模块化多电平复合变换器电池储能系统容错控制策略

田 峰，程志江，杨涵棣，杨天翔

（新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046）

传统化石能源的开发利用，极大促进了人类社会的发展，但过量的使用也引发了能源危机、环境污染等一系列问题[1]。研究应用新能源是实现可持续发展的必经之路，已在社会各界形成广泛共识[2]。随着可再生能源发电规模的持续提升，其固有的间歇性、波动性等特点给电力系统的安全可靠运行带来了冲击[3]。

电池储能系统应用场景灵活，应用范围广，是解决可再生能源并网问题的重要手段之一[4-5]。模块化多电平变换器(modular multi-level convert，MMC)输出谐波小、效率高、容错能力强[6-8]，在电池储能系统(battery energy storage system，BESS)中具有广阔的应用前景[9,11]。现阶段，针对多电平变换器电池储能系统的研究大多集中于大功率、中高压场合[10]，多采用MMC-BESS 和CHB-BESS 结构，针对用户侧小功率的应用场景研究较少，而随着新能源技术的发展，用户侧分布式储能极具市场推广价值。文献[12]首次提出模块化多电平复合变换器(modular multi-level hybrid converter，MMHC)拓扑。将MMHC 应用在电池储能系统中可构成MMHC-BESS 拓扑，相较于MMC-BESS、CHBBESS拓扑，在输出电平数相同的情况下，所用电力电子器件功率等级更低、数量最少[13]，有效降低储能系统成本，在中低压电网及用户侧分布式储能中具有极大的应用优势和应用前景。

MMC 的容错运行策略主要分为冗余运行及无冗余不对称运行两种模式[14-17]。文献[18]分析了MMC 在故障中及调制波重构后的环流状态，采用比例谐振控制器实现无冗余容错控制，但未考虑最大故障子模块数量限制。文献[19]引入虚拟子模块概念，提出一种子模块冷热备用结合的方法，提高了MMC 系统故障时备用子模块的切入速度，但控制较为复杂。文献[20]详细分析了不对称运行的故障特性，建立了不平衡状况的数学模型，通过补偿阻抗抵消不对称分量，基于此提出一种解耦控制策略。文献[21]通过对子模块储存能量的实时监测提出一种桥臂能量预测的容错控制，实现对二倍频分量的抑制，但计算量较大。文献[22]针对MMCBESS 拓扑，采用三级SOC 均衡策略，控制储能系统子模块故障下的功率均衡。但上述文献提出的容错控制策略均针对MMC拓扑结构，对于MMHCBESS拓扑研究较少；未考虑无冗余容错运行时的最大故障子模块数量的限制，系统存在失控的风险；且子模块发生故障后，三相不平衡将加剧储能电池、SOC的不均衡，降低系统的容量利用率。

因此，为提升系统的容错运行能力及储能电池容量利用率，文章针对MMHC-BESS，提出子模块故障时的无冗余容错控制及容错运行下的SOC均衡策略。首先建立MMHC-BESS 数学模型，对不对称运行状态及最大故障子模块数量进行详细分析，得到其故障子模块数量的限值；根据其与调制比之间的数学关系，提出子模块故障时的调制波重构算法及实现过程，通过对调制信号的重构，保持对外功率特性不变，维持线电压和并网电流平衡；然后，研究了不对称运行状态下的SOC均衡策略，通过注入零序电压和动态调节相内均衡因子，实现相间、相内的两级SOC均衡。最后，在PLECS仿真软件中搭建了13 电平的MMHC-BESS 模型，对所提的容错算法及其SOC 均衡策略进行了验证，结果表明所提策略可行有效。

1 MMHC-BESS的工作原理

1.1 MMHC-BESS的基本运行原理

模块化多电平复合变换器电池储能系统(MMHC-BESS)主电路拓扑结构如图1 所示。由3 个桥臂组成，每个桥臂由N个子模块(Sub-Modular，SM)串联构成，桥臂输出电压经过H 桥实现翻转；每个子模块包含1个半桥模块及其直流并联电容，1 组储能电池及旁路开关K。正常运行时，旁路开关K断开，子模块输出0电压或储能电池电压；收到子模块故障信号后，旁路开关K 闭合，故障子模块输出电压变为0。通过控制桥臂子模块功率开关器件的通断状态，实现交流侧的多电平输出。MMHC-BESS 的输出端可不通过变压器直接接入电网，有效减小系统成本和体积，提升系统功率密度，具备良好的应用前景。

图1 MMHC-BESS拓扑图Fig.1 Topology diagram of MMHC-BESS

1.2 MMHC-BESS并网模型

为便于描述，文中用j(j=a,b,c)表示各相桥臂；i(i=1,2,3…n)表示子模块的位置。MMHC-BESS 的输出端通过L型滤波器接入电网，单相等效电路模型如图2所示，uj、ij、ig分别表示变换器输出电压、桥臂电流、并网电流。

