本发明提供一种储能型多电平变流器拓扑及电池荷电状态调控方法，涉及电池储能技术领域。该多电平变流器拓扑包括5个电池组串联组成的电池组串；5个电容串联连接组成的电容串；电池组串与电容串并联；每个变流器均包括50个IGBT管及与其反并联的二极管，3个变流器与电池组串正负极并联连接。每个变流器的IGBT门极根据不同的调制策略有6种不同的开关状态；同时本发明还提供通过调节变流器IGBT管补偿后的占空比调节储能型多电平变流器拓扑中电池荷电状态，使各电池组的荷电状态调控至一致。本发明的拓扑及方法，降低了单个开关管的最大能量损耗，提高了储能运行的可靠性，大幅度地节省了储能电站的经济成本。
1.一种储能型多电平变流器拓扑，其特征在于：包括5个电池组、5个电容和3个变流器；
所述5个电池组分别为电池组一、电池组二、电池组三、电池组四和电池组五，5个电池组串联组成电池组串；所述5个电容分别为第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器和第五电容器，5个电容串联连接组成电容串；电池组串与电容串并联，每个电池组的正负极与对应的电容正负极相连；所述3个变流器分别为第一变流器、第二变流器和第三变流器，每个变流器均包括50个IGBT管及与其反并联的二极管，所述3个变流器与电池组串正负极并联连接。
2.根据权利要求1所述的一种储能型多电平变流器拓扑，其特征在于：所述5个电池组均由m*n个单体储能电池串并联而成。
3.根据权利要求1所述的一种储能型多电平变流器拓扑，其特征在于：所述每个变流器中50个IGBT管及与其反并联二极管排列成10x5的矩阵分布，并遵从从左至右，从上至下的顺序，将该50个IGBT及与其反并联二极管标记为Sij，其中1≤i≤10，1≤j≤5，每一列的10个IGBT串联连接，即同一列中上一个IGBT的发射极与下一个IGBT的集电极相连，S31的集电极与第一电容器的下端口相连，S51的集电极与第二电容器的下端口相连，S71的集电极与第三电容器的下端口相连，S91的集电极与第四电容器的下端口相连，S10，1的发射极与第五电容器的下端口相连；S11、S12、S13、S14、S15的集电极并联后与第一电容器的上端口及电池组一的正极连接，S11、S12、S13、S14、S15的发射极相连，S22、S23、S24、S25的发射极相连，S31的发射极与S32的发射极相连，S33、S34、S35的发射极相连，S42的发射极与S43的发射极相连，S44的发射极与S45的发射极相连，S51的发射极与S52的发射极相连，S53的发射极与S54的发射极相连，562的发射极与S63的发射极相连，S64的发射极与S65的发射极相连，S71的发射极与S72的发射极相连，S73、S74、S75的发射极相连，S82、S83、S84、S85的发射极相连，S91、S92、S93、S94、S95的发射极相连，S10，1、S10，2、S10，3、S10，4、S10，5的发射极并联后与电池组五的负极连接。
4.根据权利要求3所述的一种储能型多电平变流器拓扑，其特征在于：所述每个变流器的IGBT门极根据不同的调制策略有6种不同的开关状态，分别为：开关状态1：S65、S74、S75、S83、S84、S85、S92、S93、S94、S95、S10，1、S10，2、S10，3、S10，4、S10，5号IGBT导通，变流器的输出电流ip沿着S65、S74、S75、S83、S84、S85、S92、S93、S94、S95、S10，1、S10，2、S10，3、S10，4、S10，5号IGBT形成的任意导通路径流动，S21、S32、S41、S43、S52、S54、S61、S63、S72、S81号IGBT导通用以形成阻断电压，其余IGBT关断，此时变流器的输出电压为0；
开关状态2：S54、S55、S63、S64、S65、S72、S73、S74、S75、S81、S82、S83、S84、S85、S91、S92、S93、S94、S95号IGBT导通，变流器的输出电流ip沿着S54、S55、S63、S64、S65、S72、S73、S74、S75、S81、S82、S83、S84、S85、S91、S92、S93、S94、S95号IGBT形成的任意导通路径流动，S21、S32、S41、S43、S52、S54、S61号IGBT导通用以形成阻断电压，其余IGBT关断，此时变流器的输出电压为Vdc/5，其中，Vdc为电池组串两端电压；
开关状态3：S43、S44、S45、S52、S53、S54、S55、S61、S62、S63、S64、S65、S71、S72、S73、S74、S75、S82、S83、S84、S85号IGBT导通，变流器的输出电流ip沿着S43、S44、S45、S52、S53、S54、S55、S61、S62、S63、S64、S65、S71、S72、S73、S74、S75、S82、S83、S84、S85号IGBT形成的任意导通路径流动，S21、S32、S41、S91号IGBT导通用以形成阻断电压，其余IGBT关断，此时变流器的输出电压为2Vdc/5；
