CN111342690A - 一种分裂电容功率单元多电平变换器及其调制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分裂电容功率单元多电平变换器及其调制策略，所示变换器包括首模块前级、N个发电/储能模块、N‑1个分裂发电/储能功率模块、首模块后级、滤波电感L及电网电压源v_g；所述首模块前级的一端与发电/储能模块连接，N个发电/储能模块与N‑1个分裂发电/储能功率模块依次间隔连接，发电/储能模块与首模块后级的一端连接，首模块后级的另一端端子b与电网电压源v_g的一端连接，电网电压源v_g的另一端与滤波电感L的一端连接，滤波电感L的另一端与首模块前级另一端端子a连接。本发明不仅实现了多电平输出，而且实现了发电/储能单元的功率不匹配运行与减少了直流电压传感器的使用。

Description

一种分裂电容功率单元多电平变换器及其调制策略

技术领域

本发明属于多电平电力电子变换器及其控制领域，具体为一种分裂电容功率单元多电平变换器及其调制策略。

背景技术

在大功率电池储能系统，大容量电机驱动，大规模光伏发电系统等场合，级联H桥及类似的级联模块化多电平变换器的应用越来越广泛。多电平变换器的高电能输出质量不仅能避免了并网应用中的笨重输出滤波器，而且能减小电机驱动系统中的转矩脉动和绝缘应力。相比于传统的两电平或三电平变换器，模块化结构易于变换器输出电平扩展，从而无需笨重的工频变压器即可连接至中高压电网，是中高压场合大功率变换器的理想结构之一。

模块级联的结构将发电单元如光伏电池板或储能单元如锂电池等分配到每个模块，形成的统一物理模块可以灵活控制发电/储能模块，具有完美的电能输出质量与改善的容错性。尽管优点很多，但是每个发电/储能模块的性能不一致，例如光伏电池板的最大功率受光照影响而出现失配，锂电池的充/放电功率受到温度的影响而出现很大差别等，如何实现每个发电/储能模块性能的最大化是级联H桥等级联模块化多电平变换器应用于分布式发电/储能场合时所面临的主要问题之一。

除此之外，随着参与级联的模块数目增多，要使用的元器件如半导体开关管、传感器等数目将成倍增加。如何有效控制数目庞大的开关管的开关损耗将是这类多电平变换器改进方向之一。传感器故障是这类多模块变换器的主要故障之一，如何减少传感器数目是这类模块化变换器的另一个可改进之处。

发明内容

本发明的目的在于提供了分裂发电/储能功率模块多电平变换器拓扑结构及其低损耗调制策略。

实现本发明目的的技术方案为：一种分裂电容功率单元多电平变换器，包括首模块前级、N个发电/储能模块、N-1个分裂发电/储能功率模块、首模块后级、滤波电感L及电网电压源v_g；

所述首模块前级的一端与发电/储能模块连接，N个发电/储能模块与N-1个分裂发电/储能功率模块依次间隔连接，发电/储能模块与首模块后级的一端连接，首模块后级的另一端端子b与电网电压源v_g的一端连接，电网电压源v_g的另一端与滤波电感L的一端连接，滤波电感L的另一端与首模块前级另一端端子a连接。

本发明还提出了一种分裂电容功率单元多电平变换器的调制策略，包括：

h₁：将首模块与分裂发电/储能功率模块进行统一编号，新编号为1,2,...,N-1,N；在运行区间I或运行区间III，新编号小于或等于桥臂期望电压脉冲形式v_pwm的模块采用贡献电平为1的开关模式，新编号大于桥臂期望电压脉冲形式v_pwm的模块采用贡献电平为0的开关模式；在运行区间II或运行区间IV，新编号小于或等于桥臂期望电压脉冲形式v_pwm绝对值的模块采用贡献电平为-1的开关模式，新编号大于桥臂期望电压脉冲形式v_pwm绝对值的模块采用贡献电平为0的开关模式，其中，区间I：

区间II：

区间III：

和区间IV：

为电压调制波信号，

为并网电流指令信号；

h₂：判断桥臂期望电压脉冲形式v_pwm或运行区间是否发生改变；当桥臂期望电压脉冲形式v_pwm或运行区间发生改变时，执行h₃阶段；当桥臂期望电压脉冲形式v_pwm与运行区间未发生改变时，执行h₄阶段；

h₃：检测桥臂所有分裂发电/储能模块的电容电压v_dc1～v_dcN后对分裂发电/储能模块进行升序排序为

且k₁≠k₂≠...≠k_N；

h₄：循环开关过程实现交流输出电压；

h₅：判断是否需要进行下一个开关模式组合选择过程，需要进行下一个开关模式组合选择过程时，返回执行h₂阶段，否则退出循环过程。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明易于接入中高压电网；本发明采用分布式的发电/储能模块最优充放电、实现直流侧发电功率不匹配运行、开关次数最少化、抑制漏电流、缓解发电/储能模块存在的其他电气隔离问题等。

下面结合附图说明对本发明做进一步说明。

附图说明

图1是本发明所述的电路拓扑结构。

图2是本发明所述的首模块前级示意图。

图3是本发明所述的首模块后级示意图。

图4是本发明所述的补偿开关示意图。

图5是本发明所述的发电/储能模块示意图。

图6是本发明所述的分裂发电/储能功率模块开关模式示意图。

图7是本发明所述的桥臂的电压调制波信号与并网电流指令信号生成原理示意图。

图8是本发明实施例中的分裂发电/储能功率模块开关模式的示意图，图(a)为当i_g＞0时，分裂发电/储能功率模块所采用的开关模式，图(b)为当i_g≤0时，分裂发电/储能功率模块所采用的开关模式。

