晁剛，凌志斌，曹陽，陳滿，郭海峰

（1.上海交通大學電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240；2.中國南方電網(wǎng)有限責任公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東廣州 510630）

級聯(lián)多電平儲能功率轉換系統(tǒng)調(diào)制方法分析

晁剛1，凌志斌1，曹陽1，陳滿2，郭海峰2

（1.上海交通大學電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240；2.中國南方電網(wǎng)有限責任公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東廣州 510630）

主要針對H橋級聯(lián)型大容量電池儲能功率轉換系統(tǒng)（PCS）調(diào)制策略進行了理論分析和研究。首先針對載波移相PWM調(diào)制，載波層疊PWM調(diào)制以及階梯波調(diào)制分別分析了其電壓頻譜特性，并設計出一種簡單的階梯波調(diào)制方法。其次基于容量等級和額定電壓為2 MW/10 kV的儲能功率轉換系統(tǒng)，構建了Matlab仿真模型，仿真驗證了這種階梯波調(diào)制的有效性并比對不同調(diào)制方法的差別。

多電平調(diào)制；電池儲能功率轉換系統(tǒng)；H橋級聯(lián)

1 引言

近年來，隨著工業(yè)中對大功率變換裝置要求的日益增加，多電平變換器由于其較低的輸出電壓諧波，較小的開關損耗，器件應力較小等優(yōu)點受到越來越多的關注［1］，多電平變換器主要有3種拓撲形式：中性點鉗位型、飛跨電容型、H橋級聯(lián)型。

多電平變換器的PWM調(diào)制方法可分為兩類：空間矢量調(diào)制技術與基于電壓等級的調(diào)制技術［2］，如圖1所示，空間矢量調(diào)制技術由于高電壓利用率，低諧波含量等優(yōu)點在低電平領域廣泛應用，但對于5電平以上的電路，控制算法將非常復雜?；陔妷旱燃壍恼{(diào)制技術又可以分為多載波PWM調(diào)制，混合調(diào)制，特定諧波消除（SHE-PWM），階梯波調(diào)制等。

圖1 多電平變換器PWM調(diào)制方法Fig.1 Multilevel converter PWM modulation strategy

電池儲能功率轉換系統(tǒng)如圖2所示，其單相基本結構是一個H橋級聯(lián)型的多電平變換器，由儲能電池，H橋逆變器等組成。PCS是儲能系統(tǒng)能量控制的核心，主要實現(xiàn)充放電控制，功率控制等功能。

圖2 DC/AC級聯(lián)多電平結構Fig.2 DC/AC multilevel cascade structure

適用于H橋級聯(lián)型變換器的調(diào)制方法主要是多載波PWM調(diào)制，混合調(diào)制以及階梯波調(diào)制。SHE有較好的諧波特性，但不能夠在線運算，且其運算復雜度也隨電平數(shù)的增加而幾何倍增加；混合調(diào)制策略主要針對于直流側電壓不等的情況；階梯波調(diào)制雖然在高電平情況下計算較復雜，但是針對儲能電池與PCS系統(tǒng)組成的大容量儲能功率轉換系統(tǒng)，階梯波調(diào)制有其自身的優(yōu)勢。

對由多載波PWM調(diào)制衍生出兩類調(diào)制方法：載波層疊PWM（level shifted PWM）以及載波移相PWM（phase shifted PWM）。其中載波層疊PWM又包含同相層疊PWM（phase disposition-PWM），反向層疊PWM（phase opposition disposi-tion-PWM），交替反向層疊PWM（alternative phase opposition disposition-PWM）3種方式。

在3種層疊調(diào)制方式中，PD-PWM有相對較好的電壓諧波特性［3］。本文基于H橋級聯(lián)多電平結構設計出10 kV/2 MW的儲能功率轉換系統(tǒng)，對PS-PWM，PD-PWM，階梯波調(diào)制3種方法進行了一系列研究，并根據(jù)PD-PWM及階梯波調(diào)制衍生出一種簡單的階梯波調(diào)制策略。

2 PS-PWM調(diào)制及直流側諧波分析

對于載波移相調(diào)制，分為單極性調(diào)制與雙極性調(diào)制，兩者產(chǎn)生的電壓可以等效，僅以雙極性調(diào)制為例，圖3為5電平雙極性調(diào)制波及輸出電壓。

