CN114448228A - 基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制系统，包括中央处理器和协处理器，每相包括相开关（1）和若干子模块（2），子模块（2）通过旁路开关S接入电路，所述子模块（2）包括功率模块和电池组，功率模块包括H桥旁路开关、预充开关组（4）、电容C、第一电感L1和第二电感L2；所述电池组包括电池电阻R0和电池；本发明在中压直挂式储能系统若干个功率模块或电池组发生故障时，迅速完成故障状态的判断与定位，旁路故障链节，同时实现健康运行状态与冗余运行状态的无缝切换，避免系统短时停机出现的功率缺额，减小系统因部分链节发生故障而停机带来的损失。

Description

基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制方法及 系统

技术领域

本发明涉及储能领域，本发明提出一种中压直挂式储能系统冗余控制方法，适用于储能领域。

背景技术

储能技术因能提高新能源发电利用率、平滑有功功率波动、对电力系统起到削峰填谷等作用而受到广泛应用。其中，级联型储能功率变换系统 (Power ConversionSystem，PCS)，也可称为直挂式储能功率变换系统，具有模块化结构、安全性高等优点，在高压大容量场合受到广泛关注，其控制策略的好坏直接影响到储能系统的性能和可靠性。由于直挂式储能系统单机功率/容量较大，若出现功率模块或电池组故障所造成的储能系统停机会产生较大的功率缺额以及经济损失。

冗余技术又称为储备技术。通常使用备用的软件或硬件参与系统的运行控制。当系统发生故障时，能完成自动切换，从而保障系统不间断工作。冗余技术是提高系统可靠性的一种手段。系统引入冗余控制是采用一定或成倍量的设备或元器件的方式组成控制系统来参加控制，当某一设备或元器件发生故障而损坏时，通过硬件、软件方式，相互切换作为后备设备或元器件，替代因故障而损坏的设备或元器件，保持系统正常工作，使控制因意外而导致的停机损失降到最低。

现有技术相似申请中CN202011320533公开一种中压直挂式储能系统及其在线冗余控制方法，包括并网开关G1、交流预充电阻R、交流预充旁路开关G2、输入三相电抗器L，级联子模块单元；当系统并网，封锁所用功率模块的脉冲式，系统处于并网模式；当出现交流侧故障，或者超出冗余运行能力时，系统处于故障模式，封锁所有功率模块脉冲，断开G1；现有技术进入冗余运行模式，由于旁路开关独立，是将所有功率模块封锁，不能对功率模块灵活冗余控制。对比文件1内部所集成的K4、K5断路器开关动作时间较长，需要90ms，冗余控制响应比较慢，不利于中高压控制。

现有技术通过改变系统调制度的方式来调整其他功率模块的输出功率，完成其冗余控制过程，且在健康状态转换至冗余控制过程中需要等待冗余模块的旁路，系统转为待机状态并等待载波信号的重新调整以及各功率模块的电压调制信号修改，此环节运算过程较长，系统会存在20ms以上的功率缺额，现有技术无法实现系统健康状态至冗余状态的无缝切换。

现有技术是低压储能变流器的模型预测控制，其控制变量为开关序列，但此种方式并不适用于中高压大功率的直挂式储能变流器。由于其功率模块数量较多，开关序列过于繁杂，对于中央处理器的运算负荷过重，单位控制周期内无法完成对输出功率或电流进行准确预估。对比现有直挂式储能系统的冗余控制方法，最大区别即为现有专利仍是基于矢量控制以及载波移相调制技术，在系统功率模块或电池组发生故障时，需停机对各功率模块的调制电压进行重新计算与调整，同时在停机过程中需对健康功率模块的三角载波相角进行重新计算与分配，至少存在数十毫秒的停机时间，在该时段造成了较大的功率缺额，无法实现系统的连续运行与冗余状态无缝切换的需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术问题，本申请提出：

一种基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制系统为三相对称级联结构，包括中央处理器和协处理器，每相包括相开关和若干子模块，子模块通过旁路开关S接入电路，所述子模块包括功率模块和电池组，功率模块包括H桥旁路开关、预充开关组、电容C、第一电感L1和第二电感L2；所述电池组包括电池电阻R0和电池；电容C并联连接在H桥旁路开关的两端，H桥旁路开关、第一电感L1、预充开关组、电池组和第二电感L2依次串联连接；

旁路开关S包括两个反串联的IGBT器件；本文所提的旁路开关是由两个反串联的IGBT器件构成，动作时间在10ms以内。

第一电感L1和第二电感L2用于滤波，平抑二倍频波动，冗余控制准确；

预充开关组包括第一开关K1、第二开关K2和预充电阻R1; 第一开关K1和预充电阻R1串联连接后两端与第二开关K2并联, 第一开关K1与第二开关K2为一对互补开关。

