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基于级联多电平直流变换器的超级电容储能系统能量自均衡控制策略

中国储能网讯:哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的研究人员毕恺韬、安群涛等,在2018年第8期《电工技术学报》上撰文指出,储能系统中能量均衡控制是亟需解决的关键问题之一。针对级联多电平超级电容储能系统,提出一种能量自均衡控制策略。

该策略利用超级电容荷电状态(SOC)建立半桥子模组独立电流闭环系统,使各子模组平均工作电流可根据超级电容SOC进行独立控制。因此,在不影响系统电流响应的前提下,该策略可直接利用系统电流进行模组间能量均衡。同时,为了解决能量均衡过程中均衡速度降低的问题,设计一种基于SOC的权重系数以提升均衡速度。

该策略不仅不影响储能系统稳定母线电压的能力,同时还避免外加均衡电路的使用,简化了储能系统的整体控制策略。最后,通过实验验证了所提方法的有效性。

超级电容储能系统作为一种提升能量利用率的有效方式,近年来被广泛应用于电动汽车、智能微电网系统以及地铁供电系统中[1-3]。储能系统能够动态调节直流母线能量,在供电系统中起着“调峰填谷”、稳定母线电压的作用[4,5]。

超级电容作为储能设备,单模组的耐压值较低,通常需要大量模组串联使用以适应高电压应用场合。然而,由于制造工艺差异、不同的充放电速率以及工作环境温度差异等原因,串联的各模组在频繁充/放电工况下荷电状态(Stateof Charge, SOC)出现不一致。这会导致部分超级电容出现过充/过放的现象,严重损害超级电容的使用寿命,同时影响储能系统的可靠性以及安全性[6,7]。

为了延长超级电容使用寿命,由均衡电路以及相应的控制策略所组成的超级电容能量管理系统被应用于储能系统中[2,8,10]。这些均衡策略主要分为能耗型均衡策略、开关电容器均衡策略以及变压器均衡策略三种类型。

能量均衡策略是在模组两端并联高精度功率电阻,使高SOC模组中的多余能量通过电阻进行消耗,从而实现能量在各模组间的平均分配[9]。这种均衡策略的主要优点为电路构成及控制简单、成本较低,但是模组多余的能量都以热量形式损耗,均衡效率较低,系统发热严重。

开关电容器均衡策略则是采用多个电容器以及开关并联在储能模组两端,利用并联的电容器将高荷电状态模组中的能量转移到低SOC模组中[10]。为了能够提升能量利用率,文献[11]通过增加谐振电感,设计了电容开关谐振均衡电路,达到了MOSFET零电流关断的目的,减小了开关损耗。

但是开关电容器均衡策略适用于相邻模组间能量的均衡,当能量在相隔较远的模组间传递时效率较低。对此文献[2]提出了基于多绕组变压器的均衡策略,能够实现任意模组间能量的均衡。但是该策略的均衡性能严重依赖变压器二次绕组的对称程度,同时,在大量串联模组系统中,难以制造二次侧数量众多的多绕组变压器。为此,有学者提出采用多个变压器代替多绕组变压器对多模组进行均衡控制[12],但是这将导致系统设计更加复杂,系统体积及成本增加。

级联多电平直流变换器因其灵活的组成形式及中、高压应用特点,近年来逐渐被应用于储能系统中[13-16]。文献[14]提出了基于子模组SOC的均衡控制策略,这种均衡方式不需要任何均衡电路,直接利用系统充/放电电流对模组能量进行均衡,但是该策略需要对各子模组SOC以及系统电流分别进行PI闭环控制,系统运算量较大。

文献[15]提出了一种适用于交流级联储能系统的SOC均衡控制策略,该策略通过检测蓄电池SOC差异切换不同的调制策略,从而在实现电池SOC均衡的同时改善电能质量,然而调制策略频繁切换对系统稳定性造成的影响并未给出明确分析。

文献[16]提出了一种基于SOC的链式电池储能系统充放电三级均衡策略,该策略同时考虑能量均衡以及冗余控制,进而提高了系统可靠性,但是三级均衡策略使系统整体控制变得复杂。由于结构相似,级联系统电容电压均衡问题在基于模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter, MMC)的高压直流输电系统中同样存在。

MMC中电压均衡大多数采用电容电压排序的均衡策略[17-20],该类方法根据电容电压以及当前运行模式决定投入的工作模组。然而MMC庞大的子模组数量给上述电压均衡算法带来了沉重的运算负担。由于应用背景的不同,MMC控制上还需要考虑到频率、谐波等问题,而且电容容量远小于储能电容,因此对于MMC的电压均衡方式在储能系统中的应用需要进一步深入研究。

传统的超级电容能量均衡与能量存储在控制上是完全分开的,弱化了控制系统的易操作性,同时能量均衡过程也给系统带来了过多的损耗。为此,本文提出了一种适用于级联多电平直流变换器的超级电容储能系统能量自均衡控制策略。

该策略将能量均衡与能量存储统一化处理,通过利用能量平均分配的概念从根本上对各半桥超级电容模组充/放电能量进行控制,在稳定母线电压的同时,快速调整模组间能量分布,达到能量均衡目的。针对因模组间能量均衡导致均衡速度下降的问题,提出了基于超级电容SOC权重系数的加速均衡策略,并对稳态工况进行了分析。最后利用搭建的超级电容储能系统物理仿真实验平台对所提出的自均衡控制策略进行了证明。

图6  级联多电平储能系统实验平台

 基于级联多电平直流变换器的超级电容储能系统能量自均衡控制策略

结论

本文提出了一种适用于级联多电平超级电容储能系统的自均衡控制策略,该策略充分利用了级联多电平双向DC-DC变换器的结构特点,将能量存储与能量均衡做归一化处理,通过构造基于超级电容SOC的函数,对各半桥模组进行独立电流闭环控制,在储能系统充/放电同时,实现超级电容能量的均衡。

自均衡控制策略具有“稳压控流”的能力,因此满足储能系统在应用上的要求。同时其直接利用系统实际工作电流进行能量均衡,使系统具有较快的能量均衡速度。最后,通过设计搭建的储能系统实验平台验证了本文所提出控制策略的有效性。

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