基于MMC的電池儲能系統的控制策略

梁嘉，馬勤冬，張敏吉，凌志斌

(1．中海油研究總院新能源研究中心，北京100055;2．上海交通大學電氣工程系，上海200240)

基于MMC的電池儲能系統的控制策略

梁嘉1，馬勤冬2，張敏吉1，凌志斌2

(1．中海油研究總院新能源研究中心，北京100055;2．上海交通大學電氣工程系，上海200240)

為了更好的實現對電池儲能系統(Battery Energy Storage System，BESS)的充、放電控制，將模塊化多電平技術(Modular Multilevel Converter，MMC)與電池儲能系統相結合，對該電池儲能系統在兩相旋轉坐標系dq下的數學模型以功率控制為出發點，分別就電池儲能系統交流接口和直流接口的電流控制進行了討論分析。在MATLAB/Simulink環境下的實驗仿真證明了相關分析，驗證了該控制策略的合理性。

MMC;電池;儲能;充放電策略

0 引言

隨著化石能源的枯竭，光伏發電、風能等新能源技術正受到世界各國的普遍關注和青睞。由于新能源具有隨機性和間歇性等特點，隨著新能源發電系統滲透率的提高，給整個電力系統的穩定運行帶來了諸多問題，比如引起電網電壓和頻率的波動、電力系統繼電保護裝置誤動作等。針對這些問題，一種行之有效的辦法就是在新能源發電系統中加入儲能環節［1］，以保證更長時間范圍內能量的穩定、持續供給。

如果采用傳統兩電平或三電平逆變技術，限于當前單電池容量，為了實現大容量儲能，必然通過對大量的小容量電池單體串、并聯來實現，而由電池串、并聯帶來的不均衡問題往往決定了電池壽命、系統運行的安全性與可靠性，這就對電池管理系統提出了極為苛刻的要求，反過來也限制了儲能技術在光伏等形式的新能源發電場合的推廣應用［2］。另一方面，電壓型變流器技術的不斷演變催生了模塊化多電平技術(Modular Multilevel Converter，MMC)的誕生和發展。該技術在國內外的諸多案例，證明MMC技術在中高壓、大容量等場合具有廣闊的應用前景。

鑒于此，本文將MMC變流器結構、電池儲能相結合，提出了一種新型模塊化電池儲能系統(Battery Energy Storage System，BESS)。

1 基于MMC的BESS系統

傳統MMC結構的瞬時能量儲存于懸浮的MMC子模塊的獨立電容中，各相上下橋臂任意時刻均有一半的功率單元串聯接入公共直流母線，從而實現公共交流側與公共直流側之間能量的交換和傳遞，但該電容所存儲的平均能量為定值。如果在每個MMC子模塊的懸浮電容兩端并聯一個電池，從整體上看，可將此時的整個系統看成一個三端口結構系統，該三端口分別接入交流系統、直流系統、電池。通過該三端口系統，除了實現傳統MMC結構的AC/DC雙向變流，還能通過對電池儲存能量的增減實現對交流系統與直流系統能量流動的轉移［3］。

圖1所示為本文研究的基于MMC的BESS結構圖，它主要由直流接口、基于MMC的變流器、交流接口三部分組成，其中交、直流接口分別接入交流網絡和直流網絡，基于MMC的變流器則完成DC/AC轉換以及電池能量的存儲和釋放等功能。

在BESS中，MMC子模塊由電力電子開關器件、電容和電池組成。通過適當控制MMC子模塊的開關器件，N個相同的MMC子模塊可以組成一個具有可控電壓源性質的變流閥。變流閥與一個電感串聯可組成一個變流橋臂。對于圖1所示的三相BESS而言，它由6個橋臂組成，每相各有上、下兩個橋臂。

圖1 基于MMC的BESS拓撲圖

1.1 MMC子模塊

忽略開關器件的導通壓降以及電池電壓的變化，對于一個MMC子模塊SMxn(x=a，b，c;n=1，2…2 N)，基于能量流動的考慮，它有如表1所示的三種工作模式，其中電流極性的定義方向見圖1。

表1MMC子模塊工作模式

模式電流極性電壓電流流經充電+VxnD1放電－－VxnS1旁路+或－0D1或S1

假設子模塊SMxn的開關器件的開關函數為sxn，定義為:

