一种T 型三电平储能变流器装置的设计

朱孟隆

（山东建筑大学信息与电气工程学院）

1 引言

由于环境污染和能源紧张问题越来越严重，各国都在进行可再生能源的开发利用，储能系统能够实现可再生能源的大规模并网，而储能变流器作为储能系统的关键设备一直是研究的热点[1]。在三电平变流器中，T 型三电平变流器采用功率器件数少，成本更低，开关损耗也相对较小[2]。因此，T 型三电平储能变流器广泛应用在分布式储能系统中。

笔者设计了一种T 型三电平储能变流器，主控芯片选用DSP 芯片 TMS320F 28335，数据处理能力强，控制策略采用SVPWM，并设计了装置主要的电路 结构。

2 分布式储能系统结构及功能

分布式储能系统结构主要包括蓄电池、双向变流器，电池管理单元、能量分配系统。其中变流器实现了直流电与交流电的相互转换。根据电网的不同状态，分布式储能系统分为两种工作模式，储能系统在大电网正常工作时，处于并网模式，在电网用电高峰期放电，在用电低谷期充电，起到削峰填谷的作用；在大电网异常时，系统切换到离网模式下，蓄电池释放电能给负载 供电。

3 储能变流器装置设计

3.1 三电平双向变流器的工作原理

T 型三电平变流器主电路拓扑如图1 所示[3-4]。每一相根据四个开关管不同的状态可以输出三种电平。1xT 和 2xT（x=a，b，c）开通时，变流器输出电压为Udc/2，此状态记为P，2xT 和 3xT 开通时，输出电压为0，此状态记为O，3xT 和 4xT开通时输出电压为-Udc/2，此状态记为N。通过控制开关管的状态来控制变流器输出波形，达到装置稳定工作的目的。

3.2 T 型三电平变流器的控制策略

目前三电平变流器的控制策略是研究的热点，许多学者都在这一方面做出了贡献，在众多的控制策略中，SVPWM控制策略输出波形质量好，被广泛应用[5]。三电平变流器SVPWM 控制策略就是将空间电压矢量用在变流器控制之中，是目前电压型变流器控制策略的研究热点。三相电压可以用以下公式表示

图1 T 型三电平变流器拓扑结构图

则参考电压可以表示为

图2 三电平空间矢量图

式中：Vref为三相电压空间矢量相加合成的空间矢量，UA、UB、UC为三相电压，refV 可以用不同的开关量组合表示出来，三电平变流器三相组合在一起一共是27 种组合，其中有一些组合对应的空间矢量是一样的，最后得到了19 种不同的空间电压矢量，如图2 所示。三电平SVPWM 控制策略的方法就是根据角度把空间矢量图划分为6 个大扇形，然后判断参考电压矢量相位角在哪一个大扇区，然后再把每个大扇区分成6 个小扇区，通过参考电压的角度和大小可以判断出参考电压所在的小扇区。再选择三个最近的空间矢量合成参考电压矢量，确定三个电压矢量各自的工作时间。最后按照一定的原则确定基本电压矢量的开关顺序，完成对开关器件的控制，参考文献[6]给出了详细的SVPWM 实现方法。

3.3 T 型三电平变流器电路设计

3.3.1 主控电路设计

选用TMS320F28335 为主控芯片，芯片具有强大的数据处理能力；并设有多个PWM 处理通道；它的引脚分布更为合理，方便电路板设计布线[7-9]。因此在控制领域得到广泛应用。其通用输入输出引脚大多有两个或者三个与外设复用的功能，在使用中遇到外设较多的时候会导致普通引脚数量的不足，则可以通过外部地址总线连接实现引脚扩展。采样电路采集到相应的电压电流值，通过电压电流传感器把信号转换成DSP 适合接收的电压信号，再把信号传输到DSP 芯片[10-11]，DSP 根据采集到的的信号，用SVPWM 算法快速进行处理，得到需要的PWM 驱动信号，输出PWM 信号。

3.3.2 驱动电路设计

DSP 芯片输出的PWM 信号功率太小，不能正常的驱动开关管工作，需要设计驱动电路把DSP 输出的PWM 信号进行放大驱动开关管工作[12]。驱动电路还能保护开关器件，提高电路抗干扰能力。本文选用带短路过流保护和故障反馈功能的光耦隔离芯HCPL-316J ，结构如图3 所示，在驱动电路发生短路或过电流时，FAULT 端置低，控制电路就会收到信号，停止输出驱动信号，IGBT 关断，直到故障解除后复原。输出信号E、C、G 端分别与 IGBT 的发射极、集电极和门极相连。

4 仿真实验

为验证本文所设计T 型三电平变流器的功能，使用Matlab/Simulink 软件搭建了仿真模型[13-14]，直流侧电压设定为800V，电网电压380V，电网频率50Hz，直流侧电容5000uF。

图4 是三电平变流器的相电压和线电压波形，阶梯波形较为平整，三电平变流器工作性能良好。

5 结语

笔者设计一种T 型三电平储能变流器，阐述了储能变流器的工作原理并设计了变流器主要电路结构。最后建立仿真模型，测试效果良好，验证了本设计方案合理可行。

图3 驱动电路图

图4 三电平变流器电压波形图