MMC电池储能系统直流侧三级能量均衡控制

彭鹏, 陈满, 李毓烜, 王珺, 凌志斌2,

(1.南方电网调峰调频发电有限公司,广东 广州 510630; 2.先进储能技术联合实验室,广东广州 510630; 3.上海交通大学 电力传输与功率变换控制教育部重点实验室,上海 200240)

0 引 言

近年来,电池储能系统的研究和应用获得了长足的发展[1-2］。其中,模块化多电平电池储能系统(modular multilevel converter based battery enegy storage system, MMC-BESS)可以同时或分别连接交流电网和直流电网,具有储能、交直流互联和功率缓冲等多种功能,具有独特的应用前景[3-5］。

均衡是电池储能系统维持正常运行必须的功能。MMC-BESS可输出直流功率[6］和交流功率,因此可以通过直流功率的差异化和交流功率的差异化两个途径进行均衡,分别称为直流侧均衡和交流侧均衡。

MMC-BESS的三相桥臂共直流母线,因此直流侧均衡既可在直流并网运行时进行,也可以在离网时进行。而交流侧均衡则只能在交流并网运行时进行。

多数电池储能系统均衡控制的研究基于电池荷电状态(state of charge, SOC)的差异进行均衡控制[7-8］。在电池储能系统所有电池的单体容量一致时,这是合理的。当采用梯次电池作为储能电池,或者不同电池混用时,则应基于能量而非SOC进行均衡控制。目前基于能量进行均衡控制的研究还较为欠缺。

本文基于模块能量差异,采用直流侧均衡对MMC-BESS的桥臂内子模块、桥臂间和三相间三级均衡控制进行了研究。

1 MMC-BESS的能量均衡

MMC-BESS由三个相簇组成,每个相簇又分为上下两个桥臂,每个桥臂包含N个子模块(sub-module, SM)。典型的子模块由半桥电路、电池和滤波电容组成,其拓扑如图1所示。

图1 MMC-BESS的拓扑

图1中:三相子模块相内统一编号1～2N,其中1～N号子模块属于上桥臂,N+1～2N号子模块属于下桥臂。

MMC-BESS中电池模块的可充电能量SOCE和可放电能量SODE如式(1)所示。

(1)

式中:SOCEj,k、 SOCj,k、 SOHj,k、CNj,k、VNj,k、SODEj,k分别为j相第k个子模块电池的可充电能量、荷电状态、健康状态、额定容量、额定电压和可放电能量。

对各桥臂、各相及整个系统的子模块电池的SOCE和SODE求和,得到各桥臂、各相以及储能系统的可充/放电能量如式(2)所示。

(2)

式中:SOCEpj、SOCEnj分别为j相上、下桥臂的可充电能量;SOCEj为j相可充电能量;SOCE为储能系统可充电能量。计算式如式(3)所示。

(3)

式中:SODEpj、SODEnj分别为j相上、下桥臂的可放电能量;SODEj为j相可放电能量;SODE为储能系统可放电能量。

以图1中电流箭头的方向为正方向,充放电功率的给定值如式(4)所示。

Pbat_ref=Pdc_ref-Pac_ref

(4)

式中:Pbat_ref为储能系统的功率给定值;Pdc_ref为直流侧的功率给定值;Pac_ref为交流侧的有功功率给定值。

在储能系统充电和放电两类工作状态下,储能系统各相、桥臂和子模块的功率分配策略如式(5)～式(8)所示。

MMC-BESS系统运行时,主控制器判别系统的充/放电模式,分别按照可充/放电能量分配的充/放电功率,使可充电能量大的模块在系统充电时比其他模块多充电,可放电能量大的模块在系统放电时比其他模块多放电,从而达到在线均衡的目的。

(1) MMC-BESS充电运行时(Pbat_ref>0):

(5)

(6)

式中:Pj_ref为j相功率给定值;Ppj_ref、Pnj_ref分别为j相上、下桥臂功率给定值;Pj,k_ref为j相第k个子模块功率给定值。

(2) MMC-BESS放电运行时(Pbat_ref<0):

(7)

(8)

2 MMC-BESS三级均衡控制

2.1 MMC-BESS相间均衡控制

当三相之间的可充/放电能量不一致时,需要在控制中加入相间均衡策略。实际分配得到的功率与三相功率平均值的偏差,即为均衡策略需要提供的偏差功率计算如式(9)所示。

(9)

式中:ΔPj为j相的偏差功率。

由三相功率分配策略可知,三相功率之和为储能系统总功率,故三相偏差功率之和为零,即:

ΔPa+ΔPb+ΔPc=0

(10)

直流侧均衡法按照功率偏差,在各相直流电流控制环路的目标值中叠加直流偏差电流,从而实现对各相偏差功率的注入。

由于三相直流侧为并联关系,其直流电压相同,若要使得相间直流功率存在偏差,需要在相间引入直流偏差电流,如式(11)所示。

(11)

式中:ΔIdcj为j相的直流偏差电流;UDC为储能系统直流母线电压。

在未引入直流相间均衡时,三相直流电流相等,为直流母线的三分之一。当在相直流电流中引入偏差电流用于相间均衡,则各相直流电流的给定值须在原基础上叠加一个直流偏差,因此直流功率控制中各相电流控制环的直流电流给定值为:

(12)

(13)

式中:idcj_ref为j相直流电流给定值;idc为储能系统直流母线电流。

2.2 MMC-BESS桥臂均衡控制

MMC-BESS中,当相内上下桥臂间的可充/放电能量不同时,上下桥臂分配得到的功率产生偏差,就需要桥臂均衡。实际系统中,由于上下桥臂存在差异,使得分配到上下桥臂的功率产生偏差,偏差功率即为桥臂功率与二分之一相功率的差,计算如式(14)所示。

(14)

式中:ΔPpj为j相上桥臂的偏差功率;ΔPnj为j相下桥臂的偏差功率。

基频电流注入法是桥臂均衡最常用的方法之一。原理为根据上下桥臂的偏差功率,给各相直流电流控制环路注入幅值可控相位与该相电压同相的基频分量,使得该基频交流电流分量同时流过上下桥臂,利用上下桥臂电压相位相差180°的相对关系,实现上下桥臂间功率的均衡。

在MMC-BESS系统中,各相上下桥臂电压反相,幅值等于该相交流电压的幅值,同时考虑到零序电压注入和直流电压分量,则上下桥臂的电压表达式如式(15)所示。

(15)

式中:upj为j相上桥臂电压;unj为j相下桥臂电压;Ug为交流相电压的幅值;φgj为j相电压的相位。

设注入的基频电流表达式为:

iacj=Iacjsin(ωt+φgj)

(16)

式中:iacj为j相注入的基频交流电流;Iacj为j相注入的基频交流电流幅值。

上下桥臂电压与注入的基频电流之间产生的交流功率,需要正好均衡桥臂功率偏差,则对桥臂功率偏差为:

(17)

解得基频电流的幅值为:

(18)

2.3 MMC-BESS子模块均衡控制

当桥臂内各子模块的可充/放电能量不同时,则需要子模块均衡。由于桥臂子模块电池的差异性将导致分配功率的差异性,各子模块的功率与其平均值之间的偏差即为偏差功率,如式(19)所示。

(19)

式中:ΔPj,k为j相第k个子模块偏差功率。

在各桥臂内,子模块之间是串联关系,流经每个子模块的电流相同,故而子模块的均衡仅可以通过模块电压分配来实现。

采用直流侧均衡法进行均衡时,均衡控制的输出为直流电压偏差,均衡的功率只有直流功率。直流偏差电压指令为:

(20)

式中:ΔUdcj,k为j相第k个子模块的直流偏差电压。

桥臂内各子模块电压相加产生桥臂电压,在需要进行子模块均衡时,各子模块的输出电压中还需要叠加其偏差电压。在直流电压分配法中,给每个子模块分配的电压表达为:

(21)

式中:第一部分为桥臂电压分量,每个子模块平均分配;第二部分为用于产生子模块均衡的直流偏差电压。

3 MMC-BESS均衡控制试验验证

在试验样机上进行均衡试验,并利用试验平台的数据采集系统得到各物理量的实时数据,验证本文数学模型和控制策略的正确性及与实际系统的一致性。

限于篇幅,本文仅展示对交直流和电池功率均为正的情况。此时交流侧给电池放电、直流侧给电池充电,而电池为充电状态。其相间环流电流、零序电压和子模块电压的实测波形如图2～图4所示。

图2 相间环流电流的实测波形

图3 零序电压的实测波形

图4 子模块输出电压的实测波形

此时,三相环流电流的波形从相对位置波动幅值方面均与仿真波形一致,ab相的基频环流波动大于c相,且a相基频环流的相位与a相电压相反,表明a相桥臂均衡将功率从下桥臂转移到上桥臂。

因为直流侧均衡控制不需向中心点注入零序电压,故中心点电压波形中无明显的工频波动,符合理论预期。

图4的子模块电压实测波形中,存在等效占空比随编号增大而递减的规律,表示系统充电时,子模块电压的直流分量随编号递减。子模块电压波形中,出现了少许电压较小的窄脉冲,这是因为数据采集记录系统的采样频率仅为20 kHz,无法完全复现主电路中的窄PWM脉冲,但不影响对直流侧均衡效果的分析和验证。

4 结束语

本文对MMC-BESS的三级能量直流侧均衡控制进行了研究。三级均衡通过系统功率分配、相间均衡、桥臂均衡和子模块均衡四个部分得以实现。功率分配按照系统电池的充/放电状态,分别使用可充/放电能量分配系统功率到各模块;相间均衡采用直流电流分配法对三相间进行均衡;桥臂均衡通过基频电流注入法均衡上下桥臂之间的可充/放电能量差异;子模块均衡采用直流电压分配法对桥臂内子模块进行均衡。最后在MMC-BESS样机上进行了试验测试,通过测试得到的与均衡相关的相环流电流、零序电压和子模块电压等物理量的波形,分析验证了直流电流分配法在相间均衡中的适用性以及对基频电流注入法在桥臂均衡中的适用性以及对直流电压分配法在子模块均衡中的适用性。测试结果验证了三级直流侧均衡对实际MMC-BESS的适用性。