模块化多电平电池储能系统相间环流研究

朱焕杰， 陈满， 彭鹏， 凌志斌

(1.南方电网调峰调频发电有限公司，广东 广州 510630; 2.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; 3.先进储能技术联合实验室，广东 广州 510630)

0 引 言

模块化多电平电池储能系统(modular multilevel converter based battery energy storage system, MMC-BESS)拥有交直流接口，近年来在新能源发电-储能系统[1-2]、直流微电网[3-4]、交直流互联和电动车充电[5]等领域得到了广泛的关注。

MMC结构最早成功应用于柔性直流输电MMC-HVDC领域[6-7]，其相间环流在三相间形成复杂的电流-电压耦合，导致环流频率成分复杂。环流造成变流器控制性能下降、输出电能质量降低和损耗增加。许多学者对MMC-HVDC环流产生机理及其抑制策略[8-9]展开了深入的研究。

MMC-BESS将MMC结构应用于电池储能，其中单级式结构控制简单、成本低和效率高，是研究的重点。由于储能电池的加入，其相间环流较MMC-HVDC有所不同。

本文对MMC-BESS相间环流的产生机理进行了深入的研究分析，并加以试验验证。

1 MMC-BESS拓扑与试验平台

构成MMC-BESS的基本单元为子模块(sub-module,SM)。MMC-BESS有三个相簇，每个相簇分上、下两个桥臂。每个桥臂由N个子模块和1个桥臂电感串联而成。典型的MMC-BESS拓扑结构如图1所示。

研究基于半桥单级MMC-BESS试验平台，其参数见表1。

2 相间环流机理分析

引起相间环流的原因包括子模块直流侧电压波动、驱动信号不一致和开关管压降不一致三个方面。

2.1 子模块直流侧电压波动

按照图2定义的正方向，根据能量平衡来分析子模块直流侧电流的频率成分。图2中:Isub为子模块直流侧电流;Vbat为电池电压;Io为子模块输出电流;Vo为子模块输出电压。

图1 MMC-BESS拓扑结构

表1 试验平台系统参数

图2 子模块输出 电压电流

在一个工频周期内，可认为电池电压恒定，只考虑输出电流的直流分量和基频分量，根据能量守恒有：

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

(1)

Vo(t)=Vmcosω0t+Vo-dc

(2)

(3)

根据以上三式可以推出：

(4)

图3 MMC-BESS环流等效电路

式中:Vm和Im分别为子模块输出的工频电压成分幅值和工频电流成分幅值；φ为两者之间的相位差；ω0为工频角频率；Vo-dc为子模块输出的直流电压分量；Idc为MMC-BESS直流并网总电流。式(4)表明，单级式MMC-BESS子模块直流侧电流包括三个部分：直流分量、基频分量和二倍频分量。由于电池内阻的存在，电池端口电压也将出现直流分量，基频分量和二倍频分量。

MMC-BESS环流等效电路如图3所示。

图3中:Icira、Icirb和Icirc分别为ABC三相的环流；Ua_ac、Ub_ac和Uc_ac分别为ABC三相子模块总的等效工频电压；Ua_dc、Ub_dc和Uc_dc分别为ABC三相子模块总的等效直流电压。

图4 电池端电压二倍频波动仿真结果

由于电池内阻较小，因此二倍频电流在子模块直流侧引起的电压二倍基频波动不大。以试验平台12 V/33 Ah铅酸蓄电池为例，其标准内阻8.4 mΩ，电池并联电容容值为3 000 μF。使用Simulink电池模型进行仿真，在峰值为10 A二倍频交流电流作用下，子模块输出电压波动为7.28 mV，其波形如图4所示。

以电压波动7.28 mV，每相16个子模块计算，相电压二倍频波动ΔU为0.116 V，忽略回路内阻的影响，计算相间二倍频环流Δi。

ΔUΔt=4LaΔi

(5)

(6)

