級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能功率變換系統(tǒng)控制策略綜述

（北方工業(yè)大學(xué)北京市變頻技術(shù)工程技術(shù)研究中心，北京100144）

近年來(lái)，隨著新能源發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，為提高可再生能源利用率，儲(chǔ)能系統(tǒng)呈現(xiàn)高壓大容量化，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的削峰填谷。其中，級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能功率變換系統(tǒng)（power conversion system，PCS）因具有模塊化結(jié)構(gòu)且無(wú)電池環(huán)流等問(wèn)題，在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，主要起到控制功率流向和功率調(diào)節(jié)等作用，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略影響著儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出效率和電能質(zhì)量[1-2]。級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS的功率模塊具有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中應(yīng)用較為廣泛的是DC/AC單級(jí)式結(jié)構(gòu)和DC/DC+DC/AC雙級(jí)式結(jié)構(gòu)，前者構(gòu)成的級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS運(yùn)行效率較高，后者構(gòu)成的級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS主要工作在電壓范圍變化較寬的場(chǎng)合，但后者開(kāi)關(guān)損耗更大，成本更高，相比之下，DC/AC單級(jí)式結(jié)構(gòu)構(gòu)成的級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS及其控制策略受到更廣泛的關(guān)注和研究[3-4]。

級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，控制策略的好壞影響著系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。本文以功率模塊采用DC/AC單級(jí)式結(jié)構(gòu)的級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS作為主要研究對(duì)象，基于國(guó)內(nèi)外多年研究成果，對(duì)級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS控制策略進(jìn)行分類(lèi)、歸納和總結(jié)。

1 級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略分類(lèi)

圖1為星接級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，其采用DC/AC變換器作為功率模塊，每相均由N個(gè)功率模塊與電池并聯(lián)后經(jīng)級(jí)聯(lián)構(gòu)成，具有高度模塊化的特點(diǎn)，能夠根據(jù)儲(chǔ)能裝置要求進(jìn)行擴(kuò)容[5]。當(dāng)系統(tǒng)充電時(shí)，級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS工作于整流狀態(tài)，將電網(wǎng)中多余的交流電轉(zhuǎn)換為直流電儲(chǔ)存于電池中；當(dāng)系統(tǒng)放電時(shí)，級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS工作于逆變狀態(tài)，將電池中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電釋放到電網(wǎng)。與級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)似，MMC電池儲(chǔ)能PCS在星接結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將各相分為上、下橋臂兩部分，并采用公共直流母線，增加了MMC在電池儲(chǔ)能應(yīng)用的多樣性。

圖1 級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of cascaded PCS topology structure

電池壽命的長(zhǎng)短對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本高低和應(yīng)用條件有很大影響，荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）不均衡可能引起電池過(guò)充或過(guò)放，影響儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全可靠性。而且，由于級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS功率模塊數(shù)量較多，儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，導(dǎo)致功率開(kāi)關(guān)器件出現(xiàn)故障的概率增加，當(dāng)某相有功率模塊出現(xiàn)故障且無(wú)法正常工作時(shí)，為保證三相輸出功率相同，該相其余非故障模塊的放電量會(huì)增加，由此可能引發(fā)功率器件過(guò)流，且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的充、放電工作后，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)相間SOC不均衡現(xiàn)象，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。對(duì)于MMC電池儲(chǔ)能PCS，由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與級(jí)聯(lián)型PCS相似，不僅需要對(duì)電池SOC及容錯(cuò)進(jìn)行控制，還需解決系統(tǒng)上、下橋臂間SOC均衡及環(huán)流問(wèn)題，因此MMC電池儲(chǔ)能PCS控制策略更復(fù)雜，在實(shí)際儲(chǔ)能應(yīng)用中大多采用級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS。表1列出了MMC電池儲(chǔ)能PCS與級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS的優(yōu)缺點(diǎn)，以便對(duì)比。根據(jù)級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS與MMC電池儲(chǔ)能PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)比及電池SOC的分析可知，級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)更加明顯，采取相應(yīng)控制策略使儲(chǔ)能系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行具有十分重要的意義[6-7]。

表1 MMC電池儲(chǔ)能PCS與級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS對(duì)比表Tab.1 Comparison between MMC battery energy storage PCS and cascaded energy storage PCS

