发明内容

为了实现以上要求，本发明提出一种控制电池储能系统的双向多电平变换器。以三电平基础拓扑为例具体分析，还提出了四电平、m电平扩展拓扑。该拓扑结构具有高电压增益且输出电压纹波小，电路工作时开关电容电路中电容两端的电压自动稳定，以实现电路稳定输出，各功率开关工作在不同状态组合得到多电平输出，通过对相邻工作状态调控其占空比来精确调节输出电压。

多电平变换器的基础单元(图2)为三个开关管与一个电容组成的开关电容模块。电池通过与开关电容模块中的电容串联实现升压功能。拓扑结构中每多一个基础单元，变换器的电压增益上限提高U_b。变换器通过开关电容部分滤波部分实现电池与直流母线间的电压转换，各开关管工作在不同的状态组合得到多电平输出。

采用所述基础单元的三电平基础拓扑(图3)由五个开关管，两个电容和一个电感构成，包括开关电容部分与滤波部分。其中开关电容部分由一个基础单元组成，包括S₁、S₃、S₄和C₁。开关电容部分的左边与电池相连，并通过S₂形成电池对开关电容模块中电容C₁的充电回路，右边经S₅、滤波部分与直流母线相连。当S₁关断，S₂、S₃导通时，电池对电容C₁充电；当S₁导通，S₂、S₃、S₄关断，此时C₁两端的电压为U_b，电池与C₁串联实现升压功能。S₅为高电平通路，S₂为低电平通路。滤波部分由L和C₂构成，以滤除高频电压。

将“1”定义为开关的高电平驱动信号，“0”表示低电平驱动信号，则可用五位数字来表示电路的工作状态。不同的驱动信号作用于拓扑电路，使开关管S₁～S₅工作于不同的状态组合，得到不同的输出电平，共有三种状态。状态1：开关S₂、S₃、S₄导通，S₁、S₅截止；状态2：开关S₂、S₃、S₅导通，S₁、S₄截止；状态3：开关S₁、S₅导通，S₂、S₃、S₄截止。从而得到三个输出电平。

表1驱动信号表(三电平基础拓扑)

状态1：

此时电路驱动信号为01110，开关S₂、S₃、S₄导通，S₁、S₅截止，直流母线输出电压为0V。电池放电时(放电回路如图4实线)，电池经S₂、S₃对C₁充电，此时没有电流流向直流母线。电池充电时(充电回路如图4虚线)，C₁经S₂、S₃对电池充电，，此时没有电流从直流母线流向电池。

状态2：

此时电路驱动信号为01101，开关S₂、S₃、S₅导通，S₁、S₄截止，直流母线输出电压为U_b。电池放电时(放电回路如图5实线)，电池经S₂、S₃对C₁充电，并发出电流经S₃、S₅和滤波电路流向直流母线。电池充电时(充电回路如图5虚线)，C₁经S₂、S₃对电池充电，直流母线流出电流经S₃、S₅和滤波电路向电池充电。

状态3：

此时电路驱动信号为10001，开关S₁、S₅导通，S₂、S₃、S₄截止，直流母线的输出电压为2U_b。电池放电时(放电回路如图6实线)，电池串联C₁发出电流经S₁、S₅和滤波电路流向直流母线。电池充电时(充电回路如图6虚线)，直流母线流出电流经S₁、S₅和滤波电路对C₁与电池充电。

在得到的0、U_b、2U_b三个输出电平的基础上，对于其他所需0～2U_b内的输出电压，可以对相邻两个工作状态调节其各自作用时间，即调控占空比来实现各个区间内的精确输出。由0～U_b、U_b～2U_b两个区间，分成两种组合模式：

模式一：所需电压于0～U_b时，电路工作于状态1与2，两种驱动信号各作用一段时间。当状态1的作用时间为T₁，开关周期为T_S时，则状态1的占空比D₁＝T₁/T_S，此时输出电压U₀为：

U₀＝(1-D₁)U_b (2-1)

若电池电压及输出电压已知，则可由上述公式2-1得到状态1的占空比D₁：

D₁＝1-U₀/U_b (2-2)

