CN116667407B - 并网级联多电平变换器多模式解耦控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并网级联多电平变换器多模式解耦控制方法，包括以下步骤：简化多源接入混合储能系统模型、提出多模式运行策略、基于分层原理的簇间解耦以及簇内的均衡控制，简化多源储能系统模型是后续进行分层控制的基础；提出多模式运行策略有利于充分利用不同直流源的特点；基于分层原理的簇间解耦是为了实现多模式运行策略，能灵活调节不同类型储能单元间的功率分配；均衡控制为了完成簇内相同类型储能单元的功率分配；相较于传统单一的并网控制方法，即PQ控制或下垂控制，多模式解耦控制能实现多样化地控制目标，充分发挥储能电池与超级电容等不同类型储能设备的优势，提高储能系统支撑电网的能力。

Description

并网级联多电平变换器多模式解耦控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制方法，尤其涉及一种基于多源接入的并网级联多电平变换器多模式解耦控制方法，属于储能多电平变换器控制技术领域。

背景技术

由于级联多电平变换器不存在统一的直流侧，故每个链节单元的直流侧的元件和参数可以根据需要进行灵活配置。目前，多源接入级联多电平变换器被广泛运用于并网级联的混合储能系统中。为了能综合发挥储能电池与超级电容等多源接入的优势，需要为混合储能系统制定多模式运行策略，其技术核心就在于实现不同类型链节间的完全解耦，实现链节间电压/功率的灵活分配。

传统的并网变换器的控制中，由于存在大电网决定电压和频率，变换器仅提供稳定的功率，即工作在电流源模式，多采用经典恒功率控制方法(PQ控制)或下垂控制。近些年来，有学者同样针对并网级联多电平变换器提出了分相控制策略，结合蓄电池四象限工作的特性以及前馈控制技术，直接给定电池单元输出电压调制波将其控制为电流源，而对电容单元采取电容电压外环加输出电流内环的双环控制，通过前馈控制技术将由蓄电池和超级电容组成的混合储能系统控制策略，设计简化为STATCOM控制策略研究。

在现有技术中，无论是传统的PQ控制或下垂控制，还是较为新颖的分相控制，均不能很好地实现在多源接入的并网级联多电平变换器多模式解耦控制。前者传统控制较为简单，往往很难发挥级联多电平变换器中接入各种直流源的优势，来设计多模式运行策略，以实现多源化的控制目标。后者分相控制，由于采用传统解耦方法，进行双闭环控制，使其响应速度较慢，且调节过程中链节单元可能出现过调制。因此，如何设计良好的控制方法，使多源接入的并网级联多电平变换器实现多模式运行、不同类型链节间的完全解耦，是本领域亟需解决的技术问题之一。

发明内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种并网级联多电平变换器多模式解耦的控制方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种并网级联多电平变换器多模式解耦控制方法，主要包括以下步骤：

步骤S1、建立并化简并网级联混合储能系统等效模型，将每相等效成一个电池簇和一个超级电容簇级联而成；

步骤S2、提出多模式运行策略，分析各个模式下的功率输出范围；

步骤S3、采用基于分层原理的簇间解耦，实现多模式运行策略，调节不同类型储能单元间的功率分配；

步骤S4、有功矢量叠加，用以相同类型储能单元的簇内电压均衡控制。

优选的，步骤S1中，建立并化简并网级联混合储能系统等效模型的具体过程为：

当级联多电平变换器的每相均包含M个储能电池单元和N个超级电容单元时，将每相相同类型的储能电压进行输入输出的整合简化，使每相均可等效为一个电池簇和一个超级电容簇级联组成，且有：

其中X＝A,B,C

其中，V_bat和V_SC分别表示单个储能电池和超级电容的电压，v_Xbi(i＝1,…,M)和v_Xcj(j＝1,…,N)分别表示X(X＝A,B,C)相中单个电池单元及超级电容单元的输出电压，V_batΣ和V_SCΣ分别表示每相等效模型中电池簇和超级电容簇的整合直流侧电压，v_XbΣ和v_XcΣ则为X相中等效电池簇和超级电容簇的整合输出电压。

优选的，步骤S2中，所提出的多模式运行策略包括：电压维持模式、平抑波动模式；

在电压维持模式中，电池单元簇为电网提供额定功率，同时维持超级电容电压稳定以应对功率波动；

在平抑波动模式中，超级电容通过快速充/放电来平抑电网侧有功功率的波动，此时电池单元簇仍为电网提供额定功率或按需要进行功率补偿；同时当超级电容的工作电压达到上/下限时，亦会强行进入电压维持模式，并维持在超级电容工作电压的上/下限不变。

优选的，进一步分析电压维持模式和平抑波动模式下的功率输出范围，避免选取不合适的功率指令，使系统发生过调制；

在电压维持模式下，超级电容电压需要维持稳定，故超级电容仅与电网进行无功交换，且受调制比的限制，每项等效的电池簇和超级电容簇的输出表示为：

其中，V_XbΣ和V_XcΣ分别为等效电池与超级电容簇的输出电压幅值，V_batΣ和V_SCΣ分别表示每相等效模型中电池簇和超级电容簇的整合直流侧电压，M_b和M_c分别为电池与超级电容单元簇的调制比；

