CN112803476B - 模块化多电平储能变换器的变直流母线电压控制方法及*** - Google Patents
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Abstract
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***,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。
Description
技术领域
本公开属于电池储能***的优化控制技术领域,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***。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息,不必然构成在先技术。
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。
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***(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。
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***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。
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。
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。
发明内容
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。
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:
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:
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。
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;
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。
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***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。
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。
进一步的技术方案,对开关序列进行重新排列时:
首先,从电池管理***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依次分配给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。
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***,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;
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。
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***,包括:
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;
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;
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;
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。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果:
1.传统的基于模块化多电平变换器的储能电池并网***忽视了直流侧电流波动造成的额外电荷吞吐量带来的电池SOH劣化,本发明基于改进的PD-PWM调制方法,通过变直流母线电压控制方法,显著减小了额外电荷吞吐量,延长了储能***的整体寿命。
2.本发明所提出的基于改进PD-PWM方法的开关序列重新排列的方法可以同时对各子模块间电池组的SOC进行均衡。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解,本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开,并不构成对本公开的不当限定。
图1是本发明实施例基于模块化多电平变换器的单相电池储能***的变直流母线电压控制方法整体控制逻辑图;
图2是本发明实施例基于模块化多电平变换器的单相电池储能***拓扑结构示意图;
图3(a)是本发明实施例中在正常情况下公共直流母线电压(udc)和A相的上、下桥臂电压(uau,uad)的关系示意图;
图3(b)是本发明实施例中在变直流母线电压控制情况下udc和uau,uad的关系示意图;
图3(c)是本发明实施例中在正常情况下公共直流母线电压的一半(udc/2)和A相电压(uleg_A)及其绝对值(|uleg_A|)间的关系示意图;
图3(d)是本发明实施例中在变直流母线电压控制情况下udc/2、uleg_A和|uleg_A|间的关系示意图;
图3(e)是本发明实施例中在正常情况下公共直流母线电压(udc)和输出电压的梯形波(uAB_ladder)及其绝对值(|uAB_ladder|)间的关系示意图;
图3(f)是本发明实施例中在变直流母线电压控制情况下udc、uAB_ladder和|uAB_ladder|间的关系示意图;
图4是变直流母线电压控制的工作原理示意图;
图5是本发明实施例中门控信号重分配和主动旁路流程示意图;
图6是本发明实施例中开关序列重新排列流程示意图;
图7(a)是本发明实施例中开关序列重新排列过程中放电时SOC均衡示意图;
图7(b)是本发明实施例中开关序列重新排列过程中充电时SOC均衡示意图。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是示例性的,旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下,本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例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:
首先,基于测量到的单相MMC-BESS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。
其次,基于相电压参考波绝对值进行初始开关门控信号重分配和主动旁路,进而实现变直流母线电压控制。
最后,对开关序列进行重新排列以实现SOC均衡。
本发明基于改进的PD-PWM调制方法,提供了一种模块化多电平储能变换器的变直流母线电压控制方法,使得其每一相在每时刻投入的子模块数量不再一直保持为恒定不变的数量,而是随着相电压参考波绝对值的波动而变化。这种方法能够去除每个桥臂中绝大多数子模块中的交流电流纹波并且将产生额外吞吐量的PWM开关动作集中到1个子模块中。应用这种方法后,与传统的载波移相PWM调制或PD-PWM相比,额外电荷吞吐量显著降低。即使跟理想的直流电流充/放电相比,本发明提出的方法也仅仅会带来极低的额外电荷吞吐量。
具体实施例子中,公开了一种模块化多电平储能变换器的变直流母线电压控制方法,首先基于测量到的MMC-BESS的交流输出来产生相应的相电压参考波,然后基于相电压参考波绝对值进行门控信号重分配和主动旁路,二者是顺序执行的关系,详见附图5,然后对开关序列进行重新排列以实现SOC均衡。
该方法不仅能够显著减小由于直流侧电流波动产生的额外电荷吞吐量,延长了储能***的整体寿命,而且提出的开关序列重新排列的方法可以对各子模块间电池组的SOC进行均衡。
模块化多电平储能变换器的变直流母线电压控制方法整体控制逻辑如附图1所示。具体包括以下步骤:
步骤(1):基于测量到的MMC-BESS的交流输出来产生相应的相电压参考波;
步骤(2):基于相电压参考波绝对值进行门控信号重分配和主动旁路,进而实现变直流母线电压控制;
步骤(3):对开关序列进行重新排列以实现SOC均衡。
附图2为基于MMC的单相电池储能***拓扑结构示意图,由A、B两相构成等效H桥来实现单相输出,每一相分别由上、下两个桥臂以及一个输出滤波电感(Lout)组成,每个桥臂则由N个子模块以及一个桥臂滤波电感(Larm)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。
当忽略桥臂电感上的电压降时,单相MMC-BESS的直流母线电压如公式(1)所示,
udc=uau+uad=ubu+ubd (1)
式中,uau,uad,ubu和ubd分别是A相和B相上、下桥臂的桥臂电压。而单相MMC-BESS的相电压(uleg_A和uleg_B)的定义如公式(2)和(3)所示。
然后,输出电压的阶梯波uAB_ladder可由公式(4)进行计算,并且其经过桥臂电感和输出电感滤波后可以得到输出电压uAB。
uAB_ladder=uleg_A-uleg_B (4)
从上述公式中可以看出,如果上桥臂和下桥臂电压同时减小一个相同的电压值,直流母线电压会降低,而相电压和输出电压依然可以保持不变。
当使用传统的调制和控制时,若MMC-BESS每个桥臂的子模块数量为N,则在工作时每一相总会有N个子模块同时投入。因此,一般来说,公共直流母线电压为投入的N个子模块的电池组电压ubat_i之和,即当按照通常的要求进行了电池组端电压均衡之后,公共直流母线电压为N*ubat。例如,假定每个桥臂中有12个子模块,且每个子模块中电池组的端电压均为60V,公共直流母线电压udc则为720V。当调制深度较高时,桥臂电压和输出电压的峰值均为udc如图3(a)和(e)所示,而相电压的峰值则等于udc/2如图3(c)所示。
事实上,可以通过在MMC-BESS中的每个桥臂中主动旁路掉相同数量的工作子模块的开关信号来动态地调节公共直流母线电压udc,如图3(b)、(d)和(f)所示。只要能够保证如图3(b)所示udc大于桥臂电压,就不会发生过调制;并且,相电压和输出电压因此都能保持不变。而且,在每个桥臂中旁路掉相同数量的子模块并不会增大环流。
由图3(b)可见,udc将会随同改进的桥臂电压包络线一样变化;udc/2则将会随同相电压绝对值的包络线一样变化,如图3(d)所示。由图3(b)可见,由于在使用提出的方法之后,桥臂电压将会发生变化,所以进行主动旁路的子模块数量将会由udc/2和相电压参考波的绝对值的比较结果来确定。
首先,基于测量到的MMC-BESS的交流输出来产生相应的相电压参考波Ref,其绝对值|Ref|的表达式为:
|Ref|=|msin(wt)| (5)
其中,m为调制深度。
然后,进行门控信号重分配和主动旁路的步骤具体为:附图4展示了变直流母线电压控制的工作原理。
通过比较参考波Ref和基于PD-PWM生成的载波,在FPGA中生成半桥开关电路上开关的初始开关序列(original gating sequence,以下简称GSo);
通过比较|Ref|和上半平面内每个载波的峰值来确定直流母线电压的变化情况,归一化的直流母线电压值udc_norm可由公式(6)进行计算:
其中,ceil是向上取整函数。举例来说,如果|Ref|位于[0,2/N]区间,udc_norm就等于2/N。如附图4所示,整个[0,1]区间可以根据udc_norm分成N/2个区间;
为了产生所需要的变化的直流母线电压,可以根据附图5所示的流程通过对GSo进行重分配和主动旁路来产生新开关序列(new gating sequence,以下简称GSn)。
具体的,门控信号重分配和主动旁路的具体内容如下:
门控信号重分配和主动旁路步骤的流程图如附图5所示,首先将初始开关序列GSo完全赋给新开关序列GSn。
以第k个区间为例,当相电压参考波大于0时,GS(k)和GS(1)需要首先交换它们的门控信号;然后,GSn(k+1)到GSn(2k-1)这(k-1)个开关序列此时的门控信号则都需要被设置为0。另一方面,当相电压参考波小于0时,GS(N-(k-1))和GS(N)需要首先交换门控信号;然后,GSn(N-1)到GSn(N-(k-1)这(k-1)个开关序列此时的门控信号则都需要被设置为0。
这样一来,高频的开关动作被集中到第1个和第N个子模块中,并且(k-1)个带有非必要导通过程的门控信号在运行过程中被主动旁路了。最终直流母线电压可以如附图3(b)、(d)、(f)所示。
进行开关序列重新排列的具体步骤为:
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,轮换的时间周期为数秒钟;
在每个工作区间内,对其他的子模块进行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分配。其他的子模块指的是除了唯一被分配会产生额外电荷吞吐量的开关序列的子模块之外的那些子模块。
