本發(fā)明屬于電力電子領(lǐng)域，具體涉及一種三通路交錯反激式并聯(lián)子模塊轉(zhuǎn)換電路及其建模方法、儲能變流器。

背景技術(shù)：

1、典型的mmc拓撲結(jié)構(gòu)共有三相，每相有上下兩橋臂，其中每個橋臂串聯(lián)有n(n≥1)個子模塊(sm)，并用于控制功率及能量轉(zhuǎn)換。與常規(guī)的拓撲結(jié)構(gòu)相比，mmc特有的子模塊結(jié)構(gòu)使其能承受更高的電壓等級、響應(yīng)速度更快，故具有廣闊的發(fā)展前景。隨著近年來新能源領(lǐng)域的迅速發(fā)展，mmc在儲能領(lǐng)域也受到了極大的關(guān)注，即在mmc的子模塊結(jié)構(gòu)中加以改進以提升儲能的能量轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明也著重對于此模塊進行說明?，F(xiàn)有的mmc-bess儲能單元并聯(lián)接入子模塊的方式主要分為三種：替換并聯(lián)、直接并聯(lián)、直接dc/dc并聯(lián)。替換并聯(lián)方式為儲能蓄電池單元直接將子模塊電容替換，其控制策略相對簡單，單系統(tǒng)中的二次低頻振蕩電流相對會影響蓄電池的使用期限，因此需要考慮到消除二倍頻諧波的問題，導致此方式的能量轉(zhuǎn)換效率并不高。直接并聯(lián)即為在mmc子模塊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之后并聯(lián)蓄電池儲能單元。此結(jié)構(gòu)雖然使能量的轉(zhuǎn)換效率有所提升，但也會導致儲能系統(tǒng)的容量選擇受到了一定的限制。最后的直接dc/dc并聯(lián)顧名思義就是將儲能單元經(jīng)dc/dc轉(zhuǎn)換模塊接入子模塊，此接入方式可實現(xiàn)電池與子模塊電容間的解耦，同時使電池的直流濾波需求得到降低，加入的升壓轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)也提高了儲能電池單元乃至整個系統(tǒng)的使用靈活性，提高了系統(tǒng)的使用壽命，同時加入的變壓器環(huán)節(jié)可大大提升mmc-bess系統(tǒng)中子模塊的使用可靠性。

2、但是，現(xiàn)有的mmc子模塊結(jié)構(gòu)大多為半橋型，控制結(jié)構(gòu)相對簡單是其優(yōu)點。與此同時，隨著新型電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展建設(shè)，對于電力電子器件的控制要求也在不斷提高。在面對變流器運行故障導致各子模塊分壓不均時半橋式結(jié)構(gòu)較難解決此問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于提供一種三通路交錯反激式并聯(lián)子模塊轉(zhuǎn)換電路及其建模方法、儲能變流器，實現(xiàn)蓄電池和負載直流母線端口的隔離，減少了輸入及輸出電流紋波，有效提高了電壓轉(zhuǎn)換比，同時實現(xiàn)功率分配和穩(wěn)定電壓的控制。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明的三通路交錯反激式并聯(lián)子模塊轉(zhuǎn)換電路，用于隔離蓄電池儲能側(cè)和負載直流母線側(cè)，包括第一電感l(wèi)1、第二電感l(wèi)2、第三電感l(wèi)3；所述第一電感l(wèi)1一端、第二電感l(wèi)2一端及第三電感l(wèi)3一端相連，第一電感l(wèi)1另一端連接第一開關(guān)管s1一端、第一寄生電容c1一端，第二電感l(wèi)2另一端連接第七開關(guān)管s7一端、第五開關(guān)管s5一端、第二開關(guān)管s2一端，第三電感l(wèi)3另一端連接第六開關(guān)管s6一端、第七開關(guān)管s7另一端；

3、所述第六開關(guān)管s6一端連接隔離變壓器n的初級線圈n1一端，第五開關(guān)管s5另一端通過第二寄生電容c2連接隔離變壓器n的初級線圈n1一端，第一寄生電容c1另一端連接隔離變壓器n的初級線圈n1一端；

4、所述第一電感l(wèi)1一端與第一開關(guān)管s1另一端之間連接蓄電池ub，蓄電池ub兩端并聯(lián)連接蓄電池側(cè)電容cb，第一開關(guān)管s1另一端與第二開關(guān)管s2另一端相連后通過第三開關(guān)管s3連接至隔離變壓器n的初級線圈n1另一端；