在矢量图中，电网每相电压矢量可由每相等效的电池簇和超级电容簇电压矢量合成，在合成的电网电压矢量大小不变前提下，选取圆C1为等效电池簇最大输出范围，其半径为等效电池簇直流侧电压V_batΣ，选取圆C2为等效超级电容簇最大输出范围，为防止超级电容过调制，其半径选为超级电容的最低工作电压V_SCΣmin，因此，在圆C1与C2的交叠处，系统不会发生过调制，处于稳定的工作区域；

为化简计算，在dq坐标系中，具体分析输出电压和电流关系，得到系统在电压维持模式下所能输出的最大有功功率，且在电压维持模式下，最大有功功率输出还受到储能电池放电电流的约束，在保证储能电池的生命周期的前提下，综合考虑电压维持模式下有功功率输出范围为：

其中，I_s为输出电流幅值，

I_dis,max为电池最大放电电流；

在平抑波动模式下，超级电容通过快速充/放电来补偿电网的有功功率的波动，当超级电容容量不足以弥补波动时，储能电池也将参与有功功率的补偿中，因此，在矢量图分析时，取边界情况，即超级电容单元簇仅输出有功功率且调制比达到最大值，且同时考虑电池放电的电流限制，可得平抑波动模式下混合储能系统的有功功率的输出范围为：

优选的，在步骤S3中，分层原理是将混合储能系统的控制系统分为上层控制和下层控制；

上层控制根据电网调度指令计算系统中输出参考电压及上层功率解耦控制，并进行工作模式选择，实现多模式控制；

下层控制根据上层工作模式的选择情况，计算出超级电容簇输出电压的参考值，再用上层功率解耦算出的总输出电压参考值减去该参考值，即可得到储能电池簇输出电压的参考值，即簇间解耦；

最后，通过均衡控制实现相同类型链节间的功率分配。

优选的，上层控制由功率解耦控制和工作模式选择两部分组成；

工作模式选择是通过比较电网有功功率需求P^*与电池单元簇额定有功功率输出P_r来判断混合储能系统的工作模式，若两者相等为电压维持模式，若不等则为平抑波动模式，但出于对超级电容安全性考虑，倘若在平抑波动模式，当超级电容工作电压达到上/下限时，亦会强行进入电压维持模式，并维持在超级电容工作电压的上/下限不变；

功率解耦控制根据电网调度的有功功率和无功功率指令P^*、Q^*分别计算出有功电流和无功电流的指令值i_d ^*、i_q ^*，如下式所示：

再将得到的有功和无功电流的指令值分别与实际测量得到的有功、无功电流i_d、i_q比较，经过PI控制，再加入电网电压、滤波电感压降组成的前馈，即可计算出混合储能系统总输出电压的参考值：

其中，v_outd ^*和v_outq ^*分别表示混合储能系统输出电压的d轴和q轴分量；v_d和v_q分别为电网电压的d轴和q轴分量；K_ip和K_ii分别为电流环的比例和积分增益；ω为电网电压的角速度。

优选的，在下层控制中，电压维持模式下的超级电容输出功率分配方法为：超级电容簇与电网几乎只存在无功交换，故可得下式：

其中，v_cdff和v_cqff分别表示超级电容簇输出电压的d轴和q轴前馈量；Q_c ^*为超级电容簇的期望无功功率输出；根据式(14)，可进一步推导出前馈值v_cdff和v_cqff，如下式：

为提高控制精度，通过从v_cdff中减去一个可控变量Δv_cd以实现调节超级电容充/放电状态，即：

其中，可控变量Δv_cd由改进的PI控制器计算得出：

式中，K_vp和K_vi分别为电压环的比例和积分增益，sgn(x)为符号函数；

该改进的PI控制器的输入是超级电容期望电压与实际电压间的误差，输出是超级电容簇输出电压d轴参考值，且输出受有功电流方向的影响。

优选的，在下层控制中，平抑波动模式下的超级电容输出功率的分配方法为：根据电网的有功功率波动和链节单元容量，将平抑波动模式细分为不同工况，结合每种工况下超级电容簇和电池簇输出有功功率和无功功率的状况，分别计算超级电容簇输出的参考电压，进而实现簇间解耦。

优选的，平抑波动模式细分为四种工况，分别为工况I、工况II、工况III、工况IV；

工况I：当网侧有功波动较小时，储能电池簇仍维持发出额定功率，超级电容簇将补偿该有功波动并维持其原有的无功功率的输出；

工况II：若采用工况I的超级电容簇输出电压计算方式会导致链节单元过调制，则改用工况II；在工况II下，超级电容簇工作于满调制状态，在补偿全部有功波动的同时输出尽可能多的无功功率；

工况III：当电网的有功功率的波动大于超级电容所能输出的最大有功功率时，此时，超级电容仅做有功功率的输出，且工作在满调制状态，剩余的功率则由储能电池簇提供；

工况IV：当工况I～III均会使得功率单元过调制时，采用工况IV，使得储能电池簇和超级电容簇均工作于满调制状态。

优选的，在步骤S4中，有功矢量的叠加：在簇内每个单元输出叠加与一个与输出电流平行的电压矢量，调节其有功输出，从而实现电池簇和超级电容簇，簇内每个储能单元的电压均衡控制。

