓄电池放电过程与其相似。只是根据串联电容电压的平衡情况，在对蓄电池充电时，对图1中的第二可控功率开关Q₂进行占空比扰动控制；在蓄电池放电时，对第四可控功率开关Q₄进行占空比扰动控制。

为了避免同标称参数元器件的电气差异性，保证串联电容电压的均衡，本发明实施例提供了一种微网储能复合双向三电平直流变换器占空比扰动控制方法，参见图3、图4和图5，详见下文描述：

针对上述问题，本方法在原有PWM控制方法的基础上，在每个载波周期内对串联电容电压进行比例调节，进而产生占空比扰动强度，再将该扰动强度作用到初始占空比上，对其进行扰动控制而得到所需的占空比如图4所示，从而使得串联电容电压朝着均衡的趋势动态变化，实现串联分压电容的均衡。

实施例1

101：当V_C1>V_C2时，需要增大高压直流侧第一滤波电容C₁的放电时间；

102：比例调节器P输入V_C1与V_C2的差值（V_C1-V_C2），调节后输出占空比扰动强度Δp；

其中，该步骤为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做限制。

103：对占空比扰动强度Δp进行限幅，输出1+Δp的占空比扰动强度；

104：通过1+Δp的占空比扰动强度对初始占空比d_初进行线性增加，获取第一占空比d_控；

105：通过第一占空比d_控将第二可控功率开关Q₂的关断时间由t_off2减小为t_off2扰。

即，在某个载波周期内，当V_C1>V_C2则需要对高压直流侧第一滤波电容C1放电、高压直流侧第二滤波电容C2充电，因此，需要增加高压直流侧第一滤波电容C1的放电时间，线性增大功率开关Q2的占空比。采用图4的占空比扰动控制方法，将串联电容电压进行比例调节，得到占空比扰动强度Δp(小于1的百分比)。对扰动强度进行限幅，限制极端占空比，然后将初始占空比d_初(无占空比扰动控制时的占空比)进行线性增减，得到调整串联电容充放电时间以后的第一占空比d_控。如图3(c)中，第二可控功率开关Q₂的关断时间由t_off2减小为t_{off2 扰}，从而减小了储能电感L_f的放电时间，同时也延长了高压直流侧第一滤波电容C₁的放电时间(t_off2-t_off2扰)和高压直流侧第二滤波电容C₂的充电时间(t_off2-t_off2扰)，如图3(j)、(k)所示）。经过数个载波周期后，就能将两电容电压均衡，实现串联电容电压的动态平衡。

实施例2

201：当V_C1<V_C2时，需要减小高压直流侧第一滤波电容C₁的放电时间；

202：比例调节器P输入V_C1与V_C2的差值（V_C1-V_C2），调节后输出占空比扰动强度负Δp；

其中，该步骤为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做限制。

203：对占空比扰动强度负Δp进行限幅，输出1-Δp的占空比扰动强度；

204：通过1-Δp的占空比扰动强度对初始占空比d_初进行线性减少，获取第二占空比d_控’；

205：通过第二占空比d_控’将第二可控功率开关Q₂的关断时间由t_off2增加为t_off2扰’。

即，在某个载波周期内，当V_C1<V_C2则需要对高压直流侧第一滤波电容C1充电、高压直流侧第二滤波电容C2放电，因此，需要减少高压直流侧第一滤波电容C1的放电时间，线性减少功率开关Q2的占空比。采用图4的占空比扰动控制方法，将串联电容电压进行比例调节，得到占空比扰动强度负Δp(小于1的百分比)。对扰动强度进行限幅，限制极端占空比，然后将初始占空比d_初(无占空比扰动控制时的占空比)进行线性减少，得到调整串联电容充放电时间以后的第二占空比d_控’。如图4(c)中，第二可控功率开关Q₂的关断时间由t_off2增加为t_off2扰’，从而增加储能电感L_f的放电时间，同时也缩短了高压直流侧第一滤波电容C₁的放电时间(t_off2-t_off2扰’)和高压直流侧第二滤波电容C₂的充电时间(t_off2-t_{off2 扰’})，如图4(j)、(k)所示）。经过数个载波周期后，就能将两电容电压均衡，实现串联电容电压的动态平衡。

综上所述，本发明实施例提供了一种微网储能复合双向三电平直流变换器占空比扰动控制方法，本方法弱化了串联电容容量必须相等时的硬性条件，并且能够校正功率开关实际动作不一致带来的串联电容充放电时间不等的结果；通过调整对应电容的充放电时间，串联电容电压经过一个暂态过程后，实现电容电压均衡，避免了同标称参数元器件的电气差异性。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种微网储能复合双向三电平直流变换器占空比扰动控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）当高压直流侧第一滤波电容的电压V_C1大于高压直流侧第二滤波电容的电压V_C2时，需要增大高压直流侧第一滤波电容的放电时间；

（2）比例调节器输入V_C1与V_C2的差值，调节后输出占空比扰动强度Δp；

（3）对所述占空比扰动强度Δp进行限幅，输出1+Δp的占空比扰动强度；

（4）通过所述1+Δp的占空比扰动强度对初始占空比d_初进行线性增加，获取第一占空比d_控；

（5）通过所述第一占空比d_控将第二可控功率开关的关断时间由t_off2减小为t_off2扰。

2.一种微网储能复合双向三电平直流变换器占空比扰动控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）当高压直流侧第一滤波电容的电压V_C1小于高压直流侧第二滤波电容的电压V_C2时，需要减小高压直流侧第一滤波电容的放电时间；

（2）比例调节器输入V_C1与V_C2的差值，调节后输出占空比扰动强度负Δp；

（3）对所述占空比扰动强度负Δp进行限幅，输出1-Δp的占空比扰动强度；

（4）通过所述1-Δp的占空比扰动强度对初始占空比d_初进行线性减少，获取第二占空比d_控’；

（5）通过所述第二占空比d_控’将第二可控功率开关Q₂的关断时间由t_off2增加为t_off2扰’。

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