具体的,对开关序列进行重新排列的具体内容如下:
首先,从电池管理***(battery management system,以下简称BMS)中读取每个子模块中电池组的平均电流(以下简称Ibat_ave)和SOC。
然后,进行开关序列重新排列的主要原则如附图6所示,在这一过程中共有N个工作区间。一个工作区间一般被设定为1秒或几秒钟,因为电池的SOC在这一时间尺度下并不会变化很大。
下一步,为了避免电池组间的SOH差异越来越大,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GSn(N)会被轮流分配给N个子模块。
然后,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。因为SOH的变化要远远慢于SOC的变化,所以这样的一种开关序列重新排列方法可以正常起作用。这样一来,可以对剩下的(N-1)个子模块进行SOC均衡,具体的示意图如附图7所示。具体来说,开关序列会在放电过程中依据其会造成的平均电流进行升序排列,在充电过程中进行降序排列;而子模块则一直会在充放电过程中依据其电池组的SOC值进行升序排列。随后,在放电过程中,具有更高平均电流值的开关序列会被分配给SOC值更高的子模块,如附图7(a)所示;在充电过程中,具有更高的平均电流值的开关序列会被分配给SOC值更低的子模块,如附图7(b)所示。
传统的基于模块化多电平变换器的储能电池并网***忽视了直流侧电流波动造成的额外电荷吞吐量带来的健康状态劣化,本发明基于改进的载波层叠脉冲宽度调制方法,通过变直流母线电压控制方法,显著减小了额外电荷吞吐量,延长了储能***的整体寿命。
实施例二
本实施例的目的是提供一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现上述实施例子中的方法的步骤。
实施例三
本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行时执行上述实施例子中的方法的步骤。
实施例四
本实施例的目的是提供了基于模块化多电平变换器的单相电池储能***,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;
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。
实施例五
本实施例的目的是提供了模块化多电平储能变换器的变直流母线电压控制***,包括:
模块化多电平变换器的传统控制器来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;
门控信号重分配和主动旁路单元,用于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;
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,并在每个工作区间内,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。
以上实施例的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应,具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质;还应当被理解为包括任何介质,所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本公开中的任一方法。
本领域技术人员应该明白,上述本公开的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现,可选地,它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现,从而,可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行,或者将它们分别制作成各个集成电路模块,或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本公开不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已,并不用于限制本公开,对于本领域的技术人员来说,本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述,但并非对本公开保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本公开的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (10)
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***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***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重分配和主动旁路。
6.基于模块化多电平变换器的单相电池储能***,其特征是,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;
子模块的控制采用上述权利要求1-5任一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进行。
7.模块化多电平储能变换器的变直流母线电压控制***,其特征是,包括:
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;
门控信号重分配和主动旁路单元,用于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;
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,并在每个工作区间内,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。
8.一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征是,所述处理器执行所述程序时实现上述权利要求1-5中所述方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征是,该程序被处理器执行时执行上述权利要求1-5中所述方法的步骤。
10.模块化多电平储能变换器,其特征是,采用上述权利要求1-5任一所述的方法进行变直流母线电压控制。
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