級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS控制系統(tǒng)主要由電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）、控制器、PWM驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)組成，其控制原理圖如圖2所示。BMS用以檢測(cè)電池狀態(tài)，例如電池電流、電池SOC、電池溫度等信息，并將信號(hào)傳輸至控制器?？刂破鲗⒅噶钚盘?hào)與控制信號(hào)按照所采用的控制策略進(jìn)行閉環(huán)控制，計(jì)算出調(diào)制信號(hào)。PWM驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)將控制器中計(jì)算得到的調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)進(jìn)行比較，生成PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷[8]。

圖2 級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of cascade PCS control system

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS的控制策略進(jìn)行研究，主要包含功率控制、均衡控制及容錯(cuò)控制三個(gè)方面，圖3所示為級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS控制策略分類(lèi)圖[5]。

圖3 級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS控制策略分類(lèi)圖Fig.3 Schematic diagram of cascaded PCS control strategy classification

2 功率控制

級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS具有對(duì)電網(wǎng)削峰填谷、平抑功率波動(dòng)等多種功能，為實(shí)現(xiàn)以上功能，需要對(duì)系統(tǒng)有功和無(wú)功功率進(jìn)行控制，即對(duì)有功和無(wú)功功率解耦，以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率指令的快速跟蹤[9]。表2給出了各種功率控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，以便對(duì)比。

表2 各種功率控制策略對(duì)比表Tab.2 Comparison table of power control methods

文獻(xiàn)[10]采用比例積分（proportional integral，PI）控制策略，基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，將系統(tǒng)交流量轉(zhuǎn)化為直流量，并對(duì)耦合項(xiàng)進(jìn)行前饋解耦控制，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中基于PI調(diào)節(jié)器的電流前饋解耦控制策略表達(dá)式為

等式右側(cè)前兩項(xiàng)用以抵消電網(wǎng)電壓和穩(wěn)態(tài)時(shí)的電抗壓降，后兩項(xiàng)為PI調(diào)節(jié)器表達(dá)式。

根據(jù)式（1）可得如圖4所示的PI控制策略控制框圖，PI調(diào)節(jié)器的輸出與電網(wǎng)電壓前饋進(jìn)行疊加得到的經(jīng)2r/3s坐標(biāo)系變換后，最終輸出三相電壓PWM調(diào)制信號(hào)。

圖4 基于PI調(diào)節(jié)器的功率控制框圖Fig.4 Power control block diagram based on PI regulator

PI控制策略是目前應(yīng)用最廣泛的一種功率控制方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、技術(shù)成熟、無(wú)靜態(tài)誤差等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定或受到擾動(dòng)時(shí)，存在超調(diào)量大、母線電壓波動(dòng)大等問(wèn)題。

文獻(xiàn)[11]采用比例諧振（proportional resonant，PR）控制策略，基于兩相靜止坐標(biāo)系，避免了靜止坐標(biāo)系變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題，而且在數(shù)學(xué)意義上二者等價(jià)。理論上PR調(diào)節(jié)器在某一頻率下具有無(wú)窮大的增益，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)交流量的無(wú)靜差跟蹤。其中有功功率、無(wú)功功率指令值與指令電流之間的關(guān)系為

根據(jù)式（2）、式（3）可得如圖5所示的PR控制策略控制框圖，指令電壓經(jīng)過(guò) 2s/3s變換后，得到三相電壓PWM調(diào)制信號(hào)。

圖5 基于PR調(diào)節(jié)器的功率控制框圖Fig.5 Power control block diagram based on PR regulator

PR控制策略計(jì)算量較少，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和較小的穩(wěn)態(tài)誤差，更適合工程應(yīng)用，但PR調(diào)節(jié)器對(duì)參數(shù)過(guò)于敏感，為抑制所選頻率處的諧波含量，有時(shí)不得不采用多個(gè)PR調(diào)節(jié)器同時(shí)工作，增加了控制難度。

