CN110299718B - 一种基于链式混合储能系统的故障控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于链式混合储能系统的故障控制策略，基于双频载波移相PWM法，在有源直流侧故障时，通过在不同储能单元间的能量传递以保持各单元的直流侧电压稳定，从而实现容错运行。在故障容错控制策略中，将储能单元分为充电单元、放电单元及待机单元三类，通过辅助功率环将放电单元能量传输到充电单元中，同时并为保证容错控制能力，对链式系统中三类储能单元数量及超级电容容量进行合理设计。

Description

一种基于链式混合储能系统的故障控制策略

技术领域

本发明涉及储能技术领域，尤其涉及一种基于链式混合储能系统的故障控制策略。

背景技术

级联式多电平变换器目前已成为工业中高压应用中的一种重要选择，与传统的逆变器相比，其具有输出功率大、谐波含量低、开关电压应力小、效率高等优点，同时其整体呈现模块化，具有良好的扩展性。这些优点使得这种拓扑结构用于储能系统也十分理想。

然而，基于级联式多电平变换器的混合储能系统中有源电力电子元件的数量高于传统结构，其可靠性较低，因此开发一个高可靠性的基于链式拓扑的储能系统一直是学术界与工业界关注的焦点。目前传统的n+1冗余控制方法下，在储能系统按照n级联数设计的基础上再增加一个冗余单元，每个链节按照n/(n+1)额定容量工作。当储能系统中某一链节发生故障时，此链节即被旁路，而剩下n 个链节则工作在额定容量下。但这种方式使功率单元在正常运行状态时处于降额运行，降低了装置正常工作的电压利用率。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于链式混合储能系统的故障控制策略。

为达到上述目的，本发明采用的方法是：基于辅助功率环的链式混合储能系统，其拓扑由N个储能单元级联，每个储能单元中包含串联的Boost变换器和H 桥逆变器，两者通过超级电容器耦合，Boost变换器的直流侧电源为蓄电池。级联H桥和输出电路之间并联一LC谐振支路，LC支路由电感、电容和电阻串联，其与H桥单元形成辅助功率环回路，构成辅助功率环。

对于级联多电平变换器而言，其输出的电压电流中所含有的各种不同的频率分量，其功率之间是解耦的，即可以对它们分别进行单独控制。若级联多电平变换器的输出电压中既包含基波频率(f_m)分量，又包含一个比基波频率更高的频率(f_a)分量时，即可利用两种频率分量，其中高频功率分量基本都在辅助功率环中流动，主要用于在各储能单元间传递能量，而基频分量则通过主功率环向负载输出功率。

在故障容错控制中将储能单元分为三类：充电单元、放电单元及待机单元。当储能单元直流侧故障发生时，其即作为充电单元，通过吸收其他单元传递的能量以保持正常工作状态。放电单元则通过辅助功率环向充电单元传递能量。待机单元不参与高频分量的能量传递，其主要作用为平衡无功功率。假定每个储能单元输出基频功率为P₀，为保证充电单元能够得到足够维持其工作的能量并且整个链式储能系统能够保持正常输出功率，三类储能单元数量关系满足下式，其中 N_C表示充电单元数量，N_D表示放电单元数量，N_S表示待机单元数量，P_Bmax表示蓄电池最大输出功率。

对于混合储能系统中的超级电容元件，大功率输出的过程中，其电压迅速下降，而蓄电池提供的能量不足以补充超级电容的能量，因此为确保在T_p时间内混合储能系统的正常工作，超级电容极小值满足下式。

其中P_HESSpeak表示混合储能系统最大输出功率，V_SC为超级电容额定电压， V_min为放电单元中超级电容最低电压阈值。

考虑要在T_f时间内故障链节能够恢复至正常工作状态，则超级电容最大值满足下式。其中P_{e_max}表示功率交换最大值，V_f为故障链节直流侧电压。

基于前述内容，链式储能系统的故障容错控制策略整体可分为两个子控制：有功功率控制和容错控制。其一般步骤为：

步骤(1)，在系统正常运行时，采用有功功率控制，由于系统整体有功功率控制采用电压电流双闭环结构，因而输出电压通过与负载上的给定参考电压进行比较后，差值经过一个比例积分调节器，得到电感电流参考值，该参考值通过与电感电流瞬时值进行比较，差值经过电流比例调节器调节后得到所需的系统基波调制信号。

步骤(2)，当储能单元直流侧检测到的电压低于给定阈值时，启动故障容错控制。其直流侧采取电压的闭环控制，计算给定参考电压与采集电压的差值，其经过一个比例环节后得到辅助频率调制波幅值。同时给定充电单元、放电单元及待机单元的辅助频率调制波的相角，基于以上参量，生成所需的辅助频率正弦波信号。

