CN106877726B - 一种具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑的控制方法，其中变流器拓扑包括三个相单元，每个相单元包括上桥臂、下桥臂、上桥臂电感、下桥臂电感，三个相单元的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；所述方法是根据每相待输出指令电压波形，确定每相桥臂中每个半桥子模块和类全桥储能子模块的调制波，根据每相桥臂每个子模块的载波和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。上述具有故障穿越能力的储能型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。同时具备直流侧故障穿越的能力，在直流侧故障时仍然能够储能。

Description

一种具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑的控制方法
技术领域
本发明属于电气自动化设备技术领域，具体的，涉及一种具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑的控制方法。
背景技术
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。此外，这种具有储能功能的子模块并不具备故障穿越的能力，而具有故障穿越能力的子模块又不具备储能的功能。
经检索，公开号为104917418A的中国专利申请，该发明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。该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。
公开号为105591562A的中国专利申请，该发明提供了一种具有直流故障闭锁能力的模块化多电平变流器，其包括：半桥子模块、箝位单子模块、全桥子模块。直流故障时，通过闭锁一部分子模块实现直流故障穿越，并通过另一部分子模块为电网提供无功支撑；该专利通过闭锁子模块并用全桥模块和箝位单子模块配合的方式实现故障穿越，仅仅拥有故障穿越的能力，但是在故障时并不具备储能功能。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明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，兼具故障穿越能力并在故障时能够储能的具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑的控制方法。
本发明提供一种具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑的控制方法，其中：
所述变流器拓扑包括三个相单元，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、第七可控开关器件、第八可控开关器件、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，并与所述第七可控开关器件的一端相连；所述第四可控开关器件的发射极与所述第八可控开关器件的一端相连并作为类全桥储能子模块的负极端；所述第七可控开关器件、所述第八可控开关器件的另一端与所述电池电感的一端相连；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、所述第七可控开关器件、所述第八可控开关器件的栅极均与控制电路相连；
所述第三、四、五、六可控开关器件采用载波移相脉宽调制的方法；在整流、逆变工况下，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，分别控制每相上桥臂、下桥臂中每个半桥子模块与类全桥储能子模块的投入或切断。
优选地，所述的类全桥储能子模块在正常工况时：所述第八可控开关器件导通，所述第七可控开关器件关断；
所述的类全桥储能子模块在直流侧短路工况时：所述第七可控开关器件导通，所述第八可控开关器件关断。
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；所述第一可控开关器件、第二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的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，本发明具有如下的有益效果：
本发明具有故障穿越能力的储能型变流器结构简单，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。同时具备直流侧故障穿越的能力，在直流侧故障时仍然能够储能。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，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一优选实施例的变流器拓扑图；
图2为本发明一优选实施例的半桥子模块电路图；
图3为本发明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分别为本发明一优选实施例的半桥子模块、类全桥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分别为本发明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分别为本发明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中a、b、c、d分别为本发明一优选实施例的直流侧短路工况半桥子模块、类全桥子模块的调制波与总的等效输出电压示意图；
图8中a、b、c分别为本发明一优选实施例的直流侧短路工况下桥臂电流、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9中a、b、c分别为本发明一优选实施例的直流侧短路工况下桥臂电流、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10为本发明一优选实施例的类全桥储能子模块电池电流闭环控制示意图；