文獻(xiàn)[12]采用無(wú)差拍控制策略，根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)電路參數(shù)和輸出電流反饋值對(duì)下一采樣周期結(jié)束時(shí)的參考指令電流進(jìn)行預(yù)測(cè)，并不斷調(diào)整預(yù)測(cè)值，使系統(tǒng)的輸出電流可以準(zhǔn)確跟蹤參考指令電流。文獻(xiàn)[13]將這種控制策略應(yīng)用于H橋靜止同步補(bǔ)償器（static synchronous compensator，STATCOM）中，并構(gòu)造離散滑模觀測(cè)器對(duì)STATCOM實(shí)際的輸出電壓值進(jìn)行觀測(cè)，減小了預(yù)測(cè)值與實(shí)際輸出值之間的誤差。無(wú)差拍控制策略具有控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，但為提高實(shí)時(shí)性，需要考慮添加觀測(cè)器以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，增加了控制策略復(fù)雜度，使計(jì)算量增大。

文獻(xiàn)[14]采用直接功率控制（direct power control，DPC）策略，基于瞬時(shí)功率理論，通過(guò)分析系統(tǒng)交流側(cè)電壓矢量對(duì)有功及無(wú)功功率的影響，得到一個(gè)優(yōu)化矢量表，然后根據(jù)電網(wǎng)電壓矢量的位置從矢量表中選擇一個(gè)可以同時(shí)減小有功功率和無(wú)功功率與給定值之間誤差的電壓矢量，以更精細(xì)地調(diào)節(jié)有功功率與無(wú)功功率。該控制策略對(duì)系統(tǒng)功率進(jìn)行閉環(huán)控制，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、算法執(zhí)行時(shí)間短等特點(diǎn)，但穩(wěn)態(tài)紋波較大，開(kāi)關(guān)頻率較低，控制效果與矢量表的精確程度相關(guān)。

文獻(xiàn)[15-16]采用模型預(yù)測(cè)控制（model predictive control，MPC）策略，并將其應(yīng)用于H橋級(jí)聯(lián)型靜止無(wú)功發(fā)生器（static var generator，SVG），根據(jù)系統(tǒng)模型對(duì)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以滾動(dòng)優(yōu)化的方式確定當(dāng)前最優(yōu)策略，使被控量與指令值偏差最小。該策略具有良好的動(dòng)態(tài)性能，能夠?qū)﹄娏骺焖俑?，易于?shù)字實(shí)現(xiàn)，但開(kāi)關(guān)頻率較低，受系統(tǒng)采樣誤差影響可能導(dǎo)致對(duì)被控系統(tǒng)的預(yù)測(cè)存在較大偏差。

除以上控制策略外，還有許多其他控制策略可以同樣應(yīng)用于功率控制中。文獻(xiàn)[17]對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析和介紹，文獻(xiàn)[18]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略用于PWM逆變器中，文獻(xiàn)[19]采用模糊控制策略，文獻(xiàn)[20]采用重復(fù)控制策略。這些策略均在系統(tǒng)的功率控制方面取得了良好效果，不再贅述。

3 均衡控制

對(duì)于級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS，隨著系統(tǒng)充放電過(guò)程的進(jìn)行，由于各電池生產(chǎn)工藝和自放電特性等原因，會(huì)導(dǎo)致電池間SOC產(chǎn)生差異，隨時(shí)間的推移，差異可能被放大，且由于流過(guò)各功率模塊電流相等，容易引發(fā)電池出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放的現(xiàn)象，影響系統(tǒng)可靠性。因此，各電池SOC是否均衡成為制約儲(chǔ)能系統(tǒng)可利用率大小的關(guān)鍵因素。

現(xiàn)今，鋰電池因具有較高的能量密度（50～130 W·h/kg）、無(wú)記憶效應(yīng)、安全性能高以及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高壓大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)中。因此，為保證系統(tǒng)內(nèi)部各功率模塊SOC均衡以提高系統(tǒng)的有效容量，改善電能質(zhì)量，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，本文對(duì)儲(chǔ)能介質(zhì)采用鋰電池的級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS的SOC均衡控制進(jìn)行分析[21]。