步骤(3)，将得到的系统基波调制信号和辅助频率调制信号合成，作为链式混合储能系统中多电平变换器的调制波信号。

步骤(4)，采用双频载波移相PWM调制，利用前述步骤所得到的N组调制波信号，得到链式储能系统各链节的PWM控制信号，分别对三类储能单元进行控制，从而实现维持故障单元及系统的正常工作。

所述的双频载波移相PWM其调制波为一复合波形yi(t)(t＝1…N-1)，由基波 fm和辅助频率fa的正弦波组成，在每个调制波yi(t)中，各基频fm分量同相位，而辅助频率fa分量各相位不同，通过控制不同的相位来控制各个变换器单元中交换的功率大小和方向。

有益效果：

本发明提供了一种基于链式混合储能系统的故障，控制策略，相比于传统的故障容错控制，本控制策略基于带辅助功率环的链式储能系统，通过双频载波移相PWM调制法，在储能单元直流侧故障时，通过正常储能单元与故障储能单元之间的功率交换，从而使整个储能系统维持正常工作。基于此控制策略，装置无需增加冗余模块，减少了成本，且提高了电压利用率。

附图说明

图1为链式混合储能系统拓扑结构示意图；

图2为混合储能系统功率流动示意图；

图3为高频分量功率交换矢量图；

图4为基于链式混合储能系统故障控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

图1是链式混合储能系统拓扑结构示意图，如图所示，其由N个储能单元级联，每个储能单元中包含串联的Boost变换器和H桥逆变器，两者通过超级电容器耦合，Boost变换器的直流侧电源为蓄电池。级联H桥和输出电路之间并联一LC谐振支路，LC支路由电感、电容和电阻串联，其与H桥单元形成辅助功率环回路，构成辅助功率环，各H桥模块提供了一个功率交换的通道。储能系统中，双向DC/DC变换单元采用双向BUCK-BOOST电路单独控制储能元件的充放电，并且采用DC/DC环节可抑制逆变器输出纹波电流对储能元件的影响，保证储能元件稳定可靠输出。

对于级联多电平变换器而言，其输出的电压电流中所含有的各种不同的频率分量，且其功率之间是解耦的，即可以对它们分别进行单独控制。链式储能系统采取双频载波PWM控制，其包含50Hz基频分量及500Hz高频分量。图2为混合储能系统功率流动示意图，通过合理设计LC谐振支路参数，令其谐振频率等于高频频率，则高频分量只在辅助功率环中流动，从而实现能量在储能单元间的传递，基频分量则通过主功率环向负载输出功率。

在故障容错控制中将储能单元分为三类：充电单元、放电单元及待机单元。当储能单元直流侧故障发生时，其即作为充电单元，通过吸收其他单元传递的能量以保持正常工作状态。放电单元则通过辅助功率环向充电单元传递能量。待机单元不参与高频分量的能量传递，其主要作用为平衡无功功率。

图3为链式系统中高频功率交换方法矢量图。为了控制链节之间的功率交换，可以通过控制高频电压的幅值及相角实现。图3中

和

分别表示放电单元及充电单元高频电压和辅助功率环中的电流的相量。

表示

和

的和相量。

为待机单元电压向量，为平衡无功功率，其相角位为180°。用Vr表示充电单元及放电单元的电压幅值之和，则两者交换功率可用下式表示：

当取θ_p＝π/2及θ_n＝-π/6时取到极大值：

为保证充电单元能够得到足够维持其工作的能量并且整个链式储能系统能够保持正常输出功率，三类储能单元数量关系满足下式，其中N_C表示充电单元数量，N_D表示放电单元数量，N_S表示待机单元数量，P_Bmax表示蓄电池最大输出功率。

对于混合储能系统，在其处于大功率输出模式下时，短时间的大功率输出主要由超级电容提供，蓄电池在这一过程中为超级电容提供能量支撑。考虑理想情况下每一链节超级电容初始电压均为额定电压Un,超级电容电压迅速下降，而蓄电池提供的能量不足以补充超级电容的能量，为确保在Tp时间内混合储能系统的正常工作有下式成立：

其中P_{HESS_peak}表示混合储能系统最大输出功率，V_SC为超级电容额定电压， V_min为放电单元中超级电容最低电压阈值。则超级电容最小值为：

对充电单元而言，其能量流入与流出的差值用以升高并稳定超级电容直流侧电压值。假设链节间以最大交换功率Pe_max进行能量传输，充电单元初始电压均为最低阈值，V_f为故障链节直流侧电压，则超级电容容值需满足：