开关状态4：S32、S33、S34、S35、S41、S42、S43、S44、S45、S51、S52、S53、S54、S55、S62、S63、S64、S65、S73、S74、S75号IGBT导通，变流器的输出电流ip沿着S32、S33、S34、S35、S41、S42、S43、S44、S45、S51、S52、S53、S54、S55、S62、S63、S64、S65、S73、S74、S75号IGBT形成的任意导通路径流动，S21、S71、S82、S91号IGBT导通用以形成阻断电压，其余IGBT关断，此时变流器的输出电压为3Vdc/5；
开关状态5：S21、S22、S23、S24、S25、S31、S32、S33、S34、S35、S42、S43、S44、S45、S53、S54、S55、S64、S65号IGBT导通，变流器的输出电流ip沿着S21、S22、S23、S24、S25、S31、S32、S33、S34、S35、S42、S43、S44、S45、S53、S54、S55、S64、S65号IGBT形成的任意导通路径流动，S51、S62、S71、S73、S82、S91号IGBT导通用以形成阻断电压，其余IGBT关断，此时变流器的输出电压为4Vdc/5；
开关状态6：S11、S12、S13、S14、S15、S22、S23、S24、S25、S33、S34、S35、S44、S45、S55号IGBT导通，变流器的输出电流ip沿着S21、S22、S23、S24、S25、S31、S32、S33、S34、S35、S42、S43、S44、S45、S53、S54、S55、S64、S65号IGBT形成的任意导通路径流动，S31、S42、S51、S53、S62、S64、S71、S73、S82、S91号IGBT导通用以形成阻断电压，其余IGBT关断，此时变流器的输出电压为Vdc。
5.一种电池荷电状态的调控方法，基于权利要求4所述的一种储能型多电平变流器拓扑，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：计算电池组串中各电池组间的荷电状态不平衡量Imbsoci′，并将其与参考值做差，并对差值ΔImbsoci′在PI调节器中进行调节，其中，i′＝2，3，…，5；
步骤1.1：计算电池组串的输出功率P，如下公式所示：其中，m为变流器的调制系数，Irms是3个变流器输出电流的有效值，Φ是参照相电压的相移角；
根据电池组串的输出功率P求得电池组串的共同电流icom，如下公式所示：步骤1.2：根据流经各电池组电流，计算直流调控电流Ii′，Ii′是第i′-1个电池组与第i′个电池组连接点与电容之间的电流，在计算调控电流I2时，令调控电流I3＝I4＝I5＝0，同理在计算其他调控电流时，设置相应的调控电流值为零，则：其中，iBatk是流经第k个电池组的电流，k＝1，2，…，5；
步骤1.3：根据各电池组荷电状态与直流调控电流计算各电池组间荷电状态不平衡量的计算值Imbsoci′与参考值
步骤1.4：将差值 送入PI调节器中进行调节，PI调节器中比例系数Kp＝100，积分系数Ki＝1；
步骤2：将PI调节器中的调节输出送入解耦矩阵R4x4中，输出经解耦矩阵R4x4解耦后，得到第i′个电池组间的输出补偿ωi′；
步骤3：根据各电池组间的输出补偿ωi′更新各变流器的调制参数，得到各变流器的占空比控制变流器中开关状态，进而调控各电池组的荷电状态，具体方法为：步骤3.1：根据修正系数λ对变流器的调制系数m进行修正，得到修正后的调制系数m*；
步骤3.2：根据修正后的调制系数m*与变流器输出a相电压电角度θ，计算求得每个变流器上IGBT的占空比dxy，其中，1≤x≤3，1≤y≤10；
步骤3.3：根据各电池组间的输出补偿ωi′对各变流器的占空比dxy进行补偿，得到补偿后的占空比dxy*；
步骤3.4利用各变流器的各IGBT补偿后占空比对各电池组的储能进行调控，使各电池组的荷电状态调控至一致。
6.根据权利要求5所述的一种电池荷电状态的调控方法，其特征在于：所述步骤1.3的具体方法为：
步骤1.3.1：根据各电池组荷电状态SoCk计算各电池组间荷电状态不平衡量的计算值Imbsoci′，如下公式所示：
步骤1.3.2：根据直流调控电流计算各电池组间荷电状态不平衡量的参考值 如下公式所示：
其中，s拉普拉斯积分算子，Qnom为各电池组的标称容量。
7.根据权利要求5所述的一种电池荷电状态的调控方法，其特征在于：步骤2所述解耦矩阵R4x4如下公式所示：
8.根据权利要求7所述的一种电池荷电状态的调控方法，其特征在于：所述步骤3.1的具体方法为：
步骤3.1.1：根据各电池组电压计算各电池组间的电压偏置参数yi′，如下公式所示：其中，Vi′是第i′个电池组的两端电压；
步骤3.1.2：根据各电池组间的电压偏置参数计算修正系数λ，如下公式所示：步骤3.1.3：令各电池组输出电压均一致，对修正系数λ进行简化，如下公式所示：步骤3.1.4：利用简化后的修正系数λ乘以调制系数m，得到修正后的调制系数m*，如下公式所示：