中央处理器用于控制系统外部输出变量，协处理器集成在各功率模块中，用于功率模块状态信息的采集反馈以及功率模块的控制。

各功率模块作为系统的基本功率变流单元，各电池组则为基本电能存储单元。

子模块还包括检修开关T1-1，检修开关T1-1是联动开关，检修时检修开关T1-1开路。

较优地，R1=100Ω，电容C= 4800uF，L1=L2= 2.48mH；

所述子模块包括支持插拔的电气接口，具备即插即用的电气接口以替代传统直挂式储能系统功率模块间的铜排连接

一种基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制方法，基于基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制系统进行冗余控制，具体包括以下步骤：

步骤1：系统开始预充过程，预充开关组中第一开关k1闭合，第二开关 k2断开，开关旁路，对功率模块的电容C进行充电处理，电容C充电至标定电压后，预充过程结束，第一开关k1断开，第二开关k2闭合，对预充电阻R1进行旁路处理;

步骤2：判断功率模块是否发生故障，当故障发生时，中央处理器定位故障功率模块或故障电池组所处位置，即位于abc三相中的序号数；

步骤3：在中央处理器收到协处理器上送的故障信息后，判断系统是否满足冗余条件，即旁路故障功率单元后，其他功率模块输出功率是否仍能满足系统的额定功率输出（冗余条件是系统将故障模块旁路后，能否还输出额定功率，如果不能即初步判定不具备额定功率下的冗余能力），若满足冗余条件，则对具备冗余能力（Redundancy capability，Rc）进行标记，将冗余能力标志位赋值，F_Rc=1，进入冗余准备状态；若不满足额定功率输出，则冗余能力标志位F_Rc=0；生成冗余能力标志信号后，在中央处理器与协处理器通信信号中加入冗余能力标志位，通过冗余能力标志位的值判定各功率模块是否具备额定容量状态下的冗余能力；

步骤4：若F_Rc=0，判断系统冗余状态下是否可降额运行，根据直挂式储能系统所接收到的遥控指令进行运行，当接受到故障状态下系统运行于最大输出功率P _fmax模式的指令后，将故障状态下系统的输出功率限制调整为P _fmax；

步骤5：若F_Rc=1或F_Rc=0且能量管理系统允许系统降额运行，旁路开关 S闭合，对故障子模块进行旁路处理（系统运行于健康状态，旁路开关S处于开断状态），将故障功率模块或其对应电池组进行旁路处理，基于模型预测控制方法进行连续冗余控制。

故障信息包括障状态判别位和故障电气位置，故障判别位为0、1逻辑判断方式（0表示系统运行于健康状态、1表示故障状态），故障电气位置包括abc三相信息和序号（故障功率模块或故障电池组的序号），故障信息的编码方式为abc+N形式，通过二进制编码，系统不仅可以获取故障状态判别、同时可精准定位故障点所在位置，在单位控制周期内即可实现。

中央处理器在判定系统是否具备冗余能力后，将冗余能力标志位F_Rc融合至控制指令中，下送至协处理器，协处理器通过判断冗余能力标志位F_Rc判定是否继续运行，该环节仅在单位控制周期内即可实现，完成状态的无缝切换。

中央处理器定位故障功率模块或故障电池组序号的方法具体包括以下步骤：

定义各功率模块为SM_x,y，电池组为B_x,y，其中x=a，b，c分别表示abc三相，y=1，2，3，…N；式中N表示各相功率模块串联数量；并将最靠近并网电感位置的功率模块及电池组定义y序号为1，并顺序向下排列，从而在电气结构与物理空间上进行对应，易于故障位置的排查。

判断功率模块是否发生故障具体包括以下步骤：

判断功率模块是否发生故障方法即为通过判断功率模块所期望输出脉冲调制信号（S_PWM）与功率模块端口输出电压V _sm进行判断，判断功率模块是否发生故障具体包括以下步骤：

S101，计算功率模块端口实际输出电压：

(1)

式中：

表示序号为x,y的功率模块脉冲调制信号；V _dc,x,y表示序号为x,y的功率模块直流侧电压；

表示序号为x,y的功率模块端口实际输出电压；

S102，计算功率模块端口期望输出电压：

(2)

式中：

表示序号为x,y的功率模块端口期望输出电压；

表示序号为x,y的功率模块期望脉冲调制信号;V _dc表示电池组直流侧平均电压；

S103，判断功率模块端口期望输出电压（期望输出脉冲调制信号S_PWM的电压）与功率模块端口实际输出电压V _sm是否相等：

(3)

