哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院的研究人員畢愷韜、安群濤等，在2018年第8期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，儲(chǔ)能系統(tǒng)中能量均衡控制是亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。針對(duì)級(jí)聯(lián)多電平超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，提出一種能量自均衡控制策略。
該策略利用超級(jí)電容荷電狀態(tài)(SOC)建立半橋子模組獨(dú)立電流閉環(huán)系統(tǒng)，使各子模組平均工作電流可根據(jù)超級(jí)電容SOC進(jìn)行獨(dú)立控制。因此，在不影響系統(tǒng)電流響應(yīng)的前提下，該策略可直接利用系統(tǒng)電流進(jìn)行模組間能量均衡。同時(shí)，為了解決能量均衡過(guò)程中均衡速度降低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于SOC的權(quán)重系數(shù)以提升均衡速度。
該策略不僅不影響儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定母線電壓的能力，同時(shí)還避免外加均衡電路的使用，簡(jiǎn)化了儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體控制策略。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性。
超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)作為一種提升能量利用率的有效方式，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、智能微電網(wǎng)系統(tǒng)以及地鐵供電系統(tǒng)中[1-3]。儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)直流母線能量，在供電系統(tǒng)中起著“調(diào)峰填谷”、穩(wěn)定母線電壓的作用[4,5]。
超級(jí)電容作為儲(chǔ)能設(shè)備，單模組的耐壓值較低，通常需要大量模組串聯(lián)使用以適應(yīng)高電壓應(yīng)用場(chǎng)合。然而，由于制造工藝差異、不同的充放電速率以及工作環(huán)境溫度差異等原因，串聯(lián)的各模組在頻繁充/放電工況下荷電狀態(tài)(Stateof Charge, SOC)出現(xiàn)不一致。這會(huì)導(dǎo)致部分超級(jí)電容出現(xiàn)過(guò)充/過(guò)放的現(xiàn)象，嚴(yán)重?fù)p害超級(jí)電容的使用壽命，同時(shí)影響儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性以及安全性[6,7]。
為了延長(zhǎng)超級(jí)電容使用壽命，由均衡電路以及相應(yīng)的控制策略所組成的超級(jí)電容能量管理系統(tǒng)被應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)中[2,8,10]。這些均衡策略主要分為能耗型均衡策略、開(kāi)關(guān)電容器均衡策略以及變壓器均衡策略三種類(lèi)型。
能量均衡策略是在模組兩端并聯(lián)高精度功率電阻，使高SOC模組中的多余能量通過(guò)電阻進(jìn)行消耗，從而實(shí)現(xiàn)能量在各模組間的平均分配[9]。這種均衡策略的主要優(yōu)點(diǎn)為電路構(gòu)成及控制簡(jiǎn)單、成本較低，但是模組多余的能量都以熱量形式損耗，均衡效率較低，系統(tǒng)發(fā)熱嚴(yán)重。
開(kāi)關(guān)電容器均衡策略則是采用多個(gè)電容器以及開(kāi)關(guān)并聯(lián)在儲(chǔ)能模組兩端，利用并聯(lián)的電容器將高荷電狀態(tài)模組中的能量轉(zhuǎn)移到低SOC模組中[10]。為了能夠提升能量利用率，文獻(xiàn)[11]通過(guò)增加諧振電感，設(shè)計(jì)了電容開(kāi)關(guān)諧振均衡電路，達(dá)到了MOSFET零電流關(guān)斷的目的，減小了開(kāi)關(guān)損耗。
但是開(kāi)關(guān)電容器均衡策略適用于相鄰模組間能量的均衡，當(dāng)能量在相隔較遠(yuǎn)的模組間傳遞時(shí)效率較低。對(duì)此文獻(xiàn)[2]提出了基于多繞組變壓器的均衡策略，能夠?qū)崿F(xiàn)任意模組間能量的均衡。但是該策略的均衡性能?chē)?yán)重依賴變壓器二次繞組的對(duì)稱(chēng)程度，同時(shí)，在大量串聯(lián)模組系統(tǒng)中，難以制造二次側(cè)數(shù)量眾多的多繞組變壓器。為此，有學(xué)者提出采用多個(gè)變壓器代替多繞組變壓器對(duì)多模組進(jìn)行均衡控制[12]，但是這將導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，系統(tǒng)體積及成本增加。