9.根据权利要求8所述的一种电池荷电状态的调控方法，其特征在于：所述步骤3.2的具体方法为：
步骤3.2.1：将关于输出a相电压电角度θ的正弦函数与变流器的调制系数m*相乘得到第一变流器的占空比d1，然后对正弦函数移相得到第二变流器和第三变流器的占空比d2，d3，如下公式所示：
步骤3.2.2：取三个变流器占空比的最大值Max(dx)，将该最大值与各变流器占空比的差值乘以系数k1得到相应变流器上各第一IGBT的占空比dx1(θ)，如下公式所示：dx1(θ)＝k1*Max[d1(θ)，d2(θ)，d3(θ)]-dx(θ)其中，k1＝1/2；
步骤3.2.3：取三个变流器占空比的最小值Min(dx)，将该最小值与各变流器占空比的差值乘以系数k2得到相应变流器上各第十IGBT的占空比dx，10(θ)；
dx，10(θ)＝dx(θ)-k2*Min[d1(θ)，d2(θ)，d3(θ)]其中，k2＝1/2；
步骤3.2.4：计算各变流器上第二至第九IGBT的占空比，如下公式所示：dx2(θ)＝dx3(θ)＝…＝dx9(θ)＝k3(1-dx1(θ)-dx10(θ))其中，k3＝1/4。
10.根据权利要求9所述的一种电池荷电状态的调控方法，其特征在于：所述步骤3.3的具体方法为：
步骤3.3.1：根据各电池组间的输出补偿计算补偿系数ρ1，将3个变流器中的第一IGBT的占空比dx1(θ)均乘以补偿系数ρ1得到补偿后占空比dx1*(θ)，其中：ρ1＝1-ω2-ω3-ω4-ω5
步骤3.3.2：根据各电池组间的输出补偿计算补偿系数ρ2，将3个变流器中的第十IGBT的*
占空比dx，10(θ)乘以补偿系数ρ2得到补偿后占空比dx10(θ)，其中：ρ2＝1+ω2+ω3+ω4+ω5
步骤3.3.3：将各电池组间的输出补偿ωi′乘以dx1(θ)与dx，10(θ)的差值，并将该乘积结果加至dxp(θ)，得到各变流器上第二至第九IGBT补偿后占空比dxp*(θ)，其中2≤p≤9。
一种储能型多电平变流器拓扑及电池荷电状态调控方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电池储能技术领域，尤其涉及一种储能型多电平变流器拓扑及电池荷电状态调控方法。
背景技术
[0002] 电池储能技术如今广泛应用于诸多领域，从新能源发电并网至提高电力系统运行可靠性，储能技术发挥了不可替代的作用，超大规模电池储能相比较于传统的中小规模电
池储能，具有削峰填谷容量充足、暂态电压支撑能力强等优点，超大规模电池储能现阶段存
在的一些问题已成为国内外高校学者研究的热点。
[0003] 超大规模电池储能电站所采用的变流器均是大功率高压变流器，变流器的开关管接收控制信号后进行执行导通和关断动作，从而产生了开通损耗与关断损耗，由于开关器
件的开关频率通常在兆赫兹级以上，开关器件功率损耗严重不容忽视，为了降低超大规模
储能电站变流器的损耗，提高变流器工作效率，增强变流器变流效果，需要一种适用于超大
规模电池储能电站的多电平变流器拓扑结构。
[0004] 为了减少超大规模电池储能电站的建设经费与维护成本，常常会将不同型号、不同荷电状态的电池组串联工作，如果不对这些型号、荷电状态(State of charge，即SoC)各
异的电池组进行荷电状态调控，那么所有电池组的容量将受限于容量最快耗尽的电池组，
这极大地影响了储能电站的可靠性与经济性。为此，需要一个有效的方法能够将不同型号、
荷电状态的电池组的荷电状态调控至一致。
发明内容
[0005] 本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种储能型多电平变流器拓扑及电池荷电状态调控方法，降低超大规模电池储能电站变流器的损耗和增强储能
电站电池工作经济性与可靠性；
[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一方面，本发明提供一种储能型多电平变流器拓扑，包括5个电池组、5个电容和3个变流器；所述5个电池组分别为电池组
一、电池组二、电池组三、电池组四和电池组五，5个电池组串联组成电池组串；所述5个电容
分别为第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器和第五电容器，5个电容串联连接
组成电容串；电池组串与电容串并联，每个电池组的正负极与对应的电容正负极相连；所述
3个变流器分别为第一变流器、第二变流器和第三变流器，每个变流器均包括50个IGBT管及
与其反并联的二极管，所述3个变流器与电池组串正负极并联连接。
[0007] 优选地，所述5个电池组均由m*n个单体储能电池串并联而成。
[0008] 优选地，所述每个变流器中50个IGBT管及与其反并联二极管排列成10x5的矩阵分布，并遵从从左至右，从上至下的顺序，将该50个IGBT及与其反并联二极管标记为Sij，其中1