图11为本发明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示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
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。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指直流侧电压。
如图2所示，为一优选实施例的半桥子模块电路图；所述的半桥子模块包括：第一直流电容器C1，第一可控开关器件S1、第二可控开关器件S2，第一续流二极管D1、第二续流二极管D2；其中：
所述第一可控开关器件S1的集电极、所述第二可控开关器件S2的集电极分别与所述第一续流二极管D1、所述第二续流二极管D2的阴极相连；所述第一可控开关器件S1的发射极、所述第二可控开关器件S2的发射极分别与所述续流二极管D1的阳极、所述第二续流二极管D2的阳极相连；所述可控开关器件S1的集电极还与所述直流电容器C1的阳极相连；所述可控开关器件S2的发射极还与所述直流电容器C1的阴极相连；所述第一可控开关器件S1的栅极、所述第二可控开关器件S2的栅极均与控制电路相连。
如图3所示，为一优选实施例的类全桥储能子模块电路图；所述的类全桥储能子模块包括：第二直流电容器C2、电池、电池电感L、第三可控开关器件S3、第四可控开关器件S4、第五可控开关器件S5、第六可控开关器件S6、第七可控开关器件T1、第八可控开关器件T2、第三续流二极管D3、第四续流二极管D4、第五续流二极管D5、第六续流二极管D6；其中：
所述第三可控开关器件S3的集电极、所述第四可控开关器件S4的集电极、所述第五可控开关器件S5的集电极、所述第六可控开关器件S6的集电极分别与所述第三续流二极管D3的阴极、所述第四续流二极管D4的阴极、所述第五续流二极管D5的阴极、所述第六续流二极管D6的阴极相连；所述第三可控开关器件S3的发射极、所述第四可控开关器件S4的发射极、所述第五可控开关器件S5的发射极、所述第六可控开关器件S6的发射极分别与所述第三续流二极管D3的阳极、所述第四续流二极管D4的阳极、所述第五续流二极管D5的阳极、所述第六续流二极管D6的阳极相连；所述第三可控开关器件S3的集电极与所述第二直流电容器C2的阳极相连；所述第四可控开关器件S4的发射极与所述第二直流电容器C2的阴极、所述电池的阴极相连；所述第三可控开关器件S3的发射极作为类全桥储能子模块的正极端，并与所述第七可控开关器件T1的一端相连；所述第四可控开关器件S4的发射极与所述第八可控开关器件T2的一端相连并作为类全桥储能子模块的负极端；所述第七可控开关器件T1、所述第八可控开关器件T2的另一端与所述电池电感L的一端相连；所述电池电感L的另一端与所述电池的阳极相连；所述第三可控开关器件S3的栅极、所述第四可控开关器件S4的栅极、所述第五可控开关器件S5的栅极、所述第六可控开关器件S6的栅极、所述第七可控开关器件T1的栅极、所述第八可控开关器件T2的栅极均与控制电路相连；
正常工况时，所述第八可控开关器件T2导通，所述第七可控开关器件T1关断；直流侧短路工况时，所述第七可控开关器件T1导通，所述第八可控开关器件T2关断。
如图4中a、b、c、d所示，分别为一优选实施例的下桥臂半桥子模块、类全桥储能子模块的调制波与总的等效输出电压；记调制波为正弦的桥臂为MMC桥臂，调制波为直流的桥臂为储能桥臂；通过半桥子模块与类全桥储能子模块共同输出带偏置的交流分量，可以支撑起直流电压与交流电压。
如图5中a、b、c所示，分别为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；下桥臂电流中直流分量为交流分量为Vc为电容电压的直流均值。通过图形观察可以发现，选取合适的调制比能让半桥子模块的功率波动在一个工频周期内平衡，从而半桥子模块稳定工作。
如图6中a、b、c所示，分别为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。通过图形观察可以发现，选取合适的调制比能让类全桥储能子模块的功率波动在一个工频周期内的平均值等于电池存储或释放的功率，从而类全桥储能子模块稳定工作。
如图7中a、b、c、d所示，分别为一优选实施例的直流侧短路工况下桥臂半桥子模块、类全桥子模块的调制波与总的等效输出电压示意图；记调制波为正弦的桥臂为MMC桥臂，调制波为直流的桥臂为储能桥臂，通过半桥子模块与类全桥储能子模块共同输出带偏置的交流分量，可以支撑起交流电压并使得输出的总直流电压为0，实现故障穿越。
如图8中a、b、c所示，分别为一优选实施例的直流侧短路工况下桥臂电流、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。通过图形观察可以发现，选取合适的调制比能让半桥子模块的功率波动在一个工频周期内平衡，从而半桥子模块稳定工作。
如图9中a、b、c所示，分别为一优选实施例的直流侧短路工况下桥臂电流、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。通过图形观察可以发现，选取合适的调制比能让类全桥储能子模块的功率波动在一个工频周期内的平均值等于电池存储或释放的功率，从而类全桥储能子模块稳定工作。
一种具有故障穿越功能的模块化多电平变流器拓扑的控制方法，所述控制方法采用载波移向SPWM调制。
以下仅以A相中的上桥臂为例进行说明，B、C相与A相的调制仅存在一个相角差，下桥臂的子模块(包括半桥子模块和类全桥储能子模块)交流调制比是上桥臂中的同类子模块交流调制比的相反数。
(一)在整流、逆变工况：
半桥子模块中，第一可控开关器件S1与第二可控开关器件S2互补导通，记第一可控开关器件S1调制波为：
D1＝mdc-HB+mac-HBcos(wt)
类全桥储能子模块中，第七可控开关器件T1关断，第八可控开关器件T2开通，第三可控开关器件S3与第四可控开关器件S4、第五可控开关器件S5与第六可控开关器件S6互补导通，记第三可控开关器件S3调制波为：