若功率模块持续满足公式3，即功率模块端口期望输出电压

与功率模块端口实际输出电压V _sm一致，则判定功率模块运行于健康状态，若出现

，且持续3个控制周期及以上，则判定功率模块或其对应电池组处于故障状态。由公式（1）、（2）分析可知，直挂式储能系统功率模块发生故障时，其实际功率模块脉冲调制信号S _PWM与期望脉冲调制信号S ^* _PWM间存在差异性，若电池组发生故障，则各电池组的实际直流侧电压与系统平均电压也存在一定差值，故通过判定功率模块端口输出电压的实测值与期望值间的差值可有效判定系统故障状态，且中央控制器通过采集与协处理器的上送信息，再通过定位故障功率模块或故障电池组序号的方法，即可定位故障功率模块及电池组所在准确位置，从而完成定位过程。

冗余条件为式（4）：

(4)

式中：I _dc表示电池组直流侧额定输出电流，

表示电池组直流侧额定电压，P ^*表示系统输出额定功率，为功率模块数量；

如果满足公式（4）成立，则将冗余能力标志赋值F_Rc=1，否则冗余能力标志赋值F_Rc=0；

基于模型预测控制方法进行连续冗余控制具体包括以下步骤：

S501，建立功率模块状态集合，设定各相中子模块数量为N，则其对应的功率模块状态集合为{-N, -N+1, -N+2,…-2,-1,0,1,2…N-2,N-1,N}，功率模块状态集合为C_h；若系统运行于冗余状态，将投切子模块状态集合进行调整，若故障子模块数目为1，则冗余状态子模块集合调整为{-N+1, -N+2,…-2,-1,0,1,2…N-2,N-1}，（功率模块状态指各相的电平输出数目），定义投切子模块状态集合为C_f；

中央处理器收到系统的输出功率指令，基于瞬时有功功率，获取下一控制周期系统期望输出三相电流。模型预测控制方法是基于功率模块的投切状态对未来期望输出电流进行单位控制周期内的预测，即对每个子模块投切状态下的期望输出电流进行计算，参见公式5所示。故先建立功率模块状态集合，设定各相中子模块数量为N，则其对应的功率模块状态集合为{-N, -N+1, -N+2,…-2,-1,0,1,2…N-2,N-1,N}，功率模块状态集合为C_h；若系统运行于冗余状态，将投切子模块状态集合进行调整，若故障子模块数目为1，则冗余状态子模块集合调整为{-N+1, -N+2,…-2,-1,0,1,2…N-2,N-1}，（功率模块状态指各相的电平输出数目），定义投切子模块状态集合为C_f；

设定各相中子模块数量为N，对应的功率模块状态集合中数量为2N+1。

S502，基于直挂式储能系统离散域数学模型，对直挂式储能系统未来时刻输出电流进行预测：

(5)

式中：i _a、i _b、i _c分别表示abc三相系统输出电压；e _a、e _b、e _c分别表示abc三相系统接入电网的电压；T _s为控制周期；k表示第k个控制周期；R表示交流侧等效电阻；L表示交流侧等效电感；表示系统内功率模块平均直流侧电压；N _a、N _b、N _c分别表示abc三相系统功率模块投切状态；若系统处于健康状态

，若系统处于故障状态

。

S503，构建优化方程，对功率模块状态集合C_h和投切子模块状态集合C_f进行优化处理，正常运行状态下选取子模块状态集合C_h，故障冗余状态下选取C_f,通过优化函数选取各相最优子模块投切状态，优化函数为：

(6)

式中，

为优化函数输出；

为a相电流给定；

为b相电流给定；

为 c相电流给定；

对式(6)求取极小值，获取未来控制周期的最优功率模块投切组合，完成冗余状态下的功率及电流控制，同时通过在线实时调整功率模块投切状态集合，完成系统健康状态及冗余状态的切换。

基于上述步骤可完成直挂式储能系统整体冗余控制过程，且故障模块数量未突破上限过程中无功率缺额及停机现象，具有较好的经济性。

本申请冗余控制方法是基于模型预测控制，实时在线对子模块投切状态集合进行调整，且均为逻辑运算，在单位控制周期内即可完成冗余模式的切换，实现系统的冗余状态的无缝切换，且过程中无系统待机所造成的巨大功率缺额。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明提出一种基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制方法，系统某部分链节出现故障时，旁路故障链节，并维持交流侧输出的电压稳定与平衡，且在冗余过程中无功率缺额与短时停机，实现了无缝切换，减小系统因部分链节发生故障而停机带来的损失。

本发明提出一种基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制系统包括将功率变换部分、旁路开关、协处理器进行统一集合，而并不是将旁路开关进行独立集成，是减少了旁路开关与功率模块间的线缆连接，同时可共用一套协处理器，系统的集成度更高，且减少了旁路开关与功率模块间的通信环节。同时本专利所提具备冗余功能的功率模块内部集成了在线插拔电气接口，更易于在线运维功能的实现。

