基于混合调制技术H桥级联PCS的研究.pdf

第 5 0卷 第 3期 2 01 6年 3月 电 力 电子 技 术 P o w e r E l e c t r o n ic s V o 1 5 0，No 3 Ma r c h 2 0 1 6 基于混合调制技术 H桥级联 P C S的研究 杨二林 ，付 超 ，孙玉巍 ，石新春 ( 新能源电力系统国家重点实验室， 华北电力大学，河北保定0 7 1 0 0 3 ) 摘要： 针对应用于中压储能系统的 H桥级联功率调节系统( P C S ) 提出了一种混合脉 宽调制( P WM) 方法 。该调 制方法综合 高频 P WM技术和最近电平逼近 ( N L M) 技术的优点 ， 在保证较高质量多电平输 出波形的同时可降 低功率器件开关频率， 有利于降低开关损耗 。此外 。 根据 电压排序进行各功率单元工作模式 的选择 ， 可以调整 各功率单元储能电池的充放 电状态 ， 控制简单。 容易实现。在此详细分析了混合 P WM技术的工作原理及实现 方法 搭建了 5级 H桥级联 P C S储能系统实验平 台， 实验结果表明所提调制方法及均衡控制能实现 良好的交 流多电平输 出波形和储能电池的均衡控制。 具有一定的工程应用价值。 关键词： 功率调节系统 ：混合脉宽调制 ；均衡控制 中图分类号： U 2 2 3 5 + 3 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0 一 l O O X( 2 0 1 6 ) 0 3 0 0 1 0 0 3 Re s e a r c h o n t he Ca s c a d e d H- br idg e PCS Ba s e d o n Hyb r id M o d u l a t io n YANG E r 1 in，F U C h a o，S UN Yu w e i，S HI Xin c h u n ( S t a t e K e y L a b o r at o r y o fA l t e ma t e E l e c t r i c a l P o w e r S y s t e m Wi t h Re n e w abl e E ner g y S o u r c e s ， N o r t h C h i n a E l e c t r i c P o w e r U n we m i，B a o d i n g 0 7 1 0 0 3 ，C h in a ) A b s t r a c t ： A h y b ri d p u l s e w id t h m o d u l a t i o n( P WM)m e t h o d i s p r o p o s e d， w h ic h i s a im e d a t c a s c a d e d H b rid g e p o w e r c o n d i t i o n s y s t e m( P C S )e n e r g y s t o r a g e s y s t e m s u s e d in t h e m e d i u m v o l t a g e fie l d A d v a n t a g e s o f t h e h i g h f r e q u e n c y P WM a n d t h o s e o f t h e n e a r e s t l e v e l m o d u l a t i o n ( N L M)a r e c o m b i n e d in this m e t h o d a n d o n t h e p r e m is e o f g u a r a n t e e in g t h e q u a l i of mu l t i- l e v e l o u t p u t wa v e f o r ms， t h is me tho d c a n r e d u c e f r e q u e n c y o f s wi t c h d e v i c e s ， wh i c h is h e l p f u l t o r e d u c e s wi t c h in g l o s s Ex p e ri me n t s h o w tha t t h e mo d u l a t io n me t h o d a n d the b a l a n c e c o n t r o l a t t a i n g o o d q u a l i o f mu l t i l e v e l a l t e r n a t in g C U l T e n t v o k a g e a n d r e a l i z e e n e r gy s t o r a g e b a t t e r y S b a l anc e d c o n t r o l ， w h i c h h a s s ig n ifi c a n t s u p e ri o rl y Ke y wo r d s： p o we r c o n d i t i o n in g s y s t e m ；h y b ri d p u l s e wi d t h mo d u l a t io n；b a l a n c e d c o n t r o l F o u n d a t i o n P r o j e c t ： S u p p o s e d b y N a tio n a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y S u p p o a P l a n ( N o 2 0 1 3 B A G 2 4 B 0 2 ) ； S c ie n c e and T e c h n o l o g y P ro j e c t s o f S t a t e G r id C o r p o r a t io n ( N o D G 7 1 1 5 - 0 3 9 ) l 引 言 近 年来 ， 电池储 能系统 ( B E S S ) 成 为 电力系统 解决风力发 电、光伏等 可再生能源 并网相关 问题 的重要技术手段之一。基于 H桥级联拓扑 的 B E S S 并 网 P C S ， 在中高压大功率场合备受青睐 1 _ 。 多 电平调 制技 术 是 H桥 级联 P C S的关 键技 术 ， 对其 多电平交流输 出波形质量具有重 要意义。 