圖3 5電平PS法PWM調(diào)制Fig.3 Five level phase shifted PWM

在PS-PWM調(diào)制下，N電平級聯(lián)型H橋單相變換器輸出相電壓為

整個解析式由兩部分組成。

基波分量：

載波次倍頻的奇次邊帶諧波：

分析上式，可以看出：

1）PS-PWM方法將2N′倍開關次諧波之前的開關次諧波全部消除，僅含有2N′倍開關次諧波的邊帶諧波；

2）等效開關頻率為2N′倍載波諧波。

PS-PWM調(diào)制方式由于其良好的電壓諧波特性以及可模塊化擴展等特點在工業(yè)中被廣泛應用。

然而在大容量電池儲能系統(tǒng)中，如圖4所示為整個PCS系統(tǒng)發(fā)出有功時某一個H橋與電池間的直流側電流。可以看出，整個電流為一個二次脈動且參雜了高頻脈沖的電流，這些高頻電流將可能在電池充放電過程中對電池產(chǎn)生不利影響，縮短電池壽命，進而影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖4 PS-PWM調(diào)制下直流側電流Fig.4 DC under the modulation of PS-PWM

3 PD-PWM調(diào)制

對于層疊法PWM調(diào)制，一個N電平的多電平變換器需要N-1個三角載波，需要N′=( )N-1/2個H橋功率單元級聯(lián)。以5電平為例，其層疊法PWM調(diào)制波以及輸出相電壓如圖5所示。

圖5 5電平PD法PWM調(diào)制Fig.5 Five level phase disposition PWM

每個H橋功率單元輸出三電平電壓，經(jīng)級聯(lián)疊加輸出5電平相電壓。

本質上，整個儲能功率轉換系統(tǒng)由3個多電平變換器并聯(lián)而成，因此，僅分析在兩種調(diào)制方法下A相PCS的輸出電壓，對于其余兩相的調(diào)制方法類似，僅ABC三相正弦調(diào)制波分別互差120°。

在PW-PWM調(diào)制法下，N電平級聯(lián)型H橋單相變換器輸出相電壓為［4-5］

整個解析式由4部分構成。

基波分量：

奇次載波諧波：

奇次載波倍頻的偶次邊帶諧波：

偶次載波倍頻的奇次邊帶諧波：

對于B，C相，其輸出相電壓用ωst±120°代替上式中ωst可得。

分析上式，可以得出解析式的主要特征：

1）相電壓的主要諧波分量集中在開關次諧波且由于其為共模分量，在其余兩項大小相位相同，線電壓中將不再含有開關次諧波，因此，對于PD-PWM調(diào)制具有優(yōu)越的線電壓特性；

2）奇次載波倍頻附件存在偶次邊帶諧波，同樣的偶次載波倍頻附近存在奇次邊帶諧波；

3）等效開關頻率等于載波頻率。

4 階梯波調(diào)制及一種簡單的實現(xiàn)方式

4.1 階梯波調(diào)制原理

階梯波調(diào)制的實現(xiàn)分為兩種：一種為利用等面積法則，計算每個階梯波占空比，再轉化為PWM信號，由于需要進行離線計算，對于多電平變流器尤其是大于5電平的電路，控制較為復雜，不再詳細闡述；另外一種等同于載波層疊調(diào)制方法，即將載波頻率降低至100 Hz，以此生成階梯波并通過疊加的方式輸出階梯電壓。

調(diào)制原理圖如圖6所示。

圖6 階梯波調(diào)制原理Fig.6 Staircase wave modulation

這種階梯波調(diào)制可以能夠有效地避免高頻脈沖電流，然而在5電平以上的情況下，特別是針對大功率系統(tǒng)其控制策略將更加復雜，且不易實現(xiàn)通過載波輪循實現(xiàn)H橋功率均衡的目的。

4.2 簡化的階梯波調(diào)制實現(xiàn)方法

通過圖6可以進一步分析，如果逐步縮小載波頻率直到0 Hz，三角波退化成為直線，依然可以實現(xiàn)生成階梯波的目的，以5電平H橋為例詳細闡述這種新型階梯波調(diào)制方式的調(diào)制原理，如圖7所示。

