储能系统相间功率均衡控制策略-北极星储能网

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摘要

在网压不平衡工况下,模块化多电平储能系统(modular multilevel converter energy storage system,MMC- ESS)如果以并网电流平衡为控制目标,虽然可以保证交流系统安全运行,但是会引起各相放电速度不同,导致子模块储能电池荷电状态(state of ge,SOC)的不均衡。为解决上述问题,首先对比分析了传统MMC和MMC-ESS的内部环流特性;然后分析了以并网电流平衡为目标的不平衡网压控制对电池SOC的影响;针对这一问题,提出了利用注入直流环流的控制策略,有效地实现了相间功率均衡,并论述了直流环流控制器参数对系统稳定性的影响;以各相电压跌落度为变量,绘制各相注入的直流环流占额定桥臂电流比例的三维图,针对不同跌落度分析了各相桥臂电流的变化,为设备器件选型提供了依据;最后,通过仿真和实验验证了理论分析的正确性及控制策略的可行性。

关键词 : 模块化多电平变流器; 储能系统; 不平衡网压; 环流;

DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2017.0021

ABSTRACT

Control objective of AC current balance for converters can maintain a safe and stable state under unbalanced voltage. However, it causes difference of power and inconsistency of state of ge (SOC). Firstly, operation principle and circulating acteristics of modular multilevel converter (MMC) and modular multilevel converter energy storage system (MMC-ESS) are compared and analyzed in this paper. The battery SOC is analyzed through instantaneous power of sub-modules in upper and lower arms of the converters in different phases. Then, a power balance control strategy of DC circulating current injection is proposed. Influence of DC loop controller parameters on system is discussed. Based on voltage in each phase, 3D plots of DC circulating currents are drawn. The standard parameters of the devices are given by arm current deviation for each phase under different unbalanced voltage. A MMC-ESS simulation model is set up on Simulink to verify effectiveness of the proposed control strategy and experimental results are presented.

KEY WORDS : MMC; energy storage system; AC system asymmetry; circulating current;

0 引言

储能系统作为交直流电网的中间储能环节,可以提高电网供电的可靠性[1-2]。模块化多电平变流器作为一种能量变换装置,与电池结合可以组成新型储能装置,其模块化结构可以使储能电池运行在低电压模式下,具有开关器件电压应力小、谐波小,模块化程度高、输出电压高、易于拓展、可靠性高等优点[3];同时,MMC-ESS也适用于柔性直流输电、柔性变电站等应用。目前,模块化多电平储能系统已经引起国内外研究人员的关注,相关研究包括MMC-ESS应用于电动汽车充电站作为能量缓冲器[4-6],应用于中低压电网实现功率补偿和电压支撑等功能,提高电能质量[7-10]。

在交直流输配电系统中,交流侧不平衡产生的负序电压会造成换流器并网电流不平衡;与传统MMC类似,MMC-ESS系统也需要采用保证并网电流平衡或降低功率波动的控制目标[11]。但对于MMC-ESS系统,储能作为换流器的中间环节,交流功率波动不会影响MMC直流电压稳定,对此只需采用并网电流平衡的控制目标。不平衡网压会引起功率在各相分配不均匀,导致电池放电速率不一致,使部分电池的SOC提前到达电池安全下限,造成储能系统容量配置浪费,甚至还将使MMC- ESS退出运行,输配电系统瘫痪。因此需要研究不平衡网压对MMC-ESS系统的影响与控制。文

献[12]阐述了网压不平衡会使输出功率降低,并针对抑制负序电流和抑制功率波动两种目标的不平衡网压控制进行比较,提出了保证有功功率输出的改进策略;文献[13]提出了利用储能向电网输送功率的方法,实现对不平衡电网的功率补偿;文献[14]针对运行在网压不平衡工况下的MMC-ESS系统,提出了通过在各子模块调制波叠加与SOC负比例系数的补偿量,实现相间功率均衡;但由于通过对调制波的重组,容易产生过调制,造成调制信息丢失。文献[12-15]没有深入分析交流不对称对储能电池的影响。另外,对MMC-ESS的控制要兼顾对MMC和电池的控制,将总体控制分为多个子控制,协调各子控制环节以达到运行目的[16]。对于电池接入MMC的方式大多分2种：直接并联或经DC/DC并联[5]。其中,直接并联具有结构简单、子模块(sub-module,SM)直流侧无变压环节,能耗相对较低等优点,故文中采用此接入方式。与传统电容SM相比,储能电池直接并联在电容的结构会使其电容电压更加稳定,忽略线路的影响,电容电压等于电池电压。

针对以上问题,本文采用电池直接并联在SM直流侧的拓扑,首先利用对称工况下的开关函数与子模块电压,对桥臂电流进行数学分析,证明MMC-ESS不存在偶次环流谐波;再利用交流系统不对称工况下的各类电气量,推导电池SOC表达式;根据交流功率的不平衡度以及直流侧电流,推导出直流环流注入表达式,实现相间功率均衡,并分析了直流环流控制器参数对系统稳定性的影响;以各相电压跌落程度为变量,绘制不同跌落程度下各相注入直流环流占额定桥臂电流比例的三维图,对比分析不同跌落度对桥臂电流变化的影响,以便重新确定器件参数裕量。最后通过MATLAB仿真软件以及实验平台对控制算法进行了验证。

1 MMC-ESS结构及数学模型

1.1 基于半桥的MMC-ESS

MMC-ESS及半桥式子模块拓扑结构图如图1所示[17]。O点表示零电位参考点,MMC-ESS分为3个相单元,每个相单元由上、下两个桥臂单元组成,每个桥臂由N个SM和一个桥臂电抗La串联形成。T1、T2代表开关器件,D1、D2代表反并联二极管,Bat代表电池,usm为电池电压;虽然usm随SOC的不同会有小幅变化,但通常情况下变化缓慢,故分析时可认为其保持一个恒定值。通过载波移相的调制策略可以保证各相随时有N个子模块投入,因此直流侧可等效存在一个稳定的直流电压,且同相内的子模块调制比mx相同。