图9是本发明实施例中首模块开关模式的示意图，图(a)为当i_g＞0时，首模块所采用的开关模式，图(b)为当i_g≤0时，首模块所采用的开关模式。

图10是本发明所述的调制策略的信号流图。

图11是本发明所述的开关模式组合选择的实施流程图。

图12是本发明所述的桥臂期望电压脉冲形式v_pwm的计算过程示意图。

图13是本发明实施例1、2中采用的电路拓扑结构及桥臂的电压调制波信号与并网电流指令信号生成原理示意图。

图14是本发明实施例2中直流侧电解电容C₁、C₂、C₃的电压v_dc1、v_dc2、v_dc3及平均直流电压指令值

示意图。

图15是本发明实施例1中逻辑变量F_misj(j＝1,2,3)全为0时直流侧电解电容C₁、C₂、C₃的电压v_dc1、v_dc2、v_dc3及平均直流电压指令值

示意图。

图16是本发明实施例1中逻辑变量F_misj(j＝1,2,3)不全为0时直流侧电解电容C₁、C₂、C₃的电压v_dc1、v_dc2、v_dc3及平均直流电压指令值

示意图。

图17是本发明实施例1中逻辑变量F_misj(j＝1,2,3)不全为0时与全为0时，在v_ab基波周期内的开关次数波形图。

图18是本发明实施例3中采用的电路拓扑结构及桥臂的电压调制波信号与并网电流指令信号生成原理示意图。

图19是本发明实施例3中直流侧电解电容C₁、C₂、C₃的电压v_dc1、v_dc2、v_dc3及平均直流电压指令值

示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种分裂发电/储能功率模块多电平变换器拓扑结构，包括首模块前级(1)、N个发电/储能模块(2,4,...,2N)、N-1个分裂发电/储能功率模块(3,5,...,2N-1)、首模块后级(2N+1)、滤波电感L及电网电压源v_g；

所述首模块前级(1)的一端与发电/储能模块(2)连接，N个发电/储能模块与N-1个分裂发电/储能功率模块(3,5,...,2N-1)依次间隔连接，发电/储能模块(2N)与首模块后级(2N+1)的一端连接，首模块后级(2N+1)的另一端端子b与电网电压源v_g的一端连接，电网电压源v_g的另一端与滤波电感L的一端连接，滤波电感L的另一端与首模块前级(1)另一端端子a连接。

如图2所示，进一步实施例中，所述首模块前级(1)包括开关管S₁和S₂，开关管S₁和S₂构成半桥结构，半桥结构的中点为端子a；

如图5所示，进一步实施例中，所述N个发电/储能模块(2,4,...,2N)结构相同，每个发电/储能模块由双有源桥和电解电容C_n(n＝1,2,...,N)并联组成；

所述双有源桥由太阳能光伏电池U、全桥逆变电路N₁、高频电感L_hf、原边线圈N₂(L_i1)、副边线圈N₂(L_o1)、整流H桥N₄构成；

所述太阳能光伏电池U、全桥逆变电路N₁依次连接，所述全桥逆变电路N₁的输出端与连接、所述原边线圈N₂(L_i1)的两端分别与高频电感L_hf和全桥逆变电路N₁的输出端连接、所述原边线圈N₂(L_i1)与N₂(L_o1)同名端相对、所述副边线圈N₂(L_o1)两端与整流H桥N₄的输入端连接；

所述全桥逆变电路包括第一母线电容C_BUS、四个开关管Q_i1-Q_i4，所述第一母线电容C的正极与太阳能光伏电池U的正极连接，所述第一母线电容C_BUS的负极与太阳能光伏电池U的负极连接，所述四个开关管Q_i1-Q_i4形成逆变H桥，逆变H桥的正极与第一母线电容C_BUS的正极连接，逆变H桥的负极与第一母线电容C_BUS的负极连接；

所述高频电感L_hf先与逆变电路的输出端连接，再与原边线圈N₂(L_i1)连接，所述原边线圈N₂(L_i1)与副边线圈N₂(L_o1)同名端相对；

所述整流H桥包括四个开关管Q_o1-Q_o4，所述副边线圈N2(L_o1)与整流H桥的输入端连接，所述整流H桥的正极与第n(n＝1,2,...,N)个发电/储能模块电解电容C_n(n＝1,2,...,N)正极连接，所述整流H桥的负极与第n(n＝1,2,...,N)个发电/储能模块电解电容C_n(n＝1,2,...,N)负极连接。

如图6所示，进一步实施例中，所述N-1个分裂发电/储能功率模块分别包括六个开关管S_6N-9-S_6N-4，其中开关管S_6N-9和S_6N-8构成左半桥，开关管S_6N-7和S_6N-6构成补偿开关，开关管S_6N-5和S_6N-4构成右半桥，左半桥和右半桥通过左半桥中点、右半桥中点和补偿开关构成分裂发电/储能功率模块。

如图4所示，进一步实施例中，所述补偿开关为两个MOSFET或IGBT串联构成的双向开关。

如图3所示，所述首模块后级包括两个开关管S_6N-3和S_6N-2，开关管S_6N-3和S_6N-2所构成半桥结构，半桥结构的中点为端子b。

一种分裂电容功率单元多电平变换器的调制策略，具体为：

如图7所示，通过电流传感器检测端子a、b输出的并网电流i_g、通过电压传感器检测每个发电/储能模块上电解电容上的直流电压v_dcj(j＝1,2,...,N)、通过电压传感器检测电网电压v_g；