3.1 硬件均衡控制策略

文獻(xiàn)[22]介紹了兩種SOC均衡控制策略，一種是能量消耗型均衡控制策略，即將SOC過(guò)高的電池能量通過(guò)功率器件消耗，實(shí)現(xiàn)各單體間均衡。這種策略控制簡(jiǎn)單，成本低廉，但均衡速度較慢，功率器件發(fā)熱較高，有可能影響儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命。另一種是能量轉(zhuǎn)移型均衡控制策略，將能量較高的電池能量轉(zhuǎn)移到能量較低的電池中實(shí)現(xiàn)各單體間SOC均衡，與能量消耗型均衡控制策略相比，該策略對(duì)電量的損耗較少，發(fā)熱較低，但需考慮電池間隔離及傳輸路徑長(zhǎng)短，否則可能造成電池短路等問(wèn)題。文獻(xiàn)[23]采用附加均衡電路控制策略，即在每個(gè)功率模塊直流側(cè)加裝一個(gè)輔助逆變器，通過(guò)隔離變壓器與公共交流電源母線連接，根據(jù)SOC差值由輔助逆變器從公共母線吸收或釋放能量，維持各電池SOC均衡狀態(tài)。硬件均衡控制策略雖然操作簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)成本高，均衡效果較差，有可能給系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)影響，因此在實(shí)際工程中應(yīng)用較少。

3.2 軟件均衡控制策略

為保證級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS不因發(fā)熱等原因造成損壞，在實(shí)際應(yīng)用中大多采用軟件均衡控制策略以維持系統(tǒng)SOC均衡。軟件均衡控制策略主要包含相間均衡控制和相內(nèi)均衡控制兩方面。

3.2.1 相間均衡控制策略

為保證系統(tǒng)三相SOC均值相等，輸出功率相同，需要對(duì)級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS進(jìn)行相間均衡控制。相間均衡控制策略主要分為零序電壓注入控制策略、負(fù)序電壓注入控制策略和零序電壓+負(fù)序電壓注入的復(fù)合均衡控制策略三種。文獻(xiàn)[21]采用零序電壓注入控制策略，零序電壓注入矢量圖如圖6所示。通過(guò)選取適當(dāng)?shù)牧阈螂妷旱姆岛拖嘟?，以改變各相交流?cè)輸出電壓的方向和幅值大小，使系統(tǒng)根據(jù)調(diào)整后的交流側(cè)輸出電壓對(duì)總功率重新分配，達(dá)到三相間SOC均衡的目的。

圖6 零序電壓注入矢量圖Fig.6 Zero-sequence voltage injection vector diagram

零序電壓注入策略是目前采用較多的相間均衡控制策略，其控制框圖如圖7所示[21]，將各相SOC均值與整體SOC均值作差，經(jīng)計(jì)算得到該相SOC補(bǔ)償量，并與原SOC疊加，進(jìn)行閉環(huán)控制。該策略在圖1所示的系統(tǒng)中不會(huì)產(chǎn)生零序電流，不改變系統(tǒng)總功率，不影響系統(tǒng)輸出性能，不增加系統(tǒng)成本，且易于實(shí)現(xiàn)，但僅對(duì)相間SOC不均衡度較小的系統(tǒng)均衡效果好，當(dāng)相間不均衡度較大時(shí)，所需注入的零序電壓幅值增加，易導(dǎo)致各功率模塊輸出電壓超調(diào)，失去均衡作用。圖中，K0為比例系數(shù)；Ii為系統(tǒng)第i相電流有效值；Di（s）為系統(tǒng)第i相開(kāi)關(guān)損耗等功率擾動(dòng)；Pi0為系統(tǒng)第i相所需調(diào)整功率；W為系統(tǒng)總額定能量。

圖7 相間SOC均衡控制框圖Fig.7 Block diagram of interphase SOC equilibrium control

文獻(xiàn)[24]采用負(fù)序電壓注入控制策略實(shí)現(xiàn)相間SOC均衡，由于正序電壓影響儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收有功功率，因此可通過(guò)改變系統(tǒng)輸出負(fù)序電壓的幅值和相位，從而改變有功功率在三相間的分配，達(dá)到三相SOC均衡的目的。與零序電壓注入策略相比，負(fù)序電壓注入策略的均衡能力較強(qiáng)，在不均衡度相同的條件下所注入的負(fù)序電壓幅值小于零序電壓幅值，更適用于相間不均衡度較大的儲(chǔ)能系統(tǒng)，且該策略不易引起功率模塊超調(diào)。但注入負(fù)序電壓的同時(shí)會(huì)給系統(tǒng)引入負(fù)序電流，對(duì)級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS的電能質(zhì)量和輸出性能造成影響，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定局限性[25]。

