基于四电平混合钳位变流器的新型储能并网系统构网控制与性能分析

本文针对储能系统对并网变流器功率输出能力和耐压等级提出的更高要求，创新性地采用四电平混合钳位变流器（4L-HCC）构建储能并网系统。研究建立了考虑电容电压波动的精确数学模型，提出无需注入共模电压（CMV）的新型电容电压平衡方案，并开发了融合构网（GFM）控制的综合控制方法。实验表明，该方法可将电容电压波动控制在±8.5%以内，同时具备四象限运行和孤岛运行能力。与传统2L/3L变流器相比，4L-HCC在降低开关频率66.6%的同时，输出电流谐波减少49.8%/4.6%，器件电压应力降低66.6%/33.3%，在损耗方面也更具优势。

　　

Highlight亮点

本研究创新性地将四电平混合钳位变流器(4L-HCC)应用于电池储能系统(BESS)，通过建立精确数学模型和开发新型控制策略，实现了高性能构网控制与电容电压平衡的协同优化。

Main circuit of 4L-HCC for the grid connection of BESS

BESS并网用4L-HCC主电路

如图1所示，电池电压U_dc通过三个电容均压后为a/b/c三相供电。从上至下分别为上电容C_p、中电容C_m和下电容C_l。每相包含8个开关管和1个悬浮电容C_fx（x代表a/b/c相）。N₁和N₂为虚拟中性点。

Mathematical model of 4L-HCC under fluctuated capacitor voltages

波动电容电压下的4L-HCC数学模型

本节建立了考虑电容电压波动的精确模型：首先分析开关状态与输出电压的关系，然后推导电容电压波动与开关状态的数学表达式，为后续控制策略奠定理论基础。

A novel capacity voltage balancing method for grid-connected 4L-HCC

4L-HCC并网新型电容电压平衡法

4.1节明确控制目标并构建损失函数；4.2节基于3.3节模型建立参考波与损失函数导数的关系；4.3节将3.2节的约束条件代入损失函数导数，实现无共模电压注入的电容电压平衡控制。

Grid-Forming control method for grid-connected 4L-HCC

4L-HCC并网构网控制方法

如图5所示，该控制架构将GFM控制与第4章提出的电压平衡方法有机结合，同步实现电容电压平衡、相角调节、双向功率流控制和高品质并网电流等多重目标。

Experimental results and analysis

实验结果与分析

通过建立硬件在环(HIL)测试系统验证：在3kV/600kVA工况下，所提方法能保持电容电压波动<±8.5%，且无需增加CMV。系统展现出优异的四象限运行能力和孤岛运行特性。

Conclusion结论

研究表明，4L-HCC在BESS应用中展现出显著优势：相比传统2L/3L变流器，开关频率降低66.6%的同时，输出电流谐波减少49.8%/4.6%，器件电压应力下降66.6%/33.3%，且具有更优的损耗特性。