一種基于輔助功率環的鏈式混合儲能系統故障容錯控制策略研究

李育靈， 任 凱， 楊 軍， 張紅日， 蔣 瑋， 倪喜軍

（1.國網山西省電力公司 長治供電公司， 山西 長治 046011； 2.東南大學 電氣工程學院， 江蘇 南京210096； 3.南京工程學院 電力工程學院， 江蘇 南京 211167）

0 引言

混合儲能系統（Hybrid Energy Etorage System，HESS）基于不同的電路拓撲，將能量型和功率型儲能元件連接在一起，綜合利用兩種儲能元件的優勢[1]，[2]，從而大大提高了儲能系統的整體性能，降低了投入成本[3]，[4]。而基于鏈式拓撲的混合儲能系統在近年來得到了國內外的廣泛研究。 相比于使用單個變換器的混合儲能系統，基于鏈式拓撲的儲能系統輸出具有等效開關頻率高、電能質量好、可不使用升壓變壓器而直接接入中高壓電網、整體呈現模塊化設計、可靈活完成儲能系統的重構等優點[5]～[7]，非常適用于高壓大容量的混合儲能系統的應用。

現有的基于鏈式系統的容錯控制技術可分為兩大類：基于優化算法的容錯控制和基于輔助電路的容錯控制[8]。 前一種技術采用非對稱控制算法抵消系統的非對稱電壓輸出，通常需要將故障元件的變換器單元隔離，利用控制算法生成冗余開關狀態以移動中性點電壓[9]。 在文獻[10]中，基頻零序電壓被注入到每個單元中以實現三相輸出電壓的均衡。 后一種技術則需要增加額外的功率器件和儲能元件，對于中性點箝位（NPC）結構的逆變器，通過添加晶閘管以提供負載和中性點之間的連接，從而在開關故障期間保持連續運行[11]。在文獻[12]中，阻抗源變換器連接到H 橋以提高電池的輸出電壓，從而保證系統輸出幅值的大小和平衡。

本文以鏈式儲能系統為研究對象，研究了針對HESS 的基于輔助功率環的故障容錯控制策略。 首先介紹了鏈式混合儲能系統的拓撲結構及故障狀態下的工作模式；然后介紹了功率交換控制的原理、鏈式儲能系統中超級電容參數的設計以及控制策略的研究； 最后基于Matlab/Simulink平臺及搭建的實驗樣機，驗證了本文相應控制策略的有效性。

1 鏈式混合儲能系統

1.1 系統結構

本文所選取的鏈式混合儲能系統拓撲結構基于級聯多電平變換器 （Cascaded Multilevel Converter，CMC），如圖1 所示，為簡化分析，以恒定負載的單相系統為研究對象。 圖中，鏈式儲能系統由儲能單元U1～Un級聯組成， 每個儲能單元中包含串聯的Boost 變換器和H 橋逆變器， 兩者通過超級電容器（Supercapacitor，SC）耦合，Boost變換器的直流側電源為蓄電池。 為了實現故障狀態下的冗余控制， 級聯H 橋交流輸出側并聯了一個由電感Lr、 電容Cr和電阻Rr串聯而成的LC 諧振支路，其功能在于當蓄電池鏈節出現故障時，通過LC 支路與級聯H 橋之間形成的輔助功率環，由正常單元向故障單元傳輸功率維持系統正常運行。

圖1 帶有輔助功率環的鏈式混合儲能系統拓撲結構Fig.1 Topology of cascaded hybrid energy storage system with auxiliary power loop

1.2 故障情況下HESS運行狀態

對于級聯HESS 而言， 可能發生兩種元件故障： 電力電子器件短路或開路故障和儲能元件故障。 如果H 橋中的電力電子設備發生故障，整個裝置將被旁路，HESS 將在不平衡模式下運行。

HESS 的綜合容錯控制設計是一項復雜的工作。考慮到現有的工作，我們關注雙向dc-dc 轉換器的電池或電力電子器件的故障以及每個單元中的直流鏈路的短路， 并將其定義為有源直流側故障（Active dc Side failure，ADCF）。 在這些情況下，雙向dc-dc 轉換器將與超級電容斷開以隔離ADCF， 故障單元將失去單元內的電源。 由于ADCF 的容錯控制可以從傳統的dc-ac 故障控制中分離出來，因此有必要對其進行獨立研究。

