基于辅助功率环的链式混合储能系统功率解耦控制研究

Battery/supercapacitor cascaded multilevel hybrid energy storage system (CM-HESS) is an attractive solution for high voltage and high energy storage applications. But the output powers of units are coupled because they have the same output current. This situation causes problems of output voltage, battery output current, supercapacitor SOC control and energy balancing. And the control scope is constrained. Based on the auxiliary power loop constructed with orthogonal power control, this project proposes two novel battery/supercapacitor CM-HESS, odd harmonic hybrid PWM and double frequency PS-PWM. According to the orthogonal power theory, by injecting high frequency voltage and current into the novel topologies with the novel PWM methods, the output power and inner power transition between energy storage modular of the CM-HESS can be decoupled. The energy storage modular can have different charging/discharging status without effecting normal operation. Through this project, the theoretical and control level of the energy storage system will be improved apparently. Meanwhile, this project is of important theoretical significance and practical value.

链式蓄电池/超级电容器混合储能系统在高压大功率储能场合有着广阔的应用前景，但是同相各链节输出电流相同使得输出功率耦合，由此带来了蓄电池输出电流、超级电容器SOC控制和能量均衡等方面的一系列问题，限制了储能系统的应用范围。基于由“正交功率分解”理论构建的辅助功率环，本项目提出了两种新型蓄电池/超级电容器链式混合储能系统拓扑，以及相应的奇次谐波混合调制和双频PS-PWM调制两种新型控制方式。通过向辅助功率环中注入高频电压、电流，实现链式混合储能系统对外功率输出与内部各储能单元之间功率转移的解耦控制。从而在不影响储能系统正常输出的前提下，各储能单元可以工作在不同的充放电状态。项目的研究成果将提高我国储能系统的设计优化和控制理论水平，具有重要的理论研究意义和应用价值。

项目对五个内容开展了研究，分别是1）两种新型链式储能系统拓扑结构和调制方式研究；2）优化设计方法研究；3）功率优化分配控制研究；4）能量均衡控制研究；5）性能综合评估和实验研究。经过3年的研究，并提出奇次谐波混合调制和双频PS-PWM调制两种新型调制方式实现串联H桥各链节的功率解耦交换；针对上述两种调制技术下辅助环中功率交换、移相角、调制波幅度之间的关系进行了定量分析，进而提出了辅助功率环的优化设计方法；提出了基于多目标优化的功率分配策略，从而实现混合储能系统中超级电容器/蓄电池的功率优化分配；并在基金的资助下，增加了相关研究内容“基于一维矢量调制的链式混合储能系统”，扩充了链式混合储能系统的控制方法；将上述研究成果应用在了链式混合储能系统功率分配和SOC均衡控制中，并通过仿真和实验对所提出的理论和方法进行了验证。项目组顺利实现基金申请的研究目标，取得相关研究成果，共发表相关论文7篇，其中SCI收录4篇，EI收录3篇，受理发明专利4项，培养硕士研究生2人，联合培养博士研究生1人，获得江苏省科学技术二等奖和江苏省电工科学技术一等奖。