≤i≤10，1≤j≤5，每一列的10个IGBT串联连接，即同一列中上一个IGBT的发射极与下一个
IGBT的集电极相连，S31的集电极与第一电容器的下端口相连，S51的集电极与第二电容器的
下端口相连，S71的集电极与第三电容器的下端口相连，591的集电极与第四电容器的下端口
相连，S10，1的发射极与第五电容器的下端口相连；S11、S12、S13、S14、S15的集电极并联后与第一电容器的上端口及电池组一的正极连接，S11、S12、S13、S14、S15的发射极相连，S22、S23、S24、S25的发射极相连，S31的发射极与S32的发射极相连，S33、S34、S35的发射极相连，S42的发射极与S43的发射极相连，S44的发射极与S45的发射极相连，S51的发射极与S52的发射极相连，S53的发射
极与S54的发射极相连，S62的发射极与S63的发射极相连，564的发射极与S65的发射极相连，S71
的发射极与S72的发射极相连，S73、S74、S75的发射极相连，S82、S83、S84、S85的发射极相连，S91、S92、S93、S94、S95的发射极相连，S10，1、S10，2、S10，3、S10，4、S10，5的发射极并联后与电池组五的负极连接。
[0009] 优选地，所述每个变流器的IGBT门极根据不同的调制策略有6种不同的开关状态，分别为：
[0010] 开关状态1：S65、S74、S75、S83、S84、S85、S92、S93、S94、S95、S10，1、S10，2、S10，3、S10，4、S10，5号IGBT导通，变流器的输出电流ip沿着S65、S74、S75、S83、S84、S85、S92、S93、S94、S95、S10，1、S10，2、S10，3、S10，4、S10，5号IGBT形成的任意导通路径流动，S21、S32、S41、S43、S52、S54、S61、S63、S72、S81号IGBT导通用以形成阻断电压，其余IGBT关断，此时变流器的输出电压为0；
[0011] 开关状态2：S54、S55、S63、S64、S65、S72、S73、S74、S75、S81、S82、S83、S84、S85、S91、S92、S93、S94、S95号IGBT导通，变流器的输出电流ip沿着S54、S55、S63、S64、S65、S72、S73、S74、S75、S81、S82、S83、S84、S85、S91、S92、S93、S94、S95号IGBT形成的任意导通路径流动，S21、S32、S41、S43、S52、S54、S61号IGBT导通用以形成阻断电压，其余IGBT关断，此时变流器的输出电压为Vdc/5，其中，Vdc为电池组串两端电压；
[0012] 开关状态3：S43、S44、S45、S52、S53、S54、S55、S61、S62、S63、S64、S65、S71、S72、S73、S74、S75、S82、S83、S84、S85号IGBT导通，变流器的输出电流ip沿着S43、S44、S45、S52、S53、S54、S55、S61、S62、S63、S64、S65、S71、S72、S73、S74、S75、S82、S83、S84、S85号IGBT形成的任意导通路径流动，S21、S32、S41、S91号IGBT导通用以形成阻断电压，其余IGBT关断，此时变流器的输出电压为2Vdc/5；
[0013] 开关状态4：S32、S33、S34、S35、S41、S42、S43、S44、S45、S51、S52、S53、S54、S55、S62、S63、S64、S65、S73、S74、S75号IGBT导通，变流器的输出电流ip沿着S32、S33、S34、S35、S41、S42、S43、S44、S45、S51、S52、S53、S54、S55、S62、S63、S64、S65、S73、S74、S75号IGBT形成的任意导通路径流动，S21、S71、S82、S91号IGBT导通用以形成阻断电压，其余IGBT关断，此时变流器的输出电压为3Vdc/5；
[0014] 开关状态5：S21、S22、S23、S24、S25、S31、S32、S33、S34、S35、S42、S43、S44、S45、S53、S54、S55、S64、S65号IGBT导通，变流器的输出电流ip沿着S21、S22、S23、S24、S25、S31、S32、S33、S34、S35、S42、S43、S44、S45、S53、S54、S55、S64、S65号IGBT形成的任意导通路径流动，S51、S62、S71、S73、S82、S91号IGBT导通用以形成阻断电压，其余IGBT关断，此时变流器的输出电压为4Vdc/5；
[0015] 开关状态6：Su、S12、S13、S14、S15、S22、S23、S24、S25、S33、S34、S35、S44、S45、S55号IGBT导通，变流器的输出电流ip沿着S21、S22、S23、S24、S25、S31、S32、S33、S34、S35、S42、S43、S44、S45、S53、S54、S55、S64、S65号IGBT形成的任意导通路径流动，S31、S42、S51、S53、S62、S64、S71、S73、S82、S91号IGBT导通用以形成阻断电压，其余IGBT关断，此时变流器的输出电压为Vdc。
