[发明专利]一种基于链式混合储能系统的故障控制策略

说明书

本发明公开了基于链式混合储能系统的故障控制策略，基于双频载波移相PWM法，在有源直流侧故障时，通过在不同储能单元间的能量传递以保持各单元的直流侧电压稳定，从而实现容错运行。在故障容错控制策略中，将储能单元分为充电单元、放电单元及待机单元三类，通过辅助功率环将放电单元能量传输到充电单元中，同时并为保证容错控制能力，对链式系统中三类储能单元数量及超级电容容量进行合理设计。

技术领域

本发明涉及储能技术领域，尤其涉及一种基于链式混合储能系统的故障控制策略。

背景技术

级联式多电平变换器目前已成为工业中高压应用中的一种重要选择，与传统的逆变器相比，其具有输出功率大、谐波含量低、开关电压应力小、效率高等优点，同时其整体呈现模块化，具有良好的扩展性。这些优点使得这种拓扑结构用于储能系统也十分理想。

然而，基于级联式多电平变换器的混合储能系统中有源电力电子元件的数量高于传统结构，其可靠性较低，因此开发一个高可靠性的基于链式拓扑的储能系统一直是学术界与工业界关注的焦点。目前传统的n+1冗余控制方法下，在储能系统按照n级联数设计的基础上再增加一个冗余单元，每个链节按照n/(n+1)额定容量工作。当储能系统中某一链节发生故障时，此链节即被旁路，而剩下n 个链节则工作在额定容量下。但这种方式使功率单元在正常运行状态时处于降额运行，降低了装置正常工作的电压利用率。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于链式混合储能系统的故障控制策略。

为达到上述目的，本发明采用的方法是：基于辅助功率环的链式混合储能系统，其拓扑由N个储能单元级联，每个储能单元中包含串联的Boost变换器和H 桥逆变器，两者通过超级电容器耦合，Boost变换器的直流侧电源为蓄电池。级联H桥和输出电路之间并联一LC谐振支路，LC支路由电感、电容和电阻串联，其与H桥单元形成辅助功率环回路，构成辅助功率环。

对于级联多电平变换器而言，其输出的电压电流中所含有的各种不同的频率分量，其功率之间是解耦的，即可以对它们分别进行单独控制。若级联多电平变换器的输出电压中既包含基波频率(f_m)分量，又包含一个比基波频率更高的频率(f_a)分量时，即可利用两种频率分量，其中高频功率分量基本都在辅助功率环中流动，主要用于在各储能单元间传递能量，而基频分量则通过主功率环向负载输出功率。

在故障容错控制中将储能单元分为三类：充电单元、放电单元及待机单元。当储能单元直流侧故障发生时，其即作为充电单元，通过吸收其他单元传递的能量以保持正常工作状态。放电单元则通过辅助功率环向充电单元传递能量。待机单元不参与高频分量的能量传递，其主要作用为平衡无功功率。假定每个储能单元输出基频功率为P₀，为保证充电单元能够得到足够维持其工作的能量并且整个链式储能系统能够保持正常输出功率，三类储能单元数量关系满足下式，其中 N_C表示充电单元数量，N_D表示放电单元数量，N_S表示待机单元数量，P_Bmax表示蓄电池最大输出功率。

对于混合储能系统中的超级电容元件，大功率输出的过程中，其电压迅速下降，而蓄电池提供的能量不足以补充超级电容的能量，因此为确保在T_p时间内混合储能系统的正常工作，超级电容极小值满足下式。

其中P_HESSpeak表示混合储能系统最大输出功率，V_SC为超级电容额定电压， V_min为放电单元中超级电容最低电压阈值。

考虑要在T_f时间内故障链节能够恢复至正常工作状态，则超级电容最大值满足下式。其中P_{e_max}表示功率交换最大值，V_f为故障链节直流侧电压。