基于MMC的光伏發(fā)電-電池儲能系統(tǒng)控制策略

張卓陽，鄧超平，凌志斌

（1.上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200240；2.國網(wǎng)福建省電力科學(xué)研究院，福建 福州 350007）

基于MMC的光伏發(fā)電-電池儲能系統(tǒng)控制策略

張卓陽1，鄧超平2，凌志斌1

（1.上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200240；2.國網(wǎng)福建省電力科學(xué)研究院，福建 福州 350007）

將模塊化多電平（MMC）技術(shù)與電池儲能相結(jié)合，提出了一種基于模塊化多電平技術(shù)的光伏發(fā)電-電池儲能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對該系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)——基于MMC的電池儲能系統(tǒng)（BESS）進(jìn)行了研究。以功率控制為出發(fā)點(diǎn)，分別對BESS交流接口和直流接口的電流控制進(jìn)行了討論分析，提出了一種適合于光伏發(fā)電-儲能一體化系統(tǒng)充電與放電的控制策略。在Matlab/Simulink環(huán)境下的仿真證明了相關(guān)分析以及控制策略的合理性。

模塊化多電平換流器；光伏發(fā)電；電池儲能；充放電策略

傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)由于太陽能的隨機(jī)性和間歇性，會引起電網(wǎng)電壓和頻率的波動、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置誤動作等問題。解決光伏發(fā)電的這些問題，可以通過在光伏發(fā)電系統(tǒng)中加入儲能環(huán)節(jié)［1-2］，以保證更長時間范圍內(nèi)能量的穩(wěn)定和持續(xù)供給。傳統(tǒng)兩電平或三電平變流器技術(shù)，為了實(shí)現(xiàn)大容量儲能，必然通過對大量的小容量電池單體串、并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)，而由電池串、并聯(lián)帶來的不均衡問題往往影響電池壽命、系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與可靠性，這就對電池管理系統(tǒng)提出了極為苛刻的要求。

鑒于MMC技術(shù)在中高壓、大容量等場合具有廣闊的應(yīng)用前景，本文將MMC變流器結(jié)構(gòu)與光伏發(fā)電、電池儲能相結(jié)合，提出了一種新型的光伏發(fā)電-電池儲能系統(tǒng)（photovoltaic generation-battery energy storage system，PVG-BESS），該系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢:

1）優(yōu)良的可擴(kuò)展性和可靠性。該結(jié)構(gòu)可方便地根據(jù)實(shí)際需求擴(kuò)容擴(kuò)壓，具有良好的普遍適用性，而通過冗余控制技術(shù)，系統(tǒng)在部分儲能子模塊故障情況下仍能運(yùn)行，提高了可靠性；

2）電池性能要求降低。在相同儲能容量情況下，將總儲能分散到若干子模塊，對單一電池容量、電壓等規(guī)格要求降低，為電池儲能在光伏發(fā)電等新能源發(fā)電場合的大規(guī)模應(yīng)用提供了可能。

1 基于MMC的PVG-BESS系統(tǒng)

圖1所示為本文討論的基于MMC的光伏發(fā)電-電池儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，它主要由光伏陣列、基于MMC的電池儲能變流器以及電網(wǎng)3部分組成。其中基于MMC的儲能變流器完成DC/AC轉(zhuǎn)換并接入電網(wǎng)，電池能量的存儲、釋放、均衡控制以及光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤控制等功能。后文將把光伏陣列稱為BESS的直流接口；將BESS接入電網(wǎng)的一側(cè)稱為交流接口。

圖1 基于MMC的PVG-BESS拓?fù)鋱DFig.1 Topology of PVG-BESS based on MMC

1.1 MMC子模塊

MMC子模塊由開關(guān)器件、電容和電池組成，對于MMC子模塊SMxn（x=a，b，c；n=1，2，…，n+1，n+2，2n）而言，它有如表1所示的3種工作模式，其中電流極性的定義方向見圖1。

表1 MMC子模塊工作模式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?fù)浣Y(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)MMC結(jié)構(gòu)相似，相關(guān)分析見文獻(xiàn)［3-4］。通過類比，對于本文的三相BESS系統(tǒng)而言，在忽略系統(tǒng)損耗情況下，BESS在三相靜止坐標(biāo)系下的模型為

式中:upx,unx分別為上、下橋臂子模塊電壓之和；Rs,Ls分別為并網(wǎng)電抗器和交流電網(wǎng)的等效阻抗值；ux，ix分別為交流電網(wǎng)電壓、電流。

據(jù)此可得如圖2所示的BESS單相等效電路圖。

圖2 BESS單相等效電路圖Fig.2 BESS single-phase equivalent circuit

對式（1）施以靜止坐標(biāo)-同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，得:

圖1所示的結(jié)構(gòu)可等效看成1個3端口結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，該3端口分別接入交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、電池，三者之間功率流動的示意圖如圖3所示。根據(jù)Pdc功率流動方向，“1”表示從直流接口流入BESS的功率Pdc＞0，“-1”表示流入BESS的功率Pdc＜0，“0”表示BESS與直流接口之間無平均功率流動（瞬時功率可能不為0）。同理，Pac和Pb也各有3種運(yùn)行狀態(tài)?？紤]到光伏發(fā)電的特性，即Pdc≥0，BESS系統(tǒng)可運(yùn)行在如表2所示的7種工況。