為更好實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS相間SOC均衡控制，文獻(xiàn)[26]將零序電壓注入控制策略與負(fù)序電壓注入控制策略相結(jié)合，即在系統(tǒng)不均衡度較小時(shí)采用零序電壓注入策略，反之采用負(fù)序電壓注入策略，使系統(tǒng)更穩(wěn)定地應(yīng)用于復(fù)雜的不均衡條件下。根據(jù)對(duì)負(fù)序電壓注入控制策略的分析可知，這種復(fù)合均衡控制策略同樣存在負(fù)序電流對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)電能質(zhì)量影響較大的問(wèn)題，因此文獻(xiàn)[27]對(duì)復(fù)合均衡控制策略進(jìn)行改進(jìn)，給零序電壓和負(fù)序電壓分別引入系數(shù)m和n，既緩解了負(fù)序電流對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出性能的影響，又解決了不同均衡模式間切換的平滑過(guò)渡問(wèn)題，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了該控制策略的正確性和有效性。

3.2.2 相內(nèi)均衡控制策略

在系統(tǒng)相間SOC均衡的基礎(chǔ)上，需要對(duì)相內(nèi)SOC進(jìn)行均衡控制。文獻(xiàn)[28]采用階梯波調(diào)制策略，使各功率模塊在任意工作周期內(nèi)均保持固定的開(kāi)關(guān)序列，并保證該開(kāi)關(guān)序列在每一工作周期內(nèi)輪換一次，使各功率模塊平均開(kāi)關(guān)狀態(tài)相同，從而保證各電池容量均衡。文獻(xiàn)[29]采用載波層疊輪換調(diào)制策略，即在不同載波周期內(nèi)對(duì)各開(kāi)關(guān)序列依次進(jìn)行輪換，以平滑各功率模塊的輸入輸出功率。輪換策略算法簡(jiǎn)單，易于控制，但對(duì)均衡結(jié)果無(wú)反饋調(diào)節(jié)，抗干擾能力弱，均衡效果差。

文獻(xiàn)[28]采用排序策略，其算法與輪換策略算法相似，保證SOC較高的功率模塊放電機(jī)率增加，SOC較低的功率模塊充電機(jī)率增加，實(shí)現(xiàn)各功率模塊電池相內(nèi)SOC均衡。與輪換策略相比，排序策略增加了反饋調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)控制，抗干擾能力強(qiáng)，但算法較復(fù)雜，當(dāng)級(jí)聯(lián)的功率模塊個(gè)數(shù)較多時(shí)，排序計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。

文獻(xiàn)[21]采用參考電壓幅值調(diào)節(jié)策略，根據(jù)各電池SOC與該相電池SOC均值之間的差值，在各功率模塊輸出電壓上分別疊加所需電壓以改變各功率模塊輸出電壓幅值大小，對(duì)系統(tǒng)該相功率重新分配，達(dá)到相內(nèi)SOC均衡的目的。各功率模塊所需疊加的電壓產(chǎn)生示意圖如圖8所示。圖8中，SOCk（k=a，b，c）為三相SOC均值，SOCkj（j=1，2，…，n）為某相第n個(gè)電池的SOC值，ΔSOCkj為某電池模塊與該相SOC均值之差，K1為所需疊加電壓的增益。若以系統(tǒng)a相為例，其相內(nèi)SOC均衡控制框圖如圖9所示[21]，根據(jù)各電池模塊SOC與該相SOC均值作差，經(jīng)計(jì)算得到各電池模塊SOC補(bǔ)償量，并最終與原SOC疊加，進(jìn)行閉環(huán)控制。該控制策略響應(yīng)速度較快，均衡效果良好，適用于實(shí)際工程應(yīng)用，但隨著級(jí)聯(lián)數(shù)目的增加，其算法更加復(fù)雜。

圖8 各功率模塊所需疊加的電壓產(chǎn)生示意圖Fig.8 Schematic diagram of superimposed voltage required for each power unit

