级联多电平储能变流器支撑电容电压波动平抑控制方法

1.本发明属于电压波动平抑领域，具体涉及了一种级联多电平储能变流器支撑电容电压波动平抑控制方法。


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。传统的级联多电平储能系统直接将储能元件并联在变流器的支撑电容上，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。而两级变换型级联多电平储能变流器[1]，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。
[0003]
级联多电平储能变流器中各个功率子模块之间是相互独立的，如果各模块间储能元件能量不一致就会影响系统的能量利用率，甚至导致储能元件过充或过放，严重影响其使用寿命。级联多电平储能变流器通常根据储能元件的荷电状态或超级电容电压进行排序实现子模块轮换运行，以实现储能元件的能量均衡。cn103187895a、cn113675911a、cn103427692a、cn103956925等专利对传统的根据储能元件荷电状态排序轮换做了改进，但其目的是减少排序或计算的时间、降低开关频率，对于减小电压波动的改善并不明显，并且其功率子模块都是单级变换型拓扑。
[0004]
但是当两级变换型级联多电平储能变流器应用于大功率场合下，储能变流器放电时，交流侧较大的电流流过支撑电容，会导致支撑电容电压出现较大幅度的波动。而dc-dc变换器控制频率较低，响应时间较慢，储能元件释放的能量有限，而此时根据储能元件的荷电状态进行排序并不能反应支撑电容电压的大小关系，这就导致了某些功率子模块的支撑电容电压出现较大幅度的波动时，并不能及时完成轮换，加剧了支撑电容电压的波动。cn110556852a专利中采用了二次检索的方法同时对电容电压均压和储能元件能量均衡进行调节，可能会出现检索失败的情况，且相对比较复杂。
[0005]
以下文献是与本发明相关的技术背景资料：
[0006]
陶以彬、李官军、冯鑫振等，一种高压大容量储能变流器的拓扑结构及控制方法，2016-05-17，cn105897018a。


技术实现要素：

[0007]
为了解决现有技术中的上述问题，即现有级联多电平储能变流器在大功率应用场合下根据储能元件荷电状态进行排序轮换实现能量均衡时，无法及时完成轮换，使得支撑电容电压波动较大的问题，本发明提供了一种级联多电平储能变流器支撑电容电压波动平抑控制方法，该方法包括：
[0008]
步骤s10，构建级联多电平储能变流器各功率子模块储能元件的荷电状态值和支撑电容电压值与各功率子模块轮换变量的映射关系；
[0009]
步骤s20，在每个控制周期的初始时刻，基于所述映射关系计算各功率子模块对应的轮换变量qi，i＝1，2，
…
，n，qi代表n个功率子模块中第i个的轮换变量；
[0010]
步骤s30，将所述各功率子模块对应的轮换变量qi按照从大到小的顺序排列为轮换变量序列q；
[0011]
步骤s40，对参考电压进行调制获取当前控制周期需要投入的功率子模块数量n，n≤n；
[0012]
步骤s50，根据参考电压值和输出电流值的正负组合序列，分别选择相应的n个功率子模块输出正电平或负电平，其余n-n个功率子模块输出零电平。
[0013]
在一些优选的实施例中，所述级联多电平储能变流器各功率子模块储能元件的荷电状态值和支撑电容电压值与各功率子模块轮换变量的映射关系，其表示为：
[0014]
其中，soci为第i个功率子模块储能元件的荷电状态，为第i个功率子模块对应的支撑电容电压值，α和β分别为预设的soci和对轮换变量qi影响的权重系数。
[0015]
在一些优选的实施例中，所述参考电压值和输出电流值的正负组合序列包括正序列、第一交叉序列、第二交叉序列和负序列；
[0016]
所述正序列为参考电压值为正，且输出电流值为正；
[0017]
所述第一交叉序列为参考电压值为正，且输出电流值为负；
[0018]
所述第二交叉序列为参考电压值为负，且输出电流值为正；
[0019]
所述负序列为参考电压值为负，且输出电流值为负。
[0020]
在一些优选的实施例中，当参考电压值和输出电流值的正负组合序列为正序列时，选择所述轮换变量序列q中qi值较高的n个功率子模块输出正电平，其余n-n个功率子模块输出零电平。
[0021]
在一些优选的实施例中，当参考电压值和输出电流值的正负组合序列为第一交叉序列时，选择所述轮换变量序列q中qi值较低的n个功率子模块输出正电平，其余n-n个功率子模块输出零电平。
[0022]
在一些优选的实施例中，当参考电压值和输出电流值的正负组合序列为第二交叉序列时，选择所述轮换变量序列q中qi值较低的n个功率子模块输出负电平，其余n-n个功率子模块输出零电平。
[0023]
在一些优选的实施例中，当参考电压值和输出电流值的正负组合序列为负序列时，选择所述轮换变量序列q中qi值较高的n个功率子模块输出负电平，其余n-n个功率子模块输出零电平。
[0024]
本发明的另一方面，提出了一种级联多电平储能变流器支撑电容电压波动平抑控制系统，该系统包括以下模块：
[0025]
映射模块，配置为构建级联多电平储能变流器各功率子模块储能元件的荷电状态值和支撑电容电压值与各功率子模块轮换变量的映射关系；