圖3 BESS功率交換示意圖Fig.3 BESS power exchange sketch map

表2 BESS運(yùn)行工況Tab.2 The operating conditions of BESS

由功率流向可知，BESS系統(tǒng)不僅可以將光伏電池所產(chǎn)生的電能輸送到電網(wǎng)，也可以在電池的參與下，對光伏電池產(chǎn)生的電能進(jìn)行補(bǔ)充或者分流，還可以在必要時從電網(wǎng)吸收功率，進(jìn)而起到削峰填谷的作用。

2 電池儲能系統(tǒng)的充、放電策略

傳統(tǒng)MMC運(yùn)行時，每相上、下橋臂共有n個子模塊被投入電路（另外n個被旁路）。如果希望對電池進(jìn)行充電，可以使某相上、下橋臂被旁路的子模塊數(shù)大于n。這樣一來，外部直流接口電壓將大于被投入的子模塊電壓之和，即可形成充電電流。通過控制每個開關(guān)周期內(nèi)被強(qiáng)制旁路的子模塊的導(dǎo)通時間，就可以對充電電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。對電池的放電過程與充電過程相似，不同之處在于，放電時上、下橋臂被旁路的子模塊數(shù)目應(yīng)小于n。

從功率角度來看，在BESS交、直接口處電壓穩(wěn)定時，外部交流接口（電網(wǎng)）與BESS交換能量的平均功率Pac可通過ix調(diào)節(jié)，而外部直流接口與BESS交換能量的平均功率Pdc可通過idc來調(diào)節(jié)。

假設(shè)通過合理控制后直流接口電流為Idc，交流接口電流有效值為Ix，在忽略BESS橋臂損耗和并網(wǎng)電抗器損耗下，MMC子模塊電池獲得的平均功率Pb為

式中:Ux為BESS并網(wǎng)處電壓有效值；cosφ為交流接口功率因數(shù)。

如果Pb＜0，電池則處于充電狀態(tài)，對應(yīng)表2中的1～4號工況；如果Pb＞0，表示電池處于放電狀態(tài)，對應(yīng)表2中的5～6號工況；如果Pb=0，電池處于平衡狀態(tài)，對應(yīng)表2中的7號工況。

2.1 交流接口電流ix的控制

由式（2）可知，ix在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流id，iq相互耦合，可采用前饋解耦控制策略［5-6］，且當(dāng)電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器時，可得如圖4所示的控制框圖。

圖4 電流ix的控制器原理圖Fig.4 Schematic of ixcontroller

圖4中，id*，iq*分別為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下交流接口電流目標(biāo)值，ux′為控制ix所需的BESS交流接口電壓控制信號。

2.2 直流接口電流idc的控制

在電流ix得到控制的基礎(chǔ)上，對idc的控制可以轉(zhuǎn)化為對某相上、下橋臂電流之和的控制，它們之間滿足:

文獻(xiàn)［3］分析指出，ixf主要成分是具有2倍基波負(fù)序性質(zhì)的諧波。由于BESS三相的不完全對稱，idc中往往含有與ixf性質(zhì)相同的高次諧波成分［4］，因此，要控制直流接口電流idc，應(yīng)該盡可能抑制ixf。在忽略橋臂損耗的情況下，可以推出:

由式（4）、式（5）可知，為了抑制ixf，可以在上、下橋臂電壓中疊加1個控制分量uxf。

圖5給出了直流接口電流idc的控制原理圖，圖5中的PI調(diào)節(jié)器通道是為了控制idc的直流分量，而另一通道中的微分運(yùn)算則是為了抑制idc的諧波分量，即ixf。微分運(yùn)算通道的限幅環(huán)節(jié)主要是為了防止微分運(yùn)算帶來的系統(tǒng)穩(wěn)定性的降低，通過驗證，在這里可取:

需要說明的是，圖5中的電流參考值idc*需要根據(jù)光伏陣列的實(shí)時特性，結(jié)合最大功率點(diǎn)跟蹤的相關(guān)理論給出。

圖5 電流idc的控制框圖Fig.5 Block diagram of idccontroller

得到同時控制ix和idc的橋臂電壓信號，上下橋臂電壓的控制約束為

在得到idc和ix的控制信號后，就可以得到BESS的整體控制結(jié)構(gòu)圖，如圖6所示。其中，upx_ref和unx_ref分別為上、下橋臂的調(diào)制信號，將該調(diào)制信號經(jīng)載波移相調(diào)制技術(shù)調(diào)制就可以產(chǎn)生各個開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。

