论文总字数：27711字

摘 要

16012424 余开亮

指导教师 蒋玮

摘 要：在电动汽车和可再生能源领域，为了适应较大负载侧功率波动，逆变器往往要求具有储能功能。本文研究新颖的单电源级联H桥拓扑结构，构建了基于级联多电平变换器的储能系统。针对单电源供电的级联H桥，利用一维前馈空间矢量调制技术实现了多个H桥直流侧任意电压比控制。在此基础上将一维前馈矢量调制技术应用到储能系统实现功率流向的控制。此外，结合电机控制算法，将储能系统应用到电动汽车的电机驱动中。Simulink仿真结果表明基于级联多电平变换器的储能系统实现了负载侧和能量源之间的功率缓冲。实验结果表明，一维前馈矢量调制技术有效可行，可实现功率流向的控制。

关键词：储能系统；单电源级联H桥；一维前馈空间矢量调制；功率流向控制

Abstract

Abstract: In the field of electric vehicles and renewable energy, in order to accommodate the larger load-side power fluctuations, inverters are often required to have a storage function. In this paper, a multilevel cascaded converter fed with a single dc source has been presented and been used to build an energy storage system. For a single-phase multilevel cascade H-bridge converter, a feed-forward space vector modulation method converter can achieve any dc voltage ratio (inside the stable operation area of the converter) between the H-bridge cells. Moreover, it also achieves power flow control of energy storage system. In addition, combined with motor control algorithm, the energy storage system is applied to motor drives of electric vehicle. Simulink simulation results show that cascaded multilevel converter plays the role of a power buffer between energy storage system and energy sources. Experimental results from a three-cell cascaded converter show that a feed-forward space vector modulation method is feasible and effective to achieve power flow control.

Key words: Energy storage system; single-dc-source cascaded H-bridge converter; feed-forward space vector modulation method; power flow contr

• 1. 绪论

引言

在电动汽车和可再生能源领域，DC/AC变换在能量转换中扮演着很重要的角色。逆变器系统需要满足各种场合下功率传递的可靠和质量。在可再生能源领域中，光伏发电技术受到越来越多的重视。光伏发电技术具有无污染，可再生等优势，但同时也有其不可避免的缺点。光伏发电容易受光照气象条件影响，发电时间在白昼，而夜晚是用电高峰。为了解决能量供需不同步的问题，光伏发电并网系统不仅需要逆变器系统，还需要储能系统。在电动汽车领域也有类似问题，汽车有多种运行模式，加速，减速，恒速等模式。不同模式对于能量的不一样，加速模式要求尽可能大功率输出，而减速模式则希望可以实现能量回收。蓄电池为了满足这些要求，其功率会处于变动之中。这不仅会减少电动汽车蓄电池的寿命，而且可能无法满足电动汽车的动态响应要求。如果将储能系统加入进来，电动汽车便可以提高效率，得到较快的动态响应以及更大的峰值功率。总之，储能系统的研究在电动汽车和新能源发电领域是十分有意义的。

事实上，在大功率功率变换器设计中存在两种解决方案——使用高压体的经典拓扑以及使用中等电压半导体的新拓扑[^[1]]。多电平逆变器便是新拓扑构其中之一。多电平技术改善输出波形质量，减小总谐波畸变率。多电平技术以分为二极管箝位式，飞跨电容式以及级联式。级联型多电平逆变电路由两或多相全桥电路级联而成，相互隔离直流电源分别给给单个单相全桥逆变器供电，总的输出为两个或多个级联单元输出的迭加。级联多电平逆变器的每个功率器件仅承受l/(m－1）的母线电压（m为电平数），所以可以用低耐压的器件实现高压大功率出。由于采用多个单元级联形式，在相同的直流母线电压条下，较之传统的两电平变换器，开关器件所承受的dv/dt 应力大为减少。凭借这些优势，级联多电平逆变器在中高压大功率场合受到广泛的关注。另外其模块化的结构易于生产和实现冗余，提高了系统的可靠性。

具有储能功能的级联多电平逆变器系统无疑会在电动汽车以及可再生能源领域得到广泛应用！

逆变器储能系统的研究现状

储能元件的选取对于储能系统十分重要。衡量储能元件主要是功率密度和能量密度两个性能指标。结合逆变器的应用场合，常用的储能元件为蓄电池和超级电容器。自从1905年被使用到汽车上以来已经有一百多年的历史了。蓄电池凭借其性能可靠，技术成熟的优势被广泛地应用各种储能场合。当然，它有着一些缺点，过于笨重，其中重金属元素会污染环境。超级电容器，又被称作“双电层电容器。通常单个超级电容器的容值从350到2700法拉不等，耐压值为2V。单个超级电容很少使用，一般情况下通过串并联将一系列的单元超级电容器组装为符合要求的超级电容器模块。超级电容器循环使用寿命长，动态响应迅速，非常适合短暂大功率输出的场合。

