基于单Z源三电平SVPWM逆变器的电池充放电控制方法

屈克庆，陈绪辉，牛清泉，赵晋斌

(上海电力学院电气工程学院，上海 200090)

基于单Z源三电平SVPWM逆变器的电池充放电控制方法

屈克庆，陈绪辉，牛清泉，赵晋斌

(上海电力学院电气工程学院，上海 200090)

提出了基于单Z源三电平SVPWM逆变器的蓄电池充放电策略，并设计了闭环控制系统.研究了电流前馈解耦的阶段式充电、功率前馈解耦的恒功率放电，以及恒功率放电时的升压控制方法.经Matlab仿真验证，该系统可实现蓄电池充电时的限功率恒压、恒流控制，以及具有升压特性的输出恒功率并网控制.

Z源;三电平逆变器;蓄电池;充放电控制

目前，在蓄电池充放电及储能逆变器系统的研究中，为解决蓄电池电压与电网电压的匹配问题，大多数文献均采用变压器或外加DC/DC环节以实现升降压控制，不仅增加了投资成本，也会对逆变器转换效率造成影响.Z源逆变器由于其升降压特性，有利于解决这一问题.［1-2］虽然有文献提出一些简化的空间矢量脉宽调制(SVPWM)策略，以及将Z源逆变器和多电平技术相结合的拓扑结构，［3-4］但将其应用于储能控制的文献相对较少.因此，本文研究了单Z源三电平SVPWM逆变器技术，并将其作为储能逆变器应用于蓄电池充放电场合，设计了相应的闭环控制系统.单Z源三电平逆变器技术的应用，不仅省去了额外的变压器或DC/DC变换器环节，提高了效率，而且实现了蓄电池电压大范围变化情况下的充放电控制，适用于不同电压等级的蓄电池储能系统.另外，可进一步降低其所需的蓄电池组输出电压，进而能够减少蓄电池组的串联数，适用于未来电动汽车等小型蓄电池组的充放电控制.而三电平SVPWM控制算法可以提高电压利用率，易于数字化实现，且具有更加灵活的开关组合模式，有利于提高系统效率并实现更好的控制效果.［5］

1 系统结构及原理

1.1 单Z源三电平SVPWM储能逆变器系统概述

在蓄电池充放电控制系统中，采用单Z源三电平NPC逆变器作为储能逆变器，在SVPWM方法中，通过插入直通矢量，实现逆变器的升压输出.在此基础上，为实现对蓄电池充放电的控制，针对不同充放电模式，设计了相应的闭环控制系统.

蓄电池充电采用阶段式充电方式，系统采用双闭环控制结构.由于阶段式充电实质上是将恒压、恒流充电相互配合使用而形成，因此可将基于单Z源三电平SVPWM逆变器的蓄电池充电控制方式分为常规恒压充电控制、恒压限功率充电控制、常规恒流充电控制、恒流限功率充电控制4种模式.

蓄电池放电采用恒功率控制方式，选择基于功率前馈解耦的直接功率控制方式.可将其分为3种模式:单位功率因数升压逆变时的恒功率控制;有无功功率输出时的恒功率控制;整流逆变转换时的恒功率控制.

1.2 基于电流前馈解耦的阶段式充电控制

单Z源三电平SVPWM储能逆变器系统的充电控制采用的是基于电流前馈解耦的阶段式充电方式.其控制系统是串级双闭环方式:内环部分均采用电流前馈解耦的控制方式;外环部分则根据控制目标的不同进行相应设计.4种充电模式的双闭环结构较为相似，只是在相应的控制外环部分有所不同.因此，本文仅以恒压限功率充电模式为例，进行充电控制系统的介绍.

图1为恒压限功率充电控制的系统结构框图.采用直流侧电压外环和网侧电流内环的双闭环控制，以实现限定功率情况下的恒压充电控制.

图1 恒压限功率充电控制系统结构示意

图1中，当前电网最大允许充电功率P*由上级电网调度中心给出，用P*除以直流侧的实际充电电流值Idc，便可以得到当前限制功率下蓄电池的允许充电电压.将与设定的常规恒压充电电压参考值相比较后，输出其中的较小值，并将其作为限定功率条件下新的充电电压参考量，具体情况如表1所示.

表1 限功率恒压充电电压参考值

新的充电电压参考值经过直流侧电压外环，得到q轴电流分量参考值，并输入控制内环.经过内环的电流前馈解耦控制，便可得到用于SVPWM控制的空间参考电压矢量输入信号，将其作为产成桥臂开关管的控制信号，就可实现对逆变器的相应控制.

恒流充电模式与恒压充电类似，只是将外环部分变为直流侧电流外环，以实现直流侧充电电流的恒定.

1.3 基于功率前馈解耦的恒功率放电控制

该系统的放电控制采用恒功率控制方式，通过基于功率前馈解耦的直接功率控制，实现蓄电池的恒功率并网放电.实现功率前馈解耦的目标，就是实现对逆变器输出有功功率和无功功率的分别控制.