[0016] 另一方面，本发明还提供所述储能型多电平变流器拓扑中电池荷电状态的调控方法，具体方法为：
[0017] 步骤1：计算电池组串中各电池组间的荷电状态不平衡量Imbsoci′，并将其与参考值做差，并对差值ΔImbsoci′在PI调节器中进行调节，其中，i′＝2，3，…，5；
[0018] 步骤1.1：计算电池组串的输出功率P，如下公式所示：
[0019]
[0020] 其中，m为变流器的调制系数，Irms是3个变流器输出电流的有效值，Φ是参照相电压的相移角；
[0021] 根据电池组串的输出功率P求得电池组串的共同电流icom，如下公式所示：
[0022]
[0023] 步骤1.2：根据流经各电池组电流，计算直流调控电流Ii′，Ii′是第i′-1个电池组与第i′个电池组连接点与电容之间的电流，在计算调控电流I2时，令调控电流I3＝I4＝I5＝0，
同理在计算其他调控电流时，设置相应的调控电流值为零，则：
[0024]
[0025] 其中，iBatk是流经第k个电池组的电流，k＝1，2，…，5；
[0026] 步骤1.3：根据各电池组荷电状态与直流调控电流计算各电池组间荷电状态不平衡量的计算值Imbsoci′与参考值
[0027] 步骤1.3.1：根据各电池组荷电状态SoCk计算各电池组间荷电状态不平衡量的计算值Imbsoci′，如下公式所示：
[0028]
[0029] 步骤1.3.2：根据直流调控电流计算各电池组间荷电状态不平衡量的参考值如下公式所示：
[0030]
[0031] 其中，s拉普拉斯积分算子，Qnom为各电池组的标称容量；
[0032] 步骤1.4：将差值 送入PI调节器中进行调节，PI调节器中比例系数Kp＝100，积分系数Ki＝1；
[0033] 步骤2：将PI调节器中的调节输出送入解耦矩阵R4x4中，输出经解耦矩阵R4x4解耦后，得到第i′个电池组间的输出补偿ωi′；
[0034] 所述解耦矩阵R4x4如下公式所示：
[0035]
[0036] 步骤3：根据各电池组间的输出补偿ωi′更新各变流器的调制参数，得到各变流器的占空比控制变流器中开关状态，进而调控各电池组的荷电状态，具体方法为：
[0037] 步骤3.1：根据修正系数λ对变流器的调制系数m进行修正，得到修正后的调制系数m*；
[0038] 步骤3.1.1：根据各电池组电压计算各电池组间的电压偏置参数yi′，如下公式所示：
[0039]
[0040] 其中，Vi′是第i′个电池组的两端电压；
[0041] 步骤3.1.2：根据各电池组间的电压偏置参数计算修正系数λ，如下公式所示：
[0042]
[0043] 步骤3.1.3：令各电池组输出电压均一致，对修正系数λ进行简化，如下公式所示：
[0044]
[0045] 步骤3.1.4：利用简化后的修正系数λ乘以调制系数m，得到修正后的调制系数m*，如下公式所示：
[0046]
[0047] 步骤3.2：根据修正后的调制系数m*与变流器输出a相电压电角度θ，计算求得每个变流器上IGBT的占空比dxy，其中，1≤x≤3，1≤y≤10；
[0048] 步骤3.2.1：将关于输出a相电压电角度θ的正弦函数与变流器的调制系数m*相乘得到第一变流器的占空比d1，然后对正弦函数移相得到第二变流器和第三变流器的占空比
d2，d3，如下公式所示：
[0049]
[0050] 步骤3.2.2：取三个变流器占空比的最大值Max(dx)，将该最大值与各变流器占空比的差值乘以系数k1得到相应变流器上各第一IGBT的占空比dx1(θ)，如下公式所示：
[0051] dx1(θ)＝k1*Max[d1(θ)，d2(θ)，d3(θ)]-dx(θ)
[0052] 其中，k1＝1/2；
[0053] 步骤3.2.3：取三个变流器占空比的最小值Min(dx)，将该最小值与各变流器占空比的差值乘以系数k2得到相应变流器上各第十IGBT的占空比dx，10(θ)；
[0054] dx，10(θ)＝dx(θ)-k2*Min[d1(θ)，d2(θ)，d3(θ)]
[0055] 其中，k2＝1/2；
[0056] 步骤3.2.4：计算各变流器上第二至第九IGBT的占空比，如下公式所示：
[0057] dx2(θ)＝dx3(θ)＝…＝dx9(θ)＝k3(1-dx1(θ)-dx10(θ))
[0058] 其中，k3＝1/4；
[0059] 步骤3.3：根据各电池组间的输出补偿ωi′对各变流器的占空比dxy进行补偿，得到补偿后的占空比dxy*，具体方法为：
[0060] 步骤3.3.1：根据各电池组间的输出补偿计算补偿系数ρ1，将3个变流器中的第一IGBT的占空比dx1(θ)均乘以补偿系数ρ1得到补偿后占空比dx1*(θ)，其中：
[0061] ρ1＝1-ω2-ω3-ω4-ω5