在儲能單元n 中的蓄電池出現故障情況下，鏈式混合儲能系統的功率流動示意圖如圖2 所示。此時控制系統不再驅動儲能單元Un中的SW1和 SW2，相當于 Boost 變換器與 H 橋斷開。 由于超級電容器能量密度有限，SCn作為Un中H 橋的電源獨立供電，無法維持Un的輸出電壓，因此可以通過控制輔助功率環中的功率流ΣPai向SCn充電，維持其電壓穩定和系統輸出。

圖2 鏈式混合儲能系統功率流動示意圖Fig.2 Power flow in the cascaded HESS during ADCF

圖3 為故障狀態下混合儲能系統運行模式。低功率模式時主要由蓄電池提供能量， 大功率模式時則由超級電容提供大功率輸出。

圖3 故障狀態下混合儲能系統運行模式Fig.3 Hybrid energy storage system operating mode under fault conditions

2 直流側故障控制

根據正交功率分解理論， 當電路中非正弦電壓電流含有不同的頻率分量時， 其傅里葉分解表達式分別為

式中：V0，I0分別為電壓、 電流周期函數的恒定分量；Vn，In為對應 n 次諧波的有效值；θn，φn則為相應諧波的初相角。

如果將 v（t）和 i（t）產生的有功功率瞬時值視為其在一段時間內乘積的平均值， 結合式（1），（2），平均有功功率 P 可表示為

由式（3）可知，由不同頻率分量形成的有功功率之間是可以解耦控制的。 對于圖1 所示的混合儲能系統而言，每個H 橋變換器的調制波中包含基頻分量（f0）和高頻分量（fa）兩部分。

每個鏈節中不同頻率分量的輸出有功功率相互解耦，通過控制基頻分量向負載輸出有功功率，以滿足系統功率需求； 利用高頻分量控制鏈節間功率交換，以實現儲能系統的故障冗余控制。輔助功率環等效電路如圖4 所示。

圖4 輔助功率環等效電路Fig.4 Equivalent circuit of the auxiliary power loop

圖4 中：Lr，Cr和 Rr組成調諧濾波器；ia為輔助功率環中的輔助頻率電流；va為功率交換鏈節的輔助頻率輸出電壓；ve為故障鏈節的輔助頻率輸出電壓；vn為無功鏈節的輔助頻率輸出電壓。可通過調節 va（t）和 ve（t）的相位差大小來控制故障鏈節與功率交換鏈節之間的功率交換， 此時輔助環中的電壓、電流相量如圖5 所示。

圖5 輔助功率環功率交換相量圖Fig.5 Phase diagram of the auxiliary power loop’s power exchange

3 系統設計

3.1 超級電容參數設計

在HESS 的容錯控制設計中， 應考慮儲能單元中SCs 的容量影響。 對于所提出的HESS，在其大功率輸出模式下， 短期大功率輸出主要由超級電容提供， 而電池在高強度放電過程之后為超級電容提供能量補充。 因此，有兩點需要考慮：

①如果超級電容容量太小，HESS 的大功率輸出模式中的最大持續時間將很短；

②如果超級電容容量過大， 在輔助電源回路中交換的最大功率將不能穩定超級電容的直流側電壓。

假設每個單元中超級電容的初始電壓為額定值VSC。 在大功率輸出過程中，超級電容的電壓迅速下降，電池的能量補充不夠快，無法恢復至超級電容額定電壓。因此為了維持HESS 的正常工作，超級電容的最低電壓閾值Vmin、 系統最大功率輸出模式下的持續時間Tp以及HESS 最大輸出功率PHESS_peak須滿足式（4）。從式中可以看出，超級電容的容量決定了PHESS_peak。

式中：PB為蓄電池輸出功率；N 為鏈式系統級聯單元數，先假設提供交換能量鏈節、故障鏈節、無功鏈節數分別為 ND，NC，NS。

為保證故障狀態下HESS 的最大輸出峰值，有：

在這種情況下，如果放電單元在Tp中保持高功率輸出，則超級電容器的最小值Cmin須滿足：

故障容錯控制的目的是使故障單元在Tf時間內恢復到正常運行狀態。對于這些故障單元，它們的能量流入和流出之間的差值被用來維持超級電容的端電壓。 假設通過輔助功率回路的最大交換功率Pe_max用于故障控制的能量交換，并且在故障單元中超級電容的電壓為Vf，那么超級電容的容量應該滿足：