由D₁可知，状态1作用的时间T₁＝D₁T_S，状态2作用的时间T₂＝T_S-T₁。

模式二：所需电压于U_b～2U_b时，电路工作于状态2与3，两种驱动信号各作用一段时间。当状态2的作用时间为T₂，开关周期为T_S时，则状态2的占空比D₂＝T₂/T_S，此时输出电压U₀为：

U₀＝D₂U_b+(1-D₂)2U_b (2-3)

若电池电压及输出电压已知，则可由上述公式2-3得到状态2的占空比D₂：

D₂＝2-U₀/U_b (2-4)

由D₂可知，状态2作用的时间T₂＝D₂T_S，状态3作用的时间T₃＝T_S-T₂。

采用所述基础单元的四电平扩展拓扑(图7)由八个开关管，三个电容和一个电感构成，包括开关电容部分与滤波部分。其中开关电容部分由两个基础单元组成，包括S₁、S₃、S₄、S₅、S₆、S₈、C₁、C₂。开关电容部分的左边与电池相连，并通过S₂形成电池对开关电容模块中电容C₁、C₂的充电回路，其右边经S₇、滤波部分与直流母线相连。当电池对开关电容模块中的电容C₁、C₂充电完毕后，各开关管的不同导通关断组合，使电池与C₁、C₂串联，实现升压功能。S₇为高电平通路，S₂为低电平通路。滤波部分由L和C₃构成，以滤除高频电压。

不同的驱动信号作用于拓扑电路，使开关管S₁～S₈工作于不同的状态组合，得到不同的输出电平，共有四种状态。状态1：开关S₂、S₃、S₄、S₆、S₈导通，S₁、S₅、S₇截止；状态2：开关S₂、S₃、S₄、S₆、S₇导通，S₁、S₅、S₈截止；状态3：电路有两种驱动信号，前半周期内开关S₂、S₃、S₅、S₇导通，S₁、S₄、S₆、S₈截止；后半周期内开关S₁、S₄、S₆、S₇导通，S₂、S₃、S₅、S₈截止。状态4：开关S₁、S₅、S₇导通，S₂、S₃、S₄、S₆、S₈截止。从而得到四个输出电平。

表2驱动信号表(四电平扩展拓扑)

状态1：

此时电路驱动信号为01110101，开关S₂、S₃、S₄、S₆、S₈导通，S₁、S₅、S₇截止，直流母线输出电压为0V。电池放电时(放电回路如图8实线)，电池经S₂、S₃对C₁充电，经S₂、S₃、S₄、S₆对C₂充电，此时没有电流流向直流母线。电池充电时(充电回路如图8虚线)，C₁经S₂、S₃对电池充电，C₂经S₂、S₃、S₄、S₆对电池充电，此时没有电流流向电池。

状态2：

此时电路驱动信号为01110110，开关S₂、S₃、S₄、S₆、S₇导通，S₁、S₅、S₈截止，直流母线输出电压为U_b。电池放电时(放电回路如图9实线)，电池经S₂、S₃对C₁充电，经S₂、S₃、S₄、S₆对C₂充电，电池发出电流经S₃、S₆、S₇和滤波电路流向直流母线。电池充电时(充电回路如图9虚线)，C₁经S₂、S₃对电池充电，C₂经S₂、S₃、S₄、S₆对电池充电，直流母线流出电流经S₃、S₆、S₇和滤波电路向电池充电。

状态3：

此时直流母线的输出电压为2U_b，电路工作状态分为前后各半个周期。前半周期电路驱动信号为01101010，开关S₂、S₃、S₅、S₇导通，S₁、S₄、S₆、S₈截止。电池放电时(放电回路如图10实线)，电池经S₂、S₃给C₁充电，同时串联C₂发出电流经S₃、S₅、S₇和滤波电路流向直流母线。电池充电时(充电回路如图10虚线)，C₁经S₂、S₃对电池充电，直流母线流出电流经S₃、S₅、S₇和滤波电路向C₂与电池充电。后半周期电路驱动信号为10010110，开关S₁、S₄、S₆、S₇导通，S₂、S₃、S₅、S₈截止。电池放电时(放电回路如图11实线)，电池串联C₁发出电流经S₁、S₆、S₇和滤波电路流向直流母线，C₁经S₄、S₆对C₂充电。电池充电时(充电回路如图11虚线)，C₂经S₄、S₆对C₁充电，直流母线流出电流经S₁、S₆、S₇和滤波电路向C₁与电池充电。