图2为恒功率并网放电控制的系统结构框图.图2中，首先通过采样计算，得到网侧输出有功和无功功率的瞬时值.再经过功率前馈解耦控制，便可得到用于SVPWM控制的空间参考电压矢量输入信号，同样将其作为生成桥臂开关管的控制信号，以实现对逆变器的相应控制，达到蓄电池的恒功率并网放电的目标.

图2 恒功率并网放电控制系统结构示意

1.4 恒功率放电时升压控制的实现

要实现单Z源三电平SVPWM逆变器恒功率放电时的升压输出，就需要在传统三电平SVPWM算法的基础上，通过适当地插入上、下直通矢量(使某一桥臂上面3个或下面3个开关管同时导通)来实现.［6］

直通矢量的插入，既要保证输出电压的品质，又不能增加开关管的开关次数.单Z源三电平SVPWM逆变器直通矢量插入原则为:所插入的上、下直通矢量应满足对称分布;直通矢量的插入不应改变桥臂电压的输出状态;上、下直通的时间应相等，以保证输出电压的平衡.

具体的上、下直通矢量插入策略为:将一个开关周期内直通矢量的插入分为两侧和中央侧两部分，两侧插入上直通矢量，中央侧插入下直通矢量，为保证直通矢量的插入不影响其他相的输出状态，上直通矢量只能插入到仅含有“0”和“-1”的矢量状态中为“0”的相，如00-1或0-1-1等，而下直通矢量只能插入到仅含有“0”和“1”的矢量状态中为“0”的相，如100或110等.［7］以参考电压矢量位于1大区5小区时为例，其控制时序图如图3所示(其中U代表上直通矢量，L代表下直通矢量).

图31 大区5小区控制时序图

2 控制闭环PI参数设计

以充电控制为例，介绍闭环PI参数的设计.对于放电控制，由于只有两个PI调节器，参数调试较为简单，可参照充电控制进行相应的参数设计.

2.1 内环控制参数设计

不论采用哪种蓄电池充电模式，其内环均为基于电流前馈解耦的电流控制结构.图4为电流内环控制结构框图.

图4 电流内环控制结构示意

由图4可写出系统的闭环传递函数为:

设计相应的电流调节器，选用典型1型系统，可令:

将式(2)代入式(1)，进行化简变形，可得采用典型1型系统相应的电流内环传递函数为:

式中:Tc——惯性时间常数，Tc=L/KiP.

定义系统的频带频带宽度ωc为闭环增益取值为-3 dB时对应的频率值，即:

由式(4)可求出:

由此可得到电流内环的PI参数整定值:

在实际应用中，由此计算得到的整定值只用作参考，最终的PI参数是在此基础上，通过进一步调试来确定的.

2.2 外环控制参数设计

以常规恒压充电为例进行外环控制参数的设计，对于其他充电模式，则均可进行类似的外环设计.

由图1可知，在d-q坐标系下，对直流母线电容正极点列写KAL方程，并进行拉氏变换，可得:

式中:Sd，Sq——d-q坐标下开关函数表示式;

Rr——直流侧电源内阻.

在进行电流内环的设计时，由于采用的是可以近似等效为一阶惯性系统的典型1型系统，电流内环的等效小惯性时间常数可表示为3Ts，且考虑到外环部分存在一定的采样延时，将内环与外环对应的小惯性时间常数进行合并，并选择相应的等效比例增益为0.75.图5为合并后的电压外环控制结构框图.

将图5中的控制结构进行近似简化，可得系统传递函数为:

图5 电压外环控制结构示意

选用典型2型系统来设计电压外环调节器，并令:

将式(9)代入式(8)，进行化简变形，可得:

根据式(10)可得系统增益为:

再由典型2型系统的参数整定公式，得到外环PI参数的整定值为:

式中:h——频宽，h=τu/T.

通过选取恰当的h值，便可得到合理的外环PI参数.

3 仿真结果及分析

采用Matlab/Simulink搭建系统模型，分别对蓄电池的充放电控制进行仿真分析.系统仿真参数如下:蓄电池内阻R=5 Ω，直流侧分压电容CS1=CS2=4 000 μF，Z源网络电容CS1=CS2=220 μF，电感L1=L2=1 mH，空间矢量脉宽调制比k=0.65，三相电网相电压为220 V，频率为50 Hz，网侧电感L3=L4=L5=800 mH，系统开关频率fS=2.5 kHz，系统仿真时间为0.4 s.

3.1 蓄电池充电控制仿真

选择恒压限功率模式对蓄电池充电控制进行仿真.蓄电池端电压Udc=800 V，充电控制时逆变器无需升压，故升压比B=1，常规恒压充电电压参考值U*

dc=900 V.设置在0.2 s时刻，网侧最大允许充电功率P*由20 kW降至14 kW，系统由常规恒压充电模式转为恒压限功率充电模式对蓄电池进行充电.系统仿真波形如图6所示.

图6中，起始时蓄电池保持恒压充电所需功率约为18 kW，此时电网最大允许充电功率为20 kW，电网剩余功率充足，故此时采用常规恒压充电模式对蓄电池进行充电.