超级电容容值可取到极大值：

图4为链式储能系统的容错控制框图。整个控制可分为两个子控制：有功功率控制及故障控制，且这两个控制相互独立。有功功率控制决定HESS整个系统的输出性能，其基于基频分量。有功功率控制采取电压电流双闭环控制，外环为输出负载上电压的瞬时值反馈，内环为输出滤波电感电流反馈。输出电压通过与负载上的给定参考电压进行比较后，差值经过PI调节器G1(s)，得到电感电流参考值，该参考值通过与电感电流瞬时值进行比较，差值经过电流PI调节器G2(s) 后得到系统基波调制信号。

故障控制用以实现故障链节的正常工作，其基本流程即先采样故障链节的直流侧端电压,当其低于电压最低阈值时开始启动故障控制。其中故障链节的直流侧采取电压的闭环控制，给定参考电压即直流侧额定电压,采集电压值与额定电压的差值经过PI环节G3(s)得到高频调制波幅值。当链节间能量以最大输出功率传递，取θ_p＝π/2，θ_n＝-π/6，θ_b＝π，则可得到系统的高频调制波信号。

通过合成子控制模块得到的基频与高频信号，同时基于双频载波PWM调制，最终得到各级联H桥模块的控制信号。

Claims (3)

1.一种基于链式混合储能系统的故障控制策略，所述的混合储能系统由N个储能单元级联，每个储能单元中包含串联的Boost变换器和H桥逆变器，两者通过超级电容器耦合，Boost变换器的直流侧电源为蓄电池，级联H桥和输出电路之间并联一LC谐振支路，LC支路由电感、电容和电阻串联，其与H桥单元形成辅助功率环回路，构成辅助功率环；其特征在于，所述的控制策略包括以下步骤：

步骤(1)，在系统正常运行时，采用有功功率控制，有功功率控制采用电压电流双闭环结构，输出电压通过与负载上的给定参考电压进行比较后，差值经过一个比例积分调节器，得到电感电流参考值，该参考值通过与电感电流瞬时值进行比较，差值经过电流比例调节器调节后得到所需的系统基波调制信号；

步骤(2)，当储能单元直流侧检测到的电压低于给定阈值时，启动故障容错控制，其直流侧采取电压的闭环控制，计算给定参考电压与采集电压的差值，其经过一个比例环节后得到辅助频率调制波幅值；同时给定充电单元、放电单元及待机单元的辅助频率调制波的相角，基于以上参量，生成所需的辅助频率正弦波信号；

步骤(3)，将得到的系统基波调制信号和辅助频率调制信号合成，作为链式混合储能系统中多电平变换器的调制波信号；

步骤(4)，采用双频载波移相PWM调制，利用前述步骤所得到的N组调制波信号，得到链式储能系统各链节的PWM控制信号，分别对三类储能单元进行控制，从而实现维持故障单元及系统的正常工作；所述的三类储能单元分别为：充电单元、放电单元及待机单元；当储能单元直流侧故障发生时，其即作为充电单元，通过吸收其他单元传递的能量以保持正常工作状态；放电单元即通过辅助功率环向充电单元传递能量，待机单元不参与高频分量的能量传递，其主要作用为平衡无功功率；

假定每个储能单元输出基频功率为P₀，为保证充电单元能够得到足够维持其工作的能量并且整个链式储能系统能够保持正常输出功率，三类储能单元数量关系满足下式，其中N_C表示充电单元数量，N_D表示放电单元数量，N_S表示待机单元数量，P_Bmax表示蓄电池最大输出功率；

2.根据权利要求1所述的基于链式混合储能系统的故障控制策略，其特征在于：所述的双频载波移相PWM其调制波为一复合波形y_i(t)(t＝1…N-1)，由基波f_m和辅助频率f_a的正弦波组成，在每个调制波y_i(t)中，各基频f_m分量同相位，而辅助频率f_a分量各相位不同，通过控制不同的相位来控制各个变换器单元中交换的功率大小和方向。

3.根据权利要求1所述的基于链式混合储能系统的故障控制策略，其特征在于：为确保在T_p时间内混合储能系统的正常工作，超级电容极小值满足下式

其中P_HESSpeak表示混合储能系统最大输出功率，V_SC为超级电容额定电压，V_min为放电单元中超级电容最低电压阈值；

考虑要在T_f时间内故障链节能够恢复至正常工作状态，则超级电容最大值满足下式

其中Pe_max表示功率交换最大值，Vf为故障链节直流侧电压。

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