本发明公开了一种基于多源接入的并网级联多电平变换器多模式解耦控制方法在步骤S1中对并网级联混合储能系统模型化简，进行输出整合，具有高效建模的优点；步骤S2中提出多模式运行策略，能充分发挥电池和超级电容的优势，使并网级联混合储能系统同时兼具高能量密度和高功率密度的优点；步骤S3中采用分层原理，实现不同类型直流源的簇间解耦，实现簇间功率的灵活分配；步骤S4中，通过均衡控制，进行功率的簇内分配。

相较于传统的控制方法，本发明提出了多模式运行策略，可以充分利用各种直流源优势，通过超级电容和蓄电池配合，平抑电网的有功功率波动，提高混合储能系统的稳定性和主动支撑电网的能力；相较于分相控制，本发明所提出的分层控制可进行不同类型链节的解耦，具有功率动态响应较快的优势，且由于对输出功率进行过精确的计算分析，也不会面临过调制的风险。

附图说明

图1是并网级联多电平变换器多模式解耦控制方法的流程图。

图2是并网级联多电平混合储能系统拓扑结构图。

图3是并网级联混合储能系统等效简化模型图。

图4是并网级联混合储能系统的模式切换策略流程图。

图5是电压维持模式系统矢量模型图。

图6是电压维持模式下系统输出电流范围图。

图7是平抑波动模式下有功功率输出的边界条件图。

图8是基于分层控制的并网级联多电平变换器多模式解耦控制结构图。

图9是上层功率解耦控制图。

图10是超级电容在电压维持模式下稳压控制图。

图11是改进PI控制原理矢量图。

图12是平抑波动模式不同工况选择流程图。

图13是超级电容输出纯有功时的输出电流范围图。

图14是有功电压矢量叠加方法原理图。

图15是簇内电压均衡控制策略原理图。

图16是工作模式连续切换仿真结果图。

图17是平抑波动模式下不同工况切换仿真结果图。

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详细的说明。

本发明设计了一种基于多源接入的并网级联多电平变换器多模式解耦控制方法，解决传统控制方法无法充分发挥接入各种直流源的优势来实现多模式运行问题，进一步采用分层控制原理，完成系统不同类型链节间的完全解耦，实现链节间输出电压/功率的灵活分配。

本发明采用的技术方案可概括为：将整个混合储能系统分为上下层控制；其中，上层控制根据电网调度指令计算系统中输出参考电压，并进行工作模式选择，实现多模式控制；下层控制会根据上层工作模式的选择，计算出超级电容簇输出电压的参考值，再用上层功率解耦算出的总输出电压参考值减去该值，即可得到储能电池簇输出电压的参考值，从而实现簇间解耦。

如图1所示，基于多源接入的并网级联多电平变换器多模式解耦控制方法，主要包括以下步骤：

步骤S1、建立并化简并网级联混合储能系统等效模型，将每相等效成一个电池簇和一个超级电容簇级联而成；

步骤S2、提出多模式运行策略，分析各个模式下的功率输出范围；

步骤S3、采用基于分层原理的簇间解耦，实现多模式运行策略，调节不同类型储能单元间的功率分配；

步骤S4、有功矢量叠加，用以相同类型储能单元的簇内电压均衡控制。

如图2所示，为基于多源接入的并网级联多电平混合储能系统拓扑结构图，其中，每相均包含M个储能电池单元和N个超级电容单元。V_bat和V_SC分别表示储能电池和超级电容的电压，v_Xbi(i＝1,…,M)和v_Xcj(j＝1,…,N)分别表示X(X＝A,B,C)相中单个电池单元及超级电容单元的输出电压。v_sX为电网电压；i_sX为输出电流，L为滤波电感。

此处，先考虑混合储能系统在不同类型的储能单元间的功率分配，故在分析中，假设相同类型的储能单元完全相同。因此，可以对每相中相同类型储能单元进行输入输出的整合化简，使每项均可等效为一个电池簇和一个超级电容簇级联组成，化简后的并网级联混合储能系统等效模型如图3所示，该模型能清晰反映出每相不同类型的储能单元整体的工作状况，是后面分析多模式运行和解耦的基础，且有：

其中X＝A,B,C

其中，V_bat和V_SC分别表示单个储能电池和超级电容的电压，v_Xbi(i＝1,…,M)和v_Xcj(j＝1,…,N)分别表示X(X＝A,B,C)相中单个电池单元及超级电容单元的输出电压，V_batΣ和V_SCΣ分别表示每项等效模型中电池簇和超级电容簇的直流侧电压，v_XbΣ和v_XcΣ则为X相中等效电池簇和超级电容单元簇的输出电压。

电池具有高能量密度和低制造成本的特点，适用于长时间供电，但其功率密度低以及有限的生命周期限制了其在高功率场合的应用。超级电容则具备高功率密度、长生命周期、能够快速充放电的特点，但其能力密度远低于电池，无法长时间温度供电。因此，为了使混合储能系统兼具两者的优点，在多模式运行设计中，提出了电压维持模式和平抑波动模式两种运行模式。

