CN104538982A - 基于模块化多电平拓扑结构的分布式储能系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模块化多电平拓扑结构的分布式储能系统的控制方法，包括对分布式储能系统中各子模块储能元件荷电状态平衡控制及电容电压平衡控制：其中分布式储能系统中各子模块储能元件荷电状态平衡控制是利用荷电状态外环电流内环的双环控制策略产生子模块后级DC-DC电路开关器件的开关信号来实现。对于电容电压的平衡控制，本发明是在已有的多层控制策略的基础上，在每层电容电压平衡控制环中引入SoC前馈，在实现电容电压平衡控制的基础上改善电容电压平衡的动态特性。本发明的重点在SoC平衡控制以及引入SoC前馈的部分，因此本发明可以同时实现分布式储能系统中各子模块储能元件荷电状态平衡控制及电容电压平衡控制。

Description

基于模块化多电平拓扑结构的分布式储能系统的控制方法

技术领域

本发明属于中高压电能质量控制器以及新能源并网等研究领域，涉及一种基于模块化多电平拓扑结构的分布式储能系统的控制方法。

背景技术

近年来，伴随着我国经济的快速发展，能源短缺和环境污染等问题日益严重。为了解决上述问题，以风力发电、光伏发电为代表的可再生能源得到了大规模的开发利用。然而，因新能源所固有的间歇性、随机性等特点，以风电、光伏为代表的新能源大规模接入电网时会造成电网电压波动、电网频率发生偏移等电能质量问题，从而对电网运行稳定性产生较大的影响。静止同步发电机(SSG)为解决该问题提供了一种可行的技术手段。SSG是以高压大容量STATCOM与电池储能等技术为基础，以先进的同步控制方式为核心，达到改善并网点电压的动态特性，增强并网点电网强度的新型电力电子装置。该装置不仅具有平滑新能源的出力波动、改善电网电能质量、保障电网供电可靠性、参与系统调频调压等能力，而且更重要的是其可增强并网点电网强度，帮助接入设备的稳定运行。

对于传统的电池储能系统，直流侧所接入的电池单元是由若干电池模块串联组成，电池模块间的能量均衡则是通过每个模块所配备的电池管理系统(BMS)所实现。随着串联电池模块数目的增加，BMS会变得非常复杂。因此，一个电池单元所串联的电池模块数目会受到BMS复杂度的限制，从而限制了电池单元的最大直流电压。另外，传统电池储能系统中多采用两电平或三电平变流器，其交流侧输出电压波形质量较差，电压等级也受到直流侧所接电池单元最大直流电压的限制。为了接入中高压电网，则需要在该系统交流侧加装笨重的滤波装置以及升压变压器，从而带来整个系统成本较高，损耗严重以及系统可靠性较差等诸多问题。

模块化多电平拓扑(MMC)自从提出之后就得到学者广泛地研究和关注。模块化多电平拓扑具有诸多优点：模块化的设计、低开关频率、低功耗、高质量的频谱特性等。这些优点给模块化多电平变流器的制造，安装，维护带来了巨大方便，也使得其不用网侧变压器直接接入中高压电网。同时，其模块化的结构也为储能元件分布式接入变流器提供了一种可行性。该接入方式使得只需较低的储能元件直流电压，通过增加变流器桥臂串联子模块的个数，来实现较高的变流器交流侧输出电压等级。另外，系统能量分散在各个子模块当中，从而提高了整个系统的稳定性和可靠性。模块化多电平拓扑所具有的冗余特性也使得系统在发生故障时具有一定的故障穿越能力。因此，本发明选择基于模块化多电平拓扑结构的分布式储能作为静止同步发电机的换流器拓扑。

近年来，针对基于模块化多电平拓扑结构的分布式储能系统的研究还处于起步阶段。研究的热点主要集中在对该系统基本工作原理的分析，储能元件接入子模块所需后级DC-DC电路拓扑的选择以及系统控制方法等方面。其中，系统的控制方法是保证整个系统按所需工作方式正常运行的关键所在。已有的控制方法较少，有些方法只侧重于系统电容电压的平衡控制而忽略荷电状态的平衡控制；而有些方法仅利用子模块前级开关器件实现SoC平衡控制，对电容电压的平衡控制却不明确。同时，当子模块SoC出现差异时，该差异会影响电容电压平衡的动态特性。因此，亟须一种新型的控制方法来有效地解决上述问题，在实现电容电压和荷电状态平衡的基础上，使电容电压平衡控制获得更好的动态特性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于模块化多电平拓扑结构的分布式储能系统的控制方法，该方法可以同时实现分布式储能系统中各子模块储能元件荷电状态平衡控制及电容电压平衡控制。

为达到上述目的，本发明所述的基于模块化多电平拓扑结构的分布式储能系统的控制方法包括分布式储能系统中各子模块储能元件荷电状态平衡控制及电容电压平衡控制；

所述分布式储能系统中各子模块储能元件荷电状态平衡控制包括以下步骤：

1.1)根据分布式储能系统中各子模块储能元件所配备的能量管理系统得到各子模块储能元件的荷电状态值SoC_ijk，其中，i＝1，2，3…N，N为桥臂中子模块储能元件的总数，j为u或l，u与l分别为上桥臂及下桥臂，k＝{a，b，c}，a、b及c分别表示分布式储能系统的三相；

1.2)根据步骤1.1)得到的各子模块储能元件的荷电状态值SoC_ijk得分布式储能系统中所有子模块储能元件荷电状态的平均值

1.3)将步骤1.2)得到的分布式储能系统中所有子模块储能元件荷电状态的平均值及步骤1.1)得到的各子模块储能元件的荷电状态值SoC_ijk得各子模块储能元件的电流指令值