本发明提出一种基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制方法，步骤2中通过自主判别定位完成故障功率模块或电池组的故障状态判定与定位；步骤3-5中完成系统冗余能力以及额定功率调整需求的判定，并根据故障程度以及系统运行需求，对系统额定功率进行在线调节，完成系统冗余运行控制，实现健康运行状态以及冗余状态的无缝切换。

本发明提出一种基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制方法，基于模型预测控制方法，实时在线对子模块投切状态集合进行调整，且均为逻辑运算，在单位控制周期内即可完成给定的响应以及健康状态至冗余状态的无缝切换，极大程度的提升了系统的动态响应性能，实现系统的冗余状态的无缝切换，且过程中无系统待机所造成的巨大功率缺额。

本申请是故障状态的快速在线判别，通过功率模块交流侧端口实际输出电压与期望输出电压的比对判断，无论是功率模块发生故障或电池组电压出现异常，其期望输出电压与期望输出电压均会出现偏差，无需停机即可实现对全部功率模块及电池组状态的监测与评估，即可实现对故障状态的判断，同时基于上送数据即可定位故障点的精准位置，对其进行旁路处理。

本申请基于模型预测控制的直挂式储能变流器的快速冗余控制方法，基于直挂式储能系统离散域数学模型，对系统未来输出功率或电流进行单位控制内的精准控制，本申请充分考虑冗余状态以及健康状态控制子集的变化特征，提出了一种动态变更功率模块投切集合的模型预测控制方法，将开关序列集合简化为各相的子模块投切状态集合，可实现单位控制周期内的高速冗余状态切换与连续控制，无需停机即可完成冗余控制环节。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是一种基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制系统结构示意图；

图2是本申请子模块电路结构示意图；

图3是本申请子模块硬件结构示意图；

图4是本实施例基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制系统有功放电模式下输出功率；

图5是本实施例基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制系统有功放电模式下输出电流；

图6是有功放电模式下三相电池电流有效值；

图7是本实施例有功充电模式下a相输出电流THD变化；

图8是本实施例有功充电模式下输出功率；

图9是本实施例有功充电模式下输出电流；

图10是有功充电模式下abc三相电池电流有效值；

图11是有功充电模式下系统a相输出电流THD变化。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，一种基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制系统，为三相对称级联结构，包括中央处理器和协处理器，每相包括相开关1和若干子模块2，子模块2通过旁路开关S接入电路，所述子模块2包括功率模块和电池组，功率模块包括H桥旁路开关、预充开关组4、电容C、第一电感L1和第二电感L2；所述电池组包括电池电阻R0和电池；电容C并联连接在H桥旁路开关的两端，H桥旁路开关、第一电感L1、预充开关组4、电池组和第二电感L2依次串联连接；

本申请三相对称级联结构级联形态的拓扑更适合中高压直挂式储能变流器冗余控制，实现10的-35kv的中高压冗余控制。

旁路开关S包括两个反串联的IGBT器件；本文所提的旁路开关是由两个反串联的IGBT器件构成，其动作时间为10ms以内。

第一电感L1和第二电感L2用于滤波，平抑二倍频波动，冗余控制准确；

预充开关组4包括第一开关K1、第二开关K2和预充电阻R1; 第一开关K1和预充电阻R1串联连接后两端与第二开关K2并联, 第一开关K1与第二开关K2为一对互补开关；

子模块2还包括检修开关T1-1，检修开关T1-1是联动开关，检修时检修开关T1-1开路。

R1=100Ω，电容C= 4800uF，L1=L2= 2.48mH；

中央处理器作为用于系统外部输出变量的控制，协处理器集成在各功率模块中，用于功率模块状态信息的采集反馈以及功率模块的控制。

各功率模块作为系统的基本功率变流单元，各电池组则为基本电能存储单元。具备冗余功能的功率模块电气拓扑如图2所示，其对应的机械结构如图3所示。

子模块2包括支持插拔的电气接口。

一种基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制方法，基于基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制系统进行冗余控制，具体包括以下步骤：

步骤1：系统开始预充过程，预充开关组4中第一开关k1闭合，第二开关 k2断开，开关旁路，对功率模块的电容C进行充电处理，电容C充电至标定电压后，预充过程结束，第一开关k1断开，第二开关k2闭合，对预充电阻R1进行旁路处理。