圖7 簡化的階梯波調(diào)制原理Fig.7 Principle of a simple staircase wave modulation

圖 7中正弦波為調(diào)制波，4條直線C1，C1′，C2，C2′分別為兩對載波，相鄰載波幅值差為定值1/2，每對載波幅值分別為±0.5，±1。

通過分析可以預測這種新式階梯波調(diào)制的特點與優(yōu)勢為：1）由于載波退化為直線，調(diào)制原理簡單，比對簡便，在工程應用中，可靠性更高；2）對于多電平變換器，這種新型階梯波調(diào)制更易擴展，僅需要增加相應幅值的線性載波即可；3）一個工頻周期內(nèi)，每個H橋僅變換4次工作狀態(tài)，則開關損耗將大大縮??；4）對于大容量電池儲能系統(tǒng)，能夠有效減少高頻脈沖電流信號，降低脈沖電流對電池的不利影響。

4.3 階梯波調(diào)制下調(diào)制比對輸出波形的影響

若假設在N′個H橋級聯(lián)變流器系統(tǒng)中，直流側電池電壓為VDC，對上述N電平階梯波調(diào)制下輸出相電壓進行傅里葉分解，如下式所示：

式中：θ為階梯波調(diào)制下，正弦波與載波所決定對應H橋的開關角度。

以k=5為例，階梯波調(diào)制開關角如圖8所示。

根據(jù)解析式可知，當n=1時，即為輸出相電壓的基波電壓表達式，如下式所示：

圖8 階梯波調(diào)制開關角Fig.8 Switching angle of the staircase wave modulation

設調(diào)制比為m=Us/Uc，其中Uc=1，則可知，當調(diào)制比變化時，開關角隨之改變，但m·sinθk=k/N′恒成立，這是由載波特性以及所選取開關角度的方式?jīng)Q定的。由于θk是關于調(diào)制比m的函數(shù)，因此可利用其判斷調(diào)制比對基波電壓的影響。將式（4）左右兩側對m求導，化簡可得：

式中：N′為H橋級聯(lián)個數(shù)；m為調(diào)制比；k為第k個階梯波，k=1～N′；Np為在一定調(diào)制比m下的最大階梯數(shù)。

觀察上式由于在m較大時，Np較大，cosθk較小，原式可簡化為

由以上兩式可以看出，隨著m的減小，階梯波數(shù)逐漸減少，輸出電壓有效值逐漸減小，且其減小速率隨m減小而逐漸增大。

對于并網(wǎng)的變流器，由于連接電感的壓降一般為系統(tǒng)的5%，因此，整個系統(tǒng)的調(diào)制比將處于一個較高的位置；而對于高壓變頻器等產(chǎn)品，其可輸出電壓范圍一般為30%～100%，調(diào)制比變化范圍較大，較低的調(diào)制比將影響其輸出特性。

5 基于Simulink的12H橋儲能系統(tǒng)下的仿真驗證

通過Matlab中Simulink工具設計2 MW/10 kV的儲能功率轉換系統(tǒng)，分別采用PS-PWM、線性調(diào)制策略得出相關實驗波形。整個系統(tǒng)的電路參數(shù)選擇如下：電網(wǎng)線電壓Ula，Ulb，Ulc=10 kV，系統(tǒng)視在功率Ps=2 MV·A，H橋級聯(lián)個數(shù)N=12，連接電感L=8（5%）mH，直流側電壓E=1 200 V，載波三角波頻率Fc=1 000 Hz。

系統(tǒng)通過前饋解耦實現(xiàn)對PCS系統(tǒng)的功率控制，當系統(tǒng)滿功率P=2 MW，Q=0 Mvar運行時，采用這種新型階梯波控制的輸出相電壓及系統(tǒng)輸出功率如圖9所示。

圖9 階梯波調(diào)制PCS相電壓及輸出功率Fig.9 Phase voltage and output Power under the staircase wave modulation

分析圖9可驗證通過這種調(diào)制方式能夠輸出階梯波電壓，滿足系統(tǒng)需求。

采用PS-PWM調(diào)制以及階梯波調(diào)制分別控制系統(tǒng)滿功率P=2 MW運行時，直流側電流如圖10所示，選擇第1，2，7，11，4個H橋的直流側電流。