1.4)将步骤1.3)得到的各子模块储能元件的电流指令值与采样得到的对应子模块储能元件的电流实际值i_{batt_ijk}作差得到的结果输入到PI调节器，再将PI调节器输出的结果与对应子模块储能元件的直流电压u_{batt_ijk}相加，并将相加所得结果作为对应子模块后级DC-DC电路的调制波信号，然后将各子模块后级DC-DC电路的调制波信号与三角载波信号进行比较，得到各子模块后级DC-DC电路开关信号，最后根据所述各子模块后级DC-DC电路开关信号来控制分布式储能系统中各子模块储能元件的电荷状态；

所述分布式储能系统中各子模块电容电压平衡控制具体包括以下步骤：

2.1)根据步骤1.1)所得到的各子模块储能单元的荷电状态值SoC_ijk得各相中上桥臂的荷电状态平均值及下桥臂的荷电状态平均值以及各相的荷电状态平均值

2.2)根据步骤1.2)中得到的所有子模块荷电状态平均值、步骤2.1)中得到的a相相荷电状态平均值和b的相荷电状态平均值得电容电压相间平衡控制层的前馈零序电压指令u^* _{o_batt}；

2.3)根据步骤2.1)得到的各相上桥臂的荷电状态平均值与各相下桥臂的荷电状态平均值得到电容电压桥臂间平衡控制层的前馈交流环流指令i^* _{cirk_batt}；

2.4)检测系统桥臂电流i_{arm_jk}，当系统桥臂电流方向为正时，符号函数sgn(i_{arm_jk})＝1；当桥臂电流方向为负时，，符号函数sgn(i_{arm_jk})＝-1，将步骤2.1中得到的各相中上桥臂的荷电状态平均值及下桥臂的荷电状态平均值分别与相应桥臂内N个子模块的荷电状态值SoC_ijk作差，并将作差得到的结果输入到PI调节器，然后将PI调节器输出的结果除以N·P^* _batt进行归一化处理，再将归一化处理的结果乘以符号函数sgn(i_{arm_jk})所得的结果作为各桥臂内相应子模块电容电压平衡控制层的端口电压微调前馈系数指令Δα_{ijk_batt}；

2.5)根据步骤2.3)得到的电容电压桥臂间平衡控制层的前馈交流环流指令i^* _{cirk_batt}、步骤2.2)得到电容电压相间平衡控制层的前馈零序电压指令u^* _{o_batt}、步骤2.4)得到的各桥臂内相应子模块电容电压平衡控制层的端口电压微调前馈系数指令Δα_{ijk_batt}改善电容电压平衡的动态特性，实现分布式储能系统中各子模块电容电压平衡控制。

步骤1.3)的具体操作为：

将步骤1.2)得到的分布式储能系统中所有子模块储能元件荷电状态的平均值分别与各子模块储能元件的荷电状态值SoC_ijk进行作差运算，并将作差运算得到的结果输入到PI调节器中，再将PI调节器的输出信号作为实现对应子模块储能元件SoC平衡所需的功率变化量ΔP_{ijk_batt}，然后将所述功率变化量ΔP_{ijk_batt}与对应子模块储能元件的输出功率指令值P^* _batt相加得到的结果除以该子模块储能元件的直流电压u_{batt_ijk}，得到各子模块储能元件的电流指令值

步骤2.2)的具体操作为：

将步骤1.2)中得到的所有子模块荷电状态平均值分别与步骤2.1)中得到的a相荷电状态平均值及b的相荷电状态平均值作差的结果分别输入到PI调节器中，将PI调节器的输出结果分别记为及同时，检测所述变流器的交流侧三相电流i_sa，i_sb，i_sc，将所述变流器的三相电流i_sa，i_sb，i_sc进行三相静止坐标系到两相旋转坐标系的运算，得有功电流实际值i_d及无功电流实际值i_q，进而得到电容电压相间平衡控制层的前馈零序电压指令u^* _{o_batt}，其中

$U_{o\_\mathrm{batt}}=2\sqrt{\frac{{{\mathrm{\ΔP}}_{b\_\mathrm{batt}}}^2+{\mathrm{\ΔP}}_{b\_\mathrm{batt}}\·{\mathrm{\ΔP}}_{a\_\mathrm{batt}}+{{\mathrm{\ΔP}}_{a\_\mathrm{batt}}}^2}{{i_d}^2+{i_q}^2}},$

${\mathrm{\φ}}_{o\_\mathrm{batt}}=\arctan \left(\frac{i_q}{i_d}\right)+\arctan [-(\frac{1}{\sqrt{3}}+\frac{2}{\sqrt{3}}\·\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{b\_\mathrm{batt}}}{\mathrm{\Δ}{P}_{a\_\mathrm{batt}}})],$

${u^{*}}_{o\_\mathrm{batt}}=\sqrt{2}{U}_{o\_\mathrm{batt}}\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_{o\_\mathrm{batt}}),$ ω为电网角频率。

步骤2.3)的具体操作为：

将步骤2.1)得到的各相上桥臂的荷电状态平均值分别与该相下桥臂的荷电状态平均值作差得到的结果输入到PI调节器中，并将PI调节器输出的结果分别记为i_{a_batt}、i_{b_batt}及i_{c_batt}，然后根据i_{a_batt}、i_{b_batt}及i_{c_batt}得到电容电压桥臂间平衡控制层的前馈交流环流指令i^* _{cirk_batt}，其中，

${i^{*}}_{\mathrm{cira}\_\mathrm{batt}}=i_{a\_\mathrm{batt}}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+\frac{1}{\sqrt{3}}(i_{b\_\mathrm{batt}}-i_{c\_\mathrm{batt}})\sin \left(\mathrm{\ωt}\right),$