目前，大多数逆变器储能系统主要作用于直流侧，通过双向DC/DC变化实现储能元件与能量源之间的能量流动[^[2]]。系统中包含了两种转换模式DC/DC和DC/AC。毫无疑问，这增加了系统的复杂度以及成本，降低了效率，并且使得系统的控制更加复杂。而且，采用这种双向DC/DC变换器在冲击电流情况下可能会影响系统稳定[^[3]][^[4]]。虽然也有很多研究提出了不少有创意的双向DC/DC拓扑结构[^[5]]，但是仍然没有减少逆变器储能系统的转换模式。

单电源级联H桥拓扑

最近，一种单个直流电压供电的级联H桥（SDC-CHB）结构被应用到可再生能源和电动汽车领域。与传统的级联H桥逆变器相比，它的一个H桥有唯一的直流电源提供能量，其余的H桥的直流侧连接着电容。通过控制H桥的功率器件的开关去控制电容上的浮动电压。单电源级联H桥的电压比k:1参数定义如下：

在文献[^[6]][^[7]][^[8]]中，指定谐波消除法被应用到单电源级联H桥中获得了良好输出电压波形质量。另外，混合调制技术也被应用到这种单电源级联H桥的控制中[^[9]]。然而之前的研究中，电容的电压只能达到特定的2:1电压比。

图 1单电源级联H桥拓扑

研究内容

本文的研究内容主要是将单电源级联H桥拓扑应用到逆变器储能系统，通过研究合适的控制策略实现单电源级联H桥结构中储能电容电压的任意控制。最后，将基于级联多电平逆变的储能系统应用到一个特定场合，Simulink仿真和实验验证系统功率控制的性能。

基于级联多电平逆变器的储能系统的研究不仅解决了在可再生能源和电动汽车领域中能量供需不平衡的问题，而且对于解决传统逆变器储能系统控制结构复杂，提高效率具有重大意义。

单电源级联H桥的控制和性能分析

一维前馈空间矢量调制

针对级联H桥，已经出现了不同种多电平调制技术。其中大多数技术都是经典调制，空间矢量调制，指定谐波消去调制的推广。针对单电源供电的级联H桥拓扑相关的，只有减少开关角度数量的指定谐波消去法，减少逆变器H桥固定直流电压变化的混合调制。这些调制方法都取得很好的结果，获得较低的谐波以及控制H桥中电容上的浮压。

一维前馈空间矢量调制的核心在一小段时间中利用逆变器输出的一系列离散电压的平均值去等效参考电压作用效果，因此这种时域调制可以被认为是一种空间矢量调制[^[10]]。在空间矢量调制技术中，将逆变器离散的开关状态对应到控制域上去，将调制策略简化为几何问题。一维前馈空间矢量调制技术是基于逆变器控制域的计算，同时将逆变器电容两端的实际电压变化考虑进去。利用控制域在线计算开关状态和开关时间。利用一维前馈空间矢量调制技术，H桥单元电压扰动不会影响逆变器输出电压值，因为在调制过程中实际电压值的影响已经被考虑过了。通过这种方法，即使出现了电压的不平衡，输出电压和电流中不希望出现的谐波也会减少。一维前馈空间矢量调制还可以使电压比为非整数。一维前馈空间矢量调制非常适用于单电源多电平级联H桥。使用这种方法，我们可以在任意电压比下获得低失真的理想正弦波形。

级联H桥的一维控制域

级联H桥的一维控制域是一维前馈空间矢量调制的核心。为了介绍级联H桥的一维控制域，本文以两单元的级联H桥作为例子进行说明。每个H桥的输出电压可以为三个电压值()的任意一个，将它们分别定义为H桥的状态0,1,2。级联H桥的输出电压为每一个H桥单元输出电压之和。即输出的电压为：

其中分别为两个H桥的输出电压。在一个两单元的单电源级联H桥逆变器中，最多可以输出9种电平值，在表 1中列举出这些结果，其中为直流电源电压，为电容电压。

表 1 两单元SDC-CHB的输出电压

利用表 1，可以得到当为任意值时这个两单元级联H桥逆变器的控制域组成。通过数轴上放置逆变器开关状态显示逆变器控制域。表一中的大小是画出控制域的重要依据。考虑到状态矢量所代表的级联H桥输出电压值，在数轴上可以按照其大小进行放置开关状态。在控制域中，开关状态用“XY”来表示，其中X表示上桥状态，Y表示下桥状态。例如，“12”代表上桥（直流电源单独供电）输出电压值为0，下桥输出电压值为。图 2就分别列举了逆变器电压比为1：1（），1.66:1（）的情况。

