《Electronics》：Unified Balancing Control Strategy for Cascaded PCSs Based on Third Harmonic Injection
Xiaowei Zhang,
Jingran Cao,
Jinghua Zhou,
Tianyu Wang and
Shoubin Sun
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针对非理想电网条件下级联储能变流器（PCSs）的SOC不均衡和传统策略均衡速度受限的问题，本文研究了一种基于三次谐波注入的统一功率均衡控制策略。该策略通过扩展零序电压注入范围，显著提升了相间SOC均衡速度，在确保功率控制、SOC均衡控制和容错控制有效性的同时，保证了系统正常运行。研究人员基于MATLAB/Simulink仿真和基于MT6016的硬件在环平台验证了所提方法的有效性与可行性，为应对实际并网条件下的功率振荡和不平衡问题提供了新的解决方案。
随着可再生能源在现代电力系统中的渗透率不断提高，电网侧并网的电池储能系统也迎来了快速增长。然而，在实际电网运行中，非理想特性难以避免，如电压不平衡、谐波畸变、直流偏置和频率偏差等。特别是当电网电压不平衡时，会导致储能系统的输出电流不平衡，进而引起系统性能下降甚至损坏。采用级联H桥拓扑的模块化储能变流器因其结构灵活、扩展性好和优异的谐波性能，已成为中高压并网应用的一种颇具前景的解决方案。但这种拓扑结构在实际并网条件下，电压不平衡、模块间参数不一致以及故障事件不可避免地会导致相间功率不平衡，从而进一步造成电池组之间的荷电状态（SOC, State-of-Charge）发散。SOC的差异直接影响电池组的使用寿命和系统的整体能量管理效率，成为了亟待解决的关键挑战。
尽管已有各种功率解耦和正负序控制策略来应对非对称电网条件下的功率振荡，但这些方法主要关注网侧功率控制，并未明确考虑其对直流侧引起的相间功率不平衡的影响。传统的SOC均衡策略，例如基于负序电流的方法，虽然能加速均衡，但往往会恶化输出电能质量，增加电流谐波失真，限制了其长期并网运行的适用性。而三次谐波注入作为一种提高直流电压利用率和扩展线性调制范围的有效技术，其在统一SOC均衡和容错控制方面的潜力尚未得到充分探索。在此背景下，研究人员在《Electronics》期刊上发表论文，旨在解决上述问题，提出一种创新的统一控制方案。
作者团队为开展此项研究，主要应用了以下几种关键技术方法：首先，建立了基于MATLAB/Simulink的仿真模型，用于策略的初步设计和性能验证。其次，搭建了基于MT6016的实时硬件在环（HIL, Hardware-in-the-Loop）平台，以验证所提控制策略的实际可行性和鲁棒性。在控制算法层面，研究重点包括对三相星型连接级联H桥主电路拓扑的分析、在电网电压不平衡条件下的系统级功率解耦与正负序独立控制框架设计，以及针对零序电压最大注入范围的理论推导和约束分析。
2. Control Strategy for Cascaded PCSs
该部分首先介绍了所研究系统的主电路拓扑，即采用星型连接、每相三个H桥模块级联的储能变流器结构。由于拓扑结构的特殊性，需要同时考虑SOC均衡控制和容错控制。研究内容主要围绕级联PCS的三种控制策略展开：电网电压不平衡下的系统级功率控制、SOC均衡控制以及故障容错控制。
2.1. System-Level Power Control Under Grid Voltage Unbalance
研究人员首先建立了在电网电压不平衡条件下的系统级功率控制策略。当电网电压不平衡时，电网电压和输出电流均包含负序分量。为确保PCS安全稳定运行，将电网电压和输出电流解耦为正序和负序分量，并在双同步旋转坐标系中进行独立控制，以补偿不平衡条件引起的负序电流，从而抑制电压不平衡对储能PCS性能的影响。基于瞬时功率理论，推导了系统网侧电流正负序参考值的计算公式。通过比例积分（PI, Proportional-Integral）控制实现有功和无功电流的解耦与独立调节，并给出了正负序给定电压分量的表达式。
2.2. SOC Balancing Control Strategy
这部分探讨了SOC均衡控制策略。电网不对称和参数不一致引起的相间功率不平衡进一步导致了级联储能系统中电池组间SOC的差异。为缓解SOC不平衡，零序电压注入在星型连接级联H桥系统中被广泛采用，因为它可以在不引入不平衡电流的情况下实现相间功率再分配。然而，零序电压的可达调节范围从根本上受到单个H桥单元调制裕度的限制，导致SOC均衡速度有限，尤其是在严重电网不平衡或故障条件下。
2.3. Fault-Tolerant Control Strategy
最后讨论了故障容错控制策略。考虑到拓扑结构的特殊性，当某个H桥模块发生故障时，需要采取容错控制策略以保证系统的连续运行。该部分虽然未在提供的文档片段中详细展开，但指出它是与SOC均衡控制同时采用的核心研究内容之一，旨在应对模块故障等异常工况。
基于上述控制框架，本文的核心贡献在于引入了三次谐波注入来显著扩展零序电压的调节范围。研究人员通过理论分析，在考虑三次谐波注入后PCS输出电压相位关系的基础上，找到了最大的零序电压注入范围，并推导了零序电压注入的约束条件。通过引入三次谐波分量到调制波形中，可以在不影响基本输出功率的情况下降低相电压的峰值，从而增加可用的电压裕度。这种方法不仅提高了SOC的均衡速度，也增大了调制裕度。
通过对比仿真，论文定量验证了所提基于三次谐波注入的统一功率均衡控制策略的有效性。仿真和硬件在环实验结果表明，与传统方法相比，新策略能够显著提升SOC的均衡速度，尤其是在电网严重不平衡或故障条件下，同时保证了系统的输出电能质量和稳定运行。
归纳研究的结论与讨论部分，本文提出了一种用于级联PCS的、基于三次谐波注入的统一功率均衡控制策略。该策略建立了一个统一的控制框架，能够同时应对电网电压不平衡下的功率不平衡、相间SOC均衡以及容错运行问题。研究从理论上推导了最大零序电压注入范围，并指出了其在传统调制下的局限性。通过引入三次谐波注入，显著扩展了零序电压的调节范围，从而带来了SOC均衡速度和调制裕度的显著提升。这项工作的重要意义在于，它为实际并网条件下、面临非理想电网工况的级联储能系统提供了一种高效、统一的解决方案。该方法不仅加速了电池组间的能量均衡，延长了电池寿命，还通过增强系统的故障穿越和适应不平衡电网的能力，提高了储能系统接入电网的可靠性和稳定性，对推动高比例可再生能源电网中的大型储能应用具有重要的理论和工程价值。