${i^{*}}_{\mathrm{cirb}\_\mathrm{batt}}=i_{b\_\mathrm{batt}}\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})+\frac{1}{\sqrt{3}}(i_{c\_\mathrm{batt}}-i_{a\_\mathrm{batt}})\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π}),$

${i^{*}}_{\mathrm{circ}\_\mathrm{batt}}=i_{c\_\mathrm{batt}}\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})+\frac{1}{\sqrt{3}}(i_{a\_\mathrm{batt}}-i_{b\_\mathrm{batt}})\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π}).$

步骤2.5)的具体操作为：

3.1)检测系统所有子模块电容电压值U_{dc_ijk}，得所有子模块的电容电压平均值各相的电容电压平均值以及各桥臂的电容电压平均值

3.2)将系统所有子模块电容电压平均值分别与a相的电容电压平均值及b相的电容电压平均值及作差得到的结果分别输入到PI调节器中，将PI调节器的输出记作分别为ΔP_a及ΔP_b，得到电容电压相间平衡控制层零序电压指令u^* _o，其中， $U_o=2\sqrt{\frac{{{\mathrm{\ΔP}}_b}^2+{\mathrm{\ΔP}}_b\·{\mathrm{\ΔP}}_a+{{\mathrm{\ΔP}}_a}^2}{{i_d}^2+{i_q}^2}},$ ${\mathrm{\φ}}_o=\arctan \left(\frac{i_q}{i_d}\right)+\arctan [-(\frac{1}{\sqrt{3}}+\frac{2}{\sqrt{3}}\·\frac{{\mathrm{\ΔP}}_b}{{\mathrm{\ΔP}}_a})],{u^{*}}_o=\sqrt{2}{U}_o\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_o);$

3.3)将各相上桥臂电容电压平均值分别与该相下桥臂电容电压平均值作差得到的结果输入到PI调节器中，设PI调节器的输出分别为i_a，i_b及i_c，得到电容电压桥臂间平衡控制层交流环流指令i^* _cirk，其中，

${i^{*}}_{\mathrm{cira}}=i_a\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+\frac{1}{\sqrt{3}}(i_b-i_c)\sin \left(\mathrm{\ωt}\right),$

${i^{*}}_{\mathrm{cirb}}=i_b\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})+\frac{1}{\sqrt{3}}(i_c-i_a)\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π}),$

${i^{*}}_{\mathrm{circ}}=i_c\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})+\frac{1}{\sqrt{3}}(i_a-i_b)\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π});$

3.4)将步骤3.3)中所得电容电压桥臂间平衡控制层交流环流指令i^* _cirk与步骤2.3)中所得电容电压桥臂间平衡控制层的前馈交流环流指令i^* _{cirk_batt}相加的结果作为系统各相最终的环流指令i^* _{cirk_sum}，将所述系统各相最终的环流指令i^* _{cirk_sum}与各相实际环流i_cirk作差得到的结果输入到PI调节器中，并将PI调节器的输出作为各相桥臂电压指令调节量Δu_k；

3.5)将步骤3.1)得到的各桥臂的电容电压平均值分别与对应桥臂内N个子模块的电容电压值U_{dc_ijk}作差得到的结果输入到PI调节器中，再将PI调节器的输出的结果除以N·U^* _dc后进行归一化处理，然后将归一化处理的结果乘以sgn(i_{arm_jk})的结果作为桥臂内对应子模块电容电压平衡控制层端口电压微调系数指令Δα_ijk，其中，U^* _dc为子模块电容电压指令值；

3.6)将有功电流指令值i^* _d及实际值i_d输入到基于dq解耦控制的电流环d轴，将无功电流指令值i^* _q及实际值i_q输入到基于dq解耦控制的电流环q轴上，并将所述基于dq解耦控制的电流环d轴的输出记作u_cd；将基于dq解耦控制的电流环q轴的输出记作u_cq，其中，有功电流指令值i^* _d及无功电流指令值i^* _q分别根据交流电网实际有功和无功功率需求得到，然后对u_cd及u_cq进行两相旋转坐标系到三相静止坐标系的坐标变换，得到变流器交流侧原始输出电压指令u_ck；

3.7)根据 ${u^{*}}_{\mathrm{ijk}}=(\frac{1}{N}+{\mathrm{\Δ\α}}_{\mathrm{ijk}}+{\mathrm{\Δ\α}}_{\mathrm{ijk}\_\mathrm{batt}})\×{u^{*}}_{\mathrm{jk}}/{U^{*}}_{\mathrm{dc}}$ 得各子模块归一化端口电压指令值u^* _ijk，其中，u^* _jk为变流器各个桥臂电压指令值， ${u^{*}}_{\mathrm{lk}}=\frac{1}{2}N\·{U^{*}}_{\mathrm{dc}}+{u^{*}}_{\mathrm{ck}}-{\mathrm{\Δu}}_k,{u^{*}}_{\mathrm{uk}}=\frac{1}{2}N\·{U^{*}}_{\mathrm{dc}}-{u^{*}}_{\mathrm{ck}}-{\mathrm{\Δu}}_k,$ u^* _ck为变流器交流侧输出电压指令值，u^* _ck＝u_ck+u^* _o+u^* _{o_batt}；

