模塊化多電平電池儲能系統(tǒng)相間環(huán)流研究

朱煥杰， 陳滿， 彭鵬， 凌志斌

(1.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣東 廣州 510630; 2.上海交通大學電力傳輸與 功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240; 3.先進儲能技術(shù)聯(lián)合實驗室，廣東 廣州 510630)

0 引 言

模塊化多電平電池儲能系統(tǒng)(modular multilevel converter based battery energy storage system, MMC-BESS)擁有交直流接口，近年來在新能源發(fā)電-儲能系統(tǒng)[1-2]、直流微電網(wǎng)[3-4]、交直流互聯(lián)和電動車充電[5]等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。

MMC結(jié)構(gòu)最早成功應(yīng)用于柔性直流輸電MMC-HVDC領(lǐng)域[6-7]，其相間環(huán)流在三相間形成復(fù)雜的電流-電壓耦合，導(dǎo)致環(huán)流頻率成分復(fù)雜。環(huán)流造成變流器控制性能下降、輸出電能質(zhì)量降低和損耗增加。許多學者對MMC-HVDC環(huán)流產(chǎn)生機理及其抑制策略[8-9]展開了深入的研究。

MMC-BESS將MMC結(jié)構(gòu)應(yīng)用于電池儲能，其中單級式結(jié)構(gòu)控制簡單、成本低和效率高，是研究的重點。由于儲能電池的加入，其相間環(huán)流較MMC-HVDC有所不同。

本文對MMC-BESS相間環(huán)流的產(chǎn)生機理進行了深入的研究分析，并加以試驗驗證。

1 MMC-BESS拓撲與試驗平臺

構(gòu)成MMC-BESS的基本單元為子模塊(sub-module,SM)。MMC-BESS有三個相簇，每個相簇分上、下兩個橋臂。每個橋臂由N個子模塊和1個橋臂電感串聯(lián)而成。典型的MMC-BESS拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

研究基于半橋單級MMC-BESS試驗平臺，其參數(shù)見表1。

2 相間環(huán)流機理分析

引起相間環(huán)流的原因包括子模塊直流側(cè)電壓波動、驅(qū)動信號不一致和開關(guān)管壓降不一致三個方面。

2.1 子模塊直流側(cè)電壓波動

按照圖2定義的正方向，根據(jù)能量平衡來分析子模塊直流側(cè)電流的頻率成分。圖2中:Isub為子模塊直流側(cè)電流;Vbat為電池電壓;Io為子模塊輸出電流;Vo為子模塊輸出電壓。

圖1 MMC-BESS拓撲結(jié)構(gòu)

表1 試驗平臺系統(tǒng)參數(shù)

圖2 子模塊輸出 電壓電流

在一個工頻周期內(nèi)，可認為電池電壓恒定，只考慮輸出電流的直流分量和基頻分量，根據(jù)能量守恒有：

VbatIsub(t)=Vo(t)Io(t)

(1)

Vo(t)=Vmcosω0t+Vo-dc

(2)

(3)

根據(jù)以上三式可以推出：

(4)

圖3 MMC-BESS環(huán)流等效電路

式中:Vm和Im分別為子模塊輸出的工頻電壓成分幅值和工頻電流成分幅值；φ為兩者之間的相位差；ω0為工頻角頻率；Vo-dc為子模塊輸出的直流電壓分量；Idc為MMC-BESS直流并網(wǎng)總電流。式(4)表明，單級式MMC-BESS子模塊直流側(cè)電流包括三個部分：直流分量、基頻分量和二倍頻分量。由于電池內(nèi)阻的存在，電池端口電壓也將出現(xiàn)直流分量，基頻分量和二倍頻分量。

MMC-BESS環(huán)流等效電路如圖3所示。

圖3中:Icira、Icirb和Icirc分別為ABC三相的環(huán)流；Ua_ac、Ub_ac和Uc_ac分別為ABC三相子模塊總的等效工頻電壓；Ua_dc、Ub_dc和Uc_dc分別為ABC三相子模塊總的等效直流電壓。

圖4 電池端電壓二倍頻波動仿真結(jié)果

由于電池內(nèi)阻較小，因此二倍頻電流在子模塊直流側(cè)引起的電壓二倍基頻波動不大。以試驗平臺12 V/33 Ah鉛酸蓄電池為例，其標準內(nèi)阻8.4 mΩ，電池并聯(lián)電容容值為3 000 μF。使用Simulink電池模型進行仿真，在峰值為10 A二倍頻交流電流作用下，子模塊輸出電壓波動為7.28 mV，其波形如圖4所示。

以電壓波動7.28 mV，每相16個子模塊計算，相電壓二倍頻波動ΔU為0.116 V，忽略回路內(nèi)阻的影響，計算相間二倍頻環(huán)流Δi。

ΔUΔt=4LaΔi

(5)

(6)

式中:La為橋臂電感，La取0.1 mH；Δt為半個二倍頻周期，取5 ms。計算得二倍頻環(huán)流的峰值1.46 A，占交流峰值的14.6%。

2.2 驅(qū)動信號不一致

驅(qū)動信號不一致包括兩個方面：相內(nèi)部控制系統(tǒng)通信延時不一致帶來的驅(qū)動時刻不一致和三相之間驅(qū)動信號時序的不一致。

相簇內(nèi)部驅(qū)動信號的不一致會導(dǎo)致相簇總電壓脈動，引起相簇總電壓不一致，進而導(dǎo)致相間環(huán)流。提高系統(tǒng)通信速率和增大橋臂電感大小，可有效減小此因素造成的相間環(huán)流大小。

