一种T型三电平功率转换系统的控制策略

建了一套100 kW全数字控制实验样机，可与电网进行能量四象限交互，全面验证控制策略的可行性。实验结

果表明，该功率转换系统具有输入功率因数可控，输出交直流电压稳定，谐波污染小等优点，满足电池储能系 统的相关技术要求。关键词：电池储能；三电平；功率转换中图分类号:TN86

文献标识码：A 文章编号:1000-100X(2019)03-00138-03A T-type Three-level Power Conversion System Control StrategyZHU Ming-zheng1, GENG Meng-ying2, LI Xu1, XI Xiao-guang1(1.State Grid Tianjin Electric Power Research Institute , Tianjin 300384, China)Abstract: A power conversion system control strategy based on T-type three-level circuit topology is studied, with

lithium iron phosphate battery as the energy storage carrier, a 100 kW full digital control experimental prototype is

constructed, which can interact with the power grid in the four-quadrant energy to fully verify the feasibility of the control strategy. Experimental results show that the power conversion system has the advantages of controllable input power factor, stable AC/DC voltage output, and less harmonic pollution, meeting the relevant technical requirements of

battery energy storage systems.Keywords: battery storage ； three-level ； power conversion

1引言与传统的中点箝位型相比，T型三电平的调

制方式主要为空间矢量脉宽调制(SVPWM)和正 弦脉宽调制(SPWM),但由于SVPWM比SPWM的 电压利用率高巴对于解决三电平中点电位不平

衡问题SVPWM更容易实现。所以此处采用SVPWM方法，通过分析中点

图1主电路等效图电位不平衡，提出一种Fig. 1 Equivalent circuit of main circuitT型三电平功率转换系统 的控制策略。2.2 T型三电平空间矢量调制方法2原理与设计图1示出T型三电平变流器各相可输出3种 电平：正电平表示为P,零电平表示为0,负电平

2.1主电路设计表示为N,以a相为例，具体状态见表10整个主电路部分包括电池系统、功率转换系

统以及滤波器单元三部分，对于功率转换系统，釆

表1 a相开关状态表用T型三电平的拓扑结构，通过控制电路单元实 Table 1 Switch state table of a phase现电能在电池系统与电网间的能量交互。主电路 Val输出电压状态表示开通开通关断关断¢4/2P图如图1所示。关断开通开通关断00关断关断开通开通一 ¢4/2N定稿日期：2018-07-05由于三相变流器中各相都有3种开关状态， 作者简介：朱明正(1987-),男，黑龙江安达人，硕士，工程 所以三相可产生27个开关状态组合，通过a,b,c 师，研究方向为电缆运维检測技术。三相静止坐标系转换至a,0两相静止坐标系，并

138一种T型三电平功率转换系统的控制策略根据27个矢量模的大小，可以将矢量进行分类，

将模为0的矢量定义为零矢量，如PPP；将模为

UJ2的矢量定义为小矢量，如P00；将模为X/T• UJ2的矢量定义为中矢量，如PNO；将模为U&的

矢量定义为大矢量，如PNP。建立T型三电平空间 矢量图如图2所示。Fig. 2 T-type three-level space vector diagram如图2所示，将整个a,0两相静止坐标系平 面分为6个扇区，并按逆时针方向将6个扇区依

次标记成皿，I , V,W,VI, U扇区。具体的调制算法分析如下：(1) 判断参考电压矢量所在扇区对参考矢量\"曲'=[\"血’进行两相静 止坐标系转换至a,b,c三相静止坐标系。可根据％,%,%的极性来确定“曲‘所在的大

扇区，取A,B,C 3个变量，规定如下：①若％＞0,

则4=1,否则4=0；②若％＞0,则B=l,否则B=0； ③若％＞0,则C=l,否则c=o。由此可以确定扇区

号 N=A+2B+4C。(2) 线性变换由空间矢量图可以看出电压矢量的分布具有 对称性，因此为简化计算，可通过对称和旋转变换

将处于I, n ,w,v,vi扇区的矢量变换到第D[扇 区3〕,具体做法为：第皿扇区不变，第I扇区冷=

VTUa为反射轴做反射变换，第v扇区顺时针旋

转120。,第W扇区u,=-VTua为反射轴做反射变 换，第VI扇区逆时针旋转120。，第n扇区以a轴

为反射轴做反射变换。(3) 判断矢量所在小区域第皿扇区分布图如图3所示,可分为4个小区 域:A区(包括A】和A2),B区(包括B,和B2),C区 以及D区为相应的矢量分配时间。以C