这 里 针 对 级 联 H 桥 P C S 采 用 综 合 了 P WM 和 N L M 优点 的混合 P WM 技术 ，在保证 输 出波 形质 量 的同时可降低 系统开 关损 耗。 这里在混合 P WM的基础上。 根据电池端压状 基金 项 目： 国 家科 技 支撑 计划 ( 2 0 1 3 B A G 2 4 B O 2 ) ； 国 家电 网 公 司科技 项 目( D G 7 1 1 5 0 3 9) 定 稿 日期 ： 2 0 1 5 一l 1 2 6 作者 简 介 ： 杨 二林 ( 1 9 8 4 一) ， 男 ， 河 北保 定人 ， 硕 士研 究生 ， 研 究 方 向 为 模 块 化 多 电 平 变换 技 术 。 1 0 态确定各功率单元 的工作模 式 ，以实现 电池 的充 放 电管理和 电池均衡控制 。此 处详细给 出了混合 P WM及均衡控 制的具体实现方法 并基 于数字信 号处 理器 ( D S P ) + 现场可 编程 门阵列 ( F P G A) 控制 器搭建 了实验平 台 ，验证 了所提调制策略 的有 效 性和实用性 。 2 工作原 理 2 1 电路 拓 扑 与 工 作 原 理 这 里采 用 单相 级 联 H桥 P C S储 能 系 统 电路 拓扑， 见图 1 。该拓扑由H桥级联组成， 每个 H桥 由 4个 功率 器件 和 1个 电容组成 。直流侧 电容主 要抑 制 由功率器件开关 引起 的纹波 电压和流入储 能装置( 电池 ) 的浪涌 电流 。由 K V L原理可得 ： + ， u ( 1 ) 式中： u 为电网电压 ； 为并网电抗； “ 为第 i个 H桥模块 交流侧输出端电压。 第 5 0卷 第 3期 2 01 6年 3月 电 力 电子 技 术 P o w e r E le ct r o n ics Vo 1 5 0No 3 Ma r ch 2 0 1 6 为准 比例谐振控制器 ， 其对基波 具有高增益 ， 可实 现零稳态误差跟踪 ，能有效抑制 因 电网频率偏移 引起 的谐波特 性变差 ， 具有 良好稳态 性能和 抗扰 动能力 。准 P R控制器 传递函数为 ： G( s ) = 。 + 2 k co s ( s + + O 9 o 2 ) ( 5 ) P R控 制参数 ： 。 = 4 ， = 5 r a d s ， 0 ： 1 0 0 r a d S- 。P R控制器进行双 向线性变换离散化 ： C ( z ) 甘G( s ) ，s = ( 2 T ) ( 1 一 ) ( 1 + z ) ( 6 ) P R离散化传递 函数 ： G = ( 7 ) 控 制框 图如图 4所示 。 图 4系 统控 制框 图 F ig 4 Co n t r o l s y s t e m b lo ck d ia g r a m 3 实 验 为验证 所提混合调制 以及 电池 均衡控制策 略 的有 效性 ， 以图 1电路拓扑 为基础搭建 5级 H桥 级联 P C S实验平 台。控制器采用 D S P 2 8 3 3 5 + F P G A 架构 。系统硬件 结构 框图见图 5 。 主控 单 元 i g 一 草 一 I L 一 一一 一 一 一 一 一 一=_ = =_ = _ _ =_ = ： ： ： ： 疆 鼍 ： ： ： ： ： ： ： j I 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 = 一一一一三 毫 一 一 一 一 一 一 一 图 5 系统硬件结构框图 F ig 5 Ha r d wa r e s t r u ct u r a l b lo ck d ia g r a m o f s y s t e m 功率 器件为 MO S F E T I XF H 4 4 N 5 0 P。其额 定 电压 5 0 0 V， 额 定 电流 4 4 A， 并联 电容 1 4 1 m F， 储 能 电池 为铅酸 蓄 电池 ， 额定容 量 2 8 A h ， 额定端 压 1 2 v， 并网 电抗为 4 m H。高频功率单元开关频 率 为 2 k Hz 。充 电时 电网 电压幅值 = 4 0 V， 充 电电 流 幅值 I g = 1 4 A； 放 电时 G= 2 o V， 放 电 I g = 1 4 A。 静 态 时 电池 端 压 分 别 为 1 2 0 1 2 V， 1 1 8 9 1 V 1 1 3 7 2 V， 1 1 4 8 9 V， 1 1 4 9 1 V。 电网向储 能 电池 充 电时 ， ， 电压较高 ，大部 分 时间处 于 P WM 模 式或切 除状态 ，一定 时间 内较 其他功 率单元吸收较少 电能 ，其余 3个 功率单元 电压较 低 ， 大部分 时间处于+ 1或一 1工作模 式 。 吸收较 多 电能 ， 尤其 是 电压 最低 ， 投 入 时间最 长 ， 从 电 1 2 网吸 收 电能最 多 ， 见 图 6 a ； 当储 能 电池 向 电网释 放 电能 时 ， 。 ， ， 电压较 高 ，投入 时间较长 ， 释放较 多的能量 ， 而另外两个功率单元 电压较低 ， 主要工 作在 P WM和切 除状态 ， 释放较 少能量 ， 见 图 6 b 。在充放 电过程 中， 实现储能 电池均衡控制 。 当充 电均衡 时 各功率单元端压 比较 接近 ， 工作模 式轮 换 比较平 均 ， 见 图 6 c。并网运 行时系 统运行 在 单位功率 因数 ，并 网电流 的 删 D=1 2 3 ， 逆 变侧 电压 U 。 的 豫 = 1 2 3 5 ， 基于该 调制技术 的 P C S储 能系统具有较好 的并网特 性 。 如 图 6所示 。 垂 萼 善 t ( 1 0ms 格) ( a ) 电池 不 均衡 时 充 电 垂 琴 善 ( b ) 电池 不均 衡 时放 电 ( c) 电池均 图 6 实验波形 F ig 6 E x p e ri me n t a l wa v e for ms 4 结 论 衡 时 充 电 针 对 中压应用领域储 能系 统的 P C S系统提 出 了一 种混 合 脉 宽调 制方 法 该方 法 继承 了高频 P WM 技术和 最近 电平逼近技术 的优 点 ， 在保证 输 出较高质量多 电平 电压波 形的 同时可 降低开 关频 率 ， 从而减 小系统损耗。 根据 电池端压状态 合理分 配功率单元 的工作模式 ， 能够实现 电池均 衡控制 。 实验证 明采用该混合调制技术 的 P C S储 能系统对 电网侧能够进行 高质量 的能量调控 。实现 储能 电 池 的均衡控制 ，对 系统的稳定性和寿命有 积极意 义 具有一