基于模块化多电平直流变换器的储能系统分布式能量均衡控制策略

  哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的研究人员毕恺韬、孙力等，在2018年第16期《电工技术学报》上撰文，未解决级联式储能系统中储能模组间能量均衡问题，同时提升系统的模块化程度，提出一种分布式能量均衡控制策略。该策略充分的利用了双向直流变换器模块化结构的特点，将各子模块采用独立闭环控制。

  为了使子模组能够独立进行能量均衡，将下垂控制思想以及超级电容荷电状态(SOC)引入到电流闭环中，使子模组可以依据自身SOC状态调整工作电流，进而实现能量自动分布调整，达到均衡控制目的。为了减小模组SOC对系统电流的影响，控制策略中引入了电流校正环节，从而改善系统电流的调整率。

  该策略不影响储能系统稳定母线电压的能力，同时各储能模组间不需要任何通信，使系统具备了完全的模块化特性。最后，通过实验验证了所提方法的有效性。

  超级电容作为一种高功率密度的储能设备，被广泛应用于储能系统中。超级电容模组的耐压值较低，通常需要多模组串联使用以适应中、高压应用场合[1,2]。然而，由于制造工艺、环境温度等原因，串联的超级电容模组在频繁充/放电工况下荷电状态(State of Charge, SOC)会出现不一致。

  长时间运行下，将导致部分模组出现过充/过放的现象，严重损害超级电容的使用寿命，同时影响储能系统的可靠运行[3]。因此超级电容模组间的能量均衡控制是储能系统中亟需解决的问题之一。

  储能系统中的双向直流变换器拓扑结构主要分为传统半桥拓扑及级联模块化拓扑。半桥拓扑结构下，超级电容模组直接串联使用。此时模组间均衡控制策略可以归纳为能耗型均衡及非能耗型均衡两种类型[4-10]。

  能耗型均衡主要采用高精度功率电阻并联于模组两端，并利用电阻将高能量分布模组中的多余能量消耗掉[4,5]。这种均衡策略控制原理简单，容易实现，但是会导致系统发热严重，降低系统效率。非能耗型均衡控制的主要思路是将高能量模组中的多余能量转移到低能量模组中，从而实现能量在模组中的平均分配。非能耗型均衡主要利用并联电容或者隔离DC-DC变换器来实现。

  并联电容均衡策略能够采用先进控制算法进行控制，但是其缺点在于当能量在相隔较远的模组间传递时，系统效率较低[6,8]。而采用隔离DC-DC变换器的均衡策略虽然能够解决任意模组间能量均衡的问题，但是这种均衡方式对变压器的设计要求较高，同时随着串联模组数量的增多，无论是采用多绕组变压器还是采用多变压器的形式都将导致均衡系统体积庞大，同时系统控制较为复杂[9,10]。

  在级联模块化拓扑结构中，超级电容模组需要通过变换器的子模块进行串联。这种拓扑结构具有开关管的电压应力小、系统无源器件体积小等优点，近年来受到了广泛的关注[11-16]，同时针对级联拓扑结构的能量均衡策略也已被提出。文献[12]将能量存储以及能量均衡做归一化处理，提出利用子模组电容荷电状态建立独立闭环，SOC的闭环输出结果直接控制系统电压外环。

  文献[14]与之相似，采用平均SOC的概念，利用各模组的SOC以及平均SOC直接参与电压外环控制。这两种策略均能够在满足系统运行功能的前提下，根据子模组SOC独立调整各子模组工作电压，实现能量均衡分配。文献[16]提出一种基于电压、电流双闭环以及SOC闭环的储能系统控制策略，该策略将各模组SOC闭环输出结果不断叠加到电流环上，从而使能量均衡与系统电流控制实现解耦。

  上述策略的共同特点是需共用各子模组SOC信息，但这将导致各子模块间缺乏独立控制能力，因此系统整体的模块化程度较低，同时系统的冗余特性以及可扩展性受到影响。

  级联模块化变换器在结构上属于输入串联输出串联(Input-Serious Output-Serious, ISOS)组合系统，而ISOS系统中的均压问题是持续热点[17-21]。文献[17]提出了一种基于电压外环、电流内环以及反馈均压环的多闭环均压控制策略，但该策略对系统参数要求较高，同时易受主功率电路电流影响。

  文献[19]提出了一种交换占空比的控制策略，较为新颖，但是其应用条件受限于串联模组数量。为提高系统的可扩展性，文献[21]提出了一种分布式均压控制策略，该策略将模块输入电压叠加到参考电压中，因此可根据输入电压调整模块的输出，从而实现模块输入端及输出端均压。

  该策略增强了系统模块化程度，易于系统扩展。虽然ISOS系统与模块化多电平储能系统存在一定的相似之处，但是无论从具体拓扑结构，还是从应用背景上均有一定的差别。因此ISOS系统中的均压控制策略应用于储能系统中时，仍需要作进一步研究。

  传统的基于模块化级联变换器的超级电容储能系统大部分为非分布式控制，这样不仅弱化了系统的模块化特性，同时也降低了系统的可靠性。为此，本文提出了一种适用于模块化多电平直流变换器的超级电容储能系统分布式能量均衡控制策略。

  该策略充分利用了系统模块化组成特点，对各子模组进行独立的闭环控制，同时根据子模组工作电流与模组SOC间的关系，将下垂控制思想引入到系统中，从而使各子模块依据自己SOC状态调整其工作电流，进而达到子模组间能量均衡的目的。

  文中首先对模块化超级电容储能系统运行工况与模组SOC状态调整间的关系进行了分析，然后提出了分布式能量均衡控制策略，并分析了该策略的稳定性。最后利用搭建的超级电容储能系统物理仿真实验平台对所提出的控制策略进行了验证。

  本文提出了一种适用于模块化储能系统的分布式能量均衡控制策略。该策略将下垂控制思想与超级电容SOC相结合，对电流环进行了重新设计，使系统各子模组能够依据自己的能量分布情况调整其平均工作电流值，达到能量自动均衡的目的。通过引入电流校正环节，减小了输出电流偏差对系统的影响，改善了系统电流调整率。同时，文中利用系统闭环根轨迹证明了该策略的稳定性。

  分布式能量均衡控制策略能够保证各模组控制上完全独立，使系统整体设计具备极高的冗余特性，可完全依据模块化设计思路进行设计。最后，通过搭建的模块化储能系统实验平台对该策略进行了实验验证。

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