CN106253643A - 一种基于辅助环储能系统的双频载波移相pwm控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于辅助环储能系统的双频载波移相PWM控制方法，所述储能系统包括n个变换单元，所述变换单元包括开关元件，首先提供n组调制波，所述调制波由基波和辅助频率正弦波叠加而成，n组调制波的基波分量相位相同，而n组调制波的辅助频率正弦波分量各相位不同；然后提供n组频率和幅值相同的三角载波；再将所述n组三角载波与所述n组调制波分别进行比较，得出n组PWM信号；最后用所述PWM信号控制所述开关元件的导通与关断，从而驱动变换单元。本发明通过调节不同的相位来控制各个变换单元中交换功率的大小和方向；且两种频率分量能够实现解耦独立控制，使得控制更加方便，结果更加准确。

Description

一种基于辅助环储能系统的双频载波移相PWM控制方法

技术领域

本发明涉及储能技术领域，尤其涉及一种基于辅助环储能系统的双频载波移相PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制方法。

背景技术

目前级联多电平变换器的PWM调制方法主要可以分为两大类：基于电压等级的调制技术和空间矢量调制技术。空间矢量调制技术具有一系列显著优点，如低谐波含量和高电压利用率等，这些优点使得它在低电平领域应用非常广泛。然而，对于五电平以上的电路而言，它的控制算法将变得非常复杂。基于电压等级的调制技术主要分为多载波PWM调制、阶梯波调制(SW-PWM)和特定谐波消除调制(SHE-PWM)等。

虽然目前学者提出了上述多种不同种类的调制方法，但是对比上述各种方法后，发现主要还是多载波PWM调制、阶梯波调制和混合调制等几种调制方法比较适合于级联H桥变换器。特定谐波消除SHE虽然具有较好的谐波特性，但是无法在线运算，并且随着电平数的增加，运算复杂度也随几何倍数增加。阶梯波调制在高电平情况下计算也比较复杂。需要设计一种适用于辅助环储能系统功率交换的PWM调制方法，可以控制各个变换单元中交换功率的大小。

发明内容

发明目的：为解决上述问题，本发明提供一种基于辅助环储能系统的双频载波移相PWM控制方法。

技术方案：本发明提供一种基于辅助环储能系统的双频载波移相PWM控制方法，所述储能系统包括n个变换单元，所述变换单元包括开关元件，该方法包括以下步骤：

(1)提供n组调制波，所述调制波由基波和辅助频率正弦波叠加而成，n组调制波的基波分量相位相同，记为θ；n组调制波的辅助频率正弦波分量各相位不同，记为令调制波为y_i(t)，(i＝1,2,…n)，令基波频率为f_s，令辅助频率为f_h，令基波角频率为ω_s，令辅助角频率为ω_h，令U_s和U_h分别为基波的幅值和辅助频率正弦波的幅值，调制波y_i(t)表达式为：

其中，i表示第i个变换单元，t表示时间，ω_s＝2πf_s，ω_h＝2πf_h；

(2)提供n组频率和幅值相同的三角载波，令三角载波的频率为f_c，令三角载波的幅值为U_c；设基波调制度为M，设辅助频率正弦波调制度为N，所述M＝(U_s/U_c)，所述N＝(U_h/U_c)，0.6≤M≤1，0≤N≤0.4，且0.9≤M+N≤1，有f_c＝10f_h；

(3)将所述n组三角载波与所述n组调制波分别进行比较，得出n组PWM信号；

(4)用所述PWM信号控制所述开关元件的导通与关断，从而驱动变换单元。

有益效果：相比较现有技术，本发明提供的一种基于辅助环储能系统的双频载波移相PWM控制方法，适用于带辅助环的储能系统；通过调节不同的相位来控制各个变换单元中交换功率的大小和方向；且在双频PWM载波移相控制中，两种频率的输出电压幅值是独立的，并且都仅与该频率的调制度和直流侧电压有关，两种频率分量能够实现解耦独立控制，使得控制更加方便，结果更加准确。

附图说明

图1是七电平双频载波移相PWM控制时的载波和调制波示意图。

图2是双频载波移相PWM调制仿真模型。

图3是三个级联H桥的输出电压波形。

图4是输出电压的傅里叶分析。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

一种基于辅助环储能系统的双频载波移相PWM控制方法，所述储能系统包括n个变换单元，所述变换单元包括开关元件，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)提供n组调制波，所述调制波由基波和辅助频率正弦波叠加而成，n组调制波的基波分量相位相同，记为θ；n组调制波的辅助频率正弦波分量各相位不同，记为令调制波为y_i(t)，(i＝1,2,…n)，令基波频率为f_s，令辅助频率为f_h，令基波角频率为ω_s，令辅助角频率为ω_h，令U_s和U_h分别为基波的幅值和辅助频率正弦波的幅值，调制波y_i(t)表达式为：