[0062] 步骤3.3.2：根据各电池组间的输出补偿计算补偿系数ρ2，将3个变流器中的第十*
IGBT的占空比dx，10(θ)乘以补偿系数ρ2得到补偿后占空比dx，10(θ)，其中：
[0063] ρ2＝1+ω2+ω3+ω4+ω5
[0064] 步骤3.3.3：将各电池组间的输出补偿ωi′乘以dx1(θ)与dx10(θ)的差值，并将该乘积结果加至dxp(θ)，得到各变流器上第二至第九IGBT补偿后占空比dxp*(θ)，其中2≤p≤9；
[0065] 步骤3.4利用各变流器的各IGBT补偿后占空比对各电池组的储能进行调控，使各电池组的荷电状态调控至一致。
[0066] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种储能型多电平变流器拓扑及电池荷电状态调控方法，使用该拓扑结构，在变流器6种开关状态下，变流器输出
电流都有多种流通路径，这减小了开关管的电压应力，降低了单个开关管的最大能量损耗，
提高了储能运行的可靠性。同时针对该拓扑结构提出的电池荷电状态调控方法，根据电池
组荷电状态不平衡量，计算电池组间的输出补偿值，进而能够调整变流器的占空比，达到平
衡电池组荷电状态的目的，这是一种通过分配各电池组之间的能量流动来平衡各电池组的
荷电状态的方法，没有增加额外的能量损耗，大幅度地节省了储能电站的经济成本。
附图说明
[0067] 图1为本发明实施例提供的一种储能型多电平变流器拓扑结构示意图；
[0068] 图2为本发明实施例提供的多电平变流器的拓扑结构图；
[0069] 图3为本发明实施例提供的多电平变流器处于开关状态1时的开关管状态图；
[0070] 图4为本发明实施例提供的多电平变流器处于开关状态2时的开关管状态图；
[0071] 图5为本发明实施例提供的多电平变流器处于开关状态3时的开关管状态图；
[0072] 图6为本发明实施例提供的多电平变流器处于开关状态4时的开关管状态图；
[0073] 图7为本发明实施例提供的多电平变流器处于开关状态5时的开关管状态图；
[0074] 图8为本发明实施例提供的多电平变流器处于开关状态6时的开关管状态图；
[0075] 图9为本发明实施例提供的一种储能型多电平变流器拓扑中电池荷电状态调控方法的流程图；
[0076] 图10为本发明实施例提供的变流器的各IGBT补偿后占空比仿真图；
[0077] 图11为本发明实施例提供的储能型多电平变流器拓扑中电池荷电状态调控结果的仿真图。
具体实施方式
[0078] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0079] 本实施例中，一种储能型多电平变流器拓扑，如图1所示，包括5个电池组、5个电容和3个变流器；所述5个电池组分别为电池组一、电池组二、电池组三、电池组四和电池组五，
5个电池组串联组成电池组串；5个电池组均由m*n个单体储能电池串并联而成。所述5个电
容分别为第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器和第五电容器，5个电容串联连
接组成电容串；电池组串与电容串并联，每个电池组的正负极与对应的电容正负极相连；所
述3个变流器分别为第一变流器、第二变流器和第三变流器，每个变流器均包括50个IGBT管
及与其反并联的二极管，如图2所示，所述3个变流器与电池组串正负极并联连接。
[0080] 所述每个变流器中50个IGBT管及与其反并联二极管排列成10x5的矩阵分布，并遵从从左至右，从上至下的顺序，将该50个IGBT及与其反并联二极管标记为Sij，其中1≤i≤
10，1≤j≤5，每一列的10个IGBT串联连接，即同一列中上一个IGBT的发射极(E)与下一个
IGBT的集电极(C)相连，S31的集电极与第一电容器的下端口相连，S51的集电极与第二电容
器的下端口相连，S71的集电极与第三电容器的下端口相连，S91的集电极与第四电容器的下
端口相连，S10，1的发射极与第五电容器的下端口相连；S11、S12、S13、S14、S15的集电极并联后与第一电容器的上端口及电池组一的正极连接，S11、S12、S13、S14、S15的发射极相连，S22、S23、S24、S25的发射极相连，S31的发射极与S32的发射极相连，S33、S34、S35的发射极相连，S42的发射极与S43的发射极相连，S44的发射极与S45的发射极相连，S51的发射极与S52的发射极相连，S53
的发射极与S54的发射极相连，S62的发射极与S63的发射极相连，S64的发射极与S65的发射极
相连，S71的发射极与S72的发射极相连，S73、S74、S75的发射极相连，S82、S83、S84、S85的发射极相连，S91、S92、S93、S94、S95的发射极相连，S10，1、S10，2、S10，3、S10，4、S10，5的发射极并联后与电池组五的负极连接。
[0081] 所述每个变流器的IGBT门极(g)根据相应的调制策略有6种不同的开关状态，分别为：
