一种级联多电平储能变流器均衡充放电控制方法

1.本发明属于多电平储能变流器控制技术领域，具体涉及一种级联多电平储能变流器均衡充放电控制方法。


背景技术：

2.在新能源发电以及高速电磁驱动等需要高压大容量储能系统的应用中，级联多电平储能变流器得到了广泛的应用。
3.目前，级联多电平储能变流器以模块化多电平变流器、级联h桥型多电平变流器为主。在传统的储能系统中各功率子模块一般采用储能元件直接并联在h桥直流侧支撑电容上，例如中国发明专利cn108923518a。但其电压工作范围较窄，限制了储能元件的放电深度，影响其能量利用率，同时较大的电流纹波也会影响储能元件的使用寿命。中国发明专利cn105897018a采用两级变换型电路拓扑，各功率子模块增加了一级dc-dc变换器连接储能元件和支撑电容，增大储能元件的电压工作范围，且可以控制支撑电容电压稳定，更好的保证了交流侧输出电压质量。
4.当储能系统功率子模块数量较大时，级联多电平储能变流器采用最近电平逼近调制是比较合理的，如中国发明专利cn110556852a，因为模块数量越多，最近电平逼近调制所获得的波形越理想，且易于理解、计算和实现简单。但其会使各个功率子模块输出正电平或负电平的时间差异较大，即各模块交流侧功率不一致，使得储能元件充放电功率差异较大。
5.级联多电平储能变流器的各个功率子模块之间都是相互独立的，储能元件分布在各子模块中，由于各储能元件的初始荷电状态具有随机性，使得在充电、放电阶段很难保证各储能元件荷电状态的均衡，这就使得各模块间储能元件能量不一致，从而造成能量利用率低，严重影响其使用寿命，甚至使储能元件产生过充或过放的危险。


技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种级联多电平储能变流器均衡充放电控制方法。针对最近电平逼近调制时各子模块储能元件充放电功率不一致，以及相内各储能元件的荷电状态soc分布不均衡的问题，本发明根据各子模块储能元件荷电状态的排序结果实现各个子模块的轮换运行，进而控制各子模块交流侧功率，对子模块充放电功率进行调节，特别地，对于荷电状态soc偏差较大的子模块可独立地进行调节，快速实现荷电状态均衡。
7.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
8.一种级联多电平储能变流器均衡充放电控制方法，所述储能变流器为两级变换型级联多电平储能变流器，共a、b、c三相桥臂，每个桥臂均由n m个功率子模块构成，m为冗余模块数，n、m为正整数；每个功率子模块由储能元件、dc-dc电路、支撑电容、h桥电路组成；所述储能元件通过dc-dc电路与支撑电容相连，支撑电容又并联在dc-dc电路和h桥电路之间；并网充电时，h桥电路交流侧与电网相连；离网运行时，h桥电路交流侧与交流负载相连；所
述控制系统包括交流控制单元、调制单元和子模块控制单元；所述交流控制单元对所述储能变流器交流侧充放电功率进行控制；所述调制单元接收所述交流控制单元下发的调制电压，采用最近电平逼近调制得到各个时刻需要投入运行的子模块数，结合充放电状态并根据所述储能元件荷电状态排序结果选择相应的子模块输出正电平、负电平和零电平；所述子模块控制单元独立地对各功率子模块进行控制；
9.所述控制方法包括如下步骤：
10.步骤1：在所述调制单元中将每相调制电压经过最近电平逼近调制，实时计算每相参考电压与该相所有功率子模块的支撑电容的电压平均值的比值，四舍五入取整，并求得其绝对值n；
11.步骤2：对各个功率子模块的储能元件的荷电状态soc进行排序；
12.步骤3：根据所述步骤1的绝对值n和所述步骤2中所述储能元件的荷电状态soc的排序结果选择相应的功率子模块输出正电平、负电平和零电平。