如图7所示，将检测到的所有电解电容上的直流电压v_dcj(j＝1,2,...,N)取平均值为平均直流电压v_dcav，将所述平均直流电压v_dcav与设定的指令值

比较，根据二者差值经过PID算法得到桥臂有功电流的指令值

将无功电流的指令值

设为0，有功电流指令值

和无功电流指令值

经过旋转-静止(dq/αβ)坐标变换得到并网电流指令信号

如图7所示，将检测到的并网电流i_g经过静止-旋转(αβ/dq)坐标变换得到有功电流i_d和无功电流i_q；将有功电流指令值

与有功电流i_d比较，根据二者差值经过PID算法得出桥臂电压调制波信号的有功分量

将无功电流指令值

与无功电流i_q比较，根据二者差值经过PID算法得出桥臂电压调制波信号的无功分量

将桥臂电压调制波信号的有功分量

和无功分量

经过旋转-静止(dq/αβ)坐标变换得到桥臂的电压调制波信号

基于桥臂的电压调制波信号

和并网电流指令信号

的方向划分运行区间为区间I：

区间II：

区间III：

和区间IV：

用N_region＝1表示运行区间在区间I、用N_region＝2表示运行区间在RegionII、用N_region＝3表示运行区间在区间III、用N_region＝4表示运行区间在区间IV，定义并网电流从桥臂端子a流向电网的方向为其正方向，定义桥臂输出端子a相对输出端子b的电压极性为桥臂输出电压正极性；

定义v_r1为首模块的输出电压、当v_r1＝0时首模块的贡献电平为0、当v_r1>0时首模块的贡献电平为1、当v_r1<0时首模块的贡献电平为-1；定义v_rj为第j个分裂发电/储能功率模块的输出电压、当v_rj＝0时第j个分裂发电/储能功率模块的贡献电平为0、当v_rj＞0时第j个分裂发电/储能功率模块的贡献电平为1、当v_rj＜0时第j个分裂发电/储能功率模块的贡献电平为-1；

如图8所示，设定分裂发电/储能功率模块采用的开关模式分别具体为AB₀：S_6N-6关断、S_6N-7关断，S_6N-8导通，S_6N-9、S_6N-5、S_6N-4关断，属于运行区间I，贡献电平为0；A₁：S_6N-7关断、S_6N-6导通，S_6N-8导通，S_6N-9、S_6N-5、S_6N-4关断，属于运行区间I或运行区间II，贡献电平为0；A₂：S_6N-6关断、S_6N-7关断，S_6N-8、S_6N-5导通，S_6N-9、S_6N-4关断，属于运行区间I，贡献电平为1；BA₀：S_6N-6导通、S_6N-7关断，S_6N-8关断，S_6N-9、S_6N-5、S_6N-4关断，属于运行区间II，贡献电平为0；B₂：S_6N-6关断、S_6N-7关断，S_6N-9、S_6N-8、S_6N-5、S_6N-4关断，属于运行区间II，贡献电平为-1；CD₀：S_6N-6关断、S_6N-7关断，S_6N-4导通，S_6N-9、S_6N-8、S_6N-5关断，属于运行区间III，贡献电平为0；C₁：S_6N-7导通，S_6N-6关断，S_6N-4导通，S_6N-9、S_6N-8、S_6N-5关断，属于运行区间III或运行区间IV，贡献电平为0；C₂：S_6N-6关断、S_6N-7关断，S_6N-9、S_6N-8、S_6N-5、S_6N-4关断，属于运行区间III，贡献电平为1；D₂：S_6N-6关断、S_6N-7关断，S_6N-9、S_6N-4导通，S_6N-8、S_6N-5关断，贡献电平为-1；DC₀：S_6N-6关断、S_6N-7导通，S_6N-5、S_6N-9、S_6N-8、S_6N-4关断，属于运行区间IV，贡献电平为0；

如图9所示，设定首模块开关采用的开关模式分别具体为：EF₀：S_6N-2导通，S₁、S₂、S_6N-3关断，属于运行区间I，贡献电平为0；E₁：S₁、S_6N-2开通，S₂、S_6N-3关断，属于运行区间I，贡献电平为1；F₁：S₁、S_6N-2、S₂、S_6N-3关断，属于运行区间II，贡献电平为-1；FE₀：S_6N-2关断，S₁导通，S₂、S_6N-3关断，属于运行区间II，贡献电平为0；GH₀：S₂导通，S₁、S_6N-2、S_6N-3关断，属于运行区间III，贡献电平为0；G₁：S₁、S_6N-2、S₂、S_6N-3关断，属于运行区间III，贡献电平为1；H₁：S₂、S_6N-3导通，S₁、S_6N-2关断，属于运行区间IV，贡献电平为-1。HG₀：S₂、S₁、S_6N-2关断，S_6N-3导通，属于运行区间IV，贡献电平为0。

图12展示了桥臂期望电压脉冲形式v_pwm的计算过程，取N_lvl是最接近

的整数，d是

的小数部分，v_dcj(j＝1,2,...,N)为第j个电解电容上的直流电压，v_cr是频率固定、周期为T_s、最大值为1、最小值为-1的三角载波信号，将d与v_cr比较，当d>v_cr时输出高电平1、当d<v_cr时输出低电平0得到高频PWM信号v_p，将高频PWM信号v_p与N_lvl相加得到桥臂期望电压脉冲形式v_pwm，令当前控制周期为第k个控制周期，上一个控制周期为第k-1个控制周期，取第k个控制周期采样得到的v_pwm与第k-1个控制周期采样得到的v_pwm的差值为pwm_diff(k)；