当充电时间约0.05 s后，充电电压达到所设定的常规恒压充电电压参考值900 V并保持不变.在0.2 s时，电网最大允许充电功率由20 kW降至14 kW，电网剩余功率不足以满足蓄电池常规恒压充电对功率的要求，系统转为采用恒压限功率充电模式对蓄电池进行充电.

图6 恒压限功率充电波形

从0.2 s开始经过约0.03 s后，充电电压便保持在新的恒压充电电压值880.5 V左右，充电电流维持在15.9 A左右，而蓄电池充电功率则保持在与电网允许充电功率相同的14 kW，实现了恒压限功率充电控制.

由图6d可以看出，在系统由常规恒压充电向恒压限功率充电转换的整个过程中，网侧相电压与相电流波形始终保持同步，这表明通过闭环控制，实现了系统的单位功率因数整流运行.

3.2蓄电池放电控制仿真

在单位功率因数升压逆变模式下，对蓄电池恒功率放电控制进行仿真.参数为:蓄电池电压Udc=800 V，升压比B=1.5，设定的网侧输出有功功率参考值P*=6 000 W，无功功率Q*=0.图7为恒功率放电控制波形图.

图7 恒功率放电控制波形

由图7可以看出，经过约0.02 s，系统达到稳定状态.蓄电池电压为500 V，每个分压电容承受的电压为250 V.由于将升压比B设置为1.5，通过采用有直通矢量插入的SVPWM控制算法，经单Z源三电平逆变器升压后，逆变器出口侧的相电压峰值达到约375 V，线电压峰值达到约750 V，逆变器的输出电压升高，且输出电流波形也保持了很好的正弦度.

在0.02 s时系统达到稳态，向电网输出的有功功率保持在6 000 W，并伴有±350 W的波动，而无功功率则保持为零，并有±300 W的波动，实现了蓄电池的恒功率放电控制.

由图7c可以看出，在蓄电池放电过程中，网侧相电压与相电流波形始终保持相位互差180°，这表明系统在实现恒功率升压控制的同时，实现了系统的单位功率因数逆变运行.

4 结语

本文将单Z源三电平SVPWM逆变器应用于储能控制系统，提出了基于该逆变器系统的充放电控制策略，并设计了相应的闭环控制系统.该系统能够实现有充电功率限制时蓄电池的单位功率因数恒压、恒流充电控制，以及具有升压特性的输出恒功率并网控制.通过采用Matlab/Simulink搭建系统模型，仿真验证了所提出的基于单Z源三电平SVPWM逆变器的蓄电池充放电控制策略的正确性和有效性.

［1］DAS A，LAHIRI D，KAR B.Space vector PWM based AC outputvoltagecontrolofZ-sourceinverter［C］.2009 International Conference on.IEEE，2009:1-4.

［2］JACEK R.The bidirectional Z-source inverter as an energy storage grid interface［C］.The International Conference on“Computer as a Tool”，2007:1 629-1 635.

［3］SUH J，CHOI C，HYUN D.A new simplified space-vector PWM method for three-level inverters［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2001，16(4):545-550.

［4］GAO Feng，LOH P C，BLAABJERG F，et al.Dual Z-source inverter with three-level reduced common-mode switching［J］.Industry Applications，IEEE Transactions on，2007(6):1 597-1 608.

［5］LIU Yan，WANG Xu，XING Yan.Research based on SVPWM method of three level inverter［C］.Proceedings of the 30th Chinese Control Conference，2011:4 513-4 515.

［6］POH Chiang LOH，SOK Wei Lim，GAO Feng，et al.Threelevel Z-source inverters using a single LC impedance network［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22(2): 706-711.

［7］QU Keqing，NIU Qingquan，QIAN Feng，et al.A SVPWM method based on Z-source three-level inverter［J］.Advanced Materials Research，2013(11):1 534-1 538.

(编辑 白林雪)

A Battery Charge-discharge Control Strategy Based on the Single Z-source Three-level SVPWM Inverter

QU Keqing，CHEN Xuhui，NIU Qingquan，ZHAO Jinbin
(School of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China)

The single Z-source three-level SVPWM storage inverter is researched and applied into the battery charging and discharging.The battery charge-discharge control strategies based on the single Z-source three-level SVPWM inverter are proposed and the corresponding closedloop control systems are designed.The constant voltage charging and constant current charging with power limited are realized，while the constant power discharging control with the boosted output voltage is achieved.Finally，the control strategies are verified by the simulations in Matlab/Simulink.

Z-source;three-level inverter;battery;charge-discharge control

TM464.22

A

1006-4729(2015)03-0227-06

10.3969/j.issn.1006-4729.2015.03.007

2014-09-24

陈绪辉(1988-)，男，在读硕士，湖北黄冈人.主要研究方向为新能源中逆变器及储能控制技术.E-mail:cxhsd2015@163.com.

上海绿色能源并网工程技术中心资助项目(13DZ2251900);上海市科学技术委员会浦江计划(12PJ1403900);上海市教育委员会科创重点项目(13ZZ132).