储能换流器PWM相位软件同步方法

技术领域

本发明属于储能技术领域，具体地说，涉及一种储能换流器PWM相位软件同步方法。

背景技术

随着可再生能源发电占比不断提高，并网型电池储能系统(英文：Battery EnergyStorage System，简称：BESS)快速发展，用来解决新能源自身出力的随机性、波动性贺间断性。并网型BESS由储能电池组、汇流箱、功率变换系统PCS组成，PCS为电力电子变换装置，可灵活实现有功、无功控制。PCS通常为DC/AC变换拓扑，两电平、三电平结构均比较普遍，变换器直流侧与电池直接相连，交流侧经滤波单元与电网相连。

工商业储能容量配置需求越来越灵活，但单个IGBT容量及多IGBT并联数目有限，业内通过集中式大功率桥臂并联、中小功率模块并联解决。由于直流侧接电池，即DC/AC变换器为公共母线，同相逆变器桥臂输出电压的差模分量会引起桥臂/功率模块间差模电流，差模电流不仅增加系统损耗，同时影响电流纹波，进而影响控制反馈，最终限制并联桥臂/模块数目。

并网型BESS主要与电网交换有功、无功功率有关，PCS无特殊功能需求，均采用三相三线拓扑，通过控制相间差模输出实现有功、无功控制。差模信号中低频分量影响系统有功功率、无功功率输出，高频分量影响系统各桥臂逆变电流纹波。A、B、C三相调制信号不同，同一时刻占空比不同，即开关频率分量大小不同。因此，PWM相位同步可以减小相间差模信号中的开关频率成分。同相(如A相)各桥臂/功率模块的调制信号几乎相同，即占空比差别非常小，PWM相位同步可完全一致同相间差模信号开关频率成分。由此可知，不论是单桥臂并联还是模块并联，只要将所有PWM相位同步，开关频率矢量方向一致，DC/AC变换器就可将并联后差模信号的负面影响降低到最低。

传统的解决方案均通过增加硬件装置解决PWM相位同步问题：第一种方案是采用DC/DC-DC/AC两级变换器结构，使用DC/DC隔离解决DC/AC共母线问题，该方案增加系统损耗并降低系统的经济性-即增加成本。第二种方案是由一颗处理器通过光纤将PWM驱动信号传递到各桥臂/功率模块，该方案同样增加成本，且对处理器性能要求较高，同时，各桥臂/功率模块单元不能独立运行。第三种方案是通过一路外部同步信号将各桥臂/功率模块的PWM载波信号同步，该方案是三种方案中成本最低的，但同步信号易受干扰，影响系统安全。目前，未见有相关研究人员仅依靠软件控制不依靠添加硬件装置就能实现PWM相位同步的方法。

发明内容

本发明针对现有技术在同步PWM相位时存在的成本高、同步信号易受干扰差等上述问题，提供了一种储能换流器PWM相位软件同步方法，能够使各桥臂/功率模块单元达到PWM相位同步，同时保证各桥臂/功率模块单元可独立运行，不需要额外增加硬件装置，成本低且不可靠因素少，安全稳定。

为了达到上述目的，本发明提供了一种储能换流器PWM相位软件同步方法，其具体步骤为：

S1、配置各桥臂/功率模块单元在PWM载波为增减计数模式，并在载波相同位置触发电网侧电压采样，获取交流侧公共并网点PCC电压离散信号，设置每个采样周期的采样点数N；

S2、提取PCC电压离散信号的基波分量，获取基波分量的当前值和平移量；

S3、提取基波分量的正序分量，并进行Park变换得到电压无功轴分量Uq，将Uq输入锁相环PLL的PI控制器，根据PI控制器输出及采样点数按照公式(1)计算采样周期，根据采样周期按照公式(2)计算PWM载波周期值，公式(1)和公式(2)表示为：

