模块化多电平储能变换器的变直流母线电压控制方法及系统技术方案

本公开提出了模块化多电平储能变换器的变直流母线电压控制方法及系统，包括：利用模块化多电平储能变换器相电压参考波绝对值的变化情况来进行门控信号重分配和主动旁路使得模块化多电平储能变换器的直流母线电压随着相电压参考波绝对值的变化而变化；门控信号重分配和主动旁路后，将唯一会产生额外电荷吞吐量的开关序列轮流分配给每个子模块以避免增大电池组间的SOH差异；在每个工作区间内，对参与主动旁路的子模块外的其他的子模块进行SOC均衡，即依据每个开关序列产生的平均电流值对分配给每个子模块的开关序列进行重新排列。列。列。

【技术实现步骤摘要】
模块化多电平储能变换器的变直流母线电压控制方法及系统


[0001]本公开属于电池储能系统的优化控制
，尤其涉及模块化多电平储能变换器的变直流母线电压控制方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]使用级联H桥多电平变换器(cascaded H
‑
bridge,以下简称CHB)或模块化多电平变换器(modular multilevel converter,以下简称MMC)等多电平变换器可以直接将大量的电池组接入中高压等级电网，无需使用工频变压器，减小了工程占地面积，提高了效率并降低了成本。
[0004]一般来说，电池组可以直接或者经过一个小电容器(容值为数微法)与后面的全桥或半桥电路相连接来构成CHB或MMC型电池储能系统(battery energy storage system,以下简称BESS)中的子模块(submodule,以下简称SM)。这种结构能够有效地降低成本和减小体积。同时，也可以在电池组与全桥或半桥电路之间加入一个DC
‑
DC变换器或者一个容值达数十毫法的大电容器。除了成本、体积和效率之外，选择不同子模块结构的考虑因素还有直流侧的电流纹波是否在实际工作中会造成电池组的健康状态(state
‑
of
‑
health，以下简称SOH)劣化。
[0005]研究表明，采用多电平变换器型的BESS在直流侧出现的电流纹波一般不会造成电池组SOH劣化，除非这一电流纹波会造成巨大的温升或者含有能导致大量额外电荷吞吐量的充放电微循环。对于BESS来说，配置一个强大的电池热管理系统往往不是太困难，所以额外电荷吞吐量对于其寿命的影响更应该受到关注。
[0006]电荷吞吐量指的是在电池的整个使用寿命期间可以充入和放出的总电荷量(可以用库伦或安培小时数作为单位进行评估测量)。它取决于电池的电化学特性和工作条件；当忽略其他老化影响时，对于某一特定类型的电池来说，它通常是一个固定值。简而言之，电池的寿命取决于其化学活性物质所能承受的总电荷吞吐量。一般来说，对于理想的直流电流充电/放电工况，总电荷吞吐量可用充/放电平均电流来表征。
[0007]通过比较不同的子模块配置，采用DC
‑
DC变换器的SM可以完全消除不必要的交流纹波，但会增加成本、降低效率和增大体积。对于一些以方便灵活配置为主要特征的单相CHB
‑
或MMC
‑
BESS来说，其应用中成本和体积的考虑更为重要，更适合将电池组直接或通过容值为几微法的小电容器与半导体开关电路连接。因此，考虑到不加DC
‑
DC变换器导致的电流纹波可能引起的额外电荷吞吐量，需要对其专门设计新的控制方法来进行解决，从而完全通过软件方法来解决这一问题，降低成本、提高效率并减小体积。