电压维持模式中，电池单元簇为电网提供额定功率，同时维持超级电容电压稳定以应对功率波动。在平抑波动模式中，超级电容通过快速充/放电来平抑电网侧有功功率的波动，此时电池单元簇仍为电网提供额定功率或按需要进行功率补偿。同时在平抑波动模式中，当超级电容的工作电压达到上/下限时，系统亦会强行进入电压维持模式，超级电容并维持电压在工作电压的上/下限不变。

工作模式选择方法是通过比较电网有功功率需求P^*与电池单元簇额定有功功率输出P_r的大小关系和超级电容的工作电压状况，来判断混合储能系统的工作模式，具体的模式切换策略如图4所示，判别步骤一中，根据电网有功功率需求P^*与电池单元簇额定有功功率输出P_r是否相等，来判断系统是否工作在电压维持模式；判别步骤二中，根据超级电容电压是否到达其工作电压的上/下限，判断系统是否需要强行退出平抑波动模式，来保证超级电容的安全运行。

在完成工作模式设计后，需要分别分析电压维持模式和平抑波动模式下的功率输出范围，避免选取不合适的功率指令，使系统发生过调制，也是后面进行分层控制的基础。

在电压维持模式下，超级电容电压需要维持稳定，故超级电容仅与电网进行无功交换，且受调制比的限制，每相等效的电池簇和超级电容簇的输出可表示为：

其中，V_XbΣ和V_XcΣ分别为等效的电池与超级电容簇的输出电压幅值，M_b和M_c分别为等效电池与超级电容簇的调制比；

由图5所示，电网每相电压矢量可由每相等效的电池簇和超级电容簇电压矢量合成，在合成的电网电压矢量大小不变前提下，选取圆C1为等效电池簇最大输出范围，其半径为等效电池簇直流侧电压V_batΣ，选取圆C2为等效超级电容簇最大输出范围，为防止超级电容过调制，其半径选为超级电容的最低工作电压V_SCΣmin，因此，在圆C1与C2的交叠处，系统不会发生过调制，且处于稳定工作区域。

为化简计算，在dq坐标系中，具体分析输出电压和电流关系，如图6所示，当系统工作在稳定工作区域边界处，即处于K和K'点时，电池单元簇和超级电容单元簇的调制比均达到最大值，此时输出电流可选取为图中所示扇形区域的边界处。在该边界条件下，系统中电压及电流分别满足式(4)和式(5)：

式中，v_cd、v_cq分别为超级电容单元簇输出电压的d轴和q轴分量；v_d为电网电压d轴分量；i_d和i_q分别为输出电流的d轴和q轴分量，即有功电流和无功电流；I_s为输出电流幅值，由混合储能系统容量决定。

根据式(4)，在此边界条件下，超级电容簇输出电压的d轴和q轴分量分别为：

其中

结合式(5)和式(6)，可计算出此边界条件下的有功电流值，即系统在电压维持模式下能够输出的最大有功电流如式(7)，进而计算出最大输出有功功率如式(8)所示：

此外，由于在电压维持模式下，系统的有功功率输出全部由电池单元簇提供，最大有功功率输出还受到储能电池的放电电流约束，以保证储能电池的生命周期，故最大有功功率如下式：

P_max＝3V_batΣ·I_dis,max (9)

其中，I_dis,max为电池最大放电电流。因此，根据式(8)和(9)，可得到电压维持模式下该混合储能系统的有功功率输出范围，如式(10)：

在平抑波动模式下，其有功功率输出的边界情况如图7所示，超级电容通过充/放电来补偿电网的有功波动，当超级电容容量不足以弥补波动时，储能电池也将参与有功补偿中，因此，在矢量图分析时，取边界情况，即超级电容单元簇仅输出有功功率且调制比达到最大值，且同时考虑电池放电电流限制，可得平抑波动模式下混合储能系统的有功功率的输出范围为：

在提出多模式运行策略后，本设计采用基于分层原理的簇间解耦，来实现多模式运行策略，调节不同类型储能单元间的功率分配。

分层系统的控制结构图如图8所示，基于多源接入的并网级联多电平变换器多模式解耦控制方法是将整个混合储能系统分为上下层控制，上层控制根据电网调度指令计算系统中输出参考电压即上层功率解耦控制，并进行工作模式选择，实现多模式控制；下层控制会根据上层工作模式的选择情况，计算出超级电容簇输出电压的参考值，再用上层功率解耦算出的总输出电压参考值减去该值，即可得到储能电池簇输出电压的参考值，从而实现不同类型链节间的完全解耦，即簇间解耦，最后，通过均衡控制实现相同类型链节间的功率分配。

其中，分层原理的上层控制由功率解耦控制和工作模式选择两部分组成，工作模式选择已通过图4进行说明，而上层控制的功率解耦控制是根据电网调度的有功功率P^*和无功功率指令Q^*分别计算出有有功电流和无功电流的指令值i_d ^*、i_q ^*，可得下式：

