基于MMC的光伏发电-电池储能系统控制策略

张卓阳，邓超平，凌志斌

（1.上海交通大学电气工程系，上海 200240；2.国网福建省电力科学研究院，福建 福州 350007）

基于MMC的光伏发电-电池储能系统控制策略

张卓阳1，邓超平2，凌志斌1

（1.上海交通大学电气工程系，上海 200240；2.国网福建省电力科学研究院，福建 福州 350007）

将模块化多电平（MMC）技术与电池储能相结合，提出了一种基于模块化多电平技术的光伏发电-电池储能系统的拓扑结构，并对该系统的核心环节——基于MMC的电池储能系统（BESS）进行了研究。以功率控制为出发点，分别对BESS交流接口和直流接口的电流控制进行了讨论分析，提出了一种适合于光伏发电-储能一体化系统充电与放电的控制策略。在Matlab/Simulink环境下的仿真证明了相关分析以及控制策略的合理性。

模块化多电平换流器；光伏发电；电池储能；充放电策略

传统的光伏发电系统由于太阳能的随机性和间歇性，会引起电网电压和频率的波动、电力系统继电保护装置误动作等问题。解决光伏发电的这些问题，可以通过在光伏发电系统中加入储能环节［1-2］，以保证更长时间范围内能量的稳定和持续供给。传统两电平或三电平变流器技术，为了实现大容量储能，必然通过对大量的小容量电池单体串、并联来实现，而由电池串、并联带来的不均衡问题往往影响电池寿命、系统运行的安全性与可靠性，这就对电池管理系统提出了极为苛刻的要求。

鉴于MMC技术在中高压、大容量等场合具有广阔的应用前景，本文将MMC变流器结构与光伏发电、电池储能相结合，提出了一种新型的光伏发电-电池储能系统（photovoltaic generation-battery energy storage system，PVG-BESS），该系统具备以下优势:

1）优良的可扩展性和可靠性。该结构可方便地根据实际需求扩容扩压，具有良好的普遍适用性，而通过冗余控制技术，系统在部分储能子模块故障情况下仍能运行，提高了可靠性；

2）电池性能要求降低。在相同储能容量情况下，将总储能分散到若干子模块，对单一电池容量、电压等规格要求降低，为电池储能在光伏发电等新能源发电场合的大规模应用提供了可能。

1 基于MMC的PVG-BESS系统

图1所示为本文讨论的基于MMC的光伏发电-电池储能系统的结构图，它主要由光伏阵列、基于MMC的电池储能变流器以及电网3部分组成。其中基于MMC的储能变流器完成DC/AC转换并接入电网，电池能量的存储、释放、均衡控制以及光伏阵列的最大功率点跟踪控制等功能。后文将把光伏阵列称为BESS的直流接口；将BESS接入电网的一侧称为交流接口。

图1 基于MMC的PVG-BESS拓扑图Fig.1 Topology of PVG-BESS based on MMC

1.1 MMC子模块

MMC子模块由开关器件、电容和电池组成，对于MMC子模块SMxn（x=a，b，c；n=1，2，…，n+1，n+2，2n）而言，它有如表1所示的3种工作模式，其中电流极性的定义方向见图1。

表1 MMC子模块工作模式Tab.1 The operating mode of MMC sub-module

1.2 基于MMC的BESS工作原理

基于MMC的BESS拓扑结构与传统MMC结构相似，相关分析见文献［3-4］。通过类比，对于本文的三相BESS系统而言，在忽略系统损耗情况下，BESS在三相静止坐标系下的模型为

式中:upx,unx分别为上、下桥臂子模块电压之和；Rs,Ls分别为并网电抗器和交流电网的等效阻抗值；ux，ix分别为交流电网电压、电流。

据此可得如图2所示的BESS单相等效电路图。

图2 BESS单相等效电路图Fig.2 BESS single-phase equivalent circuit

对式（1）施以静止坐标-同步旋转坐标变换，得:

图1所示的结构可等效看成1个3端口结构系统，该3端口分别接入交流系统、直流系统、电池，三者之间功率流动的示意图如图3所示。根据Pdc功率流动方向，“1”表示从直流接口流入BESS的功率Pdc＞0，“-1”表示流入BESS的功率Pdc＜0，“0”表示BESS与直流接口之间无平均功率流动（瞬时功率可能不为0）。同理，Pac和Pb也各有3种运行状态。考虑到光伏发电的特性，即Pdc≥0，BESS系统可运行在如表2所示的7种工况。

