模塊化多電平儲(chǔ)能復(fù)合變換器SOC均衡策略研究

徐杰彥，楊涵棣，程志江，石坤宏，李永東

(1.國(guó)網(wǎng)(北京)綜合能源規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100052；2.新疆大學(xué)可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心，新疆烏魯木齊 830047；3.清華大學(xué)先進(jìn)電能變換與電氣化交通研究中心，北京 100084)

世界性的能源危機(jī)及環(huán)境問(wèn)題，引起了世界各國(guó)對(duì)新能源技術(shù)的廣泛關(guān)注，但隨著可再生能源的大規(guī)模并入電網(wǎng)，其出力間歇性、隨機(jī)性等特點(diǎn)給電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性帶來(lái)了挑戰(zhàn)[1]。電池儲(chǔ)能技術(shù)具有響應(yīng)速度快、可持續(xù)充放電時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可以解決可再生能源并網(wǎng)過(guò)程中存在的諸多問(wèn)題，成為了電力系統(tǒng)的重要組成部分，而多電平技術(shù)具有開(kāi)關(guān)頻率低、dv/dt小、效率高、電磁干擾(EMI)性能好等優(yōu)點(diǎn)[2]，已廣泛應(yīng)用于新能源發(fā)電、電力傳動(dòng)等高壓、大容量、高品質(zhì)供電的工業(yè)和民用領(lǐng)域[3-4]。隨著電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的成本不斷降低，以電化學(xué)儲(chǔ)能在物理結(jié)構(gòu)及功能上高度集成為目標(biāo)的多電平變換器電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(battery energy storage system，BESS)，具有占地面積小、集成度高、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，可以方便地應(yīng)用于分布式發(fā)電側(cè)及用戶(hù)側(cè)，是未來(lái)分布式儲(chǔ)能所依賴(lài)的重要技術(shù)支撐之一。

目前常見(jiàn)的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括二極管鉗位型(neutral point clamped，NPC)、飛跨電容型(flying capacitor，F(xiàn)C)和H 橋級(jí)聯(lián)型(cascaded H-bridge，CHB)，前兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要采用電容分壓和開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)多電平輸出，具有電平數(shù)難以擴(kuò)展和不能實(shí)現(xiàn)模塊化等缺點(diǎn)，與儲(chǔ)能技術(shù)結(jié)合不夠緊密；而H 橋級(jí)聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其衍生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用多個(gè)帶獨(dú)立電源的全橋或半橋級(jí)聯(lián)，具有容錯(cuò)性好、控制策略簡(jiǎn)單、擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是多電平變換器電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多電平變換器電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的拓?fù)浼夹g(shù)、SOC估計(jì)方法及均衡策略研究較少，文獻(xiàn)[5]首先將儲(chǔ)能技術(shù)融入CHB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，提出了CHB-BESS模型，并采用安時(shí)積分法對(duì)電池SOC進(jìn)行估計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電池之間的能量均衡，驗(yàn)證了電池儲(chǔ)能與多電平技術(shù)相結(jié)合的可行性。文獻(xiàn)[6]首次將模塊化多電平變換器(MMC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合，提出了MMC-BESS 模型，采用電壓均衡策略對(duì)電池電壓進(jìn)行均壓控制，并沒(méi)有從電池能量角度進(jìn)行探討。文獻(xiàn)[7]提出MMHC-BESS 模型，并成功應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)實(shí)驗(yàn)中，但沒(méi)有對(duì)其SOC均衡策略進(jìn)行仔細(xì)探討。文獻(xiàn)[8]針對(duì)MMC-BESS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用安時(shí)積分法對(duì)SOC進(jìn)行估計(jì)，并設(shè)計(jì)了三級(jí)SOC均衡策略，實(shí)現(xiàn)了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中所有電池SOC均衡。文獻(xiàn)[9]針對(duì)MMC-BESS 模型提出了基于電池健康程度的控制策略，保證了電池的使用壽命。文獻(xiàn)[10]針對(duì)MMC-BESS 模型提出了一種減少通信和運(yùn)算的分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)的SOC下垂均衡控制策略，與傳統(tǒng)策略相比較具有計(jì)算量小、運(yùn)行所需通信量小的優(yōu)點(diǎn)。總的來(lái)說(shuō)，模塊化多電平電池儲(chǔ)能系統(tǒng)常常采用MMC-BESS 模型或CHB-BESS 模型，很少探討混合級(jí)聯(lián)型多電平變換器在控制策略及經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)，并且電池SOC估計(jì)方法均采用安時(shí)積分法或開(kāi)路電壓法，實(shí)質(zhì)上是一種開(kāi)環(huán)估計(jì)方法，估計(jì)精度較差，具有較大的累積誤差。