技术实现思路

[0008]为克服上述现有技术的不足，本公开提供了模块化多电平储能变换器的变直流母
线电压控制方法，与传统的载波移相PWM调制或载波层叠(phase disposition，以下简称PD)PWM相比，额外电荷吞吐量显著降低。
[0009]为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
[0010]第一方面，公开了模块化多电平储能变换器的变直流母线电压控制方法，包括：
[0011]利用模块化多电平储能变换器相电压参考波的绝对值来确定直流母线电压的变化情况；
[0012]进行门控信号重分配和主动旁路使得模块化多电平储能变换器的直流母线电压随着相电压参考波绝对值的变化而变化；
[0013]门控信号重分配和主动旁路后，将唯一会产生额外电荷吞吐量的开关序列轮流分配给每个子模块以避免增大电池组间的SOH差异；
[0014]在每个工作区间内，对参与主动旁路的子模块外的其他的子模块进行SOC均衡，并依据每个开关序列产生的平均电流值对开关序列进行重新排列。
[0015]具体的，基于相电压参考波的绝对值进行门极控制信号(以下简称门控信号)重分配和主动旁路使得模块化多电平储能变换器的直流母线电压随着相电压参考波绝对值的变化而变化；
[0016]门控信号重分配和主动旁路后，将唯一会产生额外电荷吞吐量的开关序列轮流分配给每个子模块以避免增大电池组间的SOH差异；
[0017]在每个工作区间内，对唯一会产生额外电荷吞吐量的子模块外的其他子模块进行荷电状态(state
‑
of
‑
charge，以下简称SOC)均衡，并依据每个开关序列产生的平均电流值对开关序列进行重新排列。
[0018]进一步的技术方案，基于测量到的单相模块化多电平变换器型电池储能系统的交流输出来产生相电压参考波，然后在调制器中将相电压参考波与载波进行比较以得到半桥开关电路上开关的初始开关序列。
[0019]进一步的技术方案，通过相电压参考波绝对值的变化情况来进行门控信号重分配和主动旁路。
[0020]进一步的技术方案，对开关序列进行重新排列时：
[0021]首先，从电池管理系统中读取每个子模块中电池组的平均电流和SOC；
[0022]然后，进行开关序列重新排列，在这一过程中共有N个工作区间；
[0023]在N个工作区间中，只有会造成额外电荷吞吐量的开关序列会被轮流依次分配给N个子模块；
[0024]通过重新排列剩下的(N
‑
1)个开关序列来适当地分配平均电流。
[0025]第二方面，公开了基于模块化多电平变换器的单相电池储能系统，由A、B两相构成等效H桥，用于实现单相输出，每一相分别由上、下两个桥臂以及一个输出滤波电感组成，每个桥臂则由N个子模块以及一个桥臂滤波电感组成，电池组直接或通过并联一个小电容与半桥电路相连接；
[0026]子模块的控制采用上述模块化多电平储能变换器的变直流母线电压控制方法进行。
[0027]第三方面，公开了模块化多电平储能变换器的变直流母线电压控制系统，包括：
[0028]模块化多电平变换器控制器，用于产生相电压调制参考波，PD
‑
PWM调制器来产生
各个子模块的初始开关序列；
[0029]门控信号重分配和主动旁路单元，用于基于确定的参与主动旁路的子模块数量进行门控信号重分配使得模块化多电平储能变换器的直流母线电压随着相电压参考波绝对值的变化而变化；
[0030]开关序列重新排列单元，用于在门控信号重分配后，将唯一会产生额外电荷吞吐量的开关序列轮流分配给每个子模块以避免增大电池组间的SOH差异；
[0031]在每个工作区间内，对唯一会产生额外电荷吞吐量的子模块外的其他的子模块进行SOC均衡，并依据每个开关序列产生的平均电流值对开关序列进行重新排列。
[0032]以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.模块化多电平储能变换器的变直流母线电压控制方法，其特征是，包括：利用模块化多电平储能变换器相电压参考波的绝对值来确定直流母线电压的变化情况；进行门控信号重分配和主动旁路使得模块化多电平储能变换器的直流母线电压随着相电压参考波绝对值的变化而变化；门控信号重分配和主动旁路后，将唯一会产生额外电荷吞吐量的开关序列轮流分配给每个子模块以避免增大电池组间的SOH差异；在每个工作区间内，对参与主动旁路的子模块外的其他的子模块进行SOC均衡，并依据每个开关序列产生的平均电流值对开关序列进行重新排列。2.如权利要求1所述的模块化多电平储能变换器的变直流母线电压控制方法，其特征是，通过比较参考波和基于PD
‑
PWM生成的载波，生成半桥开关电路上开关的初始开关序列。3.如权利要求1所述的模块化多电平储能变换器的变直流母线电压控制方法，其特征是，基于测量到的单相模块化多电平变换器型电池储能系统的交流输出来产生相应的相电压参考波，然后在调制器中将相电压参考波进行比较以得到半桥开关电路上开关的初始开关序列。4.如权利要求1所述的模块化多电平储能变换器的变直流母线电压控制方法，其特征是，对开关序列进行重新排列时：首先，从电池管理系统中读取每个子模块中电池组的平均电流和SOC；然后，进行开关序列重新排列，在这一过程中共有N个工作区间；在N个工作区间中，只有会造成额外电荷吞吐量的开关序列会被轮流分配给N个子模块；通过重新排列剩下的(N
‑
1)个开关序列来适当地分配平均电流。5.如权利要求1所述的模块化多电平储能变换器的变直流母线电压控制方法，其特征是，根据相电压参考波绝对值的变化情况对半桥开关电路上开关的初始开关序列中的门控信号进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：高峰，马展，张承慧，李伟，牛得存，秦福田，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：