5、所述隔離變壓器n中次級線圈n2兩端并聯(lián)連接輸出側(cè)電容cd，在次級線圈n2一端與輸出側(cè)電容cd之間串聯(lián)連接第四開關(guān)管s4。

6、進一步的，所述輸出側(cè)電容cd兩端連接負載直流母線側(cè)。

7、基于相同的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明的一種三通路交錯反激式并聯(lián)子模塊轉(zhuǎn)換電路的建模方法，應(yīng)用于上述三通路交錯反激式并聯(lián)子模塊轉(zhuǎn)換電路，該建模方法包括：

8、導通第一開關(guān)管s1、第二開關(guān)管s2和第七開關(guān)管s7，其余開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)，此時蓄電池ub對第一電感l(wèi)1、第二電感l(wèi)2和第三電感l(wèi)3進行充電，流經(jīng)第一電感l(wèi)1、第二電感l(wèi)2、第三電感l(wèi)3的電流不斷增大，為其存儲能量；此時，建立電路穩(wěn)定時的狀態(tài)方程模型：

9、

10、進一步的，獲得電路穩(wěn)定時的狀態(tài)方程模型后，關(guān)斷第七開關(guān)管s7，導通第六開關(guān)管s6和第五開關(guān)管s5，其余開關(guān)管仍處于關(guān)斷狀態(tài)，蓄電池ub繼續(xù)對第一電感l(wèi)1充電，此時可建立在ub與l1回路中的實時狀態(tài)方程模型：

11、

12、蓄電池ub繼續(xù)對第一電感l(wèi)1充電的同時，第三電感l(wèi)3為第二寄生電容c2充電，此時第二寄生電容c2兩端電壓升高，建立在ub、l3與c2回路中的實時狀態(tài)方程模型：

13、

14、第二電感l(wèi)2為第一寄生電容c1和第二寄生電容c2充電，建立在ub、l2、c1與c2回路中的實時狀態(tài)方程模型：

15、

16、進一步的，獲得第二電感l(wèi)2為第一寄生電容c1和第二寄生電容c2充電狀態(tài)下的模型后，斷開第一開關(guān)管s1和第六開關(guān)管s6，導通第二開關(guān)管s2、第七開關(guān)管s7、第三開關(guān)管s3和第五開關(guān)管s5，其余開關(guān)管處于斷開狀態(tài)；此時蓄電池繼續(xù)為第三電感l(wèi)3充電，建立在ub與l3回路中的實時狀態(tài)方程模型：

17、

18、基于相同的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明的一種儲能變流器，包括三個結(jié)構(gòu)相同的相單元，每個所述相單元包括結(jié)構(gòu)相同的上橋臂和下橋臂；所述上橋臂包括n個串聯(lián)連接的子模塊，子模塊采用上述三通路交錯反激式并聯(lián)子模塊轉(zhuǎn)換電路。

19、進一步的，所述上橋臂還包括串聯(lián)在n個子模塊輸出端的上橋臂電阻和上橋臂電感，上橋臂的負極端與上橋臂電阻的一端連接。

20、進一步的，所述下橋臂包括串聯(lián)連接的下橋臂電感、下橋臂電阻及n個串聯(lián)連接的子模塊，下橋臂的正極端與下橋臂電阻的一端連接。

21、進一步的，通過控制子模塊的投入數(shù)量來控制隔離型模塊化多電平儲能變流器的輸出電壓。

22、進一步的，多個所述子模塊協(xié)同工作，控制能量的雙向流動，實現(xiàn)從直流到交流，從交流到直流的轉(zhuǎn)變，以及從低壓到高壓、從高壓到低壓的轉(zhuǎn)變。

23、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用了創(chuàng)新性的三通路交錯反激式并聯(lián)子模塊轉(zhuǎn)換電路，解決了輸入與輸出紋波的問題，最終實現(xiàn)了電壓轉(zhuǎn)換比的有效提升

24、本發(fā)明的三通路交錯反激式并聯(lián)子模塊轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)了蓄電池和負載直流母線端口的隔離，減少了輸入及輸出電流紋波，有效提高了電壓轉(zhuǎn)換比；相比于傳統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)換器單電感結(jié)構(gòu)，該電路結(jié)構(gòu)整體波動減小，且波動頻率增加，更有利于濾波。

25、本發(fā)明的三通路交錯反激式并聯(lián)子模塊轉(zhuǎn)換電路，可同時實現(xiàn)功率分配和穩(wěn)定電壓的控制，不僅可以避免傳統(tǒng)子模塊中可靠性相對較低的問題，相對于傳統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)可提高mmc中子模塊的能量利用率。