3.8)将步骤3.7)得到的各子模块归一化端口电压指令值u^* _ijk进行三角载波移相调制，其中，三角载波移的相角为2π/N，然后将三角载波移相调制的结果作为子模块前级开关器件的开关信号，从而实现分布式储能系统中各子模块电容电压平衡控制。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于模块化多电平拓扑结构的分布式储能系统的控制方法通过对分布式储能系统中各子模块储能元件荷电状态平衡控制及电容电压平衡控制来实现基于模块化多电平拓扑结构的分布式储能系统的控制，其中，在对分布式储能系统中各子模块储能元件荷电状态平衡控制的过程中通过将各子模块储能元件的电流指令与采样得到的对应子模块储能元件的电流实际值i_{batt_ijk}进行作差的结果输入到PI调节器，然后将PI调节器的输出与对应子模块储能元件的直流电压u_{batt_ijk}相加，并将相加的结果作为对应子模块后级DC-DC电路的调制波信号，从而得到各子模块后级DC-DC电路开关信号，实现对分布式储能系统中各子模块储能元件的电荷状态的控制；在对分布式储能系统中各子模块储能元件的电容电压平衡控制的过程中，通过引入电容电压桥臂间平衡控制层的前馈交流环流指令i^* _{cirk_batt}、电容电压相间平衡控制层的前馈零序电压指令u^* _{o_batt}、各桥臂内相应子模块电容电压平衡控制层的端口电压微调前馈系数指令Δα_{ijk_batt}改善电容电压平衡的动态特性，实现分布式储能系统中各子模块电容电压平衡控制，操作简单，方便，并且可靠性和正确性极强。

附图说明

图1为验证性实验中基于模块化多电平拓扑结构的分布式储能系统的主电路示意图；

图2为验证性实验中子模块拓扑示意图；

图3为本发明中分布式储能系统中各子模块储能元件荷电状态平衡控制框图；

图4为本发明中生成相间电容电压平衡控制层前馈零序电压指令的框图；

图5为本发明中生成桥臂间电容电压平衡控制层前馈交流环流指令的框图；

图6为本发明中生成桥臂内部相应子模块电容电压平衡控制层的端口电压微调前馈系数指令的框图；

图7为本发明中分布式储能系统相间电容电压平衡控制的框图；

图8为本发明中桥臂间电容电压平衡的控制框图；

图9为本发明中桥臂内部子模块电容电压平衡的控制框图；

图10为本发明的控制框图；

图11为验证性实验中系统向网侧提供有功功率时有功电流和无功电流稳态仿真波形图；

图12为验证性实验中系统向网侧提供有功功率时网侧电压及电流稳态仿真波形图；

图13为验证性实验中系统向网侧提供有功功率时系统a相桥臂电压稳态仿真波形图；

图14为验证性实验中系统向网侧提供有功功率时系统a相桥臂电流稳态仿真波形图；

图15为验证性实验中系统向网侧提供有功功率时系统a相上桥臂4个子模块荷电状态与电容电压稳态仿真波形图；

图16为验证性实验中无前馈信号引入时系统a相上桥臂4个子模块荷电状态与电容电压动态仿真波形图；

图17为验证性实验中引入前馈信号时系统a相上桥臂4个子模块荷电状态与电容电压动态仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9及图10，本发明所述的基于模块化多电平拓扑结构的分布式储能系统的控制方法包括分布式储能系统中各子模块储能元件荷电状态平衡控制及电容电压平衡控制；

所述分布式储能系统中各子模块储能元件荷电状态平衡控制包括以下步骤：

1.1)根据分布式储能系统中各子模块储能元件所配备的能量管理系统得到各子模块储能元件的荷电状态值SoC_ijk，其中，i＝1，2，3…N，N为桥臂中子模块储能元件的总数，j为u或l，u与l分别为上桥臂及下桥臂，k＝{a，b，c}，a、b及c分别表示分布式储能系统的三相；

1.2)根据步骤1.1)得到的各子模块储能元件的荷电状态值SoC_ijk得分布式储能系统中所有子模块储能元件荷电状态的平均值

1.3)将步骤1.2)得到的分布式储能系统中所有子模块储能元件荷电状态的平均值及步骤1.1)得到的各子模块储能元件的荷电状态值SoC_ijk得各子模块储能元件的电流指令值

1.4)将步骤1.3)得到的各子模块储能元件的电流指令值与采样得到的对应子模块储能元件的电流实际值i_{batt_ijk}作差得到的结果输入到PI调节器，再将PI调节器输出的结果与对应子模块储能元件的直流电压u_{batt_ijk}相加，并相加所得结果作为对应子模块后级DC-DC电路的调制波信号，然后将各子模块后级DC-DC电路的调制波信号与三角载波信号进行比较，得到各子模块后级DC-DC电路开关信号，最后根据所述各子模块后级DC-DC电路开关信号来控制分布式储能系统中各子模块储能元件的荷电状态；

所述分布式储能系统中各子模块电容电压平衡控制具体包括以下步骤：

2.1)根据步骤1.1)所得到的各子模块储能单元的荷电状态值SoC_ijk得各相中上桥臂的荷电状态平均值及下桥臂的荷电状态平均值以及各相的荷电状态平均值

2.2)根据步骤1.2)中得到的所有子模块荷电状态平均值步骤2.1)中得到的a相相荷电状态平均值和b的相荷电状态平均值得电容电压相间平衡控制层的前馈零序电压指令u^* _{o_batt}；

2.3)根据步骤2.1)得到的各相上桥臂的荷电状态平均值与各相下桥臂的荷电状态平均值得到电容电压桥臂间平衡控制层的前馈交流环流指令i^* _{cirk_batt}；

2.4)检测系统桥臂电流i_{arm_jk}，当系统桥臂电流方向为正时，符号函数sgn(i_{arm_jk})＝1；当桥臂电流方向为负时，，符号函数sgn(i_{arm_jk})＝-1，将步骤2.1中得到的各相中上桥臂的荷电状态平均值及下桥臂的荷电状态平均值分别与相应桥臂内N个子模块的荷电状态值SoC_ijk作差，并将作差得到的结果输入到PI调节器，然后将PI调节器输出的结果除以N·P^* _batt得到的结果进行归一化处理，再将归一化处理的结果乘以符号函数sgn(i_{arm_jk})所得的结果作为各桥臂内相应子模块电容电压平衡控制层的端口电压微调前馈系数指令Δα_{ijk_batt}；