三相之間驅(qū)動信號不一致的原因在于：直流功率控制由三個獨立的PI控制器進行三相電壓參考值的計算，三個獨立控制器輸出的直流參考電壓必然不完全一致。經(jīng)調(diào)制算法轉(zhuǎn)變?yōu)樽幽K開關(guān)信號后，必然出現(xiàn)相簇總電壓的瞬時不相等情況。

對試驗平臺進行建模仿真，得到A相投入子模塊數(shù)量NA、B相投入子模塊數(shù)量NB及兩者之差(NA-NB)隨時間的瞬時變化情況，如圖5所示。

圖5 A、B兩相子模塊投入數(shù)量NA、NB 及其差值(NA-NB)變化情況

可見，NA和NB在多數(shù)時間內(nèi)不一致，差值在-4到4之間波動。由此造成相簇總電壓與開關(guān)頻率相關(guān)的波動，引起相間環(huán)流。由于回路中電感對開關(guān)頻率抑制作用強，該環(huán)流很小。

2.3 開關(guān)器件參數(shù)不一致

開關(guān)器件參數(shù)不一致包括開關(guān)管導(dǎo)通壓降的不一致和開通/關(guān)斷時間的不一致，其對相間環(huán)流的影響也為開關(guān)頻率的波動。由于開關(guān)器件參數(shù)不一致性原本較小，且子模塊開關(guān)器件參數(shù)不一致性的影響在相間可以一定程度地相互抵消，因此對相間環(huán)流的影響也很小。

3 相間環(huán)流的抑制策略

在環(huán)流機理研究的基礎(chǔ)上，可針對性地對MMC-BESS的相間環(huán)流進行抑制。

3.1 抑制二倍頻負序環(huán)流

對于子模塊直流側(cè)電壓的二倍頻波動，采取與MMC-HVDC系統(tǒng)中相似的環(huán)流抑制控制器進行抑制。

由三相上下橋臂電流計算得到三相內(nèi)部環(huán)流，減去直流電流后得到相間環(huán)流值，通過二倍頻負序坐標變換得到相間環(huán)流的dq軸分量，經(jīng)過前饋解耦與PI控制器，將二倍頻負序環(huán)流的d軸和q軸目標值控制到0。相間環(huán)流抑制控制器結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6中：ipj、inj分別為j相上、下橋臂電流；i2fd*、i2fq*分別為2倍頻d軸和q軸電流指令值；ucir*為2倍頻環(huán)流抑制電壓指令值。

圖6 MMC-BESS二倍頻環(huán)流抑制器結(jié)構(gòu)框圖

3.2 抑制工頻相間環(huán)流

上下橋臂工頻電壓波動的相位相反，如上下橋臂因內(nèi)阻不一致等原因造成工頻電壓波動幅值不等，將引起相間工頻環(huán)流。

目前MMC-BESS的控制策略均基于流經(jīng)上下橋臂的工頻電流等分這一假設(shè)，故無法從控制策略上對工頻環(huán)流進行抑制，只能從保持子模塊參數(shù)一致性的角度采取措施。如設(shè)計和選型時盡量保持上下橋臂電池參數(shù)的一致性；其次，在系統(tǒng)運行中進行橋臂均衡控制，以維持上下橋臂處于相同的SOC狀態(tài)，間接抑制工頻相間環(huán)流。

3.3 抑制高頻相間環(huán)流

橋臂電感可抑制驅(qū)動信號不一致和開關(guān)器件參數(shù)不一致等因素造成的高頻相間環(huán)流。按照并網(wǎng)和短路動作原則選取的橋臂電感值即可滿足抑制高頻相間環(huán)流的需求。

4 相間環(huán)流的試驗驗證

針對相間環(huán)流產(chǎn)生機理部分分析，在試驗平臺上進行相間環(huán)流的測試。

通過電池充放電儀設(shè)定各個子模塊電池SOC相同，進行相間環(huán)流測試，結(jié)果如圖7所示。在相電流峰值為10 A的情況下，環(huán)流且呈現(xiàn)明顯的二倍頻波動，波動峰值為0.8 A，較2.1節(jié)的計算值小。其主要原因在于2.1節(jié)計算值忽略了電池內(nèi)阻、導(dǎo)線和接觸電阻的影響。

再對各相子模塊電池進行充放電，使得各相電池SOC離散分布，并對相間環(huán)流進行測試，結(jié)果如圖8所示?？梢姡嚅g環(huán)流為二倍頻分量與基頻分量疊加，與仿真波形完全一致。

圖7 相間環(huán)流測試結(jié)果

圖8 電池SOC不一致時的相間環(huán)流

5 結(jié)束語

對MMC-BESS環(huán)流機理及其抑制進行了研究，推導(dǎo)出子模塊直流電流的表達式，得到了相簇總電壓隨電流的波動規(guī)律。分析研究表明：

(1) 子模塊直流側(cè)電流引起的電池電壓二倍頻波動將導(dǎo)致的相間二倍頻環(huán)流，該環(huán)流可以通過與MMC-HVDC中類似的方法抑制。

(2) 上下橋臂的參數(shù)不一致將造成相間工頻環(huán)流，該環(huán)流無法直接通過控制消除。

(3) 驅(qū)動信號不一致性和開關(guān)器件參數(shù)不一致性對相間環(huán)流的影響小，可以忽略不計。