級(jí)聯(lián)多電平直流變換器因其靈活的組成形式及中、高壓應(yīng)用特點(diǎn)，近年來(lái)逐漸被應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)中[13-16]。文獻(xiàn)[14]提出了基于子模組SOC的均衡控制策略，這種均衡方式不需要任何均衡電路，直接利用系統(tǒng)充/放電電流對(duì)模組能量進(jìn)行均衡，但是該策略需要對(duì)各子模組SOC以及系統(tǒng)電流分別進(jìn)行PI閉環(huán)控制，系統(tǒng)運(yùn)算量較大。
文獻(xiàn)[15]提出了一種適用于交流級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC均衡控制策略，該策略通過(guò)檢測(cè)蓄電池SOC差異切換不同的調(diào)制策略，從而在實(shí)現(xiàn)電池SOC均衡的同時(shí)改善電能質(zhì)量，然而調(diào)制策略頻繁切換對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成的影響并未給出明確分析。
文獻(xiàn)[16]提出了一種基于SOC的鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)充放電三級(jí)均衡策略，該策略同時(shí)考慮能量均衡以及冗余控制，進(jìn)而提高了系統(tǒng)可靠性，但是三級(jí)均衡策略使系統(tǒng)整體控制變得復(fù)雜。由于結(jié)構(gòu)相似，級(jí)聯(lián)系統(tǒng)電容電壓均衡問(wèn)題在基于模塊化多電平變換器(Modular Multilevel Converter, MMC)的高壓直流輸電系統(tǒng)中同樣存在。
MMC中電壓均衡大多數(shù)采用電容電壓排序的均衡策略[17-20]，該類(lèi)方法根據(jù)電容電壓以及當(dāng)前運(yùn)行模式?jīng)Q定投入的工作模組。然而MMC龐大的子模組數(shù)量給上述電壓均衡算法帶來(lái)了沉重的運(yùn)算負(fù)擔(dān)。由于應(yīng)用背景的不同，MMC控制上還需要考慮到頻率、諧波等問(wèn)題，而且電容容量遠(yuǎn)小于儲(chǔ)能電容，因此對(duì)于MMC的電壓均衡方式在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用需要進(jìn)一步深入研究。
傳統(tǒng)的超級(jí)電容能量均衡與能量存儲(chǔ)在控制上是完全分開(kāi)的，弱化了控制系統(tǒng)的易操作性，同時(shí)能量均衡過(guò)程也給系統(tǒng)帶來(lái)了過(guò)多的損耗。為此，本文提出了一種適用于級(jí)聯(lián)多電平直流變換器的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)能量自均衡控制策略。
該策略將能量均衡與能量存儲(chǔ)統(tǒng)一化處理，通過(guò)利用能量平均分配的概念從根本上對(duì)各半橋超級(jí)電容模組充/放電能量進(jìn)行控制，在穩(wěn)定母線電壓的同時(shí)，快速調(diào)整模組間能量分布，達(dá)到能量均衡目的。針對(duì)因模組間能量均衡導(dǎo)致均衡速度下降的問(wèn)題，提出了基于超級(jí)電容SOC權(quán)重系數(shù)的加速均衡策略，并對(duì)穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行了分析。最后利用搭建的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)所提出的自均衡控制策略進(jìn)行了證明。
圖6 級(jí)聯(lián)多電平儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
結(jié)論
本文提出了一種適用于級(jí)聯(lián)多電平超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的自均衡控制策略，該策略充分利用了級(jí)聯(lián)多電平雙向DC-DC變換器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將能量存儲(chǔ)與能量均衡做歸一化處理，通過(guò)構(gòu)造基于超級(jí)電容SOC的函數(shù)，對(duì)各半橋模組進(jìn)行獨(dú)立電流閉環(huán)控制，在儲(chǔ)能系統(tǒng)充/放電同時(shí)，實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容能量的均衡。
自均衡控制策略具有“穩(wěn)壓控流”的能力，因此滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)在應(yīng)用上的要求。同時(shí)其直接利用系統(tǒng)實(shí)際工作電流進(jìn)行能量均衡，使系統(tǒng)具有較快的能量均衡速度。最后，通過(guò)設(shè)計(jì)搭建的儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了本文所提出控制策略的有效性。