步骤2：判断功率模块是否发生故障，当故障发生时，中央处理器定位故障功率模块或故障电池组所处位置，即位于abc三相中的序号数；

步骤3：中央处理器作为直挂式储能系统的核心处理器，用于系统功率、电流等外部输出变量的控制，协处理器集成在各功率模块中，用于功率模块状态信息的采集反馈以及功率模块的控制。步骤3：在中央处理器收到协处理器上送的故障信息后，判断系统是否满足冗余条件，即旁路故障功率单元后，其他功率模块输出功率是否仍能满足系统的额定功率输出（冗余条件是系统将故障模块旁路后，能否还输出额定功率，如果不能即初步判定不具备额定功率下的冗余能力），若满足冗余条件，则对具备冗余能力（Redundancycapability，Rc）进行标记，将冗余能力标志位赋值，F_Rc=1，进入冗余准备状态；若不满足额定功率输出，则冗余能力标志位F_Rc=0；生成冗余能力标志信号后，在中央处理器与协处理器通信信号中加入冗余能力标志位，通过冗余能力标志位的值判定各功率模块是否具备额定容量状态下的冗余能力；

冗余条件判断方法为判断否满足式（4）：

(4)

式中：I _dc表示电池组直流侧额定输出电流；P ^*表示系统输出额定功率，为功率模块数量；

如果满足公式（4）成立，则将冗余能力标志赋值F_Rc=1，否则冗余能力标志赋值F_Rc=0；

中央处理器收到协处理器上送的故障信息，其中故障信息包括故障状态判别位+故障电气位置，故障判别位为0、1逻辑判断方式（0表示系统运行于健康状态、1表示故障状态）故障电气位置则由abc三相信息+序号组成，对应编码方式为abc+N形式，通过二进制编码，系统不仅可以获取故障状态判别、同时可精准定位故障点所在位置，在单位控制周期内即可实现。

中央处理器在判定系统是否具备冗余能力后，将冗余标志位FRc融合至控制指令中，下送至协处理器，协处理器通过判断冗余标志位可判定是否继续运行，该环节也仅在单位控制周期内即可实现，完成状态的无缝切换。

步骤4：若F_Rc=0，判断系统冗余状态下是否可降额运行，根据直挂式储能系统中的能量管理系统所接收到的遥控指令进行运行，当接受到故障状态下系统运行于最大输出功率P _fmax模式的指令后，将故障状态下的输出功率限制调整为P _fmax；

步骤5：若F_Rc=1或F_Rc=0且能量管理系统允许系统降额运行，旁路开关 S闭合，对故障子模块进行旁路处理（系统运行于健康状态，旁路开关S处于开断状态），将故障功率模块或其对应电池组进行旁路处理，并基于模型预测控制方法进行连续冗余控制。

中央处理器定位故障功率模块或故障电池组序号的方法具体包括以下步骤：

定义各功率模块为SM_x,y，电池组为B_x,y，其中x=a，b，c分别表示abc三相，y=1，2，3，…N；式中N表示各相功率模块串联数量；并将最靠近并网电感位置的功率模块及电池组定义y序号为1，并顺序向下排列，从而在电气结构与物理空间上进行对应，易于故障位置的排查。

判断功率模块是否发生故障具体包括以下步骤：

中央处理器无需通过监测芯片或管理单元自行判断及定位故障功率模块或电池组序号，其判断方法即为通过判断功率模块所期望输出脉冲调制信号（S_PWM）与功率模块端口输出电压V _sm进行判断，判定是否满足式（3）：

S101，计算功率模块端口实际输出电压：

(1)

式中：

表示序号为x,y的功率模块脉冲调制信号；V _dc,x,y表示序号为x,y的功率模块直流侧电压；

表示序号为x,y的功率模块端口实际输出电压；

S102，计算功率模块端口期望输出电压：

(2)

式中：

表示序号为x,y的功率模块端口期望输出电压；

表示序号为x,y的功率模块期望脉冲调制信号;V _dc表示电池组直流侧平均电压；

S103，判断功率模块端口期望输出电压（期望输出脉冲调制信号S_PWM的电压）

与功率模块端口实际输出电压V _sm是否相等：

(3)

若功率模块持续满足公式3，即功率模块端口期望输出电压

与功率模块端口实际输出电压V _sm一致，则判定功率模块运行于健康状态，若出现

，且持续3个控制周期及以上，则判定功率模块或其对应电池组处于故障状态。由公式（1）、（2）分析可知，直挂式储能系统功率模块发生故障时，其实际功率模块脉冲调制信号S _PWM与期望脉冲调制信号S ^* _PWM间存在差异性，若电池组发生故障，则各电池组的实际直流侧电压与系统平均电压也存在一定差值，故通过判定功率模块端口输出电压的实测值与期望值间的差值可有效判定系统故障状态，且中央控制器通过采集与协处理器的上送信息，再通过定位故障功率模块或故障电池组序号的方法，即可定位故障功率模块及电池组所在准确位置，从而完成定位过程。