1.2 基于MMC的BESS工作原理

基于MMC的BESS拓撲結構與傳統MMC相似［4］，通過類比，對于三相BESS系統而言，有:

則MMC子模塊的數學模型可由式(2)表示:

據此可知MMC子模塊可以看作一個受控電壓源，它受開關函數的控制，因此任一橋臂的N個子模塊串聯后看作一個更大的受控電壓源，以a相上橋臂為例，可表示為:

式中相關參數定義如下:

uPx，uNx上、下橋臂子模塊電壓之和;

iPx，iNx上、下橋臂電流;

Rsx，LsxBESS并網電抗器和交流電網共同的等效阻抗值;

usxBESS交流輸出口電壓;

ux，ix交流接口處電壓、電流;

udc，idcBESS直流接口處電壓、電流;

ixf流經BESS第x相的高次(其頻率大于等于2倍基波頻率)相間環流;

ixdiffBESS第x相上下橋臂環流。

由公式(4)、(5)可知uPx、uNx可直接用來調節注入到交流接口的電流ix。公式(6)、(7)則表明，流經某相上下橋臂的電流主要由三部分組成:與交流接口相關的ix/2、與直流接口有關的idc/3以及BESS相間高次環流ixf［5］。從功率角度來看，在BESS交、直接口處電壓穩定時，外部交流接口與BESS能量交換的平均功率Pac可通過ix調節，而外部直流接口與BESS交換的平均功率Pdc可通過idc來調節。根據能量守恒原理，BESS系統中電池充電或者放電的總功率Pb即為(－Pac－Pdc)。Pdc、Pac、Pb三者的示意圖如圖2所示。

圖2 BESS功率交換示意圖

在圖2中，根據Pdc功率流動方向，其有三種運行狀態:“1”表示功率從直流接口流入BESS的功率Pdc＞0;“－1”表示功率從直流接口流入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也各有三種運行狀態，因此這三個功率的運行狀態共有33=27種組合。考慮到能量守恒，BESS系統可運行在如表2所示的12種工況。

由表2可知，本文提出的BESS系統可以通過在電池的充、放電控制來實現能量在直流系統、電池、交流系統三者之間轉移。

表2 BESS運行工況

1.3 BESS在旋轉坐標系下的模型

由式(4)、(5)可知BESS在靜止abc坐標系下滿足［6］:

為了簡化分析，假設所有子模塊具有良好一致性，且所有電感均工作在不飽和狀態。經過靜止坐標－兩相旋轉坐標變化，可得BESS在旋轉坐標系dq下模型為:

式中:La=Lb=Lc=L［7］。

2 電池儲能系統的充、放電策略

結合MMC的相關理論［8］可知，如果電池與直流接口、交流接口均沒有能量交換的情況下，任何時刻每相上下橋臂共有N個子模塊被投入電路(另外N個被旁路)。

如果希望對電池進行充電，可以使某相上下橋臂被旁路的子模塊數大于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，因此可形成充電電流。通過控制在每個開關周期內被強制旁路的子模塊的導通時間，就可以對充電電流進行調節。對電池的放電過程與充電過程相似，唯一的區別在于，放電時上下橋臂被旁路的子模塊數目應小于N。

從功率角度來看，在BESS交、直流接口電壓穩定情況下，BESS中電池充電或放電僅與兩個量有關，分別是直流接口電流idc和交流接口電流ix，因此對電池的充、放電控制可轉換為對idc、ix的控制。

假設通過合理控制后，BESS直流接口電流為Idc(電流方向定義見圖1)，BESS交流接口電流有效值為Ix，在忽略BESS橋臂損耗和并網電抗器損耗下，任一MMC子模塊電池獲得的平均功率Pb為:

式中:Ux為BESS交流接口電壓有效值;cosφ為BESS交流接口輸出功率因數。如果Pb＜0電池處于充電狀態，對應表2中的1～5號工況;如果Pb＞0，電池處于放電狀態，對應表2中的6～10號工況;如果Pb=0，電池處于平衡狀態，對應表2中的11、12號工況。

2.1 交流接口電流的控制

由式(9)可知ix在同步旋轉坐標系下的電流id、iq相互耦合，為此可采用前饋解耦控制策略［9］，且當電流調節器采用PI調節器時，則ix控制原理如圖3所示，可表示為:

式中:id

*、iq

*分別為旋轉坐標系下BESS交流接口電流目標值;kp、ki分別為電流控制的比例調節增益和積分調節增益，具體實現的控制器原理如圖4所示，其中uq為控制i*q的BESS交流接口電壓控制信號。

由于id、iq對稱，因此在圖3所示的控制方案在數字化實現時可以進一步簡化。以id為例，考慮到數字采樣的延遲和PWM控制的小慣性特性［10］，設數字系統采樣周期為T，則id的控制結構圖可簡化為圖4所示，其中kPWM為BESS系統PWM調制的等效增益。在得出圖4所示的結構框圖后，可根據典型I型或者典型II型系統并結合所選取的元器件參數來設計PI調節器的kp、ki等兩個參數，這里不再詳述。

圖3 電流ix的控制器原理圖

圖4 電流id的簡化控制框圖

2.2 直流接口電流的控制

如果三相完全對稱，BESS直流接口電流idc會在三相橋臂間均衡分配。而由式(6)、式(7)可知，在BESS交流接口電流ix得到控制的基礎上，對idc的控制可以轉化為分別對某相上下橋臂電流之和的控制，它們之間滿足:

其中［11］，ixf主要成分是具有2倍基波負序性質的諧波。在理想情況下，ixf只在BESS三相橋臂之間流動，對外部直流接口和外部交流接口均沒有影響。但由于BESS三相的不完全對稱，idc中往往含有與ixf性質相同的高次諧波成分，因此，要控制直流側電流idc，應該盡可能抑制ixf。在忽略橋臂損耗的情況下，由式(4)～式(7)可以推出:

式中:uxf稱為第x相內不平衡電壓，它是由上下橋臂電壓之和與直流側電壓不相等而引起的［12］。由式(12)、式(13)可知，為了抑制ixf，可以在上下橋臂電壓中疊加一個控制分量uxf。

根據式(12)，為了控制上下橋臂電流中的直流分量，可以采用PI控制。據此可以得到直流側電流idc的控制原理圖，如圖5所示。圖5中idc*/3代表進行idc控制的目標是使其各個橋臂均衡分配，其中的PI調節器通道是為了控制idc的直流分量，而另一通道中的微分運算則是為了抑制idc的諧波分量，即ixf。微分運算通道的限幅環節主要是為了防止微分運算帶來的系統穩定性的降低，通過驗證，在這里可取

|uxf_de|＜=(0.05～0.1)|uxf_pi|

圖5 直流側電流idc的控制框圖

結合式(5)，可以得到同時控制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BESS直流接口電流idc和交流接口電流ix的控制信號后，就可以得到BESS的整體控制結構圖，如圖6所示。圖6中，uPx_ref和uNx_ref分別表示上下橋臂的調制信號。在得到調制信號后，通過雙調制載波移相調制技術(Dual-modulation Carrier Phase Shifted PWM，DMCPS-PWM)就可以產生各個開關器件的觸發脈沖，進而實現控制目標。載波移相調制技術，以其可擴展性、均衡效果良好等優點廣泛應用于多電平變流器。

圖6 BESS整體控制結構圖

3 仿真驗證結果

為了驗證本文所提的BESS的控制策略，在MATLAB/Simulink環境下對圖1所示的系統進行了仿真，表3所示為BESS系統的主要仿真參數。

表3 BESS仿真參數

下面將給出表2所列的兩種充電工況(1，－1，1)、(1，－1，－1)以及兩種放電工況(1，1，－1)、(0，1，－1)等4種情況下的仿真結果。

3.1 電池充電工況仿真結果

為了驗證BESS在表2所列的兩種充電工況(1，－1，1)和(1，－1，－1)下的運行狀況，設定的相關參數如下:針對工況(1，－1，1)，在仿真時段0～0.2 s內設定直流接口電流idc*=+50 A，交流接口電流ix*=+50 A(該電流“+”、“－”僅代表功率流動方向，功率流動方向的定義見圖2，下同);針對工況(1，－1，－1)，考慮到直流接口注入到BESS的部分能量會輸出給BESS交流接口，為了保證BESS電池仍處于充電狀態，需增大直流接口功率，因此在0.2～0.4 s內