定义逻辑变量F_misj(j＝1,2,...,N)用来确定并联开关模式A₁和C₁的使用时机，在运行区间I和区间II中，当F_misj＝1(j＝1,2,...,N)时，第j个分裂发电/储能模块使用并联开关模式A₁，在运行区间III和区间IV中，当F_misj＝1(j＝1,2,...,N)时，第j个分裂发电/储能模块使用并联开关模式C₁，在运行区间I或区间III中，F_misu由下式产生：

在运行区间II或IV中，F_misu由下式产生：

其中，Δv_dc＝min(v_dcmax-v_dcav,v_dcav-v_dcmin)，其中v_dcmin和v_dcmax分别为硬件系统安全运行直流电压的上线和下线。

如图11所示，h₁：将首模块与分裂发电/储能功率模块(3,5...,2N-1)进行统一编号，新编号为1,2,...,N-1,N；在运行区间I或运行区间III，新编号小于或等于桥臂期望电压脉冲形式v_pwm的模块采用贡献电平为1的开关模式，新编号大于桥臂期望电压脉冲形式v_pwm的模块采用贡献电平为0的开关模式；在运行区间II或运行区间IV，新编号小于或等于桥臂期望电压脉冲形式v_pwm绝对值的模块采用贡献电平为-1的开关模式，新编号大于桥臂期望电压脉冲形式v_pwm绝对值的模块采用贡献电平为0的开关模式，其中，区间I：

区间II：

区间III：

和区间IV：

为电压调制波信号，

为并网电流指令信号；

h₂：判断桥臂期望电压脉冲形式v_pwm或运行区间是否发生改变；当桥臂期望电压脉冲形式v_pwm或运行区间发生改变时，执行h₃阶段；当桥臂期望电压脉冲形式v_pwm与运行区间未发生改变时，执行h₄阶段；

h₃：检测桥臂所有分裂发电/储能模块的电容电压v_dc1～v_dcN后对分裂发电/储能模块进行升序排序为

且k₁≠k₂≠...≠k_N；

h₄：循环开关过程实现交流输出电压，具体为：

设定分裂发电/储能功率模块采用的开关模式分别具体为AB₀：S_6N-6关断、S_6N-7关断，S_6N-8导通，S_6N-9、S_6N-5、S_6N-4关断，属于运行区间I，贡献电平为0；A₁：S_6N-7关断、S_6N-6导通，S_6N-8导通，S_6N-9、S_6N-5、S_6N-4关断，属于运行区间I或运行区间II，贡献电平为0；A₂：S_6N-6关断、S_6N-7关断，S_6N-8、S_6N-5导通，S_6N-9、S_6N-4关断，属于运行区间I，贡献电平为1；BA₀：S_6N-6导通、S_6N-7关断，S_6N-8关断，S_6N-9、S_6N-5、S_6N-4关断，属于运行区间II，贡献电平为0；B₂：S_6N-6关断、S_6N-7关断，S_6N-9、S_6N-8、S_6N-5、S_6N-4关断，属于运行区间II，贡献电平为-1；CD₀：S_6N-6关断、S_6N-7关断，S_6N-4导通，S_6N-9、S_6N-8、S_6N-5关断，属于运行区间III，贡献电平为0；C₁：S_6N-7导通，S_6N-6关断，S_6N-4导通，S_6N-9、S_6N-8、S_6N-5关断，属于运行区间III或运行区间IV，贡献电平为0；C₂：S_6N-6关断、S_6N-7关断，S_6N-9、S_6N-8、S_6N-5、S_6N-4关断，属于运行区间III，贡献电平为1；D₂：S_6N-6关断、S_6N-7关断，S_6N-9、S_6N-4导通，S_6N-8、S_6N-5关断，贡献电平为-1；DC₀：S_6N-6关断、S_6N-7导通，S_6N-5、S_6N-9、S_6N-8、S_6N-4关断，属于运行区间IV，贡献电平为0；

设定首模块开关采用的开关模式分别具体为：EF₀：S_6N-2导通，S₁、S₂、S_6N-3关断，属于运行区间I，贡献电平为0；E₁：S₁、S_6N-2开通，S₂、S_6N-3关断，属于运行区间I，贡献电平为1；F₁：S₁、S_6N-2、S₂、S_6N-3关断，属于运行区间II，贡献电平为-1；FE₀：S_6N-2关断，S₁导通，S₂、S_6N-3关断，属于运行区间II，贡献电平为0；GH₀：S₂导通，S₁、S_6N-2、S_6N-3关断，属于运行区间III，贡献电平为0；G₁：S₁、S_6N-2、S₂、S_6N-3关断，属于运行区间III，贡献电平为1；H₁：S₂、S_6N-3导通，S₁、S_6N-2关断，属于运行区间IV，贡献电平为-1。HG₀：S₂、S₁、S_6N-2关断，S_6N-3导通，属于运行区间IV，贡献电平为0；