图2 MMHC-BESS单相等效电路Fig.2 Equivalent circuit of MMHC-BESS Single phase

忽略高频分量，三相桥臂输出电流ij等于并网电流ig；桥臂输出电压uj，并网交流电压ugj满足KVL 方程，其中ugj为交流并网电压，L为滤波电感，R为等效电阻。

式(5)中，na、nb、nc分别为各相投入运行的子模块数量。

1.3 并网控制策略

并网控制用于调节MMHC-BESS 与电网间功率传输的方向和大小，采用基于dq坐标系下的电流解耦控制策略，如图3所示。

图3 MMHC-BESS并网控制Fig.3 Grid connected control of MMHC-BESS

定义电网向储能系统充电时，电流方向为正。通过控制有功功率P＊和无功功率Q＊的值，实现对有功参考电流idref和无功参考电流iqref的控制，系统单位功率因数运行，无功功率为0，无功参考电流iqref的值为0；通过坐标反变换得到三相正序调制电压信号uj＊。

2 容错控制策略

2.1 最大故障子模块数量分析

配置冗余子模块可以提升MMHC-BESS 的可靠性，系统的抗风险能力与冗余子模块的数量成正比，但配置过多的冗余模块会增加建设及运营成本。因此，冗余子模块的配置数量需要结合实际情况进行综合考虑。当故障子模块数量小于冗余子模块数量时，MMHC-BESS 可以采用硬件冗余容错控制策略，维持系统正常运行；当发生极端故障状况，故障子模块数量超出系统承受范围时，系统将存在失控风险。因此确定最大故障子模块数量对于系统安全至关重要。

式(8)中nr为配置的冗余子模块数量。

发生子模块故障时，故障相的输出储能电池电压如式(9)所示

2.2 子模块故障时运行分析

系统的子模块发生故障后，其输出电压为0，为提供足够的直流电压支撑。每相最大故障子模块数量与其输出临界电压的关系式如式(11)所示

式(11)中，ubatj表示故障相理想输出电压，uL表示输出的临界电压，(n+nr-ne)/n表示输出临界指数。

MMHC-BESS 的调制比0

当临界指数[n+nr-ne/n]<1时，故障相冗余模块无法提供足够的直流支撑电压，输出电压的基波分量为理想输出时的(n+nr-ne)/n倍，为保证三相输出线电压平衡，故障相需要在原有正序调制信号的基础上乘以[n/(n+nr-ne)]，容错控制后，三相正序调制信号见式(12)；调制信号重构如图4所示。

图4 调制信号重构Fig.4 Modulation signal reconstruction

2.3 容错重构策略

在一个载波周期内，使用同一调制信号，载波移相调制算法分配给各子模块的功率相同，且具有更高的等效开关频率。同时，子模块的输出功率正比于参考调制信号，可以对子模块功率进行独立控制，故本文采用载波移相调制算法。

MMHC-BESS 系统正常运行时，载波移相角为2π/n(n为参与运行子模块的数量)，当发生故障导致正常运行子模块数量减少时，载波移相角变为2π/(n-ne)(ne为故障子模块数量)。以A相SM6子模块故障为例进行阐述：故障前后A 相载波重构如图5所示，故障前移相角为2π/6，故障后移相角为2π/5。

图5 载波移相角重构Fig.5 Reconstruction of carrier phase shift angle

基于上述描述，容错模式切换过程如下：

①检测到子模块发生故障后，立即封锁故障子模块脉冲输出，同时，闭合旁路开关K；

②根据调制比M与临界指数的关系，选择对应的运行模式。

③根据故障子模块的数量，对故障相载波进行重构；基于载波移相调制策略，重构调制波，分配给各相子模块。

图6 容错重构算法过程Fig.6 Fault tolerant reconstruction process

3 基于容错控制的SOC均衡策略

电池的SOC用来描述电池内部的剩余电荷量，是电池储能系统稳定运行的关键参数，当SOC 大于0.8 或小于0.2 时，电池储能系统将失去平抑波动的能力。因此提升电池储能系统的SOC 均衡能力，有利于提升储能系统工作效益，延长储能电池使用寿命。

当MMHC-BESS 系统发生子模块故障后，交流侧电流中会出现负序分量，将加剧相间及相内储能电池间的SOC 不均衡。为保证故障后MMHCBESS 储能系统的SOC 均衡，提出基于容错控制下的SOC均衡策略。

采用扩展卡尔曼滤波算法对储能电池的SOC值进行精确估算，在此基础上，根据MMHCBESS的拓扑结构特点，提出基于容错运行下的相间和相内两级SOC均衡策略。

3.1 相间功率均衡控制

通过注入零序电压实现相间功率的动态分配。零序电压仅在三相之间流动，对三相功率进行再分配，不影响系统对外输出功率特性。注入零序电压的大小受制于调制比的工作范围(0

零序电压工作原理如图7所示。零序电压u0与电网电流ig产生的有功功率变化量ΔP＊j如式(13)所示。

图7 零序电压注入功率分配原理Fig.7 Principle of zero sequence voltage injection power distribution