[0082] 开关状态1：如图3所示，S65、S74、S75、S83、S84、S85、S92、S93、S94、S95、S10，1、S10，2、S10，3、S10，4、S10，5号IGBT导通，变流器的输出电流ip沿着S65、S74、S75、S83、S84、S85、S92、S93、S94、S95、S10，1、S10，2、S10，3、S10，4、S10，5号IGBT形成的任意导通路径流动，S21、S32、S41、S43、S52、S54、S61、S63、S72、S81号IGBT导通用以形成阻断电压，其余IGBT关断，此时变流器的输出电压为0；
[0083] 开关状态2：如图4所示，S54、S55、S63、S64、S65、S72、S73、S74、S75、S81、S82、S83、S84、S85、S91、S92、S93、S94、S95号IGBT导通，变流器的输出电流ip沿着S54、S55、S63、S64、S65、S72、S73、S74、S75、S81、S82、S83、S84、S85、S91、S92、S93、S94、S95号IGBT形成的任意导通路径流动，S21、S32、S41、S43、S52、S54、S61号IGBT导通用以形成阻断电压，其余IGBT关断，此时变流器的输出电压为Vdc/5，其中，Vdc为电池组串两端电压；
[0084] 开关状态3：如图5所示，S43、S44、S45、S52、S53、S54、S55、S61、S62、S63、S64、S65、S71、S72、S73、S74、S75、S82、S83、S84、S85号IGBT导通，变流器的输出电流ip沿着S43、S44、S45、S52、S53、S54、S55、S61、S62、S63、S64、S65、S71、S72、S73、S74、S75、S82、S83、S84、S85号IGBT形成的任意导通路径流动，S21、S32、S41、S91号IGBT导通用以形成阻断电压，其余IGBT关断，此时变流器的输出电压为2Vdc/5；
[0085] 开关状态4：如图6所示，S32、S33、S34、S35、S41、S42、S43、S44、S45、S51、S52、S53、S54、S55、S62、S63、S64、S65、S73、S74、S75号IGBT导通，变流器的输出电流ip沿着S32、S33、S34、S35、S41、S42、S43、S44、S45、S51、S52、S53、S54、S55、S62、S63、S64、S65、S73、S74、S75号IGBT形成的任意导通路径流动，S21、S71、S82、S91号IGBT导通用以形成阻断电压，其余IGBT关断，此时变流器的输出电压为3Vdc/5；
[0086] 开关状态5：如图7所示，S21、S22、S23、S24、S25、S31、S32、S33、S34、S35、S42、S43、S44、S45、S53、S54、S55、S64、S65号IGBT导通，变流器的输出电流ip沿着S21、S22、S23、S24、S25、S31、S32、S33、S34、S35、S42、S43、S44、S45、S53、S54、S55、S64、S65号IGBT形成的任意导通路径流动，S51、S62、S71、S73、S82、S91号IGBT导通用以形成阻断电压，其余IGBT关断，此时变流器的输出电压为4Vdc/5；
[0087] 开关状态6：如图8所示，S11、S12、S13、S14、S15、S22、S23、S24、S25、S33、S34、S35、S44、S45、S55号IGBT导通，变流器的输出电流ip沿着S21、S22、S23、S24、S25、S31、S32、S33、S34、S35、S42、S43、S44、S45、S53、S54、S55、S64、S65号IGBT形成的任意导通路径流动，S31、S42、S51、S53、S62、S64、S71、S73、S82、S91号IGBT导通用以形成阻断电压，其余IGBT关断，此时变流器的输出电压为Vdc。
[0088] 一种储能型多电平变流器拓扑中电池荷电状态的调控方法，如图9所示，具体方法为：
[0089] 步骤1：计算电池组串中各电池组间的荷电状态不平衡量Imbsoci′，并将其与参考值做差，并对差值ΔImbsoci′在PI调节器中进行调节，其中，i′＝2，3，…，5；
[0090] 步骤1.1：计算电池组串的输出功率P，如下公式所示：
[0091]
[0092] 其中，m为变流器的调制系数，Irms是3个变流器输出电流的有效值，Φ是参照相电压的相移角；
[0093] 根据电池组串的输出功率P求得电池组串的共同电流icom，如下公式所示：
[0094]
[0095] 步骤1.2：根据流经各电池组电流，计算直流调控电流Ii′，Ii′是第i′-1个电池组与第i′个电池组连接点与电容之间的电流，在计算调控电流I2时，令调控电流I3＝I4＝I5＝0，
同理在计算其他调控电流时，设置相应的调控电流值为零，则：
[0096]
[0097] 其中，iBatk是流经第k个电池组的电流，k＝1，2，…，5；