图 2单相两单元SDC-CHB的一维控制域，其中（a）（电压比为1:1）（b）（电压比为1.6:1）

从图 2可以看出当电压比为1:1的冗余开关状态。那些阴影状态组合输出的相电压都是相同的，因此为冗余的，在控制域中也是处于同一个位置。例如，在电压比为1:1时，两个不同的开关状态组合（10和21）输出的电压都为E。这种冗余性也可以被利用去控制级联逆变器的电压比。单电源多电平级联H桥逆变器的电压比控制策略可以利用这种冗余状态组合实现电压比为2:1。然而，本论文所研究的是在稳定工作的前提下实现任意电压比。当电压比不为1:1或者2:1时，这种冗余性便不存在了。因此以前研究的电压比控制策略无法实现任意电压比的控制。

空间矢量调制

利用级联H桥的一维控制域，可以将一维空间矢量调制技术简化为几何问题。换句话来说，在控制域上，空间矢量调制利用离参考电压最近的两个电压矢量（开关状态所代表的）等效参考电压。假定此时。从图 3可以看出，此时距离矢量最近的两个电压矢量分别为开关状态22和21（或12）随对应的电压矢量。因此选择{22-21}开关序列来等效参考电压。假定级联H桥的开关状态22对应的电压矢量为，同样开关状态21对应的电压矢量为，则每个开关状态做作用的时间计算如下

图 3空间矢量调制示意图

其中分别开关状态22，21所持续的时间，为一个极短的时间（参考电压离散时间）。参考电压是以周期离散采样正弦电压（逆变器输出要求为正弦波）得到的，从0到时刻内，级联H桥采用22开关状态，而在到时刻内级联H桥采用21开关状态.空间矢量调制技术将级联H桥作为一个整体，将其输出的总电压矢量作为基本的调制矢量。每次的调制结果都能使逆变器的电压输出最大化等效参考电压。采用空间矢量调制技术能明显改善输出波形质量。

采样反馈的一维空间矢量调制

上述的讨论都没有考虑级联H桥的直流侧电压的变化。事实上，由于单电源级联H桥的特殊结构，其电容上的浮动电压会经历不同开关状态会下降和上升。而且直流电压的的电压也不可能是恒定不变的。因此，每次计算一维控制域之前需要重新采样各个单元的直流电压值。采用了采样反馈的一维空间矢量调制即使在直流电压出现波动时也可以减小输出波形的畸变。同时，采样反馈也为后面的电压控制提供了依据。

电压控制的一维前馈空间矢量调制

之前讨论的调制技术只是实现了在任何情况下输出电压可控的目标，而控制级联H桥单元上电容浮动电压则需要对一维空间矢量调制做出些调整。每个级联H桥的开关状态对电容电压的影响是可以预知的。如表 2所示，列举所有的情况。根据级联H桥的开关状态以及此时电流的正负（电流的实际流向），电容电压的变化便可以预知了。

表 2 H桥开关状态对电容浮压的影响

之前的研究正是利用不同冗余状态的作用控制电容电压。本文中所提出的调制技术核心是禁止一维控制域中不合适开关状态的使用，而不去在意开关状态是否为冗余。采用这种方法，一维控制域中不会出现那些加剧电压不平衡的开关状态（相对于设定的电压比来说）。因此，这种调制技术不会让电压不平衡状态加剧，而且让电压趋于平衡。如图 4所示，当电压比为1：1，，时。开关状态10,20,21应该被消除，因为他们会使减小或者增加，从而加剧功率变换器的直流电压不平衡。同时考虑尽可能提高输出电压，对于使，电压同时同向变化的开关状态（00,22）始终允许。这就是之前为什么电压控制调制技术只要求消除加剧电压不平衡的开关状态，而不是只保留调整电压不平衡的开关状态。这也是下文分析调制技术的稳定性的基础。

图 4一维控制域的筛选，电压比为1：1，，

到此，本文所研究的一维前馈空间矢量技术便实现了电容电压的任意电压比控制以及良好的输出波形质量的目的。本文中以两单元的单电源级联H桥为例进行说明，其实一维前馈空间矢量调制适用于多单元的级联H桥。整个流程图如图 5下，一维前馈空间矢量技术的核心在于构建符合控制要求的一维控制域。利用开关状态和输出电流流向可以预知并调整电容电压变化趋势，从而达到任意电压比的控制要求。图 5所示的流程有些操作是可以离线进行的，这样在实际运用中控制程序所需要运行时间会更短[^[11]].