根據式（7），超級電容的容量決定了故障單元的恢復時間。 為了將HESS 在Tf時間內恢復到正常工作狀態，超級電容器的容量最大值為

3.2 控制系統設計

故障鏈節由于沒有蓄電池單元進行能量補充， 其超級電容在輸出功率的同時端電壓不斷下降，從而影響整個儲能系統穩定工作。 因此，可設定一個可接受的電壓限值， 當故障鏈節V

圖6 故障冗余控制結構圖Fig.6 Structure diagram of the fault redundancy control

本文帶輔助功率環的鏈式混合儲能系統包括有功功率控制系統和故障冗余控制系統兩個子系統，其整體控制框圖如圖7 所示，

圖7 儲能系統整體控制結構圖Fig.7 Overall control structure diagram of energy storage system

有功功率控制采取電壓電流雙閉環控制，其中：Pout為 HESS 額定輸出功率；為計算得到的給定電壓值；v0和iL分別為采集的HESS 輸出電壓和負載電流；Guc（s）和 Gic（s）分別為電壓和電流的PI 調節器。 故障冗余控制系統則根據圖6 設計。

4 仿真與實驗

4.1 仿真

為了驗證所提出的容錯控制方法， 使用Matlab/Simulink 平臺對基于3 個級聯儲能單元的HESS 模型進行了仿真，仿真參數如表1 所示。

表1 仿真參數Table 1 Simulation parameters

故障單元直流側電壓VDC的變化如圖8 所示。 由圖可以看出，在15 s 后，由于故障單元中的電池失去能量補充，VDC迅速下降。 在 100 s 后，由于容錯控制的參與，VDC通過從輔助功率回路吸收能量而迅速上升，達到額定電壓后穩定。

圖8 單元3 直流側電壓仿真波形Fig.8 The voltage of unit 3 in the dc-side

在此過程中，在圖8 取 a，b，c 三點觀察 HESS輸出電壓波形，可以看出：a 點處于正常工作狀態時，其電壓輸出波形為標準正弦波，如圖9（a）所示；當單元3 發生故障時，由于故障單元的電壓不斷下降，HESS 輸出發生了明顯畸變，如圖9（b）所示；引入故障控制策略后，故障單元直流側電壓恢復至額定值36 V，取c 點觀察輸出電壓，電壓恢復至標準正弦波,如圖9（c）所示。由此仿真結果可知，加入故障控制后，整個混合儲能系統在故障狀態下仍能維持正常輸出性能。

圖9 不同狀態下HESS 輸出電壓波形Fig.9 Output voltage waveform of HESS in different states

圖10 為故障狀態下鏈式混合儲能系統主回路與輔助回路中電流的FFT 分析結果。 由圖10可以看出，主回路中只含有基頻50 Hz 分量，而輔助環中主要為高頻500 Hz 分量，即兩種頻率分量相互獨立控制，與理論分析相一致。

圖10 故障控制狀態下電流FFT 分析Fig.10 FFT analysis of current under fault control state

4.2 實驗

為了進一步驗證所提出的容錯控制策略，本文設計了包括3 個單元的HESS 樣機。在樣機中，每個儲能單元由12 V/7 Ah 電池和90 V/9.6 F SC組成，無源元件參數：Lr=5.5 mH，Cr=20 μF，Rr=0.5 Ω，Lf=9.7 mH，Cf=245 μF，f0=50 Hz，fh=500 Hz。

3 個儲能單元中單元3 作為故障單元， 其余保持正常工作。 故障時以及加入輔助功率環后的級聯單元輸出電壓vB和系統輸出交流電壓波形vout如圖11 所示。

圖11 混合儲能系統輸出電壓波形Fig.11 Output voltage waveform of HESS

單元3 的直流側電壓VDC變化如圖12 所示。t1時刻，蓄電池出現故障，直流側電壓下降；t2時刻，輔助功率環開始工作，電壓恢復到初始狀態。實驗結果表明，當蓄電池出現故障停止工作時，基于輔助功率環的容錯控制可以保證故障單元的正常運行。

圖12 單元3 直流側電壓波形Fig.12 The voltage of unit 3 in the dc-side

5 結論

本文以基于輔助功率環的鏈式混合儲能系統為研究對象， 提出了一種基于雙頻載波移相調制的故障容錯控制策略。 在直流側蓄電池發生故障時，可以利用儲能單元間功率傳輸能力，通過保持每個單元的直流側電壓，實現系統的容錯運行。仿真和實驗結果驗證了鏈式混合儲能系統和容錯控制的有效性。