李育靈， 任 凱， 楊 軍， 張紅日， 蔣 瑋， 倪喜軍

（1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司 長(zhǎng)治供電公司， 山西 長(zhǎng)治 046011； 2.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 江蘇 南京210096； 3.南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院， 江蘇 南京 211167）

0 引言

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（Hybrid Energy Etorage System，HESS）基于不同的電路拓?fù)?，將能量型和功率型?chǔ)能元件連接在一起，綜合利用兩種儲(chǔ)能元件的優(yōu)勢(shì)[1]，[2]，從而大大提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體性能，降低了投入成本[3]，[4]。而基于鏈?zhǔn)酵負(fù)涞幕旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)在近年來(lái)得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛研究。 相比于使用單個(gè)變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，基于鏈?zhǔn)酵負(fù)涞膬?chǔ)能系統(tǒng)輸出具有等效開(kāi)關(guān)頻率高、電能質(zhì)量好、可不使用升壓變壓器而直接接入中高壓電網(wǎng)、整體呈現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)、可靈活完成儲(chǔ)能系統(tǒng)的重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)[5]～[7]，非常適用于高壓大容量的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用。

現(xiàn)有的基于鏈?zhǔn)较到y(tǒng)的容錯(cuò)控制技術(shù)可分為兩大類(lèi)：基于優(yōu)化算法的容錯(cuò)控制和基于輔助電路的容錯(cuò)控制[8]。 前一種技術(shù)采用非對(duì)稱(chēng)控制算法抵消系統(tǒng)的非對(duì)稱(chēng)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(kāi)關(guān)狀態(tài)以移動(dòng)中性點(diǎn)電壓[9]。 在文獻(xiàn)[10]中，基頻零序電壓被注入到每個(gè)單元中以實(shí)現(xiàn)三相輸出電壓的均衡。 后一種技術(shù)則需要增加額外的功率器件和儲(chǔ)能元件，對(duì)于中性點(diǎn)箝位（NPC）結(jié)構(gòu)的逆變器，通過(guò)添加晶閘管以提供負(fù)載和中性點(diǎn)之間的連接，從而在開(kāi)關(guān)故障期間保持連續(xù)運(yùn)行[11]。在文獻(xiàn)[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(tǒng)輸出幅值的大小和平衡。

本文以鏈?zhǔn)絻?chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究了針對(duì)HESS 的基于輔助功率環(huán)的故障容錯(cuò)控制策略。 首先介紹了鏈?zhǔn)交旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及故障狀態(tài)下的工作模式；然后介紹了功率交換控制的原理、鏈?zhǔn)絻?chǔ)能系統(tǒng)中超級(jí)電容參數(shù)的設(shè)計(jì)以及控制策略的研究； 最后基于Matlab/Simulink平臺(tái)及搭建的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了本文相應(yīng)控制策略的有效性。

1 鏈?zhǔn)交旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所選取的鏈?zhǔn)交旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基于級(jí)聯(lián)多電平變換器 （Cascaded Multilevel Converter，CMC），如圖1 所示，為簡(jiǎn)化分析，以恒定負(fù)載的單相系統(tǒng)為研究對(duì)象。 圖中，鏈?zhǔn)絻?chǔ)能系統(tǒng)由儲(chǔ)能單元U1～Un級(jí)聯(lián)組成， 每個(gè)儲(chǔ)能單元中包含串聯(lián)的Boost 變換器和H 橋逆變器， 兩者通過(guò)超級(jí)電容器（Supercapacitor，SC）耦合，Boost變換器的直流側(cè)電源為蓄電池。 為了實(shí)現(xiàn)故障狀態(tài)下的冗余控制， 級(jí)聯(lián)H 橋交流輸出側(cè)并聯(lián)了一個(gè)由電感Lr、 電容Cr和電阻Rr串聯(lián)而成的LC 諧振支路，其功能在于當(dāng)蓄電池鏈節(jié)出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)LC 支路與級(jí)聯(lián)H 橋之間形成的輔助功率環(huán)，由正常單元向故障單元傳輸功率維持系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖1 帶有輔助功率環(huán)的鏈?zhǔn)交旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of cascaded hybrid energy storage system with auxiliary power loop

1.2 故障情況下HESS運(yùn)行狀態(tài)

對(duì)于級(jí)聯(lián)HESS 而言， 可能發(fā)生兩種元件故障： 電力電子器件短路或開(kāi)路故障和儲(chǔ)能元件故障。 如果H 橋中的電力電子設(shè)備發(fā)生故障，整個(gè)裝置將被旁路，HESS 將在不平衡模式下運(yùn)行。