其中，i表示第i个变换单元，t表示时间，ω_s＝2πf_s，ω_h＝2πf_h；

通过调节辅助频率正弦波不同的相位可以控制各个变换器单元中交换功率的大小和方向，具体方法为：通过调节辅助频率正弦波的相位可以控制变换单元的输出电压，比较变换单元的输出电压与辅助功率环中的电流的相位，当变换单元的输出电压与辅助功率环中的电流同相位时，变换单元输出功率；当变换单元的输出电压与辅助功率环中的电流反相位时，变换单元输入功率。

(2)提供n组频率和幅值相同的三角载波，相邻变换单元的三角载波的相位相差2π/n；令三角载波的频率为f_c，令三角载波的幅值为U_c；设基波调制度为M，设辅助频率正弦波调制度为N，所述M＝(U_s/U_c)，所述N＝(U_h/U_c)，0.6≤M≤1，0≤N≤0.4，且0.9≤M+N≤1，有f_c＝10f_h；

(3)将所述n组三角载波与所述n组调制波分别进行比较，得出n组PWM信号；

(4)用所述PWM信号控制所述开关元件的导通与关断，从而驱动变换单元。所述变换单元输出电平为2n+1的阶梯波波形。

设X＝ω_ct,Y＝ω_st，ω_ht＝qω_st，其中ω_c为三角载波角频率，q为整数，设每个变换单元的直流侧电压为E，设第i个变换单元的输出电压为u_i(X,Y)，则u_i(X,Y)的计算公式为：

$u_i(X,Y)=\left\{\begin{array}{cc}E/2& X\left\{\begin{array}{c}\&GreaterEqual;2\mathrm{\&pi;}(k+1)-{\mathrm{\&alpha;}}_1-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}(1+M\sin Y+N\sin qY)\\ <2k\mathrm{\&pi;}-{\mathrm{\&alpha;}}_1+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}(1+M\sin Y+N\sin qY)\end{array}\right.\\ -E/2& X\left\{\begin{array}{c}\&GreaterEqual;2k\mathrm{\&pi;}-{\mathrm{\&alpha;}}_1+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}(1+M\sin Y+N\sin qY)\\ <2\mathrm{\&pi;}(k+1)-{\mathrm{\&alpha;}}_1-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}(1+M\sin Y+N\sin qY)\end{array}\right.\end{array}\right.$

其中α₁为三角载波相位，k为整数即k＝1,2,…。

假定u_i的双重傅里叶级数表达式为：

$\begin{array}{c}{u}_i(X,Y)=\frac{A_{00}}{2}+\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\&infin;}}{\&Sigma;}}(A_{0n}\cos nX+B_{on}\sin nY)+\\ \underset{n=1}{\overset{\mathrm{\&infin;}}{\&Sigma;}}(A_{m0}\cos mX+B_{mo}\sin mY)+\\ \underset{n=1}{\overset{\mathrm{\&infin;}}{\&Sigma;}}\underset{n=\&PlusMinus;1}{\overset{\&PlusMinus;\mathrm{\&infin;}}{\&Sigma;}}\&lsqb;A_{mn}\cos (mX+nY)+B_{on}\sin (mX+nY)\&rsqb;\end{array}$

式中，A_mn，B_mn为双重傅里叶级数的系数，m、n为系数且为整数，且

$A_{mn}+{\mathrm{jB}}_{mn}=\frac{2}{{\left(2\mathrm{\&pi;}\right)}^2}{\&Integral;}_{-\mathrm{\&pi;}}^{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_{-\mathrm{\&pi;}}^{\mathrm{\&pi;}}{u}_a(X,Y)e^{j(mX+nY)}dXdY$