如图9所示，将得到的有功和无功电流的指令值分别与实际测量得到的有功、无功电流i_d、i_q比较，经过PI控制，再加入电网电压、滤波电感压降组成的前馈，即可计算出混合储能系统总输出电压的参考值：

其中，v_outd ^*和v_outq ^*分别表示混合储能系统输出电压的d轴和q轴分量；v_d和v_q分别为电网电压的d轴和q轴分量；K_ip和K_ii分别为电流环的比例和积分增益；ω为电网电压的角速度。

储能电池簇的输出电压，是通过系统总输出电压与下层的超级电容簇所计算的参考电压相减，从而实现簇间解耦。因此，在下层控制中，超级电容簇输出电压参考值的计算至关重要，且由于系统所处的工作模式不同，其输出电压参考值计算方法也有所不同。

在下层控制中，电压维持模式下的超级电容簇功率分配方法为：在该模式下，储能电池簇输出额定有功功率，超级电容簇与电网几乎只存在无功交换，故可得下式：

其中，v_cdff和v_cqff分别表示超级电容簇输出电压的d轴和q轴前馈量；Q_c ^*为超级电容簇的期望无功功率输出。根据式(14)，可进一步推导出前馈值v_cdff和v_cqff，如下式：

如图10所示，为提高控制精度，应消除超级电容实际电压与期望电压间的误差。因此，本文通过从v_cdff中减去一个可控变量Δv_cd以实现调节超级电容充/放电状态，即：

其中，可控变量Δv_cd由改进的PI控制器计算得出：

式中，K_vp和K_vi分别为电压环的比例和积分增益，sgn(x)为符号函数，其具体定义如下：

与传统的稳压控制方法不同，在本次设计所提控制方法中，有功电流方向亦能够改变超级电容充/放电状态。如图11所示，当i_d ^*>0时，从v_cdff中减去正的Δv_cd将使超级电容电压和电流矢量夹角成钝角，从而使超级电容充电，而减去负的Δv_cd将使超级电容超级电容电压和电流矢量夹角成锐角，从而使放电，而当i_d ^*<0时，Δv_cd对超级电容充/放电的影响刚好相反。这样控制将使在电压维持模式下，超级电容的实际电压将维持在所期望的工作电压，以应对平抑波动模式下的有功功率的波动。

如图12所示，基于平抑波动模式的下层控制中超级电容输出功率的分配方法，需要根据电网有功功率波动和链节单元容量将平抑波动模式细分为四种工况，结合每种工况下超级电容簇和电池簇输出有功功率和无功功率的状况，分别计算超级电容簇输出的参考电压，进而实现簇间解耦。

将电压维持模式下的输出电流参考值以及超级电容簇电压参考值记为混合储能系统的额定工作参数，分别记为i_dr、i_qr、v_cdr、v_cqr，则当系统进入平抑波动模式时，各参数的变化量可表示为：

工况I：当网侧有功波动较小时，储能电池簇仍维持发出额定功率，超级电容簇将补偿该有功波动并维持其原有的无功功率的输出，这种情况下，可以建立超级电容簇输出有功和无功功率变化量的等式：

其中，ΔP_c和ΔQ_c分别表示当进入平抑波动模式后，超级电容簇有功和无功功率输出的变化量。此外，在额定工况和平抑波动模式下的超级电容簇功率输出可分别表示为式(21)和式(22)：

鉴于式(22)为式(20)与式(21)之和，利用三式关系可得：

/>

根据式(23)，在工况I下，超级电容簇的d轴和q轴输出电压参考值可由下式计算得出：

工况II：若采用工况I的超级电容簇输出电压计算方式会导致链节单元过调制，则改用工况II。在工况II下，超级电容簇工作于满调制状态，在补偿全部有功波动的同时输出尽可能多的无功功率。此时，超级电容簇输出电压应满足下式：

式(25)方程组表示超级电容有功功率输出与电网有功功率波动相等且超级电容簇输出电压幅值等于超级电容最低工作电压。求解该方程组，即可得到工况II下的超级电容簇输出电压参考值：

工况III：当电网的有功功率的波动大于超级电容所能输出的最大有功功率时，此时，超级电容仅做有功功率的输出，且工作在满调制状态，剩余的功率则由储能电池簇提供。在该工况下，超级电容簇电压和电流应满足同相位，即满足式(27)：

受制于链节单元调制比，为使超级电容簇输出纯有功功率，输出电流矢量应落在图13所示阴影区域中，根据该约束条件可计算出输出电流指令范围：

工况IV：当工况I～III均会使得功率单元过调制时，采用工况IV，使得储能电池簇和超级电容簇均工作于满调制状态，即超级电容簇输出电压应满足式(4)。进一步，可根据电网有功功率波动选择合适的超级电容簇输出电压：当有功功率波动为正时，超级电容输出电压应与输出电流保持较小的相位差以向电网注入有功功率；当有功功率波动为负时，超级电容输出电压则应与输出电流保持较大的相位差以吸收有功功率波动。基于上述分析，可推导出工况IV下超级电容簇输出电压计算公式如下：