[0098] 步骤1.3：根据各电池组荷电状态与直流调控电流计算各电池组间荷电状态不平衡量的计算值Imbsoci′与参考值
[0099] 步骤1.3.1：根据各电池组荷电状态SoCk计算各电池组间荷电状态不平衡量的计算值Imbsoci′，如下公式所示：
[0100]
[0101] 步骤1.3.2：根据直流调控电流计算各电池组间荷电状态不平衡量的参考值如下公式所示：
[0102]
[0103] 其中，s拉普拉斯积分算子，Qnom为各电池组的标称容量；
[0104] 步骤1.4：将差值 送入PI调节器中进行调节，PI调节器中比例系数Kp＝100，积分系数Ki＝1；
[0105] 步骤2：将PI调节器中的调节输出送入解耦矩阵R4x4中，输出经解耦矩阵R4x4解耦后，得到第i′个电池组间的输出补偿ωi′；
[0106] 所述解耦矩阵R4x4如下公式所示：
[0107]
[0108] 步骤3：根据各电池组间的输出补偿ωi′更新各变流器的调制参数，得到各变流器的占空比控制变流器中开关状态，进而调控各电池组的荷电状态，具体方法为：
[0109] 步骤3.1：根据修正系数λ对变流器的调制系数m进行修正，得到修正后的调制系数m*；
[0110] 步骤3.1.1：根据各电池组电压计算各电池组间的电压偏置参数yi′，如下公式所示：
[0111]
[0112] 其中，Vi′是第i′个电池组的两端电压；
[0113] 步骤3.1.2：根据各电池组间的电压偏置参数计算修正系数λ，如下公式所示：
[0114]
[0115] 步骤3.1.3：令各电池组输出电压均一致，对修正系数λ进行简化，如下公式所示：
[0116]
[0117] 步骤3.1.4：利用简化后的修正系数λ乘以调制系数m，得到修正后的调制系数m*，如下公式所示：
[0118]
[0119] 步骤3.2：根据修正后的调制系数m*与变流器输出a相电压电角度θ，计算求得每个变流器上IGBT的占空比dxy，其中，1≤x≤3，1≤y≤10；
[0120] 步骤3.2.1：将关于输出a相电压电角度θ的正弦函数与变流器的调制系数m*相乘得到第一变流器的占空比d1，然后对正弦函数移相得到第二变流器和第三变流器的占空比
d2，d3，如下公式所示：
[0121]
[0122] 步骤3.2.2：取三个变流器占空比的最大值Max(dx)，将该最大值与各变流器占空比的差值乘以系数k1得到相应变流器上各第一IGBT的占空比dx1(θ)，如下公式所示：
[0123] dx1(θ)＝k1*Max[d1(θ)，d2(θ)，d3(θ)]-dx(θ)
[0124] 其中，k1＝1/2；
[0125] 步骤3.2.3：取三个变流器占空比的最小值Min(dx)，将该最小值与各变流器占空比的差值乘以系数k2得到相应变流器上各第十IGBT的占空比dx，10(θ)；
[0126] dx，10(θ)＝dx(θ)-k2*Min[d1(θ)，d2(θ)，d3(θ)]
[0127] 其中，k2＝1/2；
[0128] 步骤3.2.4：计算各变流器上第二至第九IGBT的占空比，如下公式所示：
[0129] dx2(θ)＝dx3(θ)＝…＝dx9(θ)＝k3(1-dx1(θ)-dx10(θ))
[0130] 其中，k3＝1/4；
[0131] 步骤3.3：根据各电池组间的输出补偿ωi′对各变流器的占空比dxy进行补偿，得到补偿后的占空比dxy*，具体方法为：
[0132] 步骤3.3.1：根据各电池组间的输出补偿计算补偿系数ρ1，将3个变流器中的第一IGBT的占空比dx1(θ)均乘以补偿系数ρ1得到补偿后占空比dx1*(θ)，其中：
[0133] ρ1＝1-ω2-ω3-ω4-ω5
[0134] 步骤3.3.2：根据各电池组间的输出补偿计算补偿系数ρ2，将3个变流器中的第十*
IGBT的占空比dx，10(θ)乘以补偿系数ρ2得到补偿后占空比dx10(θ)，其中：
[0135] ρ2＝1+ω2+ω3+ω4+ω5
[0136] 步骤3.3.3：将各电池组间的输出补偿ωi′乘以dx1(θ)与dx，10(θ)的差值，并将该乘积结果加至dxp(θ)，得到各变流器上第二至第九IGBT补偿后占空比dxp*(θ)，其中2≤p≤9；
[0137] 步骤3.4利用各变流器的各IGBT补偿后占空比对各电池组的储能进行调控，使各电池组的荷电状态调控至一致。
[0138] 本实施例中，变流器的各IGBT补偿后占空比仿真如图10所示，利用各变流器的各IGBT补偿后占空比对各电池组的储能进行调控，使各电池组的荷电状态调控至一致的结果
如图11所示。
[0139] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可
以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同
替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范
围。