13.进一步地，在并网充电阶段：令荷电状态soc最大的功率子模块smy输出与相电压相反的电平，同时，令荷电状态soc最小的功率子模块smz输出与功率子模块smy完全相反的电平，即功率子模块smy和功率子模块smz的合成电平为零。
14.进一步地，当相电压ug》0时：若n≤n-2，则功率子模块smy输出一个负电平，功率子模块smz输出一个正电平，从剩余的功率子模块中按顺序选择荷电状态soc较低的n个功率子模块输出正电平，包括冗余模块在内的其余的功率子模块输出零电平；若n》n-2，则直接在所有功率子模块中按顺序选择荷电状态soc较低的n个功率子模块输出正电平，包括冗余模块在内的其余功率子模块输出零电平。
15.进一步地，当相电压ug《0时：若n≤n-2，则功率子模块smy输出一个正电平，功率子模块smz输出一个负电平，从剩余的功率子模块中按顺序选择荷电状态soc较低的n个功率子模块输出负电平，包括冗余模块在内的其余功率子模块输出零电平；若n》n-2，则直接在所有功率子模块中按顺序选择荷电状态soc较低的n个功率子模块输出负电平，包括冗余模块在内的其余功率子模块输出零电平；这使得在充电阶段，功率子模块smy处于放电状态，功率子模块smz处于充电状态。
16.进一步地，在离网放电运行阶段：令荷电状态soc最小的功率子模块smz输出与相电压相反的电平，同时，令荷电状态soc最大的功率子模块smy输出与功率子模块smz完全相反的电平，即功率子模块smz和功率子模块smy的合成电平为零。
17.进一步地，当相电压ug》0时：若n≤n-2，则功率子模块smz输出一个负电平，功率子模块smy输出一个正电平，从剩余功率子模块中按顺序选择荷电状态soc较高的n个功率子子模块输出正电平，包括冗余模块在内的其余功率子模块输出零电平；若n》n-2，则直接在所有功率子模块中按顺序选择荷电状态soc较高的n个功率子模块输出正电平，包括冗余模块在内的其余功率子模块输出零电平。
18.进一步地，当相电压ug《0时：若n≤n-2，则功率子模块smz输出一个正电平，功率子模块smy输出一个负电平，从剩余功率子模块中按顺序选择荷电状态soc较高的n个功率子模块输出负电平，包括冗余模块在内的其余功率子模块输出零电平；若n》n-2，则直接在所有功率子模块中按顺序选择荷电状态soc较高的n个功率子模块输出负电平，包括冗余模块在内的其余功率子模块输出零电平。这使得在放电阶段，功率子模块smz处于充电状态，功
率子模块smy处于放电状态。
19.有益效果：
20.本发明的级联多电平储能变流器均衡充放电控制方法可以通过控制各功率子模块交流侧功率灵活地调节子模块充放电功率，特别地，对于荷电状态偏差较大的子模块可独立进行调节，实现对储能元件荷电状态的快速均衡，提高储能变流器的能量利用率和可靠性。
附图说明
21.图1为本发明级联多电平储能变流器的电路拓扑图；其中，(a)为并网充电时电路拓扑图；(b)为离网运行时电路拓扑图。
22.图2为本发明级联多电平储能变流器中功率子模块的电路拓扑图；
23.图3为本发明级联多电平储能变流器最近电平逼近调制策略示意图；
24.图4为本发明级联多电平储能变流器均衡充放电控制方法；其中，(a)为并网充电时均衡充放电控制方法；(b)为离网运行时均衡充放电控制方法。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