当上述超级电容簇根据不同模式的输出参考值计算出，用上层的总输出电压参考值减去该值，即可得到储能电池簇的输出电压参考值，实现不同类型储能电压的簇间解耦，充分利用了各种直流源的优势，使控制目标多样化。

在完成簇间的功率分配后，需要分别对等效的储能电池簇和超级电容簇实簇内每个的小单元的功率进行具体分配。

考虑到蓄电池的SOC或电容/超级电容电压均与链节单元的有功输出有关，最直接有效的均衡控制方法即为有功电压矢量叠加法。如图14所示，其基本思想是簇内每个链节的输出电压v_ri(i＝1,…,M)上叠加一个与变换器输出电流平行的电压矢量Δv_ri，从而调节各链节单元的输出，从而达到均衡控制的目的。

由于叠加的有功矢量应不改变变换器的总输出电压矢量，故满足下式：

如图15所示，将各链节单元直流侧SOC/电容电压与整个变换器SOC/电压的均值比较，经由PI控制器计算出所需注入的有功电压矢量的幅值，再结合变换器输出电流相位生成所需叠加的有功电压矢量，并将其加入平均输出电压参考值中，即可得到各链节单元的输出电压参考值，实现级联多电平变换器的相同类型储能单元的簇内功率分配。

在完成上述的上层功率解耦和模式选择，下层的簇间功率解耦、簇内功率分配后，可以通过常规的载波移相技术(LS-PWM)输出控制信号。

为验证本发明所提的控制方法的有效性，在Matlab/Simulink中搭建了380V/15KVA的并网级联混合储能系统模型，各相均包含一个电池储能单元和一个超级电容单元，系统具体参数如表1所示。该仿真验证包含上层模式切换的灵活性与下层不同工况下功率分配有效性的两部分验证。

表1并网级联混合储能系统仿真参数

为了验证上层模式切换的灵活性，本次仿真设计了六个不同阶段进行验证。如图16所示，从0.5s到4.5s分别给出了超级电容电压和A相有功功率的示意图，下面将就这六个阶段进行具体分析：

阶段1：在t1以前时刻，该混合储能系统处于电压维持模式。此时，电网有功功率需求P^*与电池单元簇额定有功功率输出P_r相等，即所有有功功率均由储能电池簇提供，超级电容电压维持其额定电压140V。

阶段2：在t1时刻，提高电网调度的有功指令，故需要系统进行有功补偿，此时，混合储能系统进入平抑波动模式，由于该有功功率波动较小，根据下层控制策略，该有功功率波动可由超级电容进行完全补偿。

阶段3：在t1-t2期间，混合储能系统不断地向电网输出有功功率，超级电容不断放电，使其工作电压不断下降，至t2时刻，降至其最小工作电压125V，出于对超级电容的保护，此刻，系统的工作模式将被强行切换至电压维持模式，且超级电容电压维持其最小工作电压125V。

阶段4：在t3时刻，大幅降低有功指令，此时系统再次进入平抑波动模式，从电网中吸收有功功率波动，因为上一阶段超级电容维持在最小工作电压，因此，有充足的容量从电网中吸收有功功率波动进行充电并升高工作电压。

阶段5：在t3-t4期间，超级电容地向电网输出有功功率，不断充电，使其工作电压不断升高，至t4时刻，升高至其最大工作电压160V，出于对超级电容的保护，此刻，系统的工作模式将被强行切换至电压维持模式，且超级电容电压维持其最大工作电压160V。

阶段6：在t5时刻后，有功功率指令逐渐恢复为额定值，此时系统进入电压维持模式，超级电容电压通过改进的PI控制器恢复至额定工作电压140V，以应对后续的有功功率波动。

从图16中，进一步可以看出，混合储能系统在面对电网有功功率波动时，能精确、快速地进行模式切换，超级电容的工作电压亦能够维持在最大和最小工作电压之间，保证超级电容安全稳定运行。

接着，通过设置不同的电流指令值，使混合醇能系统从电压维持模式切换至平抑波动模式的四种工况中，来验证下层不同工况下功率分配的有效性，相应的有功和无功电流指令表格如表2所示，仿真结果如图17所示。

表2不同工况下的电流指令选择

图17(a)展示了额定工况切换至工况I时的有功功率变化波形。由表2可知，此时有功电流指令值增大了2A，即A相输出的有功功率增大约310W，由于式(24)计算得出的超级电容单元输出电压参考值能够满足各链节单元的调制比限制，故混合储能切换至平抑波动模式下的工况I，此时几乎所有有功功率波动由超级电容补偿，电池单元有功功率输出无明显变化。

图17(b)展示了额定工况切换至工况II时的有功功率变化波形。由表2可知，有功电流指令值增大了5A，即A相输出的有功功率增大约780W，且此时通过式(24)整定的超级电容单元输出电压参考值不能够满足链节单元调制比限制，因而采用式(26)计算得到v_cd ^*＝119.69V，v_cq ^*＝36.04V，且能够满足调制比限制，故混合储能系统切换至平抑波动模式下的工况II，此时超级电容单元仍能补偿全部有功功率波动，电池单元有功功率输出无明显变化。