区为例，其判断条件为：V\"TM ,其 他区域同理。图3第DI扇区分布图Fig. 3 Distribution of section HI sector(4)确定各矢量的时间分配及发送顺序7；为开关周期，对图3中C区进行分析，按照

伏秒平衡原理，可确定相应的矢量分配时间有：

以/』2+VT

血'7；'VTcos60°t//2=u谭'Ts

( 1)&+玄+丄=人同理可以求出其他小扇区的矢量分配时间。以第m扇区为例，基本矢量t/0(ppp/ooo/

NNN), Ux (POO/ONN ),t/2 (PPO/OON), S (PNN),

〃8(PON),t79(PPN)。通常在合成矢量时，选用参 考矢量终点所在的小区域的3个顶点上的基本电

压矢量来合成，可使变流器侧输出电压的谐波尽

量减少。则在第ID扇区内的矢量发送顺序见表2。表2矢量发送顺序Table 2 Vector transmission order区域

发送顺序PPO->POO—OOO->OON—OOO->-POO—PPO

a2

poo->ooo->oon->onn->-oon->ooo->pooB,

PPO->POO->PON->OON->PON—POO->PPOb2

poo—pon-oon—onn—oon—pon—pooC POO->PON--PNN->-ONN->PNN->PON—POOD PPO—PPN—PON—OON->PON—PPN->-PPO在其他大扇区中，先计算矢量分配时间，具体 的矢量发送顺序根据表2进行相应的调整即可。(5)定义开关切换时间以第BI扇区为例，可将其分为两部分，以a轴 正方向为参考，一部分为0°~30°区域，另一部分

为30。~60。区域，其中Ta,Tb,Tc为切换点。当矢量处于0°~30°之间时：Ta=tJ4, Tb=T*+tJ2, Tc=Tb+tc/2

(2)当矢量处于30°~60°之间时：Ta=tJ4, Tb=Ta+tJ2, Tc=T^+tJ2

(3)仍以第ID扇区为例，由此可以得到不同小区域

内的装载到DSP事件管理器比较寄存器的值。其 中 CMPR(VJ, CMPR(VQ, CMPR(VG, CMPRg,

CMPR(VJ和CMPR(V&)分别为驱动人丫乜丫⑷，

Vu’Vt和v&的比较寄存器的值。以第in扇区c区

为例，驱动波形见图4。139第53卷第3期电力电子技术2019年3月Power Electronics((決(舉

、建

Vol.53, No.3March 2019空

3:

)一、 .\" 、

'Wi縱〃(0」s/格)//(0.1 s/格)(il/vosc(虽

決

、

((宰宰

V0SZV0SCV03PJAVISV0SC5A卞

4 )一 、」

W〃(0」s/格)(b)放电稳态运行波形((建枣

(a)充电稳态运行波形一voscV0SZSV0SEP7图4第m扇区C区驱动波形Fig. 4 Drive waveforms of area C, sector HI §

WjiagWIBSSSiB

其中短矢量17,(POO/ONN)的持续时间为t”,

tal和址分别为小矢量P00和ONN的分配时间，

〃(0.1 s/格)(d)放电转充电波形(c)充电转放电波形且出+址如，址的分配关系将用于控制电容中点

图5实验波形

Fig. 5 Experimental waveforms电位平衡,不考虑中点电位不平衡时,有如=址=\"2。3 实验最终根据上述控制策略，以TMS320F28335型

DSP为控制核心，研究一套基于DSP的T型三电

4结论通过对T型三电平功率转换系统控制策略的 研究，采用数字信号处理器控制，搭建一套100 kW

平功率转换系统，搭建实验样机，并成功应用于电

的实验样机，成功验证控制策略的可行性。实验结 果表明，此控制策略可有效解决中点电位不平衡 问题，保证整个功率转换系统的可靠运行，是一种

池储能系统。此系统额定有功功率为100kW,开关 频率为10 kHz,电网线电压有效值为380 V,电池 充放电电压在600-750 Vo图5为实验波形,

有效的针对T型三电平功率转换系统控制策略。其中％为交流侧a,b相间的线电压，％'为变流

器输出侧a,b相的线电压厶为输出侧a相交流

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编码并作为决策变量，将系统有功功率的ITAE和

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用髙效的MNUM-GA优化算法对上述模型进行参 数整定优化。与现有传统的GA相比，MNUM-GA最大的优

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软件仿真实验和硬件平台测试实验，实验结果表

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