当

且

时，当N-i+1＝v_pwm(i＝1,2,...,N)且

时，首模块采用开关模式E₁，第k_i到第k_N个分裂发电/储能功率模块采用开关模式A₂，若

第k₁到第k_i-1分裂发电/储能功率模块采用开关模式AB₀，F_misu为逻辑变量，若

第k_h个分裂发电/储能功率模块采用开关模式A₁，除第k_h个分裂发电/储能功率模块外的第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式AB₀；当N-i+1＝v_pwm，i＝1,2,...,N，且

时，首模块采用开关模式EF₀，第k_i到第k_N个分裂发电/储能功率模块采用开关模式A₂，若

第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式AB₀，若

第k_h个分裂发电/储能功率模块采用开关模式A₁，除第k_h个分裂发电/储能功率模块外的第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式AB₀；

当

且

时，当N-i+1＝|v_pwm|(i＝1,2,...,N)且

时，首模块采用开关模式F₁，第k_i到第k_N个分裂发电/储能功率模块采用开关模式B₂，若

第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式AB₀，若

第k_h个分裂发电/储能功率模块采用开关模式A₁，除第k_h个分裂发电/储能功率模块外的第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式AB₀；当N-i+1＝|v_pwm|(i＝1,2,...,N)且

时，首模块采用开关模式EF₀，第k_i到第k_N个分裂发电/储能功率模块采用开关模式B₂，若

第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式AB₀，若

第k_h个分裂发电/储能功率模块采用开关模式A₁，除第k_h个分裂发电/储能功率模块外的第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式AB₀；

当

且

时，当N-i+1＝v_pwm(i＝1,2,...,N)且

时，首模块采用开关模式G₁，第k_i到第k_N个分裂发电/储能功率模块采用开关模式C₂，若

第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式CD₀，若

第k_h个分裂发电/储能功率模块采用开关模式C₁，除第k_h个分裂发电/储能功率模块外的第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式CD₀；当N-i+1＝v_pwm(i＝1,2,...,N)且

时，首模块采用开关模式GH₀，第k_i到第k_N个分裂发电/储能功率模块采用开关模式C₂，若

第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式CD₀，若

第k_h分裂发电/储能功率模块采用开关模式C₁，除第k_h个分裂发电/储能功率模块外的第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式CD₀；

当

且

时，当N-i+1＝|v_pwm|(i＝1,2,...,N)且

时，首模块采用开关模式H₁，第k_i到第k_N个分裂发电/储能功率模块采用开关模式D₂，若

第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式CD₀，若

第k_h个分裂发电/储能功率模块采用开关模式C₁，除第k_h个分裂发电/储能功率模块外的第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式CD₀；当N-i+1＝|v_pwm|(i＝1,2,...,N)且

时，首模块采用开关模式GH₀，第k_i到第k_N个分裂发电/储能功率模块采用开关模式D₂，若

第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式CD₀，若

第k_h个分裂发电/储能功率模块采用开关模式C₁，除第k_h个分裂发电/储能功率模块外的第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式CD₀。

h₅：判断是否需要进行下一个开关模式组合选择过程，需要进行下一个开关模式组合选择过程时，返回执行h₂阶段，否则退出循环过程。

调制策略的实施过程由DSP和FPGA共同承担。图10展现了调制策略的信号流图及相关细节，包含调制准备过程如运行区间判断、产生v_pwm以及决定F_misj(j＝1,2,...,N)等，上述的调制准备过程在DSP中进行。信号v_pwm的产生在FPGA中进行，如图4右半部分所示，这个过程中需要用到从DSP中计算得到的d和N_lvl。在DSP中还需要进行的过程是计算F_misj(j＝1,2,...,N)。

本发明能在各直流发电/储能环节之间形成直接功率通道，从而直流环节能互通有无并实现更大范围的模块不匹配运行。不仅如此，本发明提出的双半桥六开关结构的分裂发电/储能功率模块充分利用了半导体开关器件的输出特性，具备自动均压机制，因此能有效节省直流电压的传感器数目。本发明根据预测电流和变换器输出电压，以开关模式切换过程产生的开通、关断事件次数最少为原则择机选取开关模式，能有效降低开关损耗。

实施例1

如图13所示，以受控电流源并联电解电容的形式表示发电/储能模块，所述拓扑结构包括首模块前级(1)、3个发电/储能模块(2,4,6)、2个分裂发电/储能功率模块(3,5)、首模块后级(7)、滤波电感L及电网电压源v_g。取受控电流源I₁的值为i₁＝3A，受控电流源I₂的值为i₂＝6A，受控电流源I₃的值为i₃＝9A，平均直流电压指令值为

滤波电感值为L＝0.005H，电解电容值为C₁＝C₂＝C₃＝0.002F,电网电压源的幅值为311V、频率为50Hz。当直流侧发电功率不匹配不严重时，逻辑变量F_misj(j＝1,2,3)全为0。如图14所示，直流侧电解电容C₁、C₂、C₃的电压v_dc1、v_dc2、v_dc3均收敛于平均直流电压指令值

如图13所示，以受控电流源并联电解电容的形式表示发电/储能模块，所述拓扑结构包括首模块前级(1)、3个发电/储能模块(2,4,6)、2个分裂发电/储能功率模块(3,5)、首模块后级(7)、滤波电感L及电网电压源v_g。受控电流源I₁的值为i₁＝3A，在t＞0.3s时受控电流源I₂的值由i₂＝3A变成i₂＝14A，受控电流源I₃的值为i₃＝3A，平均直流电压指令值为