2.5)根据步骤2.3)得到的电容电压桥臂间平衡控制层的前馈交流环流指令i^* _{cirk_batt}、步骤2.2)得到电容电压相间平衡控制层的前馈零序电压指令u^* _{o_batt}、步骤2.4)得到的各桥臂内相应子模块电容电压平衡控制层的端口电压微调前馈系数指令Δα_{ijk_batt}改善电容电压平衡的动态特性，实现分布式储能系统中各子模块电容电压平衡控制。

步骤1.3)的具体操作为：

将步骤1.2)得到的分布式储能系统中所有子模块储能元件荷电状态的平均值分别与各子模块储能元件的荷电状态值SoC_ijk进行作差运算，并将作差运算得到的结果输入到PI调节器中，再将PI调节器的输出信号作为实现对应子模块储能元件SoC平衡所需的功率变化量ΔP_{ijk_batt}，然后将所述功率变化量ΔP_{ijk_batt}与对应子模块储能元件的输出功率指令值P^* _batt相加得到的结果除以该子模块储能元件的直流电压u_{batt_ijk}，得到各子模块储能元件的电流指令值

步骤2.2)的具体操作为：

将步骤1.2)中得到的所有子模块荷电状态平均值分别与步骤2.1)中得到的a相荷电状态平均值及b的相荷电状态平均值作差的结果分别输入到PI调节器中，将PI调节器的输出结果分别记为ΔP_{a_batt}及ΔP_{b_batt}；同时，检测所述变流器的交流侧三相电流i_sa，i_sb，i_sc，将所述变流器的三相电流i_sa，i_sb，i_sc进行三相静止坐标系到两相旋转坐标系的运算，得有功电流实际值i_d及无功电流实际值i_q，进而得到电容电压相间平衡控制层的前馈零序电压指令u^* _{o_batt}，其中

$U_{o\_\mathrm{batt}}=2\sqrt{\frac{{{\mathrm{\ΔP}}_{b\_\mathrm{batt}}}^2+{\mathrm{\ΔP}}_{b\_\mathrm{batt}}\·{\mathrm{\ΔP}}_{a\_\mathrm{batt}}+{{\mathrm{\ΔP}}_{a\_\mathrm{batt}}}^2}{{i_d}^2+{i_q}^2}},$

${\mathrm{\φ}}_{o\_\mathrm{batt}}=\arctan \left(\frac{i_q}{i_d}\right)+\arctan [-(\frac{1}{\sqrt{3}}+\frac{2}{\sqrt{3}}\·\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{b\_\mathrm{batt}}}{{\mathrm{\ΔP}}_{a\_\mathrm{batt}}})],$

${u^{*}}_{o\_\mathrm{batt}}=\sqrt{2}{U}_{o\_\mathrm{batt}}\sin (\mathrm{\ωt}-{\mathrm{\φ}}_{o\_\mathrm{batt}}),$ ω为电网角频率。

步骤2.3)的具体操作为：

将步骤2.1)得到的各相上桥臂的荷电状态平均值分别与该相下桥臂的荷电状态平均值作差得到的结果输入到PI调节器中，并将PI调节器输出的结果分别记为i_{a_batt}、i_{b_batt}及i_{c_batt}，然后根据i_{a_batt}、i_{b_batt}及i_{c_batt}得到电容电压桥臂间平衡控制层的前馈交流环流指令i^* _{cirk_batt}，其中，

${i^{*}}_{\mathrm{cira}\_\mathrm{batt}}=i_{a\_\mathrm{batt}}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+\frac{1}{\sqrt{3}}(i_{b\_\mathrm{batt}}-i_{c\_\mathrm{batt}})\sin \left(\mathrm{\ωt}\right),$

${i^{*}}_{\mathrm{cirb}\_\mathrm{batt}}=i_{b\_\mathrm{batt}}\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})+\frac{1}{\sqrt{3}}(i_{c\_\mathrm{batt}}-i_{a\_\mathrm{batt}})\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π}),$

${i^{*}}_{\mathrm{circ}\_\mathrm{batt}}=i_{c\_\mathrm{batt}}\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})+\frac{1}{\sqrt{3}}(i_{a\_\mathrm{batt}}-i_{b\_\mathrm{batt}})\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π}).$

步骤2.5)得具体操作为：

3.1)检测系统所有子模块电容电压值U_{dc_ijk}，得所有子模块的电容电压平均值各相的电容电压平均值以及各桥臂的电容电压平均值

3.2)将系统所有子模块电容电压平均值分别与a相的电容电压平均值及b相的电容电压平均值及作差得到的结果分别输入到PI调节器中，将PI调节器的输出记作分别为ΔP_a及ΔP_b，得到电容电压相间平衡控制层零序电压指令u^* _o，其中， $U_o=2\sqrt{\frac{{{\mathrm{\ΔP}}_b}^2+{\mathrm{\ΔP}}_b\·{\mathrm{\ΔP}}_a+{{\mathrm{\ΔP}}_a}^2}{{i_d}^2+{i_q}^2}},$ ${\mathrm{\φ}}_o=\arctan \left(\frac{i_q}{i_d}\right)+\arctan [-(\frac{1}{\sqrt{3}}+\frac{2}{\sqrt{3}}\·\frac{{\mathrm{\ΔP}}_b}{{\mathrm{\ΔP}}_a})],{u^{*}}_o=\sqrt{2}{U}_o\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_o);$