D3＝mdc-FB+mac-FBcos(wt)
记第五可控开关器件S5调制波为：
D5＝mb
将所得的调制波送入载波移向PWM发生器中，获得最终输出的SPWM波。
设上桥臂中：半桥子模块的个数为N1，类全桥储能子模块的个数为N2，直流侧电压Vd，直流侧电流Id，交流出线端相电压峰值Vs，交流侧相电流峰值Is，功率因数角电池电流Ib，半桥子模块电容电压VC-HB，类全桥储能子模块电容电压VC-FB；mdc-HB、mac-HB分别为半桥子模块调制比的直流分量和交流分量峰值，mdc-FB、mac-FB分别为类全桥储能子模块MMC桥臂调制比的直流分量和交流分量峰值，mb为类全桥储能子模块储能桥臂的调制比。
列写基尔霍夫电压方程以及子模块电容电压一个工频周期平衡方程：
以及线性调制约束条件：
mdc-HB≥mac-HB＞0
mdc-FB≥mac-FB＞0
0≤mdc-HB+mac-HB≤1
0≤mdc-FB+mac-FB≤1
解得上述可控开关器件调制波之中的变量满足以下关系：
(二)在直流侧短路工况：
半桥子模块中：第一可控开关器件S1与第二可控开关器件S2互补导通，记第一可控开关器件S1调制波为：
D1＝mdc-HB+mac-HBcos(wt)
类全桥储能子模块中，第七可控开关器件T1开通，第八可控开关器件T2关断，第三可控开关器件S3与第四可控开关器件S4、第五可控开关器件S5与第六可控开关器件S6互补导通；
记第三可控开关器件S3调制波
D3＝mb
记第五可控开关器件S5调制波
D5＝mdc-FB-mac-FBcos(wt)
将所得的调制波送入载波移向PWM发生器中，获得最终输出的SPWM波。
设上桥臂中：半桥子模块的个数为N1，类全桥储能子模块的个数为N2，直流侧电压Vd，直流侧电流Id，交流出线端相电压峰值Vs，交流侧相电流峰值Is，功率因数角电池电流Ib，半桥子模块电容电压VC-HB，类全桥储能子模块电容电压VC-FB；mdc-HB、mac-HB分别为半桥子模块调制比的直流分量和交流分量峰值，mdc-FB、mac-FB分别为类全桥储能子模块MMC桥臂调制比的直流分量和交流分量峰值，mb为类全桥储能子模块储能桥臂的调制比。
列写基尔霍夫电压方程以及子模块电容电压一个工频周期平衡方程：
以及线性调制约束条件：
mdc-HB≥mac-HB＞0
mdc-FB≥mac-FB＞0
0≤mdc-HB+mac-HB≤1
0≤mdc-FB+mac-FB≤1
解得上述可控开关器件占空比之中的变量满足以下关系：
如图10所示，为一优选实施例的类全桥储能子模块电池电流闭环控制：
首先，电池电流目标值与电池实际电流平均值Ib作差，通过PI闭环获得调制比偏差信号△mb，和理想储能桥臂调制比进行求和以获得实际应该输出的调制比信号mb；当电池电流平均值大于目标值时，PI输出调制比偏差信号为负，实际输出的调制比信号mb小于理想调制比所以电池的充电时间会减少，使得电池电流平均值下降，从而这种控制是可行的；在电池电流平均值小于目标值时有同样的分析。
如图11所示，为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：
首先，根据当前三相电流的值进行dq变换，以获得当前的dq轴电流id、iq；通过经典的dq解耦控制，以获得当前应该输出的交流出线端的dq轴电压Vd、Vq；再经逆dq变换获得当前应该输出的交流出线端相电压峰值Vs；根据Vs与其他实际工况中测量到的数值，在正常工况时代入计算调制比的公式(1)-(5)，在直流侧短路时代入(6)-(10)，即可得到半桥子模块与类全桥储能子模块应该输出的调制比，从而发出合适的调制波，并和对应子模块的三角载波进行比较后产生控制信号。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑的控制方法，其特征在于：
所述变流器拓扑包括三个相单元，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、第七可控开关器件、第八可控开关器件、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，并与所述第七可控开关器件的一端相连；所述第四可控开关器件的发射极与所述第八可控开关器件的一端相连并作为类全桥储能子模块的负极端；所述第七可控开关器件、所述第八可控开关器件的另一端与所述电池电感的一端相连；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、所述第七可控开关器件、所述第八可控开关器件的栅极均与控制电路相连；
所述第三、四、五、六可控开关器件采用载波移相脉宽调制的方法；在整流、逆变工况下，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，分别控制每相上桥臂、下桥臂中每个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所述的一种具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑的控制方法，其特征在于：所述的类全桥储能子模块在正常工况时：所述第八可控开关器件导通，所述第七可控开关器件关断；
所述的类全桥储能子模块在直流侧短路工况时：所述第七可控开关器件导通，所述第八可控开关器件关断。
3.根据权利要求1所述的一种具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑的控制方法，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；所述第一可控开关器件、第二可控开关器件的栅极均与控制电路相连。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑的控制方法，其特征在于，所述半桥子模块与所述类全桥储能子模块中的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。
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