采用混合级联多电平变换器的新型储能充放电控制研究

本课题提出一种新型的混合级联多电平DC/AC电力电子变换器，同时实现对储能装置的充放电控制和内部储能单元的均压均流控制，可以应用于电动汽车和电力系统储能等系统中。采用与储能单元电压匹配的低压开关器件和与整个储能装置端电压匹配的功率开关器件两种电力电子器件，低压器件电路实现对各个储能单元的充放电进行独立控制，可以工作在较高的开关频率，对输出电压幅值进行高精度控制。功率开关器件电路用来改变输出电压的极性，开关频率可以低至基波频率。该方案避免了储能单体直接串并联带来的均压和均流问题，提高了储能单元的寿命和效率。采用多电平变换器，电平变化仅为单个储能单元的电压，交流侧输出更接近于交流正弦波，驱动电机时可以提高控制性能，用于电力储能时可以提高电能质量，减小或者省掉输出滤波器。该方案还可以实现对多种储能介质的组合控制，充分发挥各种介质的优点，降低系统成本。

储能技术是电动汽车普及的重要技术瓶颈之一，同时也是解决新能源发电波动性问题、实现电网低碳经济运行的关键技术之一。因此储能技术的研究具有重要的意义。储能技术研究领域中，既需要研发性能够更好的储能介质，如可以大功率充放电的电池、高能量密度的超级电容等等，也需要研究电路拓扑和控制策略，实现各模块之间的SOC均衡以充分利用各模块的容量，同时实现不同储能介质之间的协同配合以充分利用各模块的能量密度、功率密度、最佳工作频率等特点。本课题主要针对储能电路的拓扑及其控制方法开展研究工作。.本课题提出了一种新型级联混合储能拓扑，该拓扑使用蓄电池和超级电容作为储能介质。相对于传统直接将储能元件串并联的拓扑，此拓扑能够输出谐波畸变极小的电压和电流，且具有较高的模块化程度，易于扩展、维修和容错运行，能够通过轮换充放电实现模块电压或SOC的均衡。相对于H桥级联和MMC拓扑，该拓扑又具有成本较低的优势。因此本课题所提出的拓扑具有较好的应用前景，可以应用于电动汽车、电网储能等应用场合中。.在新拓扑的基础上，本课题研究了拓扑的调制算法，并针对三种主要应用研究了相应的控制算法。本课题还针对SOC估计、快速充电、混合储能的功率分流算法、全局SOC均衡等问题做了研究：本课题提出了基于滑模观测器的SOC估计策略，能够得到较为精确的估计结果；并且利用单相电路正负波动电流进行电池的快速充电，能够有效降低铅酸蓄电池的极化电压，从而提高充电速度；提出的基于模糊控制的功率分流算法能够较为充分地利用超级电容和蓄电池各自的特点；提出了零序电压注入方法来实现三相所有模块的全局SOC均衡。此外，本课题研究中我们还搭建了实验平台，对理论分析进行了实验验证。通过这些研究工作，本课题取得了较为可观的研究成果——目前，SCI收录文章1篇发表，2篇在投；EI收录文章发表5篇，国内会议文章发表3篇，专利1项。