状态4：

此时电路驱动信号为10001010，开关S₁、S₅、S₇导通，S₂、S₃、S₄、S₆、S₈截止，直流母线的输出电压为3U_b。电池放电时(放电回路如图12实线)，电池串联C₁与C₂发出电流经S₁、S₅、S₇和滤波电路流向直流母线。电池充电时(充电回路如图12虚线)，直流母线流出电流经S₁、S₅、S₇和滤波电路对C₁、C₂与电池充电。

在得到的0、U_b、2U_b、3U_b四个输出电平的基础上，对于其他所需0～3U_b内的输出电压，可以对相邻两个工作状态调节其各自作用时间，即调控占空比来实现各个区间内的精确输出。由0～U_b、U_b～2U_b、2U_b～3U_b三个区间，分成三种组合模式：

模式一：所需电压于0～U_b时，电路工作于状态1与2，两种驱动信号各作用一段时间。当状态1的作用时间为T₁，开关周期为T_S时，则状态1的占空比D₁＝T₁/T_S，此时输出电压U₀为：

U₀＝(1-D₁)U_b (2-5)

若电池电压及输出电压已知，则可由上述公式2-1得到状态1的占空比D₁：

D₁＝1-U₀/U_b (2-6)

由D₁可知，状态1作用的时间T₁＝D₁T_S，状态2作用的时间T₂＝T_S-T₁。

模式二：所需电压于U_b～2U_b时，电路工作于状态2与3，两种驱动信号各作用一段时间。当状态2的作用时间为T₂，开关周期为T_S时，则状态2的占空比D₂＝T₂/T_S，此时输出电压U₀为：

U₀＝D₂U_b+(1-D₂)2U_b (2-7)

若电池电压及输出电压已知，则可由上述公式2-3得到状态2的占空比D₂：

D₂＝2-U₀/U_b (2-8)

由D₂可知，状态2作用的时间T₂＝D₂T_S，状态3作用的时间T₃＝T_S-T₂。

模式三：所需电压于2U_b～3U_b时，电路工作于状态3与4，两种驱动信号各作用一段时间。当状态3的作用时间为T₃，开关周期为T_S时，则状态3的占空比D₃＝T₃/T_S，此时输出电压U₀为：

U₀＝2D₃U_b+(1-D₃)3U_b (2-9)

若电池电压及输出电压已知，则可由上述公式2-5得到状态3的占空比D₃：

D₃＝3-U₀/U_b (2-10)

由D₃可知，状态3作用的时间T₃＝D₃T_S，状态4作用的时间T₄＝T_S-T₃。

采用所述基础单元的m电平扩展拓扑(图13)由3m-4个开关管，m-1个电容和一个电感构成，包括开关电容部分与滤波部分。其中开关电容部分由m-2个基础单元组成，其左边与电池相连，通过S₂形成电池对开关电容模块中各个电容的充电回路，右边经S_3m-4、滤波部分与直流母线相连。当电池对开关电容模块中的各个电容充电完毕后，各开关管经过不同的状态组合，使电池与各开关电容串联实现升压功能。S_3m-4为高电平通路，S₂为低电平通路。滤波部分由L和C_m-1构成，以滤除高频电压。

对于m电平扩展拓扑，每多一个基础单元使变换器的电压增益上限提高U_b，m电平扩展拓扑中有m-2个基础单元，则可以得到0、U_b、2U_b、……、(m-1)U_b共m个输出电平，通过调制相邻工作状态的占空比可以精确调节0～(m-1)U_b内的输出电压。该拓扑结构具有高电压增益且输出电压纹波小。

本申请与现有技术相比，具有以下优势：

1.本申请为非隔离型DC-DC变换器，功耗低，结构比较简单，易于集成。

2.本申请提出的变换器拓扑模块化程度高，扩展性能好，可以降低维护和安装的成本。

3.本申请中输出电压调节范围从0～U_b增加到0～2U_b、0～3U_b和0～(m-1)U_b，具有高电压增益。

4.本申请中通过增加输出电压电平抑制了输出电压纹波。

5.本申请中电路工作时开关电容电路中电容两端的电压自动稳定，以实现电路稳定输出。