3.3)将各相上桥臂电容电压平均值分别与该相下桥臂电容电压平均值作差的到的结果输入到PI调节器中，设PI调节器的输出分别为i_a，i_b及i_c，得到电容电压桥臂间平衡控制层交流环流指令i^* _cirk，其中，

${i^{*}}_{\mathrm{cira}}=i_a\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+\frac{1}{\sqrt{3}}(i_b-i_c)\sin \left(\mathrm{\ωt}\right),$

${i^{*}}_{\mathrm{cirb}}=i_b\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})+\frac{1}{\sqrt{3}}(i_c-i_a)\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π}),$

${i^{*}}_{\mathrm{circ}}=i_c\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})+\frac{1}{\sqrt{3}}(i_a-i_b)\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π});$

3.4)将步骤3.3)中所得电容电压桥臂间平衡控制层交流环流指令i^* _cirk与步骤2.3)中所得电容电压桥臂间平衡控制层的前馈交流环流指令i^* _{cirk_batt}相加的结果作为系统各相最终的环流指令i^* _{cirk_sum}，将所述系统各相最终的环流指令i^* _{cirk_sum}与各相实际环流i_cirk作差得到的结果输入到PI调节器中，并将PI调节器的输出作为各相桥臂电压指令调节量Δu_k；

3.5)将步骤3.1)得到的各桥臂的电容电压平均值分别与对应桥臂内N个子模块的电容电压值U_{dc_ijk}作差得到的结果输入到PI调节器中，再将PI调节器的输出的结果除以N·U^* _dc后进行归一化处理，然后将归一化处理的结果乘以sgn(i_{arm_jk})的结果作为桥臂内对应子模块电容电压平衡控制层端口电压微调系数指令Δα_ijk，其中，U^* _dc为子模块电容电压指令值；

3.6)将有功电流指令值i^* _d及实际值i_d输入到基于dq解耦控制的电流环d轴，将无功电流指令值i^* _q及实际值i_q输入到基于dq解耦控制的电流环q轴上，并将所述基于dq解耦控制的电流环d轴的输出记作u_cd；将基于dq解耦控制的电流环q轴的输出记作u_cq，其中，有功电流指令值i^* _d及无功电流指令值i^* _q分别根据交流电网实际有功和无功功率需求得到，然后对u_cd及u_cq进行两相旋转坐标系到三相静止坐标系的坐标变换，得到变流器交流侧原始输出电压指令u_ck；

3.7)根据 ${u^{*}}_{\mathrm{ijk}}=(\frac{1}{N}+{\mathrm{\Δ\α}}_{\mathrm{ijk}}+{\mathrm{\Δ\α}}_{\mathrm{ijk}\_\mathrm{batt}})\×{u^{*}}_{\mathrm{jk}}/{U^{*}}_{\mathrm{dc}}$ 得各子模块归一化端口电压指令值u^* _ijk，其中，u^* _jk为变流器各个桥臂电压指令值，

${u^{*}}_{\mathrm{lk}}=\frac{1}{2}N\·{U^{*}}_{\mathrm{dc}}+{u^{*}}_{\mathrm{ck}}-{\mathrm{\Δu}}_k,{u^{*}}_{\mathrm{uk}}=\frac{1}{2}N\·{U^{*}}_{\mathrm{dc}}-{u^{*}}_{\mathrm{dk}}-{\mathrm{\Δu}}_k,$ u^* _ck为变流器交流侧输出电压指令值，u^* _ck＝u_ck+u^* _o+u^* _{o_batt}；

3.8)将步骤3.7)得到的各子模块归一化端口电压指令值u^* _ijk进行三角载波移相调制，其中，三角载波移的相角为2π/N，然后将三角载波移相调制的结果作为子模块前级开关器件的开关信号，从而实现分布式储能系统中各子模块电容电压平衡控制。

仿真实验

参考图1及图2，设所述基于模块化多电平拓扑结构的分布式储能系统的主电路结构由六个桥臂分别和六个连接电抗器串联，然后构成双星形连接，每个桥臂由4个接入电池单元的子模块串联组成，开关器件采用IGBT或者GTO等大功率全控器件，电池单元接入子模块的方式则是通过半桥升压电路并联到电容器上。每个桥臂中串联模块数目没有上限，取值决定于供电系统电压等级，为了叙述方便，本实验以4个模块串联为例进行详细说明，通过本发明进行实现基于模块化多电平拓扑结构的分布式储能系统的控制的结果如图11、图12、图13、图14、图15、图16及图17所示，从图11、图12、图13、图14、图15、图16及图17给出仿真波形可以看出，在本发明的控制下，系统可以实现电容电压平衡和荷电状态平衡。同时，通过有无S_oC前馈信号注入的比较，可以看到加入前馈后，系统电容电压平衡控制的动态特性得到了明显的改善，从而证明了该方法的正确性和可靠性。

Claims (5)

1.一种基于模块化多电平拓扑结构的分布式储能系统的控制方法，其特征在于，包括分布式储能系统中各子模块储能元件荷电状态平衡控制及电容电压平衡控制；

所述分布式储能系统中各子模块储能元件荷电状态平衡控制包括以下步骤：

1.1)根据分布式储能系统中各子模块储能元件所配备的能量管理系统得到各子模块储能元件的荷电状态值SoC_ijk，其中，i＝1，2，3…N，N为桥臂中子模块储能元件的总数，j为u或l，u与l分别为上桥臂及下桥臂，k＝{a，b，c}，a、b及c分别表示分布式储能系统的三相；

1.2)根据步骤1.1)得到的各子模块储能元件的荷电状态值SoC_ijk得分布式储能系统中所有子模块储能元件荷电状态的平均值

1.3)将步骤1.2)得到的分布式储能系统中所有子模块储能元件荷电状态的平均值及步骤1.1)得到的各子模块储能元件的荷电状态值SoC_ijk得各子模块储能元件的电流指令值