图17(c)展示了额定工况切换至工况III时的有功功率变化波形。由表2可知，此时有功电流指令值增大了15A，即A相输出的有功功率增大约2.3kW，而根据仿真参数可计算出超级电容单元最大有功功率输出约2kW，如式(31)，因此超级电容无法补偿全部有功功率波动。又由于指令电流满足式(28)，超级电容单元输出电压参考值可根据式(27)整定，故混合储能系统切换至平抑波动模式下的工况III，此时超级电容输出纯有功功率，不足的有功功率波动由储能电池参与补偿。

最后，图17(d)展示了额定工况切换至工况IV时的有功功率变化波形，由表2可知，此时有功电流指令值减小了20A，即A相输出的有功功率减小约3kW，此时有功功率波动亦超过超级电容最大输出功率且该情况下电流指令不满足式(28)，故混合储能系统应切换至平抑波动模式下的工况IV，且由于需要吸收反向有功功率波动，应选取与电流指令相位差最大的超级电容单元输出电压，即v_cd ^*＝35.93V，v_cq ^*＝-119.73V，在该情况下，超级电容仍能吸收大部分有功功率波动，剩余部分由电池单元补偿。

通过上述调度指令切换的仿真分析可知，所提下层控制策略能最大化利用超级电容进行有功功率补偿，同时利用储能电池拓宽系统承受的功率波动范围。在宽范围的调度指令切换下，电池单元的输出功率变化程度依然较低，受调度指令切换影响较小，验证了下层控制对超级电容的有效利用和对电池单元的保护作用。

综上所述，通过基于分层架构的多源解耦控制方法，并网级联混合储能系统能够输出高质量电能且拥有良好的动态性能，工作模式能够根据多模式运行策略灵活切换；在应对有功功率波动时，超级电容单元能有效补偿绝大部分有功功率波动，功率波动对电池单元输出的影响很小，能够达到利用超级电容优势的同时延长电池生命周期的目的。

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种并网级联多电平变换器多模式解耦控制方法，其特征在于：主要包括以下步骤：

步骤S1、建立并化简并网级联混合储能系统等效模型，将每相等效成一个电池簇和一个超级电容簇级联而成；

步骤S2、提出多模式运行策略，分析各个模式下的功率输出范围；

步骤S3、采用基于分层原理的簇间解耦，实现多模式运行策略，调节不同类型储能单元间的功率分配；

步骤S4、有功矢量叠加，用以相同类型储能单元的簇内电压均衡控制；

所述步骤S2中，所提出的多模式运行策略包括：电压维持模式、平抑波动模式；

在所述电压维持模式中，电池单元簇为电网提供额定功率，同时维持超级电容电压稳定以应对功率波动；

在所述平抑波动模式中，超级电容通过快速充/放电来平抑电网侧有功功率的波动，此时电池单元簇仍为电网提供额定功率或按需要进行功率补偿；同时当超级电容的工作电压达到上/下限时，亦会强行进入电压维持模式，并维持在超级电容工作电压的上/下限不变；

所述步骤S3中，分层原理是将混合储能系统的控制系统分为上层控制和下层控制；

所述上层控制根据电网调度指令计算系统中总输出电压参考值即上层功率解耦控制，并进行工作模式选择，实现多模式控制；

所述下层控制根据上层工作模式的选择情况，计算出超级电容簇输出电压的参考值，再用上层功率解耦算出的总输出电压参考值减去该参考值，即可得到储能电池簇输出电压的参考值，即簇间解耦；

最后，通过均衡控制实现相同类型链节间的功率分配；

在所述步骤S4中，有功矢量的叠加：在簇内每个单元输出叠加与一个与输出电流平行的电压矢量，调节其有功输出，从而实现电池簇和超级电容簇，簇内每个储能单元的电压均衡控制。

2.根据权利要求1所述的并网级联多电平变换器多模式解耦控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，建立并化简并网级联混合储能系统等效模型的具体过程为：

当级联多电平变换器的每相均包含M个储能电池单元和N个超级电容单元时，将每相相同类型的储能电压进行输入输出的整合简化，使每相均可等效为一个电池簇和一个超级电容簇级联组成，且有：

其中X＝A,B,C

其中，V_bat和V_SC分别表示单个储能电池和超级电容的电压，V_Xbi(i＝1,…,M)和V_Xci(i＝1,…,N)分别表示X(X＝A,B,C)相中单个电池单元及超级电容单元的输出电压，V_batΣ和V_SCΣ分别表示每相等效模型中电池簇和超级电容簇的整合直流侧电压，v_XbΣ和v_XcΣ则为X相中等效电池与超级电容簇整合的交流侧输出总电压幅值。

3.根据权利要求2所述的并网级联多电平变换器多模式解耦控制方法，其特征在于：进一步分析电压维持模式和平抑波动模式下的功率输出范围，避免选取不合适的功率指令，使系统发生过调制；

