级联H桥换流器电池储能系统（CHB-BESS）中具备改进荷电状态均衡能力与降低功率损耗的电池功率管理方法

《Protection and Control of Modern Power Systems》：Battery Power Management Method for Cascaded H-Bridge Converter-Based BESS with Improved SOC Balancing Ability and Reduced Power Loss

　　

为提升荷电状态（State-Of-Charge，SOC）均衡能力并降低功率损耗，研究人员提出了一种用于级联H桥换流器型电池储能系统（Cascaded H-Bridge converter-based Battery Energy Storage System，CHB-BESS）的基于不连续脉宽调制（Discontinuous PulseWidth Modulation，DPWM）的电池功率管理方法。首先，为CHB-BESS的每个子模块（SubModule，SM）设计了两类电压钳位原则。其次，针对传统DPWM在CHB换流器中固定低功率调整的局限，所提方法根据各SM的SOC值与CHB-BESS输出电压参考来确定电压钳位SM的最大数量；由此，在有功与无功运行条件下均可充分挖掘SOC均衡能力，并大幅降低CHB-BESS总功率损耗。最后，依据SOC排序结果选取电压钳位SM，并对剩余非电压钳位SM的输出电压参考重新计算用于调制。仿真与实验结果表明：在变化的有功与无功运行条件下，所提方法可提高CHB-BESS的SOC均衡速度并降低其功率损耗。

研究背景方面，可再生能源发电因全球碳排放挑战而快速扩张，但其固有间歇性与波动性给电力系统稳定性带来挑战，电池储能系统（Battery Energy Storage System，BESS）成为平抑波动的重要手段。级联H桥换流器型电池储能系统（Cascaded H-Bridge converter-based BESS，CHB-BESS）因无变压器结构、充放电效率高和能量管理便捷，被视为中高压大容量BESS最具前景的拓扑之一。由于电池包特性不一致，各电池包SOC容易失衡，需通过电池管理系统（Battery Management System，BMS）均衡以提升容量利用率。CHB-BESS的SOC均衡包括相间（inter-phase）与相内（inner-phase）：相间常借助零序电压注入或负序电流注入；相内多依赖改进调制，如最近电平调制（Nearest Level Modulation，NLM）、空间矢量调制、相移载波脉宽调制（Phase-Shifted Carrier PWM，PSC-PWM）。其中PSC-PWM最常用，但通过PI控制器在调制参考上叠加与SOC差相关的电压偏差，受调制比裕度限制，SOC偏差大时均衡慢且不稳定。不连续脉宽调制（Discontinuous PWM，DPWM）虽在Vienna换流器、CHB、模块化多电平换流器中可降损增效，但既有DPWM用于三相有功调整或CHB光伏/固态变压器的固定低功率SM间交换，且仅考虑有功工况，不适合相内有功再分配。为此，研究人员开展本研究，提出DPWM型电池功率管理方法，在相内通过钳位大SOC偏差SM的调制波来加快均衡并减少开关次数从而降低损耗。论文发表于《Protection and Control of Modern Power Systems》。

主要关键技术方法：研究人员以每相N个SM、按SOC排序的CHB-BESS为对象，先划分高于/低于平均SOC的两组SM；定义电压钳位SM（注入钳位与旁路钳位）和非电压钳位SM；由原始相调制参考v_j^?经floor算法得最低所需注入SM数N_{j in}；按相功率p_j正负与N_jH、N_jL计算注入钳位数N_ji和旁路钳位数N_jB；依SOC排序选高/低SOC组SM分别作注入或旁路钳位，调制参考钳到sign(v_j^?)或0；其余非电压钳位SM参考按式重算后由PSC-PWM生成信号；整体控制含PQ控制、电流控制、直流电压控制、相间零序电压（Zero-Sequence Voltage，ZSV）均衡与所提相内管理。

研究结果如下。

CHB-BESS原理与传统PSC-PWM电池功率管理方法：研究人员给出三相CHB-BESS拓扑与数学模型，每相N个串联SM，每SM含H桥单元与电池存储单元（Battery Storage Unit，BSU），输出相电压满足v_a=mNv_dccos(ωt)等关系。传统PSC-PWM在原始调制参考v_j^?上加Δv_jk，由PI控制器按SM的SOC与相平均SOC差生成，SM功率p_jk=v_jk^?i_jv_dc；研究人员指出该方法依赖电压偏差，受调制比裕度严重限制。

所提DPWM电池功率管理方法原理：研究人员将SM按SOC相对均值分为高/低组，定义电压钳位SM具正注入、旁路、负注入三态，注入钳位输出功率p_jk、旁路时功率为0；放电且p_j>0时高SOC SM作注入钳位、低SOC SM作旁路钳位，充电且p_j<0时反之；钳位SM不破坏相输出电压多电平完整性。

所提方法详细流程：研究人员经五步实现，输入N、N_jH、N_jL与v_j^?；算N_{j in}=floor(N×v_j^?×sign(v_j^?))；由p_j算N_ji=min(N_jH,N_{j in})（p_j>0）或min(N_jL,N_{j in})（p_j<0），N_jB=min(N_jL,N?1?N_{j in})（p_j>0）或min(N_jH,N?1?N_{j in})（p_j<0）；选N_jDH、N_jDL个高/低SOC SM钳位，参考按sign(v_j^?)(1±sign(p_j))/2置1或0；剩余非电压钳位SM参考v_{j RM}^?=(N v_j^??N_ji sign(v_j^?))/(N?N_jDH?N_jDL)，由PSC-PWM调制，从而重分配SM间功率。

整体控制策略：研究人员构建含PQ控制、电流控制、直流电压控制、相间SOC均衡（ZSV注入）与所提相内管理的框图；直流电压由每SM的BSU控制为恒定，相间用ZSV法，相内用所提DPWM法。

与其他方法理论比较：研究人员将文献[14]–[16]、[18]归为一类，其受正弦调制波限制；模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）法需经DC/DC换流器精确功率控制；所提方法在以额外计算负担为代价下，兼具加快SOC均衡与降损优势。

仿真验证：研究人员在相同条件下对比，传统PSC-PWM相a的SOC均衡约4.3 s；所提方法将高SOC的SM_a1钳到1/0、低SOC的SM_a10钳到0/1，均衡约2.4 s，相内均衡速度提升约44.2%；不同调制比下用基波周期内最高与最低SOC包SOC变化差ΔB_SOC衡量，所提方法均衡能力不受调制比限制。

实验验证部分原文未展开细节，仅指出仿真与实验结果共同表明变有功/无功工况下所提方法提升SOC均衡速度并降损。

讨论与结论翻译：研究人员得出结论，所提基于DPWM的CHB-BESS电池功率管理方法，通过对大SOC偏差SM进行电压钳位，提升了相内SM功率偏差与SOC均衡速度，并因减少SM开关次数降低了功率损耗；该方法在有功与无功运行下均能发挥SOC均衡能力，仿真与实验验证了其有效性。