1.4)将步骤1.3)得到的各子模块储能元件的电流指令值与采样得到的对应子模块储能元件的电流实际值i_{batt_ijk}作差得到的结果输入到PI调节器，再将PI调节器输出的结果与对应子模块储能元件的直流电压u_{batt_ijk}相加，并将相加所得结果作为对应子模块后级DC-DC电路的调制波信号，然后将各子模块后级DC-DC电路的调制波信号与三角载波信号进行比较，得到各子模块后级DC-DC电路开关信号，最后根据所述各子模块后级DC-DC电路开关信号来控制分布式储能系统中各子模块储能元件的电荷状态；

所述分布式储能系统中各子模块电容电压平衡控制具体包括以下步骤：

2.1)根据步骤1.1)所得到的各子模块储能单元的荷电状态值SoC_ijk得各相中上桥臂的荷电状态平均值及下桥臂的荷电状态平均值以及各相的荷电状态平均值

2.2)根据步骤1.2)中得到的所有子模块荷电状态平均值步骤2.1)中得到的a相相荷电状态平均值和b相相荷电状态平均值得电容电压相间平衡控制层的前馈零序电压指令u^* _{o_batt}；

2.3)根据步骤2.1)得到的各相上桥臂的荷电状态平均值与各相下桥臂的荷电状态平均值得到电容电压桥臂间平衡控制层的前馈交流环流指令i*_{cirk_batt}；

2.4)检测系统桥臂电流i_{arm_jk}，当系统桥臂电流方向为正时，符号函数sgn(i_{arm_jk})＝1；当桥臂电流方向为负时，，符号函数sgn(i_{arm_jk})＝-1，将步骤2.1中得到的各相中上桥臂的荷电状态平均值及下桥臂的荷电状态平均值分别与相应桥臂内N个子模块的荷电状态值SoC_ijk作差，并将作差得到的结果输入到PI调节器，然后将PI调节器输出的结果除以N·P^* _batt进行归一化处理，再将归一化处理的结果乘以符号函数sgn(i_{arm_jk})所得的结果作为各桥臂内相应子模块电容电压平衡控制层的端口电压微调前馈系数指令Δα_{ijk_batt}；

2.5)根据步骤2.3)得到的电容电压桥臂间平衡控制层的前馈交流环流指令i^* _{cirk_batt}、步骤2.2)得到电容电压相间平衡控制层的前馈零序电压指令u^* _{o_batt}、步骤2.4)得到的各桥臂内相应子模块电容电压平衡控制层的端口电压微调前馈系数指令Δα_{ijk_batt}改善电容电压平衡的动态特性，实现分布式储能系统中各子模块电容电压平衡控制。

2.根据权利要求1所述的基于模块化多电平拓扑结构的分布式储能系统的控制方法，其特征在于，步骤1.3)的具体操作为：

将步骤1.2)得到的分布式储能系统中所有子模块储能元件荷电状态的平均值分别与各子模块储能元件的荷电状态值SoC_ijk进行作差运算，并将作差运算得到的结果输入到PI调节器中，再将PI调节器的输出信号作为实现对应子模块储能元件SoC平衡所需的功率变化量ΔP_{ijk_batt}，然后将所述功率变化量ΔP_{ijk_batt}与对应子模块储能元件的输出功率指令值P^* _batt相加得到的结果除以该子模块储能元件的直流电压u_{batt_ijk}，得到各子模块储能元件的电流指令值

3.根据权利要求2所述的基于模块化多电平拓扑结构的分布式储能系统的控制方法，其特征在于，步骤2.2)的具体操作为：

将步骤1.2)中得到的所有子模块荷电状态平均值分别与步骤2.1)中得到的a相荷电状态平均值及b相荷电状态平均值作差的结果分别输入到PI调节器中，将PI调节器的输出结果分别记为ΔP_{a_batt}及ΔP_{b_batt}；同时，检测所述变流器的交流侧三相电流i_sa，i_sb，i_sc，将所述变流器的三相电流i_sa，i_sb，i_sc进行三相静止坐标系到两相旋转坐标系的运算，得有功电流实际值i_d及无功电流实际值i_q，进而得到电容电压相间平衡控制层的前馈零序电压指令u^* _{o_batt}，其中

$U_{o\_\mathrm{batt}}=2\sqrt{\frac{{{\mathrm{\ΔP}}_{b\_\mathrm{batt}}}^2+{\mathrm{\ΔP}}_{b\_\mathrm{batt}}\·{\mathrm{\ΔP}}_{a\_\mathrm{batt}}+{{\mathrm{\ΔP}}_{a\_\mathrm{batt}}}^2}{{i_d}^2+{i_q}^2}},$

${\mathrm{\φ}}_{o\_\mathrm{batt}}=\arctan \left(\frac{i_q}{i_d}\right)+\arctan [-(\frac{1}{\sqrt{3}}+\frac{2}{\sqrt{3}}\·\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{b\_\mathrm{batt}}}{{\mathrm{\ΔP}}_{a\_\mathrm{batt}}})],$

${u^{*}}_{o\_\mathrm{batt}}=\sqrt{2}{U}_{o\_\mathrm{batt}}\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_{o\_\mathrm{batt}}),$ ω为电网角频率。

4.根据权利要求3所述的基于模块化多电平拓扑结构的分布式储能系统的控制方法，其特征在于，步骤2.3)的具体操作为：

将步骤2.1)得到的各相上桥臂的荷电状态平均值分别与该相下桥臂的荷电状态平均值作差得到的结果输入到PI调节器中，并将PI调节器输出的结果分别记为i_{a_batt}、i_{b_batt}及i_{c_batt}，然后根据i_{a_batt}、i_{b_batt}及i_{c_batt}得到电容电压桥臂间平衡控制层的前馈交流环流指令i^* _{cirk_batt}，其中，