在所述电压维持模式下，超级电容电压需要维持稳定，故超级电容仅与电网进行无功交换，且受调制比的限制，每项等效的电池簇和超级电容簇的输出表示为：

其中，V_XbΣ和V_XcΣ分别为等效电池与超级电容簇整合的交流侧输出总电压幅值，V_batΣ和V_SCΣ分别表示每相等效模型中电池簇和超级电容簇的整合直流侧电压，M_b和M_c分别为电池与超级电容单元簇的调制比；

在矢量图中，电网每相电压矢量可由每相等效的电池簇和超级电容簇电压矢量合成，在合成的电网电压矢量大小不变前提下，选取圆C1为等效电池簇最大输出范围，其半径为等效电池簇直流侧电压V_batΣ，选取圆C2为等效超级电容簇最大输出范围，为防止超级电容过调制，其半径选为超级电容的最低工作电压V_SCΣmin，因此，在圆C1与C2的交叠处，系统不会发生过调制，处于稳定的工作区域；

为化简计算，在dq坐标系中，具体分析输出电压和电流关系，得到系统在电压维持模式下所能输出的最大有功功率，且在电压维持模式下，最大有功功率输出还受到储能电池放电电流的约束，在保证储能电池的生命周期的前提下，综合考虑电压维持模式下有功功率输出范围为：

其中，I_s为输出电流幅值，

I_dis,max为电池最大放电电流；

在所述平抑波动模式下，超级电容通过快速充/放电来补偿电网的有功功率的波动，当超级电容容量不足以弥补波动时，储能电池也将参与有功功率的补偿中，因此，在矢量图分析时，取边界情况，即超级电容单元簇仅输出有功功率且调制比达到最大值，且同时考虑电池放电的电流限制，可得平抑波动模式下混合储能系统的有功功率的输出范围为：

4.根据权利要求3所述的并网级联多电平变换器多模式解耦控制方法，其特征在于：上层控制由功率解耦控制和工作模式选择两部分组成；

工作模式选择是通过比较电网有功功率需求P^*与电池单元簇额定有功功率输出P_r来判断混合储能系统的工作模式，若两者相等为电压维持模式，若不等则为平抑波动模式，但出于对超级电容安全性考虑，倘若在平抑波动模式，当超级电容工作电压达到上/下限时，亦会强行进入电压维持模式，并维持在超级电容工作电压的上/下限不变；

功率解耦控制根据电网调度的有功功率和无功功率指令P^*、Q^*分别计算出有功电流和无功电流的指令值i_d ^*、i_q ^*，如下式所示：

再将得到的有功和无功电流的指令值分别与实际测量得到的有功、无功电流i_d、i_q比较，经过PI控制，再加入电网电压、滤波电感压降组成的前馈，即可计算出混合储能系统总输出电压的参考值：

其中，v_outd ^*和v_outq ^*分别表示混合储能系统输出电压的d轴和q轴分量；v_d和v_q分别为电网电压的d轴和q轴分量；K_ip和K_ii分别为电流环的比例和积分增益；ω为电网电压的角速度。

5.根据权利要求4所述的并网级联多电平变换器多模式解耦控制方法，其特征在于：在下层控制中，电压维持模式下的超级电容输出功率分配方法为：超级电容簇与电网几乎只存在无功交换，故可得下式：

其中，v_cdff和v_cqff分别表示超级电容簇输出电压的d轴和q轴前馈量；Q_c ^*为超级电容簇的期望无功功率输出；根据式(14)，可进一步推导出前馈值v_cdff和v_cqff，如下式：

为提高控制精度，通过从v_cdff中减去一个可控变量Δv_cd以实现调节超级电容充/放电状态，即：

其中，可控变量Δv_cd由改进的PI控制器计算得出：

式中，K_vp和K_vi分别为电压环的比例和积分增益，sgn(x)为符号函数；

该改进的PI控制器的输入是超级电容期望电压与实际电压间的误差，输出是超级电容簇输出电压d轴参考值，且输出受有功电流方向的影响。

6.根据权利要求5所述的并网级联多电平变换器多模式解耦控制方法，其特征在于：在下层控制中，平抑波动模式下的超级电容输出功率的分配方法为：根据电网的有功功率波动和链节单元容量，将平抑波动模式细分为不同工况，结合每种工况下超级电容簇和电池簇输出有功功率和无功功率的状况，分别计算超级电容簇输出的参考电压，进而实现簇间解耦。

7.根据权利要求6所述的并网级联多电平变换器多模式解耦控制方法，其特征在于：平抑波动模式细分为四种工况，分别为工况I、工况II、工况III、工况IV；

工况I：当网侧有功波动较小时，储能电池簇仍维持发出额定功率，超级电容簇将补偿该有功波动并维持其原有的无功功率的输出；

工况II：若采用工况I的超级电容簇输出电压计算方式会导致链节单元过调制，则改用工况II；在工况II下，超级电容簇工作于满调制状态，在补偿全部有功波动的同时输出尽可能多的无功功率；

工况III：当电网的有功功率的波动大于超级电容所能输出的最大有功功率时，此时，超级电容仅做有功功率的输出，且工作在满调制状态，剩余的功率则由储能电池簇提供；

工况IV：当工况I～III均会使得功率单元过调制时，采用工况IV，使得储能电池簇和超级电容簇均工作于满调制状态。