[0026]
轮换变量计算模块，配置为在每个控制周期的初始时刻，基于所述映射关系计算各功率子模块对应的轮换变量qi，i＝1，2，
…
，n，qi代表n个功率子模块中第i个的轮换变量；
[0027]
排序模块，配置为将所述各功率子模块对应的轮换变量qi按照从大到小的顺序排列为轮换变量序列q；
[0028]
功率子模块运行数量获取模块，配置为对参考电压进行调制获取当前控制周期需要投入的功率子模块数量n，n≤n；
[0029]
功率子模块轮换模块，配置为根据参考电压值和输出电流值的正负组合序列，分别选择相应的n个功率子模块输出正电平或负电平，其余n-n个功率子模块输出零电平。
[0030]
本发明的第三方面，提出了一种级联多电平储能变流器，该级联多电平储能变流器包括a相桥臂、b相桥臂和c相桥臂；
[0031]
所述a相桥臂、b相桥臂和c相桥臂分别包括n个功率子模块，在每个控制周期，所述n个功率子模块通过上述的级联多电平储能变流器支撑电容电压波动平抑控制方法进行轮换运行。
[0032]
在一些优选的实施例中，所述功率子模块包括储能元件、dc-dc电路、支撑电容和h桥；
[0033]
所述支撑电容并联连接在所述dc-dc电路和所述h桥之间，所述储能元件通过所述dc-dc电路与所述支撑电容连接。
[0034]
本发明的有益效果：
[0035]
本发明级联多电平储能变流器支撑电容电压波动平抑控制方法，通过优化均压轮换排序方法，既可以实现储能元件能量均衡，也可以可平抑支撑电容电压波动，降低dc-dc电路和储能元件的电流应力，并提高储能变流器的输出性能。
附图说明
[0036]
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0037]
图1是本发明级联多电平储能变流器支撑电容电压波动平抑控制方法的流程示意图；
[0038]
图2是本发明级联多电平储能变流器支撑电容电压波动平抑控制方法的各功率子模块支撑电容电压波动效果对比图；
[0039]
图3是本发明级联多电平储能变流器支撑电容电压波动平抑控制方法的级联多电平储能变流器的电路拓扑图；
[0040]
图4是本发明级联多电平储能变流器支撑电容电压波动平抑控制方法的级联多电平储能变流器的功率子模块的电路拓扑图。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
[0042]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0043]
本发明提供一种级联多电平储能变流器支撑电容电压波动平抑控制方法，目前两
级变换型级联多电平储能变流器采用现有方法中根据储能元件的荷电状态进行排序轮换的能量均衡策略时，大功率应用场合下支撑电容电压会出现较大幅度的波动，导致储能变流器输出特性差，针对此问题，本发明优化了储能变流器排序轮换方法，根据储能元件荷电状态值和支撑电容电压值多因子权重优化排序方法实现子模块轮换运行，这样可以在实现储能元件能量均衡的前提下，减小支撑电容电压的波动，提高储能变流器的输出性能。
[0044]
本发明的一种级联多电平储能变流器支撑电容电压波动平抑控制方法，该方法包括：
[0045]
步骤s10，构建级联多电平储能变流器各功率子模块储能元件的荷电状态值和支撑电容电压值与各功率子模块轮换变量的映射关系；
[0046]
步骤s20，在每个控制周期的初始时刻，基于所述映射关系计算各功率子模块对应的轮换变量qi，i＝1，2，
…
，n，qi代表n个功率子模块中第i个的轮换变量；
[0047]
步骤s30，将所述各功率子模块对应的轮换变量qi按照从大到小的顺序排列为轮换变量序列q；
[0048]
步骤s40，对参考电压进行调制获取当前控制周期需要投入的功率子模块数量n，n≤n；
[0049]
步骤s50，根据参考电压值和输出电流值的正负组合序列，分别选择相应的n个功率子模块输出正电平或负电平，其余n-n个功率子模块输出零电平。
[0050]
为了更清晰地对本发明级联多电平储能变流器支撑电容电压波动平抑控制方法进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各步骤展开详述。
[0051]
本发明第一实施例的级联多电平储能变流器支撑电容电压波动平抑控制方法，包括步骤s10-步骤s50，各步骤详细描述如下：
[0052]
步骤s10，构建级联多电平储能变流器各功率子模块储能元件的荷电状态值和支撑电容电压值与各功率子模块轮换变量的映射关系，如式(1)所示：
[0053]
其中，soci为第i个功率子模块储能元件的荷电状态，为第i个功率子模块对应的支撑电容电压值，α和β分别为预设的soci和对轮换变量qi影响的权重系数。
[0054]
步骤s20，在每个控制周期的初始时刻，基于所述映射关系计算各功率子模块对应的轮换变量qi，i＝1，2，
…
，n，qi代表n个功率子模块中第i个的轮换变量。
[0055]
步骤s30，将所述各功率子模块对应的轮换变量qi按照从大到小的顺序排列为轮换变量序列q。
[0056]
步骤s40，对参考电压进行调制获取当前控制周期需要投入的功率子模块数量n，n≤n。
[0057]
步骤s50，根据参考电压值和输出电流值的正负组合序列，分别选择相应的n个功率子模块输出正电平或负电平，其余n-n个功率子模块输出零电平。