HESS 的綜合容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作?？紤]到現(xiàn)有的工作，我們關(guān)注雙向dc-dc 轉(zhuǎn)換器的電池或電力電子器件的故障以及每個(gè)單元中的直流鏈路的短路， 并將其定義為有源直流側(cè)故障（Active dc Side failure，ADCF）。 在這些情況下，雙向dc-dc 轉(zhuǎn)換器將與超級(jí)電容斷開(kāi)以隔離ADCF， 故障單元將失去單元內(nèi)的電源。 由于ADCF 的容錯(cuò)控制可以從傳統(tǒng)的dc-ac 故障控制中分離出來(lái)，因此有必要對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立研究。

在儲(chǔ)能單元n 中的蓄電池出現(xiàn)故障情況下，鏈?zhǔn)交旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)的功率流動(dòng)示意圖如圖2 所示。此時(shí)控制系統(tǒng)不再驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)能單元Un中的SW1和 SW2，相當(dāng)于 Boost 變換器與 H 橋斷開(kāi)。 由于超級(jí)電容器能量密度有限，SCn作為Un中H 橋的電源獨(dú)立供電，無(wú)法維持Un的輸出電壓，因此可以通過(guò)控制輔助功率環(huán)中的功率流ΣPai向SCn充電，維持其電壓穩(wěn)定和系統(tǒng)輸出。

圖2 鏈?zhǔn)交旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)功率流動(dòng)示意圖Fig.2 Power flow in the cascaded HESS during ADCF

圖3 為故障狀態(tài)下混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行模式。低功率模式時(shí)主要由蓄電池提供能量， 大功率模式時(shí)則由超級(jí)電容提供大功率輸出。

圖3 故障狀態(tài)下混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行模式Fig.3 Hybrid energy storage system operating mode under fault conditions

2 直流側(cè)故障控制

根據(jù)正交功率分解理論， 當(dāng)電路中非正弦電壓電流含有不同的頻率分量時(shí)， 其傅里葉分解表達(dá)式分別為

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

如果將 v（t）和 i（t）產(chǎn)生的有功功率瞬時(shí)值視為其在一段時(shí)間內(nèi)乘積的平均值， 結(jié)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(duì)于圖1 所示的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，每個(gè)H 橋變換器的調(diào)制波中包含基頻分量（f0）和高頻分量（fa）兩部分。

每個(gè)鏈節(jié)中不同頻率分量的輸出有功功率相互解耦，通過(guò)控制基頻分量向負(fù)載輸出有功功率，以滿(mǎn)足系統(tǒng)功率需求； 利用高頻分量控制鏈節(jié)間功率交換，以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的故障冗余控制。輔助功率環(huán)等效電路如圖4 所示。

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

圖4 中：Lr，Cr和 Rr組成調(diào)諧濾波器；ia為輔助功率環(huán)中的輔助頻率電流；va為功率交換鏈節(jié)的輔助頻率輸出電壓；ve為故障鏈節(jié)的輔助頻率輸出電壓；vn為無(wú)功鏈節(jié)的輔助頻率輸出電壓?？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié) va（t）和 ve（t）的相位差大小來(lái)控制故障鏈節(jié)與功率交換鏈節(jié)之間的功率交換， 此時(shí)輔助環(huán)中的電壓、電流相量如圖5 所示。

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

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 超級(jí)電容參數(shù)設(shè)計(jì)

在HESS 的容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)中， 應(yīng)考慮儲(chǔ)能單元中SCs 的容量影響。 對(duì)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(jí)電容提供， 而電池在高強(qiáng)度放電過(guò)程之后為超級(jí)電容提供能量補(bǔ)充。 因此，有兩點(diǎn)需要考慮：

①如果超級(jí)電容容量太小，HESS 的大功率輸出模式中的最大持續(xù)時(shí)間將很短；

②如果超級(jí)電容容量過(guò)大， 在輔助電源回路中交換的最大功率將不能穩(wěn)定超級(jí)電容的直流側(cè)電壓。

假設(shè)每個(gè)單元中超級(jí)電容的初始電壓為額定值VSC。 在大功率輸出過(guò)程中，超級(jí)電容的電壓迅速下降，電池的能量補(bǔ)充不夠快，無(wú)法恢復(fù)至超級(jí)電容額定電壓。因此為了維持HESS 的正常工作，超級(jí)電容的最低電壓閾值Vmin、 系統(tǒng)最大功率輸出模式下的持續(xù)時(shí)間Tp以及HESS 最大輸出功率PHESS_peak須滿(mǎn)足式（4）。從式中可以看出，超級(jí)電容的容量決定了PHESS_peak。

式中：PB為蓄電池輸出功率；N 為鏈?zhǔn)较到y(tǒng)級(jí)聯(lián)單元數(shù)，先假設(shè)提供交換能量鏈節(jié)、故障鏈節(jié)、無(wú)功鏈節(jié)數(shù)分別為 ND，NC，NS。

