摘要
哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院的研究人員畢愷韜、孫力等，在2018年第16期《電工技術學報》上撰文，為了解決級聯式儲能系統中儲能模組間能量均衡問題，同時提升系統的模塊化程度，提出一種分佈式能量均衡控制策略。該策略充分利用了雙向直流變換器模塊化結構的特點，將各子模塊採用獨立閉環控制。
為了使子模組能夠獨立進行能量均衡，將下垂控制思想以及超級電容荷電狀態（SOC）引入到電流閉環中，使子模組能夠根據自身SOC狀態調整工作電流，進而實現能量自動分佈調整，達到均衡控制目的。為了減小模組SOC對系統電流的影響，控制策略中引入了電流校正環節，從而改善系統電流的調整率。
該策略不影響儲能系統穩定母線電壓的能力，同時各儲能模組間不需要任何通信，使系統具備了完全的模塊化特性。最後，通過實驗驗證了所提方法的有效性。
超級電容作為一種高功率密度的儲能設備，被廣泛應用於儲能系統中。超級電容模組的耐壓值較低，通常需要多模組串聯使用以適應中、高壓應用場合[1,2]。然而，由於製造工藝、環境溫度等原因，串聯的超級電容模組在頻繁充/放電工況下荷電狀態（State of Charge, SOC）會出現不一致。
長時間運行下，將導致部分模組出現過充/過放的現象，嚴重損害超級電容的使用壽命，同時影響儲能系統的可靠運行[3]。因此超級電容模組間的能量均衡控制是儲能系統中亟需解決的問題之一。
儲能系統中的雙向直流變換器拓撲結構主要分為傳統半橋拓撲及級聯模塊化拓撲。半橋拓撲結構下，超級電容模組直接串聯使用。此時模組間均衡控制策略可以歸納為能耗型均衡及非能耗型均衡兩種類型[4-10]。
能耗型均衡主要採用高精度功率電阻並聯於模組兩端，並利用電阻將高能量分佈模組中的多餘能量消耗掉[4,5]。這種均衡策略控制原理簡單，容易實現，但是會導致系統發熱嚴重，降低系統效率。非能耗型均衡控制的主要思路是將高能量模組中的多餘能量轉移到低能量模組中，從而實現能量在模組中的平均分配。非能耗型均衡主要利用並聯電容或者隔離DC-DC變換器來實現。
並聯電容均衡策略能夠採用先進控制算法進行控制，但是其缺點在於當能量在相隔較遠的模組間傳遞時，系統效率較低[6,8]。而採用隔離DC-DC變換器的均衡策略雖然能夠解決任意模組間能量均衡的問題，但是這種均衡方式對變壓器的設計要求較高，同時隨著串聯模組數量的增多，無論是採用多繞組變壓器還是採用多變壓器的形式都將導致均衡系統體積龐大，同時系統控制較為複雜[9,10]。
在級聯模塊化拓撲結構中，超級電容模組需要通過變換器的子模塊進行串聯。這種拓撲結構具有開關管的電壓應力小、系統無源器件體積小等優點，近年來受到了廣泛的關注[11-16]，同時針對級聯拓撲結構的能量均衡策略也已被提出。文獻[12]將能量存儲以及能量均衡做歸一化處理，提出利用子模組電容荷電狀態建立獨立閉環，SOC的閉環輸出結果直接控制系統電壓外環。
文獻[14]與之相似，採用平均SOC的概念，利用各模組的SOC以及平均SOC直接參與電壓外環控制。這兩種策略均能夠在滿足系統運行功能的前提下，根據子模組SOC獨立調整各子模組工作電壓，實現能量均衡分配。文獻[16]提出一種基於電壓、電流雙閉環以及SOC閉環的儲能系統控制策略，該策略將各模組SOC閉環輸出結果不斷疊加到電流環上，從而使能量均衡與系統電流控制實現解耦。
上述策略的共同特點是需共用各子模組SOC信息，但這將導致各子模塊間缺乏獨立控制能力，因此係統整體的模塊化程度較低，同時系統的冗餘特性以及可擴展性受到影響。
級聯模塊化變換器在結構上屬於輸入串聯輸出串聯（Input-Serious Output-Serious, ISOS）組合系統，而ISOS系統中的均壓問題是持續熱點[17-21]。文獻[17]提出了一種基於電壓外環、電流內環以及反饋均壓環的多閉環均壓控制策略，但該策略對系統參數要求較高，同時易受主功率電路電流影響。
文獻[19]提出了一種交換佔空比的控制策略，較為新穎，但是其應用條件受限於串聯模組數量。為提高系統的可擴展性，文獻[21]提出了一種分佈式均壓控制策略，該策略將模塊輸入電壓疊加到參考電壓中，因此可根據輸入電壓調整模塊的輸出，從而實現模塊輸入端及輸出端均壓。
該策略增強了系統模塊化程度，易於系統擴展。雖然ISOS系統與模塊化多電平儲能系統存在一定的相似之處，但是無論從具體拓撲結構，還是從應用背景上均有一定的差別。因此ISOS系統中的均壓控制策略應用於儲能系統中時，仍需要作進一步研究。
傳統的基於模塊化級聯變換器的超級電容儲能系統大部分為非分佈式控制，這樣不僅弱化了系統的模塊化特性，同時也降低了系統的可靠性。為此，本文提出了一種適用於模塊化多電平直流變換器的超級電容儲能系統分佈式能量均衡控制策略。
該策略充分利用了系統模塊化組成特點，對各子模組進行獨立的閉環控制，同時根據子模組工作電流與模組SOC間的關係，將下垂控制思想引入到系統中，從而使各子模塊根據自身SOC狀態調整其工作電流，進而達到子模組間能量均衡的目的。
文中首先對模塊化超級電容儲能系統運行工況與模組SOC狀態調整間的關係進行了分析，然後提出了分佈式能量均衡控制策略，並分析了該策略的穩定性。最後利用搭建的超級電容儲能系統物理仿真實驗平臺對所提出的控制策略進行了驗證。
圖1 模塊化多電平儲能系統原理
圖8 模塊化多電平儲能系統實驗平臺
結論
本文提出了一種適用於模塊化儲能系統的分佈式能量均衡控制策略。該策略將下垂控制思想與超級電容SOC相結合，對電流環進行了重新設計，使系統各子模組能夠根據自身的能量分佈情況調整其平均工作電流值，達到能量自動均衡的目的。通過引入電流校正環節，減小了輸出電流偏差對系統的影響，改善了系統電流調整率。同時，文中利用系統閉環根軌跡證明了該策略的穩定性。
分佈式能量均衡控制策略可以保證各模組控制上完全獨立，使系統整體設計具有很高的冗餘特性，可完全依據模塊化設計思路進行設計。最後，通過搭建的模塊化儲能系統實驗平臺對該策略進行了實驗驗證。
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