滤波电感值为L＝0.005H，电解电容值为C₁＝C₂＝C₃＝0.002F,电网电压源的幅值为311V、频率为50Hz，安全高效运行直流电压上、下线选取为210V和170V。如图15所示，若逻辑变量F_misj(j＝1,2,3)全为0，在t＜0.3s时，直流侧电解电容C₁、C₂、C₃的电压v_dc1、v_dc2、v_dc3均收敛于平均直流电压指令值

在t＞0.3s时，直流侧电解电容C₁、C₂、C₃的电压v_dc1、v_dc2、v_dc3均发散。若在t＞0.3s时加入对逻辑变量F_misj(j＝1,2,3)的使用，则如图16所示，在t＜0.3s时，直流侧电解电容C₁、C₂、C₃的电压v_dc1、v_dc2、v_dc3均收敛于平均直流电压指令值

在t＞0.3s时，直流侧电解电容C₁、C₂、C₃的电压v_dc1、v_dc2、v_dc3均未发散，而是在设定上线和下线之间，即v_dcmin≤v_dcj≤v_dcmax(j＝1,2,3)。可见，逻辑变量的作用是：当直流侧发电功率不匹配变得严重以至于超过了全零F_misj(j＝1,2,3)队列的调制策略所能管理的范围时，非全零F_misj(j＝1,2,3)队列将会被触发，通过使用具有将直流电压间相互并联的开关模式A₁和C₁以提高直流电压的利用率，系统将得以在这样的直流侧发电功率不匹配下保持稳定的运行。取a、b端电压为v_ab，v_ab的基波周期为0.02s，对S₁～S₁₅在一个v_ab的基波周期内的切换次数进行累计，如图17(a)所示，在F_misj＝0(j＝1,2,3)时，波形的峰值为S₁～S₁₅在一个v_ab的基波周期内的切换次数的值；如图17(b)所示，在F_misj不全为0时，波形的峰值为S₁～S₁₅在一个v_ab的基波周期内的切换次数的值。由图17(a)与图17(b)知，S₁～S₁₅在F_misj＝0(j＝1,2,3)时在一个v_ab的基波周期内的切换次数比在F_misj不全为0时少，因此使用具有将直流电压间相互并联的开关模式A₁和C₁能提高系统的直流侧发电功率不匹配情况下的稳定、高效运行的能力，但会引入少量开关事件。

实施例2

如图13所示，以受控电流源并联电解电容的形式表示发电/储能模块，所述拓扑结构包括首模块前级(1)、3个发电/储能模块(2,4,6)、2个分裂发电/储能功率模块(3,5)、首模块后级(7)、滤波电感L及电网电压源v_g。取受控电流源I₁的值为i₁＝3A，受控电流源I₂的值为i₂＝6A，受控电流源I₃的值为i₃＝9A，平均直流电压指令值为

滤波电感值为L＝0.005H，电解电容值为C₁＝C₂＝C₃＝0.002F,电网电压源的幅值为311V、频率为50Hz。当直流侧发电功率不匹配不严重时，逻辑变量F_misj(j＝1,2,3)全为0。如图14所示，直流侧电解电容C₁、C₂、C₃的电压v_dc1、v_dc2、v_dc3均收敛于平均直流电压指令值

实施例3

如图18所示，以受控电流源并联电解电容的形式表示发电/储能模块，所述拓扑结构包括首模块前级(1)、3个发电/储能模块(2,4,6)、2个分裂发电/储能功率模块(3,5)、首模块后级(7)、滤波电感L及电网电压源v_g。取受控电流源I₁的值为i₁＝3A，受控电流源I₂的值为i₂＝7A，受控电流源I₃的值为i₃＝11A，平均直流电压指令值为

滤波电感值为L＝0.005H，电解电容值为C₁＝C₂＝C₃＝0.002F,电网电压源的幅值为311V、频率为50Hz。如图19所示为当电压v_dc1与电压v_dc3的电压传感器损坏，只有电压v_dc2的电压传感器工作时的直流侧电压波形。如图19所示，虽然只有电压v_dc2的电压传感器工作，但直流侧电解电容C₁、C₂、C₃的电压v_dc1、v_dc2、v_dc3均收敛于平均直流电压指令值

因此，本发明提出的双半桥六开关结构的分裂发电/储能功率模块充分利用了半导体开关器件的输出特性，具备自动均压机制，能有效节省直流电压的传感器数目。

将本发明实施例应用于中高压大规模光伏系统中，能降低中高压大规模光伏系统模块不匹配工况的控制难度，对级联模式和并联模式进行合理切换，能够保证稳定可靠的输出电能质量，能够降低开关损耗；能够改进传统大规模光伏系统控制方法中动态响应慢、自适应性能差、输出误差大等缺点；本发明实用性强，易于实现。

Claims (10)

1.一种分裂电容功率单元多电平变换器，其特征在于，包括首模块前级(1)、N个发电/储能模块(2,4,...,2N)、N-1个分裂发电/储能功率模块(3,5,...,2N-1)、首模块后级(2N+1)、滤波电感L及电网电压源v_g；

所述首模块前级(1)的一端与发电/储能模块(2)连接，N个发电/储能模块与N-1个分裂发电/储能功率模块(3,5,...,2N-1)依次间隔连接，发电/储能模块(2N)与首模块后级(2N+1)的一端连接，首模块后级(2N+1)的另一端端子b与电网电压源v_g的一端连接，电网电压源v_g的另一端与滤波电感L的一端连接，滤波电感L的另一端与首模块前级(1)另一端端子a连接。