本文采用MMHC-BESS 模型，相對(duì)于其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在經(jīng)濟(jì)效益上及控制方法上具有更好的優(yōu)勢(shì)，并且針對(duì)該模型中電池能量利用率的問(wèn)題，從電池模型出發(fā)，建立電池一階RC模型，采用擴(kuò)展卡爾曼對(duì)電池SOC進(jìn)行模型閉環(huán)估計(jì)，并根據(jù)MMHC 拓?fù)浼夹g(shù)特點(diǎn)對(duì)其調(diào)制策略及SOC均衡策略進(jìn)行研究，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提方法的可行性。

1 MMHC-BESS工作原理

1.1 MMHC-BESS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1 所示為MMHC-BESS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中j=(a,b,c)代表MMHC-BESS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的a、b、c 三相橋臂，i=(1,2,…,i)代表單相橋臂的第i個(gè)子模塊。每個(gè)子模塊包含一個(gè)半橋模塊、電池組模塊及電容Cji，由i個(gè)子模塊及全橋模塊級(jí)聯(lián)構(gòu)成單相橋臂，MMHC-BESS 輸出端連接L 或LCL 濾波器并入電網(wǎng)。其中uj為MMHC-BESS 的輸出端三相電壓，ij為流入MMHCBESS 的電流，Lg為并網(wǎng)濾波電感，Rg為并網(wǎng)等效阻抗，ugi為網(wǎng)端三相電壓。

圖1 MMHC-BESS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 MMHC-BESS 調(diào)制方法

圖2 所示為子模塊的半橋調(diào)制策略。半橋模塊的開(kāi)關(guān)管Sij1與Sij2均工作在互補(bǔ)狀態(tài)，根據(jù)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將半橋正弦參考信號(hào)重新定義為：

圖2 半橋模塊調(diào)制策略

圖3 所示為全橋模塊調(diào)制策略。全橋模塊開(kāi)關(guān)管Q1、Q4共用控制信號(hào)與Q2、Q3工作在互補(bǔ)狀態(tài)，當(dāng)相參考信號(hào)大于0 時(shí)，其控制信號(hào)為1，當(dāng)相參考信號(hào)小于0 時(shí)，其控制信號(hào)為0。全橋模塊實(shí)現(xiàn)了子模塊輸出波形的反轉(zhuǎn)，將正弦半波輸出電壓轉(zhuǎn)換為正弦輸出電壓，全橋工作在ZVS 及基頻狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗較小。

圖3 全橋模塊調(diào)制策略

2 基于擴(kuò)展卡爾曼的電池SOC估計(jì)

一階RC 電池模型為典型的非線性數(shù)學(xué)模型，而卡爾曼濾波算法主要針對(duì)線性數(shù)學(xué)模型，對(duì)于非線性數(shù)學(xué)模型狀態(tài)估計(jì)效果較差。擴(kuò)展卡爾曼濾波算法采用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)的方法，將非線性數(shù)學(xué)模型近似線性化，具有較高的SOC估計(jì)精度。