式中，Δt为采样周期，f

S4、按照步骤S3修改各桥臂/功率模块单元的PWM周期值，锁相环PLL在PI控制器作用下跟踪电网相位，使各桥臂/功率模块单元稳定后的PWM周期值相同，实现PWM载波同步；

S5、配置各桥臂/功率模块单元相同的PWM动作并启动运行，各桥臂/功率模块单元交流侧输出PWM开关信号频率、相位相同，实现PWM相位同步。

优选的，步骤S1中，每个采样周期的采样点数N≥20，每个采样周期对应固定的电网相位差Δθ＝2π/N。

优选的，步骤S2中，提取基波分量时，在电压谐波THDr≥15％时采用离散滑动傅里叶变换SDFT提取PCC电压离散信号的基波分量，在电压谐波THDr<15％时，采用二阶广义积分器SOGI提取PCC电压离散信号的基波分量。

优选的，所述储能换流器包括PCS，PCS包括多个并联的桥臂/功率模块单元，各桥臂/功率模块单元直流侧连接电池组，交流侧连接隔离变压器低压侧，PCS通过缓启动电路与直流母线连接。

具体地，在配置各桥臂/功率模块单元之前，还包括以下步骤：

PCS通过缓启动电路给直流母线充电，然后分别闭合交流断路器、直流断路器，封锁各桥臂/功率模块单元IGBT进入待机模式。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明储能换流器PWM相位软件同步方法，通过对交流基准信号相位跟踪，实现PWM载波相位与基准信号相位固定对应关系，基准信号选用PCC电压离散信号基波分量的正序分量为同步基准，通过调整采样周期值实现PWM载波周期值相同，在相同的PWM载波固定相位触发电压采样，采样时刻稳定在固定相位序列，实现各桥臂/功率模块单元PWM载波相位同步，实现PWM载波同步，通过PWM载波同步实现PWM相位同步。不需要增加额外的硬件装置，通过软件方法实现PWM相位同步，降低了储能变流器系统成本并减少不可靠因素。

(2)本发明储能换流器PWM相位软件同步方法，各桥臂/功率模块单元独立运算，相互解耦，各模块单元配置灵活，不需要增加额外的软件进行统一调制或者调度，同时在经典双环控制系统上对锁相环PLL输出方式进行微调，不需要改变算法架构，节约成本。

(3)本发明储能换流器PWM相位软件同步方法，自适应PCC电压频率变化，频率变化时，SDFT自动调整至整周期滤波，SOGI中心频率调整至PCC电压频率，在不增加任何计算量前提下自适应电网频率变化，既保证了滤波效果，又能减少电压波动时间谐波、次谐波的影响。

附图说明

图1为本发明实施例储能换流器PCS接线图；

图2为本发明实施例所述储能换流器PWM软件同步方法的流程图；

图3为本发明实施例配置各桥臂/功率模块单元在PWM载波相同位置采样电压离散信号时未同步的PWM相位示意图；

图4为本发明实施例SOGI的结构示意图；

图5为本发明实施例提取基波正序分量及锁相输出原理图；

图6为本发明实施例稳态时PWM载波相位示意图。

图中，A、采样值。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

本发明实施例储能换流器包括PCS，PCS包括多个并联的桥臂/功率模块单元，各桥臂/功率模块单元直流侧连接电池组，交流侧连接隔离变压器低压侧，PCS通过缓启动电路与直流母线连接，PCS接线参见图1。

参见图2，针对上述储能变流器，本实施例提供了一种储能换流器PWM相位软件同步方法，其具体方法为：

S1、配置各桥臂/功率模块单元在PWM载波为增减计数模式，并在载波相同位置触发电网侧电压采样，获取交流侧公共并网点PCC电压离散信号，设置每个采样周期的采样点数N。

具体地，每个采样周期的采样点数N≥20，每个采样周期对应固定的电网相位差Δθ＝2π/N。在一具体实施例中，选取采样点数为30，也可以是20、40不等，具体根据实际需求进行设定。