基于模型预测控制方法进行连续冗余控制具体包括以下步骤：

S501，建立功率模块状态集合，设定各相中子模块数量为N，则其对应的功率模块状态集合为{-N, -N+1, -N+2,…-2,-1,0,1,2…N-2,N-1,N}，功率模块状态集合为C_h；若系统运行于冗余状态，将投切子模块状态集合进行调整，若故障子模块数目为1，则冗余状态子模块集合调整为{-N+1, -N+2,…-2,-1,0,1,2…N-2,N-1}，（功率模块状态指各相的电平输出数目），定义投切子模块状态集合为C_f；

中央处理器收到系统的输出功率指令，基于瞬时有功功率，获取下一控制周期系统期望输出三相电流。模型预测控制方法是基于功率模块的投切状态对未来期望输出电流进行单位控制周期内的预测，即对每个子模块投切状态下的期望输出电流进行计算，参见公式5所示。故先建立功率模块状态集合，设定各相中子模块数量为N，则其对应的功率模块状态集合为{-N, -N+1, -N+2,…-2,-1,0,1,2…N-2,N-1,N}，功率模块状态集合为C_h；若系统运行于冗余状态，将投切子模块状态集合进行调整，若故障子模块数目为1，则冗余状态子模块集合调整为{-N+1, -N+2,…-2,-1,0,1,2…N-2,N-1}，（功率模块状态指各相的电平输出数目），定义投切子模块状态集合为C_f；-N表示最低电平状态;

设定各相中子模块数量为N，对应的功率模块状态集合中数量为2N+1。

S502，基于直挂式储能系统离散域数学模型，对直挂式储能系统未来时刻输出电流进行预测：

(5)

式中：i _a、i _b、i _c分别表示abc三相系统输出电压；e _a、e _b、e _c分别表示abc三相系统接入电网的电压；T _s为控制周期；k表示第k个控制周期；R表示交流侧等效电阻；L表示交流侧等效电感；表示系统内功率模块平均直流侧电压；N _a、N _b、N _c分别表示abc三相系统功率模块投切状态；若系统处于健康状态

，若系统处于故障状态

。

S503，构建优化方程，对功率模块状态集合C_h和投切子模块状态集合C_f进行优化处理，正常运行状态下选取子模块状态集合C_h，故障冗余状态下选取C_f,通过优化函数选取各相最优子模块投切状态，优化函数为：

(6)

式中，

为优化函数；

为a相电流给定；

为b相电流给定；

为 c相电流给定；

对式(6)求取极小值，获取未来控制周期的最优功率模块投切组合，完成冗余状态下的功率及电流控制，同时通过在线实时调整功率模块投切状态集合，完成系统健康状态及冗余状态的切换。

基于上述步骤可完成直挂式储能系统整体冗余控制过程，且故障模块数量未突破上限过程中无功率缺额及停机现象，具有较好的经济性。

本申请冗余控制方法是基于模型预测控制，实时在线对子模块投切状态集合进行调整，且均为逻辑运算，在单位控制周期内即可完成冗余模式的切换，实现系统的冗余状态的无缝切换，且过程中无系统待机所造成的巨大功率缺额。

如公式（5）所示，每一个功率模块状态集合或投切子模块状态集合中的每一个投切变量均对系统输出电流、功率均造成影响，通过对每个投切状态变量对应的未来时刻系统输出电流进行计算，可获取未来控制周期系统输出电流（即输出电流预测值），并基于公式（6），求取与输出电流给定值偏差最小的预测值，进而获取最优子模块投切状态，从而完成整个在线优化过程，实现直挂式储能系统的预测控制。相比于传统控制方法，基于模型预测的直挂式储能系统冗余控制方法可在单位控制周期内即可完成给定的响应以及健康状态至冗余状态的无缝切换，极大程度的提升了系统的动态响应性能。

图3具备冗余功能支持插拔的直挂式储能系统功率模块，图3中具备冗余功能的功率模块集成了旁路开关和协处理器，设计了具备即插即用的电气接口以替代传统直挂式储能系统功率模块间的铜排连接，具备在线插拔能力，并将一二次侧进行上下两层分隔处理，可降低不同类型信号间的干扰。

针对有功充电、有功放电两种工作模式，搭建模型，并进行了仿真验证，效果如下：

（1）有功放电模式下冗余控制

仿真时给定有功功率P=5MW，电池电压设置在850V，电网电压35kV，在1s时，a相的第一个单元发生故障，系统旁路该单元，系统的输出功率、输出电流如图4和图5所示，系统的输出功率和电流没有收到影响。abc三相电池电流如图6所示，在1s之前，三相的电流相同，1s后，a相第一个单元旁路，a相剩余单元的调制比变高，因此a相的电池电流变大，b、c相电池电流没有变化。a相输出电流THD由1%变为1.2%左右。