為保證故障狀態(tài)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(jí)電容器的最小值Cmin須滿(mǎn)足：

故障容錯(cuò)控制的目的是使故障單元在Tf時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)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(lái)維持超級(jí)電容的端電壓。 假設(shè)通過(guò)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(jí)電容的電壓為Vf，那么超級(jí)電容的容量應(yīng)該滿(mǎn)足：

根據(jù)式（7），超級(jí)電容的容量決定了故障單元的恢復(fù)時(shí)間。 為了將HESS 在Tf時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，超級(jí)電容器的容量最大值為

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

故障鏈節(jié)由于沒(méi)有蓄電池單元進(jìn)行能量補(bǔ)充， 其超級(jí)電容在輸出功率的同時(shí)端電壓不斷下降，從而影響整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定工作。 因此，可設(shè)定一個(gè)可接受的電壓限值， 當(dāng)故障鏈節(jié)V

圖6 故障冗余控制結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of the fault redundancy control

本文帶輔助功率環(huán)的鏈?zhǔn)交旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)包括有功功率控制系統(tǒng)和故障冗余控制系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)，其整體控制框圖如圖7 所示，

圖7 儲(chǔ)能系統(tǒng)整體控制結(jié)構(gòu)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(huán)控制，其中：Pout為 HESS 額定輸出功率；為計(jì)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(fù)載電流；Guc（s）和 Gic（s）分別為電壓和電流的PI 調(diào)節(jié)器。 故障冗余控制系統(tǒng)則根據(jù)圖6 設(shè)計(jì)。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

4.1 仿真

為了驗(yàn)證所提出的容錯(cuò)控制方法， 使用Matlab/Simulink 平臺(tái)對(duì)基于3 個(gè)級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能單元的HESS 模型進(jìn)行了仿真，仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

故障單元直流側(cè)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(bǔ)充，VDC迅速下降。 在 100 s 后，由于容錯(cuò)控制的參與，VDC通過(guò)從輔助功率回路吸收能量而迅速上升，達(dá)到額定電壓后穩(wěn)定。

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

在此過(guò)程中，在圖8 取 a，b，c 三點(diǎn)觀察 HESS輸出電壓波形，可以看出：a 點(diǎn)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，其電壓輸出波形為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，如圖9（a）所示；當(dāng)單元3 發(fā)生故障時(shí)，由于故障單元的電壓不斷下降，HESS 輸出發(fā)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(cè)電壓恢復(fù)至額定值36 V，取c 點(diǎn)觀察輸出電壓，電壓恢復(fù)至標(biāo)準(zhǔn)正弦波,如圖9（c）所示。由此仿真結(jié)果可知，加入故障控制后，整個(gè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在故障狀態(tài)下仍能維持正常輸出性能。

圖9 不同狀態(tài)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(tài)下鏈?zhǔn)交旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)主回路與輔助回路中電流的FFT 分析結(jié)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(huán)中主要為高頻500 Hz 分量，即兩種頻率分量相互獨(dú)立控制，與理論分析相一致。

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

4.2 實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提出的容錯(cuò)控制策略，本文設(shè)計(jì)了包括3 個(gè)單元的HESS 樣機(jī)。在樣機(jī)中，每個(gè)儲(chǔ)能單元由12 V/7 Ah 電池和90 V/9.6 F SC組成，無(wú)源元件參數(shù)：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(gè)儲(chǔ)能單元中單元3 作為故障單元， 其余保持正常工作。 故障時(shí)以及加入輔助功率環(huán)后的級(jí)聯(lián)單元輸出電壓vB和系統(tǒng)輸出交流電壓波形vout如圖11 所示。

圖11 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出電壓波形Fig.11 Output voltage waveform of HESS

單元3 的直流側(cè)電壓VDC變化如圖12 所示。t1時(shí)刻，蓄電池出現(xiàn)故障，直流側(cè)電壓下降；t2時(shí)刻，輔助功率環(huán)開(kāi)始工作，電壓恢復(fù)到初始狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)蓄電池出現(xiàn)故障停止工作時(shí)，基于輔助功率環(huán)的容錯(cuò)控制可以保證故障單元的正常運(yùn)行。

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

5 結(jié)論

本文以基于輔助功率環(huán)的鏈?zhǔn)交旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象， 提出了一種基于雙頻載波移相調(diào)制的故障容錯(cuò)控制策略。 在直流側(cè)蓄電池發(fā)生故障時(shí)，可以利用儲(chǔ)能單元間功率傳輸能力，通過(guò)保持每個(gè)單元的直流側(cè)電壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的容錯(cuò)運(yùn)行。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了鏈?zhǔn)交旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)和容錯(cuò)控制的有效性。