图3 BESS功率交换示意图Fig.3 BESS power exchange sketch map

表2 BESS运行工况Tab.2 The operating conditions of BESS

由功率流向可知，BESS系统不仅可以将光伏电池所产生的电能输送到电网，也可以在电池的参与下，对光伏电池产生的电能进行补充或者分流，还可以在必要时从电网吸收功率，进而起到削峰填谷的作用。

2 电池储能系统的充、放电策略

传统MMC运行时，每相上、下桥臂共有n个子模块被投入电路（另外n个被旁路）。如果希望对电池进行充电，可以使某相上、下桥臂被旁路的子模块数大于n。这样一来，外部直流接口电压将大于被投入的子模块电压之和，即可形成充电电流。通过控制每个开关周期内被强制旁路的子模块的导通时间，就可以对充电电流进行调节。对电池的放电过程与充电过程相似，不同之处在于，放电时上、下桥臂被旁路的子模块数目应小于n。

从功率角度来看，在BESS交、直接口处电压稳定时，外部交流接口（电网）与BESS交换能量的平均功率Pac可通过ix调节，而外部直流接口与BESS交换能量的平均功率Pdc可通过idc来调节。

假设通过合理控制后直流接口电流为Idc，交流接口电流有效值为Ix，在忽略BESS桥臂损耗和并网电抗器损耗下，MMC子模块电池获得的平均功率Pb为

式中:Ux为BESS并网处电压有效值；cosφ为交流接口功率因数。

如果Pb＜0，电池则处于充电状态，对应表2中的1～4号工况；如果Pb＞0，表示电池处于放电状态，对应表2中的5～6号工况；如果Pb=0，电池处于平衡状态，对应表2中的7号工况。

2.1 交流接口电流ix的控制

由式（2）可知，ix在同步旋转坐标系下的电流id，iq相互耦合，可采用前馈解耦控制策略［5-6］，且当电流调节器采用PI调节器时，可得如图4所示的控制框图。

图4 电流ix的控制器原理图Fig.4 Schematic of ixcontroller

图4中，id*，iq*分别为同步旋转坐标系下交流接口电流目标值，ux′为控制ix所需的BESS交流接口电压控制信号。

2.2 直流接口电流idc的控制

在电流ix得到控制的基础上，对idc的控制可以转化为对某相上、下桥臂电流之和的控制，它们之间满足:

文献［3］分析指出，ixf主要成分是具有2倍基波负序性质的谐波。由于BESS三相的不完全对称，idc中往往含有与ixf性质相同的高次谐波成分［4］，因此，要控制直流接口电流idc，应该尽可能抑制ixf。在忽略桥臂损耗的情况下，可以推出:

由式（4）、式（5）可知，为了抑制ixf，可以在上、下桥臂电压中叠加1个控制分量uxf。

图5给出了直流接口电流idc的控制原理图，图5中的PI调节器通道是为了控制idc的直流分量，而另一通道中的微分运算则是为了抑制idc的谐波分量，即ixf。微分运算通道的限幅环节主要是为了防止微分运算带来的系统稳定性的降低，通过验证，在这里可取:

需要说明的是，图5中的电流参考值idc*需要根据光伏阵列的实时特性，结合最大功率点跟踪的相关理论给出。

图5 电流idc的控制框图Fig.5 Block diagram of idccontroller

得到同时控制ix和idc的桥臂电压信号，上下桥臂电压的控制约束为

在得到idc和ix的控制信号后，就可以得到BESS的整体控制结构图，如图6所示。其中，upx_ref和unx_ref分别为上、下桥臂的调制信号，将该调制信号经载波移相调制技术调制就可以产生各个开关器件的触发脉冲，进而实现控制目标。

图6 BESS整体控制结构图Fig.6 BESS overall control structure diagram

3 仿真验证结果

为了验证本文所提的PVG-BESS的控制策略，在Matlab/Simulink环境下对图1所示的系统进行了仿真，BESS系统的主要仿真参数为:交流接口电压380 V；直流接口电压udc=800 V；桥臂电感L=4 mH；子模块电池100 A·h/100 V；子模块电池初始剩余电量50.2%；桥臂子模块数目n=8。

下面将给出2种电池充电以及2种电池放电情况下的仿真结果。

3.1 电池充电工况仿真结果

为了验证BESS在充电工况（1，-1，1）和（1，-1，-1）下的运行状况，设定的仿真参数为:0～ 0.2 s针对工况（1，-1，1），设定+50 A（rms）（该电流“+”，“-”仅代表功率流动方向，功率流动方向的定义见图3，下同）；0.2～0.4 s针对工况（1，-1，-1），设定（rms）。