2.根据权利要求1所述的分裂电容功率单元多电平变换器，其特征在于，所述首模块前级(1)包括开关管S₁和S₂，开关管S₁和S₂构成半桥结构，半桥结构的中点为端子a，所述首模块后级包括两个开关管S_6N-3和S_6N-2，开关管S_6N-3和S_6N-2所构成半桥结构，半桥结构的中点为端子b。

3.根据权利要求1所述的分裂电容功率单元多电平变换器，其特征在于，所述N个发电/储能模块(2，4，...，2N)结构相同，每个发电/储能模块均由双有源桥和电解电容C_n(n＝1,2,...,N)并联组成。

4.根据权利要求1所述的分裂电容功率单元多电平变换器，其特征在于，所述N-1个分裂发电/储能功率模块结构相同，均分别包括六个开关管S_6N-9-S_6N-4，其中开关管S_6N-9和S_6N-8构成左半桥，开关管S_6N-7和S_6N-6构成补偿开关，开关管S_6N-5和S_6N-4构成右半桥，左半桥和右半桥通过左半桥中点、右半桥中点和补偿开关连接。

5.根据权利要求1所述的分裂电容功率单元多电平变换器，其特征在于，所述N-1个分裂发电/储能功率模块结构相同，均分别包括六个开关管S_6N-9-S_6N-4，其中开关管S_6N-9和S_6N-8构成左半桥，开关管S_6N-7和S_6N-6构成补偿开关，开关管S_6N-5和S_6N-4构成右半桥，左半桥和右半桥通过左半桥中点、右半桥中点和补偿开关连接。

6.一种如权利要求1所述的分裂电容功率单元多电平变换器的调制策略，其特征在于，包括：

h₁：将首模块与分裂发电/储能功率模块(3,5...,2N-1)进行统一编号，新编号为1,2,...,N-1,N；在运行区间I或运行区间III，新编号小于或等于桥臂期望电压脉冲形式v_pwm的模块采用贡献电平为1的开关模式，新编号大于桥臂期望电压脉冲形式v_pwm的模块采用贡献电平为0的开关模式；在运行区间II或运行区间IV，新编号小于或等于桥臂期望电压脉冲形式v_pwm绝对值的模块采用贡献电平为-1的开关模式，新编号大于桥臂期望电压脉冲形式v_pwm绝对值的模块采用贡献电平为0的开关模式，其中，区间I：

区间II：

区间III：

和区间IV：

为电压调制波信号，

为并网电流指令信号；

h₂：判断桥臂期望电压脉冲形式v_pwm或运行区间是否发生改变；当桥臂期望电压脉冲形式v_pwm或运行区间发生改变时，执行h₃阶段；当桥臂期望电压脉冲形式v_pwm与运行区间未发生改变时，执行h₄阶段；

h₃：检测桥臂所有分裂发电/储能模块的电容电压v_dc1～v_dcN后对分裂发电/储能模块进行升序排序为

且k₁≠k₂≠...≠k_N；

h₄：循环开关过程实现交流输出电压；

h₅：判断是否需要进行下一个开关模式组合选择过程，需要进行下一个开关模式组合选择过程时，返回执行h₂阶段，否则退出循环过程。

7.根据权利要求6所述的分裂电容功率单元多电平变换器的调制策略，其特征在于，并网电流指令信号与桥臂的电压调制波信号的获取方法为：

检测端子a、b输出的并网电流i_g、检测每个发电/储能模块上电解电容上的直流电压v_dcj(j＝1,2,...,N)，检测电网电压v_g；

将检测到的所有电解电容上的直流电压v_dcj(j＝1,2,...,N)取平均值为平均直流电压v_dcav，将所述平均直流电压v_dcav与设定的指令值

比较，根据二者差值经过PID算法得到桥臂有功电流的指令值

将无功电流的指令值

设为0，有功电流指令值

和无功电流指令值

经过旋转-静止(dq/αβ)坐标变换得到并网电流指令信号

将检测到的并网电流i_g经过静止-旋转(αβ/dq)坐标变换得到有功电流i_d和无功电流i_q；将有功电流指令值

与有功电流i_d比较，根据二者差值经过PID算法得出桥臂电压调制波信号的有功分量

将无功电流指令值

与无功电流i_q比较，根据二者差值经过PID算法得出桥臂电压调制波信号的无功分量

将桥臂电压调制波信号的有功分量

和无功分量

经过旋转-静止(dq/αβ)坐标变换得到桥臂的电压调制波信号

8.根据权利要求6所述的分裂电容功率单元多电平变换器的调制策略，其特征在于，所述桥臂期望电压脉冲形式v_pwm的计算过程具体为：取N_lvl是最接近

的整数，d是

的小数部分，v_dcj(j＝1,2,...,N)为第j个电解电容上的直流电压，v_cr是频率固定、周期为T_s、最大值为1、最小值为-1的三角载波信号，将d与v_cr比较，当d>v_cr时输出高电平1、当d<v_cr时输出低电平0得到高频PWM信号v_p，将高频PWM信号v_p与N_lvl相加得到桥臂期望电压脉冲形式v_pwm。