图 5一维前馈空间矢量调制技术流程图

稳定性分析

本节主要从输出相电压限制以及负载情况分析单电源级联H桥 [11] [^[12]]。分析时会用到如下数据：相电压的基波分量（），相电流的基波分量（），每个H桥单元输出电压的基波分量（）。由于，则，。每个H桥最大输出电压幅值满足以下以下公式计算： 。

单电源级联H桥工作时，负载消耗的有功功率是由H桥电压固定单元（直流电源单元）提供的。电容电压浮动单元只能提供无功功率，否则，电容的浮压会随之变化。单电源级联H桥的最大输出电压取决于电压固定单元的电压有效值（）和输出相电压的给定值的电压比。

下面分两种情况讨论，1）：此时，的生成可以只需要电压固定模块。图 6为某确定负载情况下的矢量图。在图 8 (a)中，红色标记区域为合成 时的矢量末端集合。稳态工作点（电容上的浮压不变，变压比维持不变）都分布在图 6(a)直线MN上。这些工作点都在相电流的垂线上，这意味着负载和电容供电单元之间只存在无功功率的交换。红色区域剩余的工作点虽然也能合成，但会导致电容上的浮压变化。其中在电容单元发生了有功功率的消耗或注入，取决于在方向上的内积。然而在暂态时，这些工作点可以用来调节电容单元的浮动电压。

图 6稳定性分析

2）：在这种情形，相电压不能只由电压固定单元生成，这时候就需要浮动H桥共同生成相电压。图 6(b)为某负载确定情况下的矢量图。同样，红色标记区域为合成时的矢量末端集合，分布在图三弧线MN上的工作点有一个共同点——电容浮动单元和负载之间只存在无功功率的交换，这样确保电容单元上的浮动电压维持常数。以上的分析说明，级联H桥比固定电压的单个H桥能够输出更大的相电压，所以在相电压大于 的前提下，跟普通的H桥逆变器相比较，单电源级联H桥的负载范围扩大了。能够达到的最大稳态相电压取决去和的值。图 7为某一负载下单电源级联H桥能够生成的最大相电压。

图 7稳定情况下，SDC-CHB输出的最大电压

图 8表明单电源级联H桥不可能在任何功率因数下稳定工作。图 8（a）则为负载功率因数下的逆变器非稳工作。图中的Q点可以实现合成相电压，然而，这个工作点意味着电容电压浮动单元存在有功功率的消耗。这就会导致单电源级联H桥的不稳定工作。为了避免这种情况，就必须确保电压浮动单元只存在无功功率的交换（从平均值来说）。图 8（b）就是在确保浮动单元不提供有功功率的情况下逆变器负载的最大功率因数。此时，相电压的合成通过M工作点达到。此工作点表示能够连接到级联H桥逆变器上给定负载的最大功率因数。显然负载功率因数可以无限的减少。

图 8单电源级联H桥负载功率因数分析（a）不稳定的负载因数，（b）稳定情况下最大的负载功率因数

系统的功率控制

基于级联多电平逆变器的储能系统功率控制结构如图 9所示：

图 系统功率控制结构图

一维前馈空间矢量调制技术可以实现单电源级联H桥的电容电压任意比控制。电容两端的电压变化反映了电容单元有功功率的变化。系统的功率控制主要是改变电容单元H桥和直流单元H桥的能量分配，利用一维前馈空间矢量调制技术我们便可以控制电容单元的有功功率从而改变系统的功率分配。根据系统和负载可能出现的能量供需关系，基于级联多电平逆变器的储能系统可以分为三种模式。1正常工作模式：此时负载功率恒定，由直流能量源完全提供功率，储能元件没有有功功率输出，电容单元H桥的存在可以提高电压等级，改善输出电流波形；2释放能量模式：此时负载需要短暂的峰值功率输出，系统输出功率波动较大，储能元件应该处于释放能量状态，尽可能满足负载的功率需求；3吸收能量模式， 当负载回馈能量时，尽可能让能量流入储能元件。控制模块根据采集的系统信息，结合负载控制算法决定单电源级联H桥的工作模式，并生成此时瞬时的参考电压值。定义控制模块输出电压为，假定参考电压为正弦波，幅值为 ，频率为，则时刻的输出参考电压为

其中为时参考电压的初相。

正常工作模式

如图 10所示，当系统处于正常模式时，负载功率全部由能量源提供。此时电容两端的电压保持不变，一维前馈空间矢量调制技术保持目前的的电压比即可。电容单元在正常模式中提高了系统的输出电压，改善了输出电流波形。虽然此时储能元件并没有提供有功功率，但它在改善输出电流质量，提高电压幅度上是不可缺少的。

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