圖10 純有功輸出兩種調(diào)制法下直流側電流Fig.10 DC under two modulations with pure active power

圖10a為PS-PWM調(diào)制下的直流側電流，其各個H橋直流側電流相同，且均含有高頻電流。這是由于PS-PWM調(diào)制的原理決定的，每個H橋直流側電流均含有1 kHz開關頻率的高頻脈沖電流。這就需要在電池側并聯(lián)一個較大的電容，以去除高頻成分。

圖10b為階梯波調(diào)制下的直流側電流，其每個H橋輸出功率并不均衡，高頻成分較少且與模塊數(shù)量、次序有關，對電池的影響小于PS-PWM調(diào)制，但仍需要串聯(lián)電容以去除高頻成分。

另外當系統(tǒng)功率因數(shù)不同時，兩種調(diào)制策略下電流波形均發(fā)生相移，圖11為輸出純無功時的直流側電流圖。

為進一步驗證調(diào)制比對輸出電壓的影響，在開環(huán)情況下計算得到不同調(diào)制比下基波有效值以及THD值如表1所示。根據(jù)表1可知，隨調(diào)制比m減小，階梯波調(diào)制下的PCS輸出電壓近似線性下降，整個THD含量隨之增加，且當調(diào)制比低于0.5時，THD迅速增大，電壓下降速度加快，與調(diào)制比m的非線性程度增加。

圖11 純無功輸出兩種調(diào)制法下直流側電流Fig.11 DC under two modulations with pure inactive power

表1 不同調(diào)制比下PCS輸出電壓Tab.1 PCS output voltage under different modulation ratio

另外對于階梯波調(diào)制，較低的調(diào)制比將導致某些H橋單元長時間保持不工作狀態(tài)，將產(chǎn)生功率不均衡的后果，因此應保持較高的調(diào)制比。且對于階梯波調(diào)制來說，由于其載波頻率很低，則其動態(tài)響應特性不如載波移相調(diào)制。

6 結論

本文對級聯(lián)系統(tǒng)中幾種使用較廣的載波PWM調(diào)制方法進行比對，設計出一種簡單的階梯波調(diào)制實現(xiàn)方法，通過分析其不同調(diào)制下輸出電壓諧波分量，得出以下結論：載波相移PWM調(diào)制具有優(yōu)良的諧波特性，等效開關頻率很高，然而直流側電流高頻成分較大。PD-PWM下輸出線電壓具有優(yōu)良的諧波特性，主要諧波分量集中在開關次。

本文所提出的簡單的階梯波調(diào)制策略可實現(xiàn)性更強，可大大降低開關損耗；針對大容量電池儲能功率轉換系統(tǒng)，其可以有效減少直流側電

流高頻諧波含量，對多電平變流器的調(diào)制策略的衍生有一定研究意義。另外其本身將導致各個H橋模塊功率不均衡，需要進一步通過輪循載波的方式實現(xiàn)功率均衡［6-7］，且當調(diào)制比較低時，PCS輸出波形將會有較高的諧波含量。

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修改稿日期：2014-01-03

Analysis of the Cascade Multilevel Converter Modulation Strategy

CHAO Gang1，LING Zhi-bin1，CAO Yang1，CHEN Man2，GUO Hai-feng2
（1.Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion（Ministry of Education），Shanghai Jiaotong University，Shanghai200240，China；2.Power Generation Company，China Southern Power Grid Co.，Ltd.，Guangzhou510630，Guangdong，China）

Focused on modulation strategy of the cascaded H-bridge power conversion system based on high-capacity energy storage battery.First analysised the voltage spectral characteristics under the modulation of the phase shift PWM，level shifted PWM and staircase wave PWM and designed a simple staircase wave modulation method.Second，a 2 MW/10 kV power conversion system was designed to verifies the validity of this staircase wave modulation and divergence between different modulation methods.

multilevel modulation；battery storage power conversion system（PCS）；H-bridge cascade

TM344.1

A

國家“863”計劃項目（2011AA05A111）

晁剛（1988-），男，碩士研究生，Email：13816379709@163.com

2013-07-18