圖6 BESS整體控制結(jié)構(gòu)圖Fig.6 BESS overall control structure diagram

3 仿真驗證結(jié)果

為了驗證本文所提的PVG-BESS的控制策略，在Matlab/Simulink環(huán)境下對圖1所示的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，BESS系統(tǒng)的主要仿真參數(shù)為:交流接口電壓380 V；直流接口電壓udc=800 V；橋臂電感L=4 mH；子模塊電池100 A·h/100 V；子模塊電池初始剩余電量50.2%；橋臂子模塊數(shù)目n=8。

下面將給出2種電池充電以及2種電池放電情況下的仿真結(jié)果。

3.1 電池充電工況仿真結(jié)果

為了驗證BESS在充電工況（1，-1，1）和（1，-1，-1）下的運(yùn)行狀況，設(shè)定的仿真參數(shù)為:0～ 0.2 s針對工況（1，-1，1），設(shè)定+50 A（rms）（該電流“+”，“-”僅代表功率流動方向，功率流動方向的定義見圖3，下同）；0.2～0.4 s針對工況（1，-1，-1），設(shè)定（rms）。

圖7給出了idc的仿真波形，該電流在目標(biāo)值附近小幅（±0.3 A）波動，說明本文提出的直流電流控制策略具有較好的跟蹤性能。圖8分別給出了工況（1，-1，1）和工況（1，-1，-1）時交流接口a相電壓、電流波形。根據(jù)FFT分析，2種工況下交流接口處電流波形質(zhì)量較好，其THD分別為0.40%和0.42%，且功率因數(shù)均非常接近1或-1。圖9給出了充電時其中1個子模塊電池電壓的波形，從波形中可知其中包含的直流分量、交流分量和設(shè)定的交直流接口電流相對應(yīng)。

圖7 充電時直流接口電流波形Fig.7 Charging current waveform of DC interface

圖8 充電時交流接口a相電壓（上）、電流（下）波形Fig.8 Charging voltage（up）and current（down）waveforms of AC interface a

圖9 充電時電池電壓波形Fig.9 Charging voltage waveform of battery

圖10分別表示子模塊SMa1，SMb1，SMc1在工況（1，-1，1）和（1，-1，-1）下電池充電時剩余電量（state of charge，SOC）的變化情況。由于電池充電時，SOC變換較緩慢，故加長了仿真時間，其中0～5 s時段針對工況（1，-1，1），5～10 s時段針對工況（1，-1，-1）。在0～5s階段，整個BESS以約73kW的功率給48個子模塊電池充電；在5～10 s階段，整個BESS以約31 kW的功率給48個子模塊電池充電。功率的變化，反映到單一子模塊就表現(xiàn)為其SOC的變化率。以子模塊SMa1為例，在0～5 s階段，其SOC從50.2%增長到約50.219%，而在5～10 s階段其SOC則從50.219%增長到約50.227%。

圖10 充電時子模塊電池SOC變化曲線（0～10 s）Fig.10 Chargers sub-module battery SOC curves（0～10 s）

3.2 電池放電工況仿真結(jié)果

為了驗證BESS在放電工況（1，1，-1）和（0，1，-1）下的運(yùn)行狀況，設(shè)定的仿真參數(shù)為: 0～0.2 s針對工況（1，1，-1），設(shè)定針對工況（0，1，-1），設(shè)定由于電池工作在放電狀態(tài)時與充電類似，僅列出如圖11～圖13的仿真結(jié)果。

圖11 電池放電時直流接口電流波形Fig.11 Discharging current waveform of DC interface

圖12 放電時交流接口a相電壓（上）、電流（下）波形Fig.12 Discharging voltage（up）and current（down）waveforms of AC interface a

圖13 放電時電池電壓波形Fig.13 Discharging voltage waveform of battery

4 結(jié)論

本文將MMC結(jié)構(gòu)、電池儲能、光伏發(fā)電三者結(jié)合，提出了一種基于MMC的光伏發(fā)電-電池儲能一體化系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)對該系統(tǒng)中電池的充、放電控制，提出了基于功率流動的控制策略，并分別從BESS直流接口電流和交流接口電流的控制為出發(fā)點(diǎn)，有針對性地討論了其實(shí)現(xiàn)方法。通過仿真可以得出以下結(jié)論:

1）基于坐標(biāo)變化的前饋解耦控制，對于BESS交流接口電流具有較好控制效果；基于高次環(huán)流計算+PI的方法對于BESS系統(tǒng)直流接口電流具有較好控制效果；

2）基于MMC的光伏發(fā)電-電池儲能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電池與外部直流接口、外部交流接口之間能量的轉(zhuǎn)移，可以極大彌補(bǔ)光伏發(fā)電能量供給不穩(wěn)定、不持續(xù)等缺陷，其對于大容量的新能源發(fā)電系統(tǒng)有著很好的應(yīng)用前景。

［1］叢晶，宋坤，魯海威，等.新能源電力系統(tǒng)中的儲能技術(shù)研究綜述［J］.電工電能新技術(shù)，2014，33（3）:53-59.

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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，F(xiàn)uzhou 350007，F(xiàn)ujian，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

青海省光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室（2014-Z-Y34A）

張卓陽（1992-），男，碩士研究生，Email:zhangzhuoyang@sjtu.edu.cn