图7给出了idc的仿真波形，该电流在目标值附近小幅（±0.3 A）波动，说明本文提出的直流电流控制策略具有较好的跟踪性能。图8分别给出了工况（1，-1，1）和工况（1，-1，-1）时交流接口a相电压、电流波形。根据FFT分析，2种工况下交流接口处电流波形质量较好，其THD分别为0.40%和0.42%，且功率因数均非常接近1或-1。图9给出了充电时其中1个子模块电池电压的波形，从波形中可知其中包含的直流分量、交流分量和设定的交直流接口电流相对应。

图7 充电时直流接口电流波形Fig.7 Charging current waveform of DC interface

图8 充电时交流接口a相电压（上）、电流（下）波形Fig.8 Charging voltage（up）and current（down）waveforms of AC interface a

图9 充电时电池电压波形Fig.9 Charging voltage waveform of battery

图10分别表示子模块SMa1，SMb1，SMc1在工况（1，-1，1）和（1，-1，-1）下电池充电时剩余电量（state of charge，SOC）的变化情况。由于电池充电时，SOC变换较缓慢，故加长了仿真时间，其中0～5 s时段针对工况（1，-1，1），5～10 s时段针对工况（1，-1，-1）。在0～5s阶段，整个BESS以约73kW的功率给48个子模块电池充电；在5～10 s阶段，整个BESS以约31 kW的功率给48个子模块电池充电。功率的变化，反映到单一子模块就表现为其SOC的变化率。以子模块SMa1为例，在0～5 s阶段，其SOC从50.2%增长到约50.219%，而在5～10 s阶段其SOC则从50.219%增长到约50.227%。

图10 充电时子模块电池SOC变化曲线（0～10 s）Fig.10 Chargers sub-module battery SOC curves（0～10 s）

3.2 电池放电工况仿真结果

为了验证BESS在放电工况（1，1，-1）和（0，1，-1）下的运行状况，设定的仿真参数为: 0～0.2 s针对工况（1，1，-1），设定针对工况（0，1，-1），设定由于电池工作在放电状态时与充电类似，仅列出如图11～图13的仿真结果。

图11 电池放电时直流接口电流波形Fig.11 Discharging current waveform of DC interface

图12 放电时交流接口a相电压（上）、电流（下）波形Fig.12 Discharging voltage（up）and current（down）waveforms of AC interface a

图13 放电时电池电压波形Fig.13 Discharging voltage waveform of battery

4 结论

本文将MMC结构、电池储能、光伏发电三者结合，提出了一种基于MMC的光伏发电-电池储能一体化系统。为了实现对该系统中电池的充、放电控制，提出了基于功率流动的控制策略，并分别从BESS直流接口电流和交流接口电流的控制为出发点，有针对性地讨论了其实现方法。通过仿真可以得出以下结论:

1）基于坐标变化的前馈解耦控制，对于BESS交流接口电流具有较好控制效果；基于高次环流计算+PI的方法对于BESS系统直流接口电流具有较好控制效果；

2）基于MMC的光伏发电-电池储能系统能够实现电池与外部直流接口、外部交流接口之间能量的转移，可以极大弥补光伏发电能量供给不稳定、不持续等缺陷，其对于大容量的新能源发电系统有着很好的应用前景。

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Control Strategy for a Photovoltaic Generation-Battery Energy Storage System Based on MMC

ZHANG Zhuoyang1，DENG Chaoping2，LING Zhibin1
（1.Dept.of Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.State Grid Fujian Electric Power Research Institute，Fuzhou 350007，Fujian，China）

Combining modular multilevel converter（MMC）technology with battery energy storage system，the PVG-BESS base on MMC was proposed and the BESS based on MMC which was the core aspects of the system was studied.Starting with the power control，the methods to control the current of DC interface and AC interface of BESS were discussed respectively，and then the charging and discharging control strategy of the energy storage system was presented.The computer simulations in Matlab/Simulink were then carried out，and the results verify the validity of the mathematical analysis and the feasibility of the control strategy.

modular multilevel converter（MMC）；photovoltaic generation；battery energy storage system（BESS）；charge and discharge strategy

TM46

A

10.19457/j.1001-2095.20170510

2016-05-19

修改稿日期：2016-11-22

青海省光伏发电并网技术重点实验室（2014-Z-Y34A）

张卓阳（1992-），男，硕士研究生，Email:zhangzhuoyang@sjtu.edu.cn