9.根据权利要求6所述的分裂发电/储能功率模块多电平变换器拓扑结构的调制策略，其特征在于，循环开关过程实现交流输出电压具体为：

设定分裂发电/储能功率模块采用的开关模式分别具体为AB₀：S_6N-6关断、S_6N-7关断，S_6N-8导通，S_6N-9、S_6N-5、S_6N-4关断；A₁：S_6N-7关断、S_6N-6导通，S_6N-8导通，S_6N-9、S_6N-5、S_6N-4关断；A₂：S_6N-6关断、S_6N-7关断，S_6N-8、S_6N-5导通，S_6N-9、S_6N-4关断；BA₀：S_6N-6导通、S_6N-7关断，S_6N-8关断，S_6N-9、S_6N-5、S_6N-4关断；B₂：S_6N-6关断、S_6N-7关断，S_6N-9、S_6N-8、S_6N-5、S_6N-4关断；CD₀：S_6N-6关断、S_6N-7关断，S_6N-4导通，S_6N-9、S_6N-8、S_6N-5关断；C₁：S_6N-7导通，S_6N-6关断，S_6N-4导通，S_6N-9、S_6N-8、S_6N-5关断；C₂：S_6N-6关断、S_6N-7关断，S_6N-9、S_6N-8、S_6N-5、S_6N-4关断；D₂：S_6N-6关断、S_6N-7关断，S_6N-9、S_6N-4导通，S_6N-8、S_6N-5关断；DC₀：S_6N-6关断、S_6N-7导通，S_6N-5、S_6N-9、S_6N-8、S_6N-4关断；

设定首模块开关采用的开关模式分别具体为：EF₀：S_6N-2导通，S₁、S₂、S_6N-3关断；E₁：S₁、S_6N-2开通，S₂、S_6N-3关断；F₁：S₁、S_6N-2、S₂、S_6N-3关断；FE₀：S_6N-2关断，S₁导通，S₂、S_6N-3关断；GH₀：S₂导通，S₁、S_6N-2、S_6N-3关断；G₁：S₁、S_6N-2、S₂、S_6N-3关断；H₁：S₂、S_6N-3导通，S₁、S_6N-2关断；HG₀：S₂、S₁、S_6N-2关断，S_6N-3导通；

当

且

时，当N-i+1＝v_pwm(i＝1,2,...,N)且

时，首模块采用开关模式E₁，第k_i到第k_N个分裂发电/储能功率模块采用开关模式A₂，若

第k₁到第k_i-1分裂发电/储能功率模块采用开关模式AB₀，F_misu为逻辑变量，若

第k_h个分裂发电/储能功率模块采用开关模式A₁，除第k_h个分裂发电/储能功率模块外的第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式AB₀；当N-i+1＝v_pwm，i＝1,2,...,N，且

时，首模块采用开关模式EF₀，第k_i到第k_N个分裂发电/储能功率模块采用开关模式A₂，若

第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式AB₀，若

第k_h个分裂发电/储能功率模块采用开关模式A₁，除第k_h个分裂发电/储能功率模块外的第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式AB₀；

当

且

时，当N-i+1＝|v_pwm|(i＝1,2,...,N)且

时，首模块采用开关模式F₁，第k_i到第k_N个分裂发电/储能功率模块采用开关模式B₂，若

第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式AB₀，若

第k_h个分裂发电/储能功率模块采用开关模式A₁，除第k_h个分裂发电/储能功率模块外的第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式AB₀；当N-i+1＝|v_pwm|(i＝1,2,...,N)且

时，首模块采用开关模式EF₀，第k_i到第k_N个分裂发电/储能功率模块采用开关模式B₂，若

第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式AB₀，若

第k_h个分裂发电/储能功率模块采用开关模式A₁，除第k_h个分裂发电/储能功率模块外的第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式AB₀；

当

且

时，当N-i+1＝v_pwm(i＝1,2,...,N)且

时，首模块采用开关模式G₁，第k_i到第k_N个分裂发电/储能功率模块采用开关模式C₂，若

第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式CD₀，若

第k_h个分裂发电/储能功率模块采用开关模式C₁，除第k_h个分裂发电/储能功率模块外的第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式CD₀；当N-i+1＝v_pwm(i＝1,2,...,N)且

时，首模块采用开关模式GH₀，第k_i到第k_N个分裂发电/储能功率模块采用开关模式C₂，若

第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式CD₀，若

第k_h分裂发电/储能功率模块采用开关模式C₁，除第k_h个分裂发电/储能功率模块外的第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式CD₀；

当

且

时，当N-i+1＝|v_pwm|(i＝1,2,...,N)且

时，首模块采用开关模式H₁，第k_i到第k_N个分裂发电/储能功率模块采用开关模式D₂，若

第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式CD₀，若

第k_h个分裂发电/储能功率模块采用开关模式C₁，除第k_h个分裂发电/储能功率模块外的第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式CD₀；当N-i+1＝|v_pwm|(i＝1,2,...,N)且

时，首模块采用开关模式GH₀，第k_i到第k_N个分裂发电/储能功率模块采用开关模式D₂，若

第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式CD₀，若

第k_h个分裂发电/储能功率模块采用开关模式C₁，除第k_h个分裂发电/储能功率模块外的第k₁到第k_i-1个分裂发电/储能功率模块采用开关模式CD₀。

10.根据权利要求9所述的分裂发电/储能功率模块多电平变换器拓扑结构的调制策略，其特征在于，所述逻辑变量F_misu(u＝1,2,...,N)的计算过程具体为：

在运行区间I或区间III中，F_misu由下式产生：

在运行区间II或IV中，F_misu由下式产生：

其中，Δv_dc＝min(v_dcmax-v_dcav,v_dcav-v_dcmin)，其中v_dcmin和v_dcmax分别为硬件系统安全运行直流电压的上线和下线。

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