储能系统中三电平图腾柱AC-DC变换器的研究_敬成.pdf

28东北电力技术NOTHEAST ELECTIC POWE TECHNOLOGY2023 年第 44 卷第 2 期储能系统中三电平图腾柱 ACDC 变换器的研究敬成1，王袁2，徐兵3(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443002;2.上海电力大学自动化工程学院，上海200090;3.辽宁东科电力有限公司，辽宁沈阳110179)摘要:储能系统中两电平变换器体积大，功率密度小;电压电流应力高，对器件耐压要求高，电路成本较高。针对上述问题，对 2 种 T 型三电平桥臂推衍，并结合图腾柱无桥电路，提出一族三电平图腾柱 ACDC 变换器。该族变换器能应用于电动汽车充电系统、储能系统场景中，成本较低。对所提电路工作原理分析，并与现有几种电路对比，结果表明所提电路在器件数目、电压应力上更具优势。设计了适合三电平电路的控制及调制方案，通过分析后确定了其中1 个电路的电流应力，为损耗理论分析奠定了基础。最后，仿真结果表明了所提电路的正确性。关键词:T 型三电平;图腾柱;ACDC 变换器;电压应力;电流应力 中图分类号 TM46 文献标志码 A 文章编号 10047913(2023)02002806esearch on Three-Level Totem-Pole AC-DC Converter in Energy Storage SystemJING Cheng1，WANG Yuan2，XU Bing3(1.College of Electrical Engineering New Energy，China Three Gorges University，Yichang，Hubei 443002，China;2.College of Automation Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China;3.Liaoing Dongke Electric Power Co.Ltd.，Shenyang，Liaoning 110179，China)Abstract:Two-level converter in energy storage system has the large volume and the small power density.The voltage and currentstress are high，which require the device to withstand voltage and the circuit cost is high.According to the above problem，three-leveltotem-pole AC-DC converters is proposed based on the derivation of two T-type three-level bridge arms.The proposed converters can ap-ply to electric vehicle charging systems and energy storage systems with low cost.The results of the working principle analysis and thecomparison with the existing circuits show that the proposed circuit has advantages in terms of the number of devices and voltage stress.The control and modulation scheme suitable for the three-level circuit is designed.The current stress of one circuit is analyzed in detailbased on the analysis of the modulation strategy，which is the theoretical basis for loss analysis.Finally，the simulation results confirmthe correctness of the proposed circuitKey words:T-type three-level;totem-pole;AC-DC converter;voltage stress;current stress以光伏(photovoltaic，PV)、风电、电动汽车(electric vehicle，EV)为代表的新能源行业对“双碳”实现起强大推进作用14。但大量新能源发电并网对电网稳定性产生影响，限制了新能源发展，因此为保证电能质量储能系统孕育而生58。图 1 为常用的储能系统结构，由 ACDC 变换器和 DCDC 变换器组成。其中，ACDC 变换器作为储能系统核心部分，国内外学者对其进行了大量研究912。在众多 ACDC 变换器中，多电平变换器具有谐波含量少、电压电流应力小、功率密度及效率高等优势，正逐步取代两电平变换器1315。文献 1618 从控制和拓扑结构方面对三电平电路开展研究。文献 16 采用传统三电平 ACDC变换器对模型预测控制改进，解决了低频控制精度差的问题，但电路拓扑采用大量开关器件，电路成本及损耗较高。文献 17中拓扑一定程度上减少了开关管数目，并且电路能实现双向功率流动，但电路在器件总数上还能进一步优化。文献 18提出了一种 T 型三电平变换器，该变换器在开关管数目与文献 17一致的情况下，减少了 2 个二极管的使用，电路成本上得到控制，但缺少拓扑推衍过程。基于上述分析，在三电平桥臂变形后对各个器件重新连接，推衍出新型三电平桥臂。