擴(kuò)展卡爾曼算法主要分為以下兩個(gè)步驟：

步驟一：預(yù)測(cè)更新

步驟二：測(cè)量更新

式中：下標(biāo)t+1/t表示先驗(yàn)估計(jì)，t+1/t+1 表示后驗(yàn)估計(jì)；Qt為狀態(tài)協(xié)方差矩陣；Rt為測(cè)量協(xié)方差矩陣。

At矩陣及Ct+1矩陣表示如下：

式中：fUsoc(SOC)為開(kāi)路電壓與SOC之間的關(guān)系。

圖4 為擴(kuò)展卡爾曼電池SOC估計(jì)流程圖，首先采集電池輸出電流Ibat及電池輸出電壓Ubat，以電流作為系統(tǒng)激勵(lì)變量，輸入到電池模型中，通過(guò)安時(shí)積分計(jì)算先驗(yàn)狀態(tài)變量，再根據(jù)先驗(yàn)狀態(tài)變量估計(jì)電池輸出電壓，與實(shí)際測(cè)量的電池輸出電壓Ubat做差比較，將差值乘以增益系數(shù)Kt+1，對(duì)電池SOC進(jìn)行修正，形成模型閉環(huán)反饋，采用擴(kuò)展卡爾曼算法可以更好地對(duì)電池SOC進(jìn)行估計(jì)。

圖4 SOC估計(jì)流程

3 MMHC-BESS的SOC 均衡策略

在MMHC-BESS 中，功率開(kāi)關(guān)管特性、線路阻抗等因素都會(huì)對(duì)電池的SOC造成影響，并且具有累積效應(yīng)，會(huì)造成電池模塊之間的SOC差異化增大，導(dǎo)致變換器的可用容量下降，系統(tǒng)整體利用率降低，需進(jìn)行SOC均衡。

3.1 相間SOC 均衡策略

MMHC-BESS 并網(wǎng)策略采用dq坐標(biāo)系下電壓電流雙閉環(huán)控制，再經(jīng)過(guò)dq反變換得到三相參考電壓u*ref。設(shè)電流流入MMHC-BESS 的方向?yàn)檎较?，在三相平衡的情況下，三相之間功率均勻分配：

3.2 相內(nèi)SOC 均衡策略

調(diào)節(jié)電池SOC均衡控制器參數(shù)Kp及Ks，可以調(diào)節(jié)各級(jí)SOC均衡速度，其值越大均衡速度越快，但可能會(huì)引起電池發(fā)熱不均及過(guò)調(diào)制等問(wèn)題，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選擇。

4 仿真與分析

表1 為MMHC-BESS 及電池模型仿真參數(shù)表，電池參數(shù)由3.7 V、3 Ah 鋰電池通過(guò)脈沖放電實(shí)驗(yàn)辨識(shí)得到，開(kāi)路電壓與SOC之間的關(guān)系為七階擬合曲線，將電池級(jí)聯(lián)得到電池組模塊的期望輸出電壓及電流。仿真實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證SOC估計(jì)方法及SOC均衡策略的可行性，因此在仿真過(guò)程中選擇較大的均衡控制器系數(shù)，有助于減少仿真時(shí)間。

以表1 參數(shù)為依據(jù)，搭建MMHC-BESS 仿真模型。

表1 MMHC-BESS 及電池模型仿真參數(shù)

以流入MMHC-BESS 的功率方向?yàn)檎较颍O(shè)定并網(wǎng)功率指令為15 kW，在15 s 處并網(wǎng)功率指令突變?yōu)?15 kW。

