基于級聯多電平直流變換器的超級電容儲能系統能量自均衡控制策略

2018-05-17 11:52:26 電氣技術　點擊量：評論 (0)

哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院的研究人員畢愷韜、安群濤等，在2018年第8期《電工技術學報》上撰文指出，儲能系統中能量均衡控制是亟需解決的關鍵問題之一。針對級聯多電平超級電容儲能系統，提出一種能量自均衡控制策略。

該策略利用超級電容荷電狀態（SOC）建立半橋子模組獨立電流閉環系統，使各子模組平均工作電流可根據超級電容SOC進行獨立控制。因此，在不影響系統電流響應的前提下，該策略可直接利用系統電流進行模組間能量均衡。同時，為了解決能量均衡過程中均衡速度降低的問題，設計一種基于SOC的權重系數以提升均衡速度。

該策略不僅不影響儲能系統穩定母線電壓的能力，同時還避免外加均衡電路的使用，簡化了儲能系統的整體控制策略。最后，通過實驗驗證了所提方法的有效性。

超級電容儲能系統作為一種提升能量利用率的有效方式，近年來被廣泛應用于電動汽車、智能微電網系統以及地鐵供電系統中[1-3]。儲能系統能夠動態調節直流母線能量，在供電系統中起著“調峰填谷”、穩定母線電壓的作用[4,5]。

超級電容作為儲能設備，單模組的耐壓值較低，通常需要大量模組串聯使用以適應高電壓應用場合。然而，由于制造工藝差異、不同的充放電速率以及工作環境溫度差異等原因，串聯的各模組在頻繁充/放電工況下荷電狀態（Stateof Charge, SOC）出現不一致。這會導致部分超級電容出現過充/過放的現象，嚴重損害超級電容的使用壽命，同時影響儲能系統的可靠性以及安全性[6,7]。

為了延長超級電容使用壽命，由均衡電路以及相應的控制策略所組成的超級電容能量管理系統被應用于儲能系統中[2,8,10]。這些均衡策略主要分為能耗型均衡策略、開關電容器均衡策略以及變壓器均衡策略三種類型。

能量均衡策略是在模組兩端并聯高精度功率電阻，使高SOC模組中的多余能量通過電阻進行消耗，從而實現能量在各模組間的平均分配[9]。這種均衡策略的主要優點為電路構成及控制簡單、成本較低，但是模組多余的能量都以熱量形式損耗，均衡效率較低，系統發熱嚴重。

開關電容器均衡策略則是采用多個電容器以及開關并聯在儲能模組兩端，利用并聯的電容器將高荷電狀態模組中的能量轉移到低SOC模組中[10]。為了能夠提升能量利用率，文獻[11]通過增加諧振電感，設計了電容開關諧振均衡電路，達到了MOSFET零電流關斷的目的，減小了開關損耗。

但是開關電容器均衡策略適用于相鄰模組間能量的均衡，當能量在相隔較遠的模組間傳遞時效率較低。對此文獻[2]提出了基于多繞組變壓器的均衡策略，能夠實現任意模組間能量的均衡。但是該策略的均衡性能嚴重依賴變壓器二次繞組的對稱程度，同時，在大量串聯模組系統中，難以制造二次側數量眾多的多繞組變壓器。為此，有學者提出采用多個變壓器代替多繞組變壓器對多模組進行均衡控制[12]，但是這將導致系統設計更加復雜，系統體積及成本增加。

級聯多電平直流變換器因其靈活的組成形式及中、高壓應用特點，近年來逐漸被應用于儲能系統中[13-16]。文獻[14]提出了基于子模組SOC的均衡控制策略，這種均衡方式不需要任何均衡電路，直接利用系統充/放電電流對模組能量進行均衡，但是該策略需要對各子模組SOC以及系統電流分別進行PI閉環控制，系統運算量較大。

文獻[15]提出了一種適用于交流級聯儲能系統的SOC均衡控制策略，該策略通過檢測蓄電池SOC差異切換不同的調制策略，從而在實現電池SOC均衡的同時改善電能質量，然而調制策略頻繁切換對系統穩定性造成的影響并未給出明確分析。

文獻[16]提出了一種基于SOC的鏈式電池儲能系統充放電三級均衡策略，該策略同時考慮能量均衡以及冗余控制，進而提高了系統可靠性，但是三級均衡策略使系統整體控制變得復雜。由于結構相似，級聯系統電容電壓均衡問題在基于模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter, MMC）的高壓直流輸電系統中同樣存在。

MMC中電壓均衡大多數采用電容電壓排序的均衡策略[17-20]，該類方法根據電容電壓以及當前運行模式決定投入的工作模組。然而MMC龐大的子模組數量給上述電壓均衡算法帶來了沉重的運算負擔。由于應用背景的不同，MMC控制上還需要考慮到頻率、諧波等問題，而且電容容量遠小于儲能電容，因此對于MMC的電壓均衡方式在儲能系統中的應用需要進一步深入研究。

傳統的超級電容能量均衡與能量存儲在控制上是完全分開的，弱化了控制系統的易操作性，同時能量均衡過程也給系統帶來了過多的損耗。為此，本文提出了一種適用于級聯多電平直流變換器的超級電容儲能系統能量自均衡控制策略。

該策略將能量均衡與能量存儲統一化處理，通過利用能量平均分配的概念從根本上對各半橋超級電容模組充/放電能量進行控制，在穩定母線電壓的同時，快速調整模組間能量分布，達到能量均衡目的。針對因模組間能量均衡導致均衡速度下降的問題，提出了基于超級電容SOC權重系數的加速均衡策略，并對穩態工況進行了分析。最后利用搭建的超級電容儲能系統物理仿真實驗平臺對所提出的自均衡控制策略進行了證明。