26、通過控制三通路交錯反激式并聯(lián)子模塊轉(zhuǎn)換電路中開關(guān)管的開通和關(guān)斷來提高系統(tǒng)中子模塊的傳輸效率及可靠性。

技術(shù)特征：

1.一種三通路交錯反激式并聯(lián)子模塊轉(zhuǎn)換電路，其特征在于：用于隔離蓄電池儲能側(cè)和負載直流母線側(cè)，包括第一電感l(wèi)1、第二電感l(wèi)2、第三電感l(wèi)3；所述第一電感l(wèi)1一端、第二電感l(wèi)2一端及第三電感l(wèi)3一端相連，第一電感l(wèi)1另一端連接第一開關(guān)管s1一端、第一寄生電容c1一端，第二電感l(wèi)2另一端連接第七開關(guān)管s7一端、第五開關(guān)管s5一端、第二開關(guān)管s2一端，第三電感l(wèi)3另一端連接第六開關(guān)管s6一端、第七開關(guān)管s7另一端；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三通路交錯反激式并聯(lián)子模塊轉(zhuǎn)換電路，其特征在于：所述輸出側(cè)電容cd兩端連接負載直流母線側(cè)。

3.一種三通路交錯反激式并聯(lián)子模塊轉(zhuǎn)換電路的建模方法，其特征在于，應(yīng)用于權(quán)利要求1所述的三通路交錯反激式并聯(lián)子模塊轉(zhuǎn)換電路，該建模方法包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三通路交錯反激式并聯(lián)子模塊轉(zhuǎn)換電路的建模方法，其特征在于，獲得電路穩(wěn)定時的狀態(tài)方程模型后，關(guān)斷第七開關(guān)管s7，導通第六開關(guān)管s6和第五開關(guān)管s5，其余開關(guān)管仍處于關(guān)斷狀態(tài)，蓄電池ub繼續(xù)對第一電感l(wèi)1充電，此時可建立在ub與l1回路中的實時狀態(tài)方程模型：

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三通路交錯反激式并聯(lián)子模塊轉(zhuǎn)換電路的建模方法，其特征在于，獲得第二電感l(wèi)2為第一寄生電容c1和第二寄生電容c2充電狀態(tài)下的模型后，斷開第一開關(guān)管s1和第六開關(guān)管s6，導通第二開關(guān)管s2、第七開關(guān)管s7、第三開關(guān)管s3和第五開關(guān)管s5，其余開關(guān)管處于斷開狀態(tài)；此時蓄電池繼續(xù)為第三電感l(wèi)3充電，建立在ub與l3回路中的實時狀態(tài)方程模型：

6.一種儲能變流器，其特征在于：包括三個結(jié)構(gòu)相同的相單元，每個所述相單元包括結(jié)構(gòu)相同的上橋臂和下橋臂；所述上橋臂包括n個串聯(lián)連接的子模塊，子模塊采用權(quán)利要求1所述的三通路交錯反激式并聯(lián)子模塊轉(zhuǎn)換電路。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的儲能變流器，其特征在于：所述上橋臂還包括串聯(lián)在n個子模塊輸出端的上橋臂電阻和上橋臂電感，上橋臂的負極端與上橋臂電阻的一端連接。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的儲能變流器，其特征在于：所述下橋臂包括串聯(lián)連接的下橋臂電感、下橋臂電阻及n個串聯(lián)連接的子模塊，下橋臂的正極端與下橋臂電阻的一端連接。

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的儲能變流器，其特征在于：通過控制子模塊的投入數(shù)量來控制隔離型模塊化多電平儲能變流器的輸出電壓。

10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的儲能變流器，其特征在于：多個所述子模塊協(xié)同工作，控制能量的雙向流動，實現(xiàn)從直流到交流，從交流到直流的轉(zhuǎn)變，以及從低壓到高壓、從高壓到低壓的轉(zhuǎn)變。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種三通路交錯反激式并聯(lián)子模塊轉(zhuǎn)換電路及其建模方法、儲能變流器，該三通路交錯反激式并聯(lián)子模塊轉(zhuǎn)換電路能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池和負載直流母線端口的隔離，減少了輸入及輸出電流紋波，有效提高了電壓轉(zhuǎn)換比；通過建模驗證該電路的有效性。

技術(shù)研發(fā)人員：崔曉丹,吳家龍,鄧馗,馮佳期,王彥品,李亞杰,許劍冰,李威,賴業(yè)寧
受保護的技術(shù)使用者：國電南瑞科技股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6