圖5 為MMHC-BESS 并網(wǎng)相電壓、電流波形圖。圖5(a)為MMHC-BESS 并網(wǎng)相電壓、電流整體波形圖，前15 s 電池吸收有功功率，電池處于充電狀態(tài)，電池組模塊兩端電壓緩慢上升，引起MMHC-BESS 輸出電壓幅值上升；15 s 后，因并網(wǎng)功率指令突變，電池釋放功率，電池組模塊由充電狀態(tài)變?yōu)榉烹姞顟B(tài)，電池兩端電壓緩慢下降，引起MMHC-BESS 輸出電壓幅值下降。圖5(b)為15 s 處功率指令突變的電壓電流波形，因三相之間存在SOC差異，相間SOC均衡控制器會(huì)對(duì)相電壓注入零序電壓，引起三相相電壓不平衡，由于c 相SOC不平衡程度較大，對(duì)其輸出相電壓造成了較大影響，在15 s 前c 相輸出只有7 電平，a 相及b 相均輸出為9 電平。

圖5 MMHC-BESS并網(wǎng)相電壓和電流波形

圖6 為相間SOC均衡效果圖，從圖6(a)可以得出，相電池組的總體SOC估計(jì)值能較好地跟蹤其SOC真實(shí)值，全過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)SOC估計(jì)發(fā)散的情況，并具有較小的估計(jì)誤差。圖6(b)為每相分配的不平衡功率，隨著每相SOC差值的減少，每相注入的不平衡功率也在減少，在15 s 處參考功率指令突變，對(duì)每相不平衡功率進(jìn)行重新分配，并隨著均衡時(shí)間增加，不平衡功率趨近于0。在本文所提相間SOC均衡策略下，各相SOC均值趨向于一致，實(shí)現(xiàn)了MMHC-BESS 的相間SOC均衡控制。

圖6 相間SOC均衡效果

圖7 為c 相SOC均衡策略效果圖。從圖7(a)可以得出，相內(nèi)每塊電池組SOC估計(jì)值與真實(shí)值誤差較??；圖7(b)所示為c 相每塊電池模塊吸收功率，因c 相注入耦合為負(fù)功率的零序電壓，在15 s 之前，隨著均衡策略的進(jìn)行，c 相電池整體功率呈上升趨勢(shì)；15 s 后并網(wǎng)功率突變，c 相注入耦合為正功率的零序電壓，隨著均衡策略的進(jìn)行，c 相電池整體功率呈下降趨勢(shì)。在本文所提相內(nèi)SOC均衡策略下，相內(nèi)各個(gè)電池組SOC值趨近于一致，實(shí)現(xiàn)了MMHC-BESS 的相內(nèi)SOC均衡控制。

圖7 c相SOC均衡效果

圖8 為MMHC-BESS 所有電池的SOC均衡效果圖。從圖8(a)可以得出，擴(kuò)展卡爾曼對(duì)不同SOC初值的電池組均有較好的SOC估計(jì)效果，在MMHC-BESS 的12 塊電池組中，均沒(méi)有出現(xiàn)SOC估計(jì)發(fā)散的情況，并具有較高精度；從圖8(b)可以得出，在本文所提的二層SOC均衡策略下，所有電池組輸出功率及SOC趨近于一致，實(shí)現(xiàn)了MMHC-BESS 所有電池組的SOC均衡控制。

圖8 所有電池的SOC均衡效果

5 結(jié)論

(1)針對(duì)MMHC-BESS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)其拓?fù)浼夹g(shù)進(jìn)行了分析，給出了MMHC-BESS 模型的調(diào)制方法，并對(duì)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中電池組模型進(jìn)行了研究，給出了基于擴(kuò)展卡爾曼的電池SOC估計(jì)方法。

(2)根據(jù)MMHC-BESS 模型的特點(diǎn)，提出了適用于該模型的相間SOC均衡策略及相內(nèi)SOC均衡策略的二層SOC均衡方法，通過(guò)設(shè)計(jì)SOC均衡控制器，來(lái)調(diào)節(jié)各層參考功率，實(shí)現(xiàn)了MMHC-BESS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中所有電池SOC均衡。

(3)搭建了MMHC-BESS 模型，在仿真環(huán)境中對(duì)電池SOC估計(jì)方法及二層SOC均衡策略進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提方法的有效性。