圖9 a相相內(nèi)SOC均衡控制框圖Fig.9 Block diagram of SOC equilibrium control in phase a

硬件均衡控制方法會(huì)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定性造成較大影響，甚至產(chǎn)生資源浪費(fèi)；軟件均衡控制方法雖然算法復(fù)雜，但更適用于高壓大容量系統(tǒng)的均衡控制，其中基于零序電壓注入策略的相間均衡控制已應(yīng)用于南方電網(wǎng)深圳碧嶺儲(chǔ)能電站，并取得了較好的控制效果[6]。表3列出了各種均衡控制策略優(yōu)缺點(diǎn)，以便對(duì)比。與級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS相似，MMC電池儲(chǔ)能PCS同樣存在相間與相內(nèi)SOC均衡問(wèn)題，可采用與級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS相同的控制策略解決。由于MMC電池儲(chǔ)能PCS各相均存在上、下橋臂，因此還需對(duì)橋臂間SOC均衡進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[30]采用基頻電流注入法，通過(guò)調(diào)節(jié)基頻電流達(dá)到橋臂間SOC均衡的目的；文獻(xiàn)[31]介紹了重新分配上、下橋臂直流電壓分量的均衡控制方法，但導(dǎo)致系統(tǒng)交流側(cè)出現(xiàn)直流電流分量，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。相比級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS，MMC電池儲(chǔ)能PCS的均衡控制策略更加復(fù)雜且多樣，因此論文不再進(jìn)行贅述。

表3 各種均衡控制策略對(duì)比表Tab.3 Comparative table of equilibrium control methods

4 容錯(cuò)控制

由于單個(gè)電池模塊容量有限，為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的高壓大容量化，需要級(jí)聯(lián)相應(yīng)功率單元及電池模塊數(shù)量，構(gòu)成如圖1所示的級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS。隨著級(jí)聯(lián)數(shù)目的增加，儲(chǔ)能系統(tǒng)所包含的功率開(kāi)關(guān)器件數(shù)量增多，每一功率模塊都可能因功率開(kāi)關(guān)器件的短路或開(kāi)路等問(wèn)題而成為潛在故障點(diǎn)，使系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率增加，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在保證系統(tǒng)不停機(jī)的情況下，通過(guò)采取容錯(cuò)控制來(lái)保證系統(tǒng)的有效輸出具有十分重要的意義。目前，級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS的容錯(cuò)控制主要分為設(shè)置冗余模塊和故障切除兩種，其中故障切除又可分為對(duì)稱切除法和非對(duì)稱切除法[32]。

4.1 設(shè)置冗余單元模塊策略

文獻(xiàn)[33-34]采用給每相均設(shè)置一冗余功率模塊實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。當(dāng)級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS正常運(yùn)行時(shí)，冗余模塊處于旁路狀態(tài)；當(dāng)級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS出現(xiàn)故障時(shí)，冗余模塊接入系統(tǒng)，保證系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與故障前一致，且輸出功率不變。由于在絕大多數(shù)情況下級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS工作于非故障狀態(tài)，因此給每相均設(shè)置一冗余功率模塊會(huì)造成一定程度上的資源浪費(fèi)，增加系統(tǒng)成本。文獻(xiàn)[35]提出3N+1冗余控制策略，此級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖10所示，該系統(tǒng)僅設(shè)置一個(gè)冗余功率模塊，通過(guò)三個(gè)開(kāi)關(guān)分別與三相連接，在某個(gè)功率模塊發(fā)生故障時(shí)迅速將其旁路并接入冗余功率模塊。這種控制策略有效減少了冗余功率模塊數(shù)量，降低了控制復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)可靠性，較適用于系統(tǒng)單個(gè)功率模塊發(fā)生故障的情況，當(dāng)有多個(gè)功率模塊發(fā)生故障時(shí)采用則控制復(fù)雜。因此，設(shè)置冗余功率模塊的容錯(cuò)控制策略雖然操作方法簡(jiǎn)單，但在實(shí)際應(yīng)用中具有較強(qiáng)局限性，不適用于級(jí)聯(lián)數(shù)目較多或出現(xiàn)故障可能性較大的系統(tǒng)。

圖10 3N+1冗余控制策略所用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.10 Topology diagram of 3N+1 redundant control strategy

4.2 故障切除策略

4.2.1 對(duì)稱切除策略

對(duì)稱切除策略即當(dāng)級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過(guò)切除故障單元及其余兩相相同位置的非故障單元模塊，以確保系統(tǒng)輸出的三相對(duì)稱性，此時(shí)級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖11所示。文獻(xiàn)[36]采用該容錯(cuò)控制策略并通過(guò)仿真驗(yàn)證了其有效性，證明了在這種控制策略下的輸出電壓質(zhì)量有所提升。對(duì)稱切除策略操作簡(jiǎn)便，但以降低系統(tǒng)的電平數(shù)量和容量為代價(jià)，使部分非故障單元沒(méi)有得到充分利用[37]，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)使系統(tǒng)成本提高，造成不必要的浪費(fèi)。