26.如图1-4所示，本发明提供了一种级联多电平储能变流器均衡充放电控制方法。应用于本发明的储能变流器为两级变换型级联多电平储能变流器，共a、b、c三相桥臂，每个桥臂均由n m个功率子模块构成，m为冗余模块数，n、m为正整数；每个功率子模块由储能元件、dc-dc电路、支撑电容、h桥电路组成；储能元件通过dc-dc电路与支撑电容相连，支撑电容又并联在dc-dc电路和h桥电路之间。并网充电时，h桥电路交流侧与电网相连；离网运行时，h桥电路交流侧与交流负载相连。控制系统主要包括交流控制单元、调制单元和子模块控制单元三部分。所述交流控制单元对所述储能变流器交流侧充放电功率进行控制。所述调制单元接收所述交流控制单元下发的调制电压，采用最近电平逼近调制得到各个时刻需要投入运行的子模块数，结合充放电状态并根据所述储能元件荷电状态排序结果选择相应的子模块输出正电平、负电平和零电平。所述子模块控制单元独立地对各子模块进行控制，一方面根据从调制单元接收到的各子模块投切状态驱动各子模块igbt器件，另一方面对支撑电容电压进行闭环控制，保持支撑电容电压的稳定。
27.本发明的级联多电平储能变流器均衡充放电控制方法具体包括如下步骤：
28.步骤1：在调制单元中将每相调制电压经过最近电平逼近调制，即实时计算每相参考电压与该相所有模块的支撑电容电压平均值的比值，四舍五入取整，并求得其绝对值n。
29.步骤2：对各个功率子模块储能元件的荷电状态soc进行排序。
30.步骤3：根据步骤1的计算结果和步骤2中储能元件的荷电状态soc的排序结果选择相应的子模块输出正电平、负电平和零电平。
31.在并网充电阶段：可令荷电状态soc最大的功率子模块smy输出与相电压相反的电
平，同时，令荷电状态soc最小的功率子模块smz输出与功率子模块smy完全相反的电平，即功率子模块smy和功率子模块smz的合成电平为零。即当相电压ug》0时：若n≤n-2，则功率子模块smy输出一个负电平，功率子模块smz输出一个正电平，从剩余的功率子模块中按顺序选择荷电状态soc较低的n个功率子模块输出正电平，其余的功率子模块输出零电平(其中包含冗余模块)；若n》n-2，则直接在所有功率子模块中按顺序选择荷电状态soc较低的n个功率子模块输出正电平，其余功率子模块输出零电平。相应的，当相电压ug《0时：若n≤n-2，则功率子模块smy输出一个正电平，功率子模块smz输出一个负电平，从剩余的功率子模块中按顺序选择荷电状态soc较低的n个功率子模块输出负电平，其余功率子模块输出零电平(其中包含冗余模块)；若n》n-2，则直接在所有功率子模块中按顺序选择荷电状态soc较低的n个功率子模块输出负电平，其余功率子模块输出零电平。这使得在充电阶段，功率子模块smy处于放电状态，功率子模块smz处于充电状态。
32.在离网放电运行阶段：可令荷电状态soc最小的功率子模块smz输出与相电压相反的电平，同时，令荷电状态soc最大的功率子模块smy输出与功率子模块smz完全相反的电平，即功率子模块smz和功率子模块smy的合成电平为零。即当相电压ug》0时：若n≤n-2，则功率子模块smz输出一个负电平，功率子模块smy输出一个正电平，从剩余功率子模块中按顺序选择荷电状态soc较高的n个功率子模块输出正电平，其余功率子模块输出零电平(其中包含冗余模块)；若n》n-2，则直接在所有功率子模块中按顺序选择荷电状态soc较高的n个功率子模块输出正电平，其余功率子模块输出零电平。相应的，当相电压ug《0时：若n≤n-2，则功率子模块smz输出一个正电平，功率子模块smy输出一个负电平，从剩余功率子模块中按顺序选择荷电状态soc较高的n个功率子模块输出负电平，其余功率子模块输出零电平(其中包含冗余模块)；若n》n-2，则直接在所有功率子模块中按顺序选择荷电状态soc较高的n个功率子模块输出负电平，其余功率子模块输出零电平。这使得在放电阶段，功率子模块smz处于充电状态，功率子模块smy处于放电状态。
33.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。