将所推桥臂2023 年第 44 卷第 2 期敬成，等:储能系统中三电平图腾柱 ACDC 变换器的研究29图 1储能系统常用结构与两电平图腾柱无桥电路级联，提出一族新型三电平电路。所提电路结合无桥电路和三电平电路优势，且成本较低，能应用于储能系统。同时，此类方法在对两电平电路优化为三电平电路以及三电平电路本身的优化具有通用性，应用场景较广。1拓扑推衍及原理分析1.1拓扑推衍本文以 T 型三电平拓扑为基础，对 T 型三电平桥臂变形，推衍出新型三电平桥臂。图 2 为 2 种常用 T 型三电平桥臂，图 2(a)通常用于功率单向流动场景中，图 2(b)通常用于功率双向流动场景中。基于图 2 所示 2 种常用 T 型三电平桥臂，推衍出新型三电平桥臂，如图 3 所示。为便于分析，在桥臂下方编号，如 A1、A2。如图3(a)，在 A1 上2 个二极管支路上串联开关管，得到 A2*，去除A2*上开关管 S2、S3后用实线重新连接，得到 A2。同理，将 B1 的 2 个开关管支路串联开关管得到B2*，再去掉冗余开关管后重新连接得到 B2。(a)单向三电平桥臂(b)双向三电平桥臂图 22 种常用 T 型三电平桥臂结构(a)单向三电平桥臂(b)双向三电平桥臂图 32 种新型 T 型三电平桥臂结构基于上述桥臂变换，将新桥臂 A2、B2 与图腾柱桥臂级联，提出一族三电平图腾柱 ACDC 变换器，如图 4 所示。按照功率流动特点，图 4(a)所示电路命名为单向三电平图腾柱 ACDC 变换器(unidirectional threelevel totempole ACDC con-verter，UTPC)，图 4(b)所示电路命名为双向三电平图腾柱 ACDC 变换器(bidirectional threelevel totempole ACDC converter，BTPC)。1.2原理分析为验证所提一族三电平图腾柱 ACDC 变换器有效性，本文以 UTPC 为例进行工作原理分析。1个周期内，UTPC 有 6 种工作模式，如图 5 所示。为便于分析，假定电感 L 足够大，变换器工作在(a)单向三电平图腾柱 ACDC 变换器(b)双向三电平图腾柱 ACDC 变换器图 42 种三电平图腾柱 ACDC 变换器30东北电力技术2023 年第 44 卷第 2 期(a)模式 1(b)模式 2(c)模式 3(d)模式 4(e)模式 5(f)模式 6图 56 种工作模式连续导通模式(continuous conduction mode，CCM);电容 C1、C2大小相等，直流电压 Udc恒定。模式 1:电网电压 ug0，a 节点与 b 节点间电压 uab=0。S2、D2导通，电容 C1、C2向负载放电，如图 5(a)所示。模式 2:ug0，uab=0.5Udc。S3导通，S1、S4体二极管导通，C1充电、C2向负载放电，如图 5(b)所示。模式 3:ug0，uab=Udc。S1体二极管导通，D2导通，C1、C2充电，交流电源直接向负载供电，如图 5(c)所示。模式 4:ug0，uab=0。S1、S3、D1导通，C1、C2向负载放电，如图 5(d)所示。模式 5:ug0，uab=0.5Udc。S4导通，S2、S3体二极管导通，C2充电、C1向负载放电，如图 5(e)所示。模式 6:ug0，uab=Udc。S2、S3体二极管导通，D1导通，C1、C2充电，交流电源直接向负载供电，如图 5(f)所示。基于上述分析，表 1 总结出 UTPC 的开关状态表，表中“0”、“1”分别表示开关管开与关，“”表示电容充电，“”表示电容放电。表 1UTPC 开关状态表模式ugS1S2S3S4C1C2uab10010002000100.5Udc300000Udc4010100500001-0.5Udc600000-Udc1.3现有拓扑对比表 2 为本文提出拓扑与现有多电平拓扑有源器件数目对比。对比可知，UTPC 使用开关管最少，便于实现控制和调制。文献 18中拓扑与BTPC 均能实现功率双向流动，且器件使用相对最少。因此，本文所提拓扑在成本和效率上具有一定优势。表 2所提拓扑与现有拓扑有源器件数目对比拓扑二极管开关管电感电容功率流动文献 164812双向文献 172623双向文献 180612双向UTPC2412单向BTPC0612双向2控制与调制方案基于 UTPC 控制与调制方案如图 6 所示，适用于所有三电平电路。控制部分采用双闭环控制，如图 6 上半部分。电压外环采用 PI 控制器，将直流2023 年第 44 卷第 2 期敬成，等:储能系统中三电平图腾柱 ACDC 变换器的研究31电压误差 U*dcUdc送入 PI 控制器，乘以电压 ug相位信号得到电流内环参考信号 i*g。电流内环结果输出为 PWM 调制参考信号，用于跟踪输入电流与电压相位信息。将 C1、C2电压差 UC1UC2与参考值比较，经 PI 控制器、限幅后加入到调制波，实现均压。将参考信号 vref(控制输出电压)与载波信号比较，得到 UTPC 开关脉冲信号，如图 6 下半部分所示。在正半周期，当 00.5vref 1 时，电路在模式 3 与 2 间交替工作;当 0vref0.5 时，电路在模式 2 与 1 间交替工作。负半周期相似，故不再赘述。基于上述调制分析，结合 6 种工作模式，根据式(1)(6)可表示出该调制下正半周期占空比表达式，式中 Ug，max为电网电压幅值，Ton、Toff分别为开关管导通和关断时间。图 6控制与调制方案定义调制比 M 为M=Ug，max/Udc(1)占空比 Q 为Q=Ton/(Ton+Toff)(2)当 0vref0.5 时，由伏秒平衡有:ug Ton=(0.5Udcug)Toff(3)当 0.5vref1 时，由伏秒平衡有:(ug0.5Udc)Ton=(Udcug)Toff(4)将式(3)、(4)分别代入式(1)、(2)得 2种情况下占空比 Q1、Q2为Q1=12Msin(wt)(5)Q2=12Msin(wt)(6)3性能分析