圖11 對(duì)稱切除策略拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Schematic diagram of the topological structure of the symmetric cut-off strategy

4.2.2 非對(duì)稱切除策略

非對(duì)稱切除策略僅切除故障模塊，并采用特殊的控制策略使級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。文獻(xiàn)[38]將非對(duì)稱切除策略應(yīng)用于三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，當(dāng)系統(tǒng)某一功率模塊發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)改變非故障模塊交流側(cè)電壓相角以減少直流側(cè)電壓畸變，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該控制策略有效性。文獻(xiàn)[36]采用零序電壓注入法，使中性點(diǎn)發(fā)生偏移，通過(guò)改變各相調(diào)制波幅值，不僅使系統(tǒng)重新達(dá)到平衡，還維持了SOC均衡。圖12所示為基于零序電壓注入法的容錯(cuò)控制策略框圖，圖中u0為所注入的零序電壓，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，開(kāi)關(guān)SW1和SW2均在位置1閉合，當(dāng)某一功率模塊發(fā)生故障，相應(yīng)開(kāi)關(guān)在位置2閉合，通過(guò)改變非故障模塊調(diào)制波幅值以輸出相應(yīng)調(diào)制波。該策略容錯(cuò)效果好且能保證系統(tǒng)SOC均衡，但當(dāng)多個(gè)功率模塊同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，該策略計(jì)算復(fù)雜。

圖12 基于基頻零序電壓注入法的容錯(cuò)控制策略框圖Fig.12 Block diagram of fault-tolerant control strategy based on fundamental frequency zero-sequence voltage injection method

當(dāng)級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS有多個(gè)功率模塊發(fā)生故障時(shí)，為保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，文獻(xiàn)[39]采用基波相移補(bǔ)償（fundamental phase-shift compensation，F(xiàn)PSC）策略，利用非故障功率模塊調(diào)整三相參考電壓間的相位差，從而得到較大的平衡線電壓，然而該策略并不能在所有故障情況下均適用。文獻(xiàn)[40]對(duì)FPSC策略進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)兩相均有功率模塊發(fā)生故障的系統(tǒng)，將含有故障模塊的兩相橋臂之間相位差調(diào)整為180°，并減小相應(yīng)的非故障模塊相的電壓幅值以得到平衡線電壓，該控制策略適用于各種故障情況，但算法較為復(fù)雜。

容錯(cuò)控制對(duì)維持級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS的穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，表4列出了各種容錯(cuò)控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，以便對(duì)比。

表4 各種容錯(cuò)控制策略對(duì)比表Tab.4 Comparative table of fault-tolerant control methods

5 結(jié)論

在全球能源問(wèn)題日益突出的大背景下，近年來(lái)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，特別是電網(wǎng)側(cè)的儲(chǔ)能需求增速明顯，且鋰電池儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模最大，因此，如何使級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS做到大容量、高效率、穩(wěn)定運(yùn)行是目前研究熱點(diǎn)。本文對(duì)現(xiàn)有的級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS控制策略進(jìn)行了分析、歸納與總結(jié)，根據(jù)級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS控制策略研究現(xiàn)狀和存在問(wèn)題，可以從以下幾個(gè)方面對(duì)級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)與研究：

1）為提高級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS效率，可采用新型碳化硅作為功率開(kāi)關(guān)器件以降低開(kāi)關(guān)損耗。

2）儲(chǔ)能系統(tǒng)均衡控制需要實(shí)時(shí)檢測(cè)電池信息并對(duì)差異快速響應(yīng)，使電池在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到均衡，盡量較少參數(shù)設(shè)置，在增加儲(chǔ)能系統(tǒng)有效容量的同時(shí)提高輸出電能質(zhì)量。

3）目前對(duì)容錯(cuò)控制的研究大多只停留在理論分析和仿真階段，在快速檢測(cè)故障模塊和保證系統(tǒng)SOC均衡方面的研究還有待進(jìn)一步深入，仍需對(duì)其進(jìn)行大量的工程驗(yàn)證。