将输出电压u_ai(x,y)表达式代入上式得：

$\begin{array}{c}{A}_{mn}+{\mathrm{jB}}_{mn}=-\frac{jE}{{\mathrm{m\&pi;}}^2}{\&Integral;}_{-\mathrm{\&pi;}}^{\mathrm{\&pi;}}\&lsqb;e^{j\&lsqb;\frac{m\mathrm{\&pi;}}{2}+\frac{m\mathrm{\&pi;}}{2}(M\sin Y+N\sin qY)\&rsqb;}-e^{j\&lsqb;\frac{m\mathrm{\&pi;}}{2}+\frac{m\mathrm{\&pi;}}{2}(M\sin Y+N\sin qY)\&rsqb;}\&rsqb;e^{-{\mathrm{jm\&alpha;}}_1}{e}^{jnY}dY\\ =\frac{E}{{\mathrm{m\&pi;}}^2}{\&Integral;}_{-\mathrm{\&pi;}}^{\mathrm{\&pi;}}2\sin \&lsqb;\frac{m\mathrm{\&pi;}}{2}+\frac{m\mathrm{\&pi;}}{2}(M\sin Y+N\sin qY)\&rsqb;e^{-{\mathrm{jm\&alpha;}}_1}{e}^{jnY}dY\end{array}$

当忽略载波谐波和边带谐波分量时，第i个变换单元的输出电压可以表示为：

式中，M_i为第i个变换单元的基波调制度，N_i为第i个变换单元的辅助频率正弦波调制度。

由此得在双频载波移相PWM控制方法中，两种频率的输出电压幅值是独立的，并且都仅与该频率的调制度和直流侧电压有关，即说明在双频载波移相PWM控制方法中，两种频率分量能够实现解耦独立控制。

下面为以储能系统为3个H桥模块的变换单元为例进行的仿真实验。

如图1所示，调制波为一复合波形y_i(t)，(i＝1,2,3)由基波f_s和辅助频率f_h的正弦波组成，在每个调制波y_i(t)中，各基频f_s分量相位相同，而辅助频率f_h分量各相位不同，通过控制不同的相位来控制各个变换器单元中交换功率的大小和方向。双频PWM载波移相控制中，两种频率的输出电压幅值是独立的，并且都仅与该频率的调制度和直流侧电压有关，即两种频率分量能够实现解耦独立控制。

如图2所示，利用SIMULINK中的模块构造一个一定频率三角载波，并同时构造两个不同频率的正弦波(其中一个为50Hz基波，另一个为500Hz辅助频率)，且二者的调制比分别为0.7和0.3，然后将这两个正弦波进行叠加，并作为该双频载波移相PWM调制的调制波，通过三角载波和调制波的比较决定输出的状态。

如图3所示，在仿真模型的开环仿真实验中，三个H桥模块级联，每个模块直流侧电池电压取为24V，并且每个变换单元的调制波中的辅助频率分量的相位设为一致。当使用双频载波移相PWM调制，三个级联H桥模块的输出电压为七电平。

如图4所示，辅助频率分量(500Hz分量)幅值约为基频分量(50Hz分量)幅值的42.86％，该比值非常接近于两个频率分量的调制波的调制度的比值，即0.3/0.7。除此之外，从右边的局部放大图可知，输出电压中的边带谐波主要集中在m×6×5kHz(m＝1,2,…∞)附近，其余高次谐波则由双频载波移相PWM调制相抵消了。从该图中可知，边带谐波主要为30kHz、60kHz和90kHz。

Claims (5)

1.一种基于辅助环储能系统的双频载波移相PWM控制方法，所述储能系统包括n个变换单元，所述变换单元包括开关元件，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)提供n组调制波，所述调制波由基波和辅助频率正弦波叠加而成，n组调制波的基波分量相位相同，记为θ；n组调制波的辅助频率正弦波分量各相位不同，记为令调制波为y_i(t)，(i＝1,2,…n)，令基波频率为f_s，令辅助频率为f_h，令基波角频率为ω_s，令辅助角频率为ω_h，令U_s和U_h分别为基波的幅值和辅助频率正弦波的幅值，调制波y_i(t)表达式为：

其中，i表示第i个变换单元，t表示时间，ω_s＝2πf_s，ω_h＝2πf_h；

(2)提供n组频率和幅值相同的三角载波，令三角载波的频率为f_c，令三角载波的幅值为U_c；设基波调制度为M，设辅助频率正弦波调制度为N，所述M＝(U_s/U_c)，所述N＝(U_h/U_c)，0.6≤M≤1，0≤N≤0.4，且0.9≤M+N≤1，有f_c＝10f_h；

(3)将所述n组三角载波与所述n组调制波分别进行比较，得出n组PWM信号；

(4)用所述PWM信号控制所述开关元件的导通与关断，从而驱动变换单元。

2.根据权利要求1所述的基于辅助环储能系统的双频载波移相PWM控制方法，其特征在于，所述n个变换单元串联，步骤(2)中相邻变换单元的三角载波的相位相差2π/n。

3.根据权利要求1或2所述的基于辅助环储能系统的双频载波移相PWM控制方法，其特征在于，通过调节辅助频率正弦波的相位控制变换单元的输出电压，比较变换单元的输出电压与辅助功率环中的电流的相位，当变换单元的输出电压与辅助功率环中的电流同相位时，变换单元输出功率；当变换单元的输出电压与辅助功率环中的电流反相位时，变换单元输入功率。