[0058]
参考电压值和输出电流值的正负组合序列包括正序列、第一交叉序列、第二交叉序列和负序列：
[0059]
正序列为参考电压值为正，且输出电流值为正，此时，选择所述轮换变量序列q中
qi值较高的n个功率子模块输出正电平，其余n-n个功率子模块输出零电平；
[0060]
第一交叉序列为参考电压值为正，且输出电流值为负，此时，选择所述轮换变量序列q中qi值较低的n个功率子模块输出正电平，其余n-n个功率子模块输出零电平；
[0061]
第二交叉序列为参考电压值为负，且输出电流值为正，此时，选择所述轮换变量序列q中qi值较低的n个功率子模块输出负电平，其余n-n个功率子模块输出零电平；
[0062]
负序列为参考电压值为负，且输出电流值为负，此时，选择所述轮换变量序列q中qi值较高的n个功率子模块输出负电平，其余n-n个功率子模块输出零电平。
[0063]
如图2所示，为本发明级联多电平储能变流器支撑电容电压波动平抑控制方法的各功率子模块支撑电容电压波动效果对比图，图2中的(a)为以储能元件荷电状态值进行排序轮换时各功率子模块支撑电容电压波形图，图2中的(b)为以储能元件荷电状态值和支撑电容电压值多因子权重优化排序轮换时各功率子模块支撑电容电压波形图，在图2中的(a)的情况下soci和对轮换变量qi影响的权重系数设置为α＝0，β＝1，在图2中的(b)的情况下soci和对轮换变量qi影响的权重系数设置为α＝1，β＝1。
[0064]
上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。
[0065]
本发明第二实施例的级联多电平储能变流器支撑电容电压波动平抑控制系统，该系统包括以下模块：
[0066]
映射模块，配置为构建级联多电平储能变流器各功率子模块储能元件的荷电状态值和支撑电容电压值与各功率子模块轮换变量的映射关系；
[0067]
轮换变量计算模块，配置为在每个控制周期的初始时刻，基于所述映射关系计算各功率子模块对应的轮换变量qi，i＝1，2，
…
，n，qi代表n个功率子模块中第i个的轮换变量；
[0068]
排序模块，配置为将所述各功率子模块对应的轮换变量qi按照从大到小的顺序排列为轮换变量序列q；
[0069]
功率子模块运行数量获取模块，配置为对参考电压进行调制获取当前控制周期需要投入的功率子模块数量n，n≤n；
[0070]
功率子模块轮换模块，配置为根据参考电压值和输出电流值的正负组合序列，分别选择相应的n个功率子模块输出正电平或负电平，其余n-n个功率子模块输出零电平。
[0071]
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0072]
需要说明的是，上述实施例提供的级联多电平储能变流器支撑电容电压波动平抑控制系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
[0073]
本发明第三实施例的一种级联多电平储能变流器，其结构如图3所示，该级联多电
平储能变流器包括a相桥臂、b相桥臂和c相桥臂；
[0074]
a相桥臂、b相桥臂和c相桥臂分别包括n个功率子模块，在每个控制周期，n个功率子模块通过上述的级联多电平储能变流器支撑电容电压波动平抑控制方法进行轮换运行。
[0075]
如图4所示，为本发明级联多电平储能变流器支撑电容电压波动平抑控制方法的级联多电平储能变流器的功率子模块的电路拓扑图，功率子模块包括储能元件、dc-dc电路、支撑电容和h桥；
[0076]
支撑电容并联连接在dc-dc电路和h桥之间，储能元件通过dc-dc电路与支撑电容连接，h桥电路输出侧连接交流负载。。
[0077]
在储能元件放电过程中，各个功率子模块内dc-dc电路可以通过闭环控制对支撑电容电压进行稳压，一方面可以提高储能变流器输出电气性能，另一方面可以动态调节储能元件电能释放过程。
[0078]
本发明第四实施例的一种电子设备，包括：
[0079]
至少一个处理器；以及
[0080]
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
[0081]
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的级联多电平储能变流器支撑电容电压波动平抑控制方法。
[0082]
本发明第五实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的级联多电平储能变流器支撑电容电压波动平抑控制方法。
[0083]
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0084]
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0085]
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
[0086]
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
[0087]
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。