需要说明的是，设置每个周期的采样点数N≥20(如工作频率下限45Hz，采样率需满足Fs≥0.9kHz)，各桥臂/功率模块单元采样的PCC电压离散信号采样触发位置不尽相同，由于保证N≥20，各桥臂/功率模块单元采样信号提取的基波分量是一致的。

S2、提取PCC电压离散信号的基波分量，获取基波分量的当前值和平移量。

具体地，提取基波分量时，在电压谐波THDr≥15％时采用离散滑动傅里叶变换SDFT提取PCC电压离散信号的基波分量，在电压谐波THDr<15％时，采用二阶广义积分器SOGI提取PCC电压离散信号的基波分量。

本实施例中，SDFT具体实现方法表示为：

其中，u(k)为第k次电压采样值，Mod表示取余数；

本实施例中，参见图4，二阶广义积分器SOGI采用串并行两级结构，二阶广义积分器SOGI的传递函数表示为：

需要说明的是，使用SDFT与SOGI的级联形式，即保证了滤波效果又能减少电压波动时间谐波、次谐波的影响。

S3、提取基波分量的正序分量，并进行Park变换得到电压无功轴分量Uq，将Uq输入锁相环PLL的PI控制器，根据PI控制器输出及采样点数按照公式(1)计算采样周期，根据采样周期按照公式(2)计算PWM载波周期值，公式(1)和公式(2)表示为：

式中，Δt为采样周期，f

具体地，通过下述公式计算电压无功轴分量Uq：

式中，U

上式中使用的相位为固定间隔的序列，将Uq输入锁相环PLL的PI控制器，根据锁相环输出f

需要说明的是，选用基波分量的正序分量为同步基准，同步基准可以是任意形式的数字、模拟交流信号。

S4、按照步骤S3修改各桥臂/功率模块单元的PWM周期值，锁相环PLL在PI控制器作用下跟踪电网相位，使各桥臂/功率模块单元稳定(即各桥臂/功率模块单元锁相环PLL输入Uq近似为零)后的PWM周期值相同，实现PWM载波同步。

需要说明的是，由于各桥臂/功率模块单元采样相同的交流侧公共并网点PCC电压，通过步骤S3修改各桥臂/功率模单元的PWM周期值，各桥臂/功率模块单元稳定后的PWM周期值；由于步骤S1各桥臂/功率模块单元在相同的PWM相位触发电压采样，所以各桥臂/功率模块单元采样时刻稳定在PCC电压固定相位序列，实现各桥臂/功率模块单元PWM载波相位一致，至此实现了各桥臂/功率模块单元PWM载波周期和相位的同步(参见图6)。

S5、配置各桥臂/功率模块单元相同的PWM动作并启动运行，各桥臂/功率模块单元交流侧输出PWM开关信号频率、相位相同，实现PWM相位同步。

继续参见图2，在一具体实施方式中，在配置各桥臂/功率模块单元之前，还包括以下步骤：

PCS通过缓启动电路给直流母线充电，然后分别闭合交流断路器、直流断路器，封锁各桥臂/功率模块单元IGBT进入待机模式。

本实施例上述储能换流器PWM相位软件同步方法，通过对交流基准信号相位跟踪，实现PWM载波相位与基准信号相位固定对应关系，基准信号选用PCC电压离散信号基波分量的正序分量为同步基准，通过调整采样周期值实现PWM载波周期值相同，在相同的PWM载波固定相位触发电压采样，采样时刻稳定在固定相位序列，实现各桥臂/功率模块单元PWM载波相位同步，实现PWM载波同步，通过PWM载波同步实现PWM相位同步。不需要增加额外的硬件装置，通过软件方法实现PWM相位同步，降低了储能变流器系统成本并减少不可靠因素。

此外，还需要说明的是，本发明方法在PWM载波固定相位触发采样使载波相位同步，但不限于PWM载波相位同步，还可以通过修改触发相位实现PWM载波的交错。

上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。