4.根据权利要求1或2所述的基于辅助环储能系统的双频载波移相PWM控制方法，其特征在于，所述变换单元输出电平为2n+1的阶梯波波形。

5.根据权利要求3所述的基于辅助环储能系统的双频载波移相PWM控制方法，其特征在于，设X＝ω_ct,Y＝ω_st，ω_ht＝qω_st，其中ω_c为三角载波角频率，q为整数，设每个变换单元的直流侧电压为E，设第i个变换单元的输出电压为u_i(X,Y)，则u_i(X,Y)的计算公式为：

$u_i(X,Y)=\left\{\begin{array}{cc}E/2& X\left\{\begin{array}{c}\&GreaterEqual;2\mathrm{\&pi;}(k+1)-{\mathrm{\&alpha;}}_1-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}(1+M\sin Y+N\sin qY)\\ <2k\mathrm{\&pi;}-{\mathrm{\&alpha;}}_1+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}(1+M\sin Y+N\sin qY)\end{array}\right.\\ -E/2& X\left\{\begin{array}{c}\&GreaterEqual;2k\mathrm{\&pi;}-{\mathrm{\&alpha;}}_1+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}(1+M\sin Y+N\sin qY)\\ <2k\mathrm{\&pi;}(k+1)-{\mathrm{\&alpha;}}_1-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}(1+M\sin Y+N\sin qY)\end{array}\right.\end{array}\right.$

其中α₁为三角载波相位，k为整数即k＝1,2,…。

假定u_i的双重傅里叶级数表达式为：

$\begin{array}{c}{u}_i(X,Y)=\frac{A_{00}}{2}+\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\&infin;}}{\mathrm{\&Sigma;}}}(A_{0n}\cos nX+B_{on}\sin nY)+\\ \underset{m=1}{\overset{\mathrm{\&infin;}}{\mathrm{\&Sigma;}}}(A_{m0}\cos mX+B_{mo}\sin mY)+\\ \underset{m=1}{\overset{\mathrm{\&infin;}}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{n=\&PlusMinus;1}{\overset{\&PlusMinus;\mathrm{\&infin;}}{\mathrm{\&Sigma;}}}\&lsqb;A_{mn}\cos (mX+nX)+B_{on}\sin (mY+nY)\&rsqb;\end{array}$

式中，A_mn，B_mn为双重傅里叶级数的系数，m、n为系数且为整数，且

$A_{mn}+{\mathrm{jB}}_{mn}=\frac{2}{{\left(2\mathrm{\&pi;}\right)}^2}{\&Integral;}_{-\mathrm{\&pi;}}^{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_{-\mathrm{\&pi;}}^{\mathrm{\&pi;}}{u}_a(X,Y)e^{j(mX+nY)}dXdY$

将输出电压u_ai(x,y)表达式代入上式得：

$\begin{array}{c}{A}_{mn}+{\mathrm{jB}}_{mn}=-\frac{JE}{{\mathrm{m\&pi;}}^2}{\&Integral;}_{-\mathrm{\&pi;}}^{\mathrm{\&pi;}}\&lsqb;e^{j\&lsqb;\frac{m\mathrm{\&pi;}}{2}+\frac{m\mathrm{\&pi;}}{2}(M\sin Y+N\sin qY)\&rsqb;}-e^{j\&lsqb;\frac{m\mathrm{\&pi;}}{2}+\frac{m\mathrm{\&pi;}}{2}(M\sin Y+N\sin qY)\&rsqb;}{\mathrm{\&rsqb;e}}^{-{\mathrm{jm\&alpha;}}_1}{e}^{jnY}dY\\ =\frac{E}{{\mathrm{m\&pi;}}^2}{\&Integral;}_{-\mathrm{\&pi;}}^{\mathrm{\&pi;}}2\sin \&lsqb;\frac{m\mathrm{\&pi;}}{2}+\frac{m\mathrm{\&pi;}}{2}(M\sin Y+N\sin qY){\mathrm{\&rsqb;e}}^{-{\mathrm{jm\&alpha;}}_1}{e}^{jnY}dY\end{array}$

当忽略载波谐波和边带谐波分量时，第i个变换单元的输出电压可以表示为：

式中，M_i为第i个变换单元的基波调制度，N_i为第i个变换单元的辅助频率正弦波调制度。