（2）有功充电模式下冗余控制

仿真时给定有功功率P=-5MW，电池电压设置在850V，电网电压35kV，在1s时，a相的第一个单元发生故障，系统旁路该单元，系统a相输出电流THD变化如图7所示，系统的输出功率、输出电流如图8和图9所示，系统的输出功率和电流没有收到影响。a、b、c三相电池电流如图10所示，在1s之前，三相的电流相同，1s后，a相第一个单元旁路，a相剩余单元的调制比变高，因此a相的电池电流变大，b、c相电池电流没有变化。a相输出电流THD由1%变为1.2%左右，如图11中的a相输出电流THD变化。

因此，本实施例表明，本申请实时在线对子模块投切状态集合进行调整，且均为逻辑运算，在单位控制周期内即可完成冗余模式的切换，实现系统的冗余状态的无缝切换，且过程中无系统待机所造成的巨大功率缺额。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组间可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组间组合成一个模块或单元或组间，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组间。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。

这里描述的各种技术可结合硬件或软件，或者它们的组合一起实现。从而，本发明的方法和设备，或者本发明的方法和设备的某些方面或部分可采取嵌入有形媒介，例如软盘、CD-ROM、硬盘驱动器或者其它任意机器可读的存储介质中的程序代码(即指令)的形式，其中当程序被载入诸如计算机之类的机器，并被所述机器执行时，所述机器变成实践本发明的设备。

在程序代码在可编程计算机上执行的情况下，计算设备一般包括处理器、处理器可读的存储介质(包括易失性和非易失性存储器和/或存储元件)，至少一个输入装置，和至少一个输出装置。其中，存储器被配置用于存储程序代码；处理器被配置用于根据该存储器中存储的所述程序代码中的指令，执行本发明的方法。

以示例而非限制的方式，计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息。通信介质一般以诸如载波或其它传输机制等已调制数据信号来体现计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据，并且包括任何信息传递介质。以上的任一种的组合也包括在计算机可读介质的范围之内。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制系统，其特征在于，为三相对称级联结构，包括中央处理器和协处理器，每相包括相开关（1）和若干子模块（2），子模块（2）通过旁路开关S接入电路，所述子模块（2）包括功率模块和电池组，功率模块包括H桥旁路开关、预充开关组（4）、电容C、第一电感L1和第二电感L2；所述电池组包括电池电阻R0和电池；电容C并联连接在H桥旁路开关的两端，H桥旁路开关、第一电感L1、预充开关组（4）、电池组和第二电感L2依次串联连接；

旁路开关S包括两个反串联的IGBT器件；

预充开关组（4）包括第一开关K1、第二开关K2和预充电阻R1; 第一开关K1和预充电阻R1串联连接后两端与第二开关K2并联, 第一开关K1与第二开关K2为一对互补开关；

中央处理器用于控制系统外部输出变量，协处理器集成在各功率模块中，用于功率模块状态信息的采集以及功率模块的控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制系统，其特征在于，

子模块（2）还包括检修开关T1-1，检修开关T1-1是联动开关，检修时检修开关T1-1开路。

3.根据权利要求1所述的一种基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制系统，其特征在于，

所述子模块（2）包括支持插拔的电气接口。

4.根据权利要求1所述的一种基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制系统，其特征在于，

R1=100Ω，电容C= 4800uF，L1=L2= 2.48mH。

5.一种基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制方法，其特征在于，基于权利要求1-3任一项所述的基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制系统进行冗余控制，具体包括以下步骤：

步骤1：系统开始预充过程，预充开关组（4）中第一开关k1闭合，第二开关 k2断开，开关旁路，对功率模块的电容C进行充电处理，电容C充电至标定电压后，预充过程结束，第一开关k1断开，第二开关k2闭合，对预充电阻R1进行旁路处理;

步骤2：判断功率模块是否发生故障，当故障发生时，中央处理器定位故障功率模块或故障电池组所处位置，获得故障功率模块或故障电池组序号；

步骤3：在中央处理器收到协处理器上送的故障信息后，判断系统是否满足冗余条件，若满足冗余条件，则对具备冗余能力进行标记，将冗余能力标志位赋值F_Rc=1，进入冗余准备状态；若不满足冗余条件，则冗余能力标志位F_Rc=0；生成冗余能力标志信号后，在中央处理器与协处理器通信信号中加入冗余能力标志位，通过冗余能力标志位的值判定各功率模块是否具备额定容量状态下的冗余能力；