式中:La为桥臂电感，La取0.1 mH；Δt为半个二倍频周期，取5 ms。计算得二倍频环流的峰值1.46 A，占交流峰值的14.6%。

2.2 驱动信号不一致

驱动信号不一致包括两个方面：相内部控制系统通信延时不一致带来的驱动时刻不一致和三相之间驱动信号时序的不一致。

相簇内部驱动信号的不一致会导致相簇总电压脉动，引起相簇总电压不一致，进而导致相间环流。提高系统通信速率和增大桥臂电感大小，可有效减小此因素造成的相间环流大小。

三相之间驱动信号不一致的原因在于：直流功率控制由三个独立的PI控制器进行三相电压参考值的计算，三个独立控制器输出的直流参考电压必然不完全一致。经调制算法转变为子模块开关信号后，必然出现相簇总电压的瞬时不相等情况。

对试验平台进行建模仿真，得到A相投入子模块数量NA、B相投入子模块数量NB及两者之差(NA-NB)随时间的瞬时变化情况，如图5所示。

图5 A、B两相子模块投入数量NA、NB 及其差值(NA-NB)变化情况

可见，NA和NB在多数时间内不一致，差值在-4到4之间波动。由此造成相簇总电压与开关频率相关的波动，引起相间环流。由于回路中电感对开关频率抑制作用强，该环流很小。

2.3 开关器件参数不一致

开关器件参数不一致包括开关管导通压降的不一致和开通/关断时间的不一致，其对相间环流的影响也为开关频率的波动。由于开关器件参数不一致性原本较小，且子模块开关器件参数不一致性的影响在相间可以一定程度地相互抵消，因此对相间环流的影响也很小。

3 相间环流的抑制策略

在环流机理研究的基础上，可针对性地对MMC-BESS的相间环流进行抑制。

3.1 抑制二倍频负序环流

对于子模块直流侧电压的二倍频波动，采取与MMC-HVDC系统中相似的环流抑制控制器进行抑制。

由三相上下桥臂电流计算得到三相内部环流，减去直流电流后得到相间环流值，通过二倍频负序坐标变换得到相间环流的dq轴分量，经过前馈解耦与PI控制器，将二倍频负序环流的d轴和q轴目标值控制到0。相间环流抑制控制器结构如图6所示。图6中：ipj、inj分别为j相上、下桥臂电流；i2fd*、i2fq*分别为2倍频d轴和q轴电流指令值；ucir*为2倍频环流抑制电压指令值。

图6 MMC-BESS二倍频环流抑制器结构框图

3.2 抑制工频相间环流

上下桥臂工频电压波动的相位相反，如上下桥臂因内阻不一致等原因造成工频电压波动幅值不等，将引起相间工频环流。

目前MMC-BESS的控制策略均基于流经上下桥臂的工频电流等分这一假设，故无法从控制策略上对工频环流进行抑制，只能从保持子模块参数一致性的角度采取措施。如设计和选型时尽量保持上下桥臂电池参数的一致性；其次，在系统运行中进行桥臂均衡控制，以维持上下桥臂处于相同的SOC状态，间接抑制工频相间环流。

3.3 抑制高频相间环流

桥臂电感可抑制驱动信号不一致和开关器件参数不一致等因素造成的高频相间环流。按照并网和短路动作原则选取的桥臂电感值即可满足抑制高频相间环流的需求。

4 相间环流的试验验证

针对相间环流产生机理部分分析，在试验平台上进行相间环流的测试。

通过电池充放电仪设定各个子模块电池SOC相同，进行相间环流测试，结果如图7所示。在相电流峰值为10 A的情况下，环流且呈现明显的二倍频波动，波动峰值为0.8 A，较2.1节的计算值小。其主要原因在于2.1节计算值忽略了电池内阻、导线和接触电阻的影响。

再对各相子模块电池进行充放电，使得各相电池SOC离散分布，并对相间环流进行测试，结果如图8所示。可见，相间环流为二倍频分量与基频分量叠加，与仿真波形完全一致。

图7 相间环流测试结果

图8 电池SOC不一致时的相间环流

5 结束语

对MMC-BESS环流机理及其抑制进行了研究，推导出子模块直流电流的表达式，得到了相簇总电压随电流的波动规律。分析研究表明：

(1) 子模块直流侧电流引起的电池电压二倍频波动将导致的相间二倍频环流，该环流可以通过与MMC-HVDC中类似的方法抑制。

(2) 上下桥臂的参数不一致将造成相间工频环流，该环流无法直接通过控制消除。

(3) 驱动信号不一致性和开关器件参数不一致性对相间环流的影响小，可以忽略不计。