${i^{*}}_{\mathrm{cira}\_\mathrm{batt}}=i_{a\_\mathrm{batt}}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+\frac{1}{\sqrt{3}}(i_{b\_\mathrm{batt}}-i_{c\_\mathrm{batt}})\sin \left(\mathrm{\ωt}\right),$

${i^{*}}_{\mathrm{cirb}\_\mathrm{batt}}=i_{b\_\mathrm{batt}}\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})+\frac{1}{\sqrt{3}}(i_{c\_\mathrm{batt}}-i_{a\_\mathrm{batt}})\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π}),$

${i^{*}}_{\mathrm{circ}\_\mathrm{batt}}=i_{c\_\mathrm{batt}}\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})+\frac{1}{\sqrt{3}}(i_{a\_\mathrm{batt}}-i_{b\_\mathrm{batt}})\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π}).$

5.根据权利要求4所述的基于模块化多电平拓扑结构的分布式储能系统的控制方法，其特征在于，步骤2.5)的具体操作为：

3.1)检测系统所有子模块电容电压值U_{dc_ijk}，得所有子模块的电容电压平均值各相的电容电压平均值以及各桥臂的电容电压平均值

3.2)将系统所有子模块电容电压平均值分别与a相的电容电压平均值及b相的电容电压平均值及作差得到的结果分别输入到PI调节器中，将PI调节器的输出记作分别为ΔP_a及ΔP_b，得到电容电压相间平衡控制层零序电压指令u^* _o，其中， $U_o=2\sqrt{\frac{{{\mathrm{\ΔP}}_b}^2+{\mathrm{\ΔP}}_b\·{\mathrm{\ΔP}}_a+{{\mathrm{\ΔP}}_a}^2}{{i_d}^2+{i_q}^2}},{\mathrm{\φ}}_o=\arctan \left(\frac{i_q}{i_d}\right)+\arctan [-(\frac{1}{\sqrt{3}}+\frac{2}{\sqrt{3}}\·\frac{{\mathrm{\ΔP}}_b}{{\mathrm{\ΔP}}_a})],$ ${u^{*}}_o=\sqrt{2}{U}_o\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_o);$

3.3)将各相上桥臂电容电压平均值分别与该相下桥臂电容电压平均值作差的到的结果输入到PI调节器中，设PI调节器的输出分别为i_a，i_b及i_c，得到电容电压桥臂间平衡控制层交流环流指令i^* _cirk，其中，

${i^{*}}_{\mathrm{cira}}=i_a\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+\frac{1}{\sqrt{3}}(i_b-i_c)\sin \left(\mathrm{\ωt}\right),$

${i^{*}}_{\mathrm{cirb}}=i_b\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})+\frac{1}{\sqrt{3}}(i_c-i_a)\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π}),$

${i^{*}}_{\mathrm{circ}}=i_c\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})+\frac{1}{\sqrt{3}}(i_a-i_b)\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π});$

3.4)将步骤3.3)中所得电容电压桥臂间平衡控制层交流环流指令i^* _cirk与步骤2.3)中所得电容电压桥臂间平衡控制层的前馈交流环流指令i^* _{cirk_batt}相加的结果作为系统各相最终的环流指令i^* _{cirk_sum}，将所述系统各相最终的环流指令i^* _{cirk_sum}与各相实际环流i_cirk作差得到的结果输入到PI调节器中，并将PI调节器的输出作为各相桥臂电压指令调节量Δu_k；

3.5)将步骤3.1)得到的各桥臂的电容电压平均值分别与对应桥臂内N个子模块的电容电压值U_{dc_ijk}作差得到的结果输入到PI调节器中，再将PI调节器的输出的结果除以N·U^* _dc进行归一化处理，然后将归一化处理的结果乘以sgn(i_{arm_jk})的结果作为桥臂内对应子模块电容电压平衡控制层端口电压微调系数指令Δα_ijk，其中，U^* _dc为子模块电容电压指令值；

3.6)将有功电流指令值i^* _d及实际值i_d输入到基于dq解耦控制的电流环d轴，将无功电流指令值i^* _q及实际值i_q输入到基于dq解耦控制的电流环q轴上，并将所述基于dq解耦控制的电流环d轴的输出记作u_cd；将基于dq解耦控制的电流环q轴的输出记作u_cq，其中，有功电流指令值i^* _d及无功电流指令值i^* _q分别根据交流电网实际有功和无功功率需求得到，然后对u_cd及u_cq进行两相旋转坐标系到三相静止坐标系的坐标变换，得到变流器交流侧原始输出电压指令u_ck；

3.7)根据 ${u^{*}}_{\mathrm{ijk}}=(\frac{1}{N}+{\mathrm{\Δ\α}}_{\mathrm{ijk}}+{\mathrm{\Δ\α}}_{\mathrm{ijk}\_\mathrm{batt}})\×{u^{*}}_{\mathrm{jk}}/{U^{*}}_{\mathrm{dc}}$ 得各子模块归一化端口电压指令值u^* _ijk，其中，u^* _jk为变流器各个桥臂电压指令值， u^* _ck为变流器交流侧输出电压指令值，

u^* _ck＝u_ck+u^* _o+u^* _{o_batt}；

3.8)将步骤3.7)得到的各子模块归一化端口电压指令值u^* _ijk进行三角载波移相调制，其中，三角载波移的相角为2π/N，然后将三角载波移相调制的结果作为子模块前级开关器件的开关信号，从而实现分布式储能系统中各子模块电容电压平衡控制。