步骤4：若F_Rc=0，判断系统冗余状态下是否可降额运行，根据直挂式储能系统所接收到的遥控指令进行运行，当接受到故障状态下系统运行于最大输出功率P _fmax模式的指令后，将故障状态下系统的输出功率限制调整为P _fmax；

步骤5：若F_Rc=1或F_Rc=0且允许系统降额运行，旁路开关 S闭合，对故障子模块进行旁路处理，基于模型预测控制方法进行连续冗余控制。

6.根据权利要求5所述的一种基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制方法，其特征在于，

故障信息包括障状态判别位和故障电气位置，故障判别位为0或者1逻辑判断方式，故障电气位置包括abc三相信息和序号，故障信息通过abc+N形式的编码方式进行二进制编码；

中央处理器在判定系统是否具备冗余能力后，将冗余能力标志位F_Rc融合至控制指令中，下送至协处理器，协处理器通过判断冗余能力标志位F_Rc判定是否进行冗余控制。

7.根据权利要求5所述的一种基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制方法，其特征在于，中央处理器定位故障功率模块或故障电池组序号的方法具体包括以下步骤：

定义各功率模块为SM_x,y，电池组为B_x,y，其中x=a，b，c分别表示abc三相，y=1，2，3，…N；式中N表示各相功率模块数量；并将最靠近并网电感位置的功率模块及电池组定义y序号为1，并顺序向下排列。

8.根据权利要求5所述的一种基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制方法，其特征在于，判断功率模块是否发生故障具体包括以下步骤：

判断功率模块是否发生故障方法是通过判断功率模块所期望输出脉冲调制信号与功率模块端口输出电压V _sm进行比较判断，判断功率模块是否发生故障具体包括以下步骤：

S101，计算功率模块端口实际输出电压：

(1)

式中：

表示序号为x,y的功率模块脉冲调制信号；V _dc,x,y表示序号为x,y的功率模块直流侧电压；

表示序号为x,y的功率模块端口实际输出电压；

S102，计算功率模块端口期望输出电压：

(2)

式中：

表示序号为x,y的功率模块端口期望输出电压；

表示序号为x,y的功率模块期望脉冲调制信号;V _dc表示电池组直流侧平均电压；

S103，判断功率模块端口期望输出电压

与功率模块端口实际输出电压V _sm是否相等：

(3)

若功率模块满足公式（3），则判定功率模块运行于健康状态，若出现

，且持续T个控制周期及以上，则判定功率模块或其对应电池组处于故障状态。

9.根据权利要求5所述的一种基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制方法，其特征在于，

冗余条件为式（4）：

(4)

式中：I _dc表示电池组直流侧额定输出电流，

表示电池组直流侧额定电压，P ^*表示系统输出额定功率，

为功率模块数量；

如果满足公式（4）成立，则将冗余能力标志赋值F_Rc=1，否则冗余能力标志赋值F_Rc=0。

10.根据权利要求5所述的一种基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制方法，其特征在于，

基于模型预测控制方法进行连续冗余控制具体包括以下步骤：

S501，建立功率模块状态集合，设定各相中子模块数量为N，则其对应的功率模块状态集合为{-N, -N+1, -N+2,…-2,-1,0,1,2…N-2,N-1,N}，功率模块状态集合为C_h；若系统运行于冗余状态，将投切子模块状态集合进行调整，若故障子模块数目为1，则冗余状态子模块集合调整为{-N+1, -N+2,…-2,-1,0,1,2…N-2,N-1}，定义投切子模块状态集合为C_f；

设定各相中子模块数量为N，对应的功率模块状态集合中数量为2N+1；

S502，基于直挂式储能系统离散域数学模型，对直挂式储能系统未来时刻输出电流进行预测：

(5)

式中：i _a、i _b、i _c分别表示abc三相系统输出电压；e _a、e _b、e _c分别表示abc三相系统接入电网的电压；T _s为控制周期；k表示第k个控制周期；R表示交流侧等效电阻；L表示交流侧等效电感；

表示系统内功率模块平均直流侧电压；N _a、N _b、N _c分别表示abc三相系统功率模块投切状态；若系统处于健康状态

，若系统处于故障状态

；

S503，构建优化方程，对功率模块状态集合C_h和投切子模块状态集合C_f进行优化处理，正常运行状态下选取子模块状态集合C_h，故障冗余状态下选取C_f,通过优化函数选取各相最优子模块投切状态，优化函数为：

(6)

式中，

为优化函数输出；

为a相电流给定；

为b相电流给定；

为 c相电流给定；

对式(6)求取极小值，获取未来控制周期的最优功率模块投切组合，完成冗余状态下的功率及电流控制，同时通过在线实时调整功率模块投切状态集合，完成系统健康状态及冗余状态的切换。

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