相间功率平衡系数表达式如式(15)所示，由各相电池模块SOC值与系统电池模块总SOC值相比得到

当系统因子模块故障处于不对称运行时，相间功率平衡系数及基础功率分配比例都将发生改变。此时，零序电压将根据实际值实时计算更新。

相间功率分配原理如图8所示。

图8 相间功率分配Fig.8 Phase to phase power distribution

对于正常运行相，零序电压将平均分配给每个子模块，而对于故障相，零序电压无法注入到故障子模块；为实现故障时相间功率平衡，故障A相注入的零序电压需要乘以na/(na-1)倍，则三相调制信号如式(17)所示

3.2 子模块功率均衡控制策略

相内功率均衡控制如图9所示，在相间功率均衡的基础上注入相内子模块均衡调节因子，即可实现系统所有子模块的SOC均衡。

图9 相内功率均衡控制Fig.9 Equalization control of power distribution in phase

4 仿真结果与分析

为验证所提容错策略的可行性，基于图1的拓扑结构在PLECS 软件中搭建了三相220 V/24 kW的MMHC-BESS的仿真模型，具体仿真参数如表1所示。

表1 系统仿真参数Table 1 System simulation parameters

4.1 MMHC-BESS容错控制

系统的全阶段电流、电压仿真波形如图10 所示；在0.2 s 时，A 相子模块SM6 发生故障，系统运行在故障旁路状态；0.3 s 时，投入容错控制策略，系统运行在容错运行模式；12 s时改变电流方向，由充电模式变为放电模式；30 s后，系统趋于稳态。

图10 三相电流电压整体波形Fig.10 Overall waveform of three phase current and voltage

故障时并网电流波形见图11，由于故障相的输出电池电压减少导致三相不平衡，0.2～0.3 s 期间，电流波形产生畸变。0.3 s 时，系统进入容错运行模式，三相并网电流迅速恢复到平衡状态。

图11 故障时刻并网电流Fig.11 Grid connected current at fault time

系统充放电切换时并网电流波形见图12。切换前后，并网电流出现短时波动，迅速恢复正常。

图12 充放电切换并网电流Fig.12 Charge-discharge switching grid connected current

稳态线电压、相电压和并网电流波形见图13。此时，由于A相缺少正常运行子模块，三相处于不平衡状态，其输出相电压电平数与正常两相相比减少两个电平；经过容错控制后，输出线电压及并网电流保持恒定。

图13 稳态线电压、相电压、电流波形Fig.13 Steady state line voltage,phase voltage and current waveform

0.2～0.3 s 中，系统处于故障旁路状态，三相不平衡产生负序分量导致无功功率波动，如图14所示，0.3 s 时，切换到容错运行模式后，无功功率得到有效抑制。

图14 有功无功功率分量Fig.14 Active and reactive power components

4.2 基于容错控制下的SOC均衡策略

当MMHC-BESS 处于容错运行模式时，验证SOC均衡策略的有效性。

系统所有子模块的SOC 值见图15。A 相子模块SM6 在0.2 s 时发生故障，其SOC 值将不再变化，剩余子模块经过相间SOC 均衡策略及相内SOC均衡策略作用后，SOC值最终趋向一致。

图15 整体SOC 均衡曲线Fig.15 Overall SOC equalization curves

0.3 s 子模块发生故障后，根据相间功率平衡系数Kj注入零序电压见图16。

图16 零序电压及其投影Fig.16 Zero sequence voltage and its projection

图17所示为相间SOC均衡曲线。0.2 s时。A相SM6子模块发生故障，其SOC置为0，因此A相的总SOC 值发生骤降；注入零序电压对三相功率进行动态分配，A相的总电池容量减少，分配的功率减少，其余两相分配的功率增加。通过相间均衡策略后，三相的SOC值最终趋于一致。

图17 相间SOC均衡曲线Fig.17 Phase to phase SOC equalization curves

三相相内子模块SOC 均衡曲线见图18。经过相内子模块SOC 均衡策略后，各相的子模块的SOC趋于一致。验证了所提策略的有效性。

图18 相内SOC均衡曲线Fig.18 In phase SOC equilibrium curves

5 结 论

本文基于MMHC-BESS 拓扑，针对子模块故障时的不平衡运行状态，对容错控制策略进行了研究；分析了故障子模块数量与调制比之间的数学关系，以保持并网线电压平衡和并网功率恒定为出发点，通过对调制波和载波进行重构，实现正常运行模式与容错运行模式的无缝切换。在不增加硬件电路的前提下，确保并网功率恒定及线电压平衡，提升了系统的可靠性。

基于容错运行状态，提出由相间SOC 均衡及相内SOC 均衡组成的两级功率均衡策略，通过统一的零序电压生成公式控制相间功率动态分配，实现三相功率的独立控制；调节相内平衡因子实现相内功率均衡；提高了系统的储能电池利用率。

文中所提的无冗余容错控制及容错控制下的SOC 均衡策略适用于MMHC-BESS 的极端故障状况，具备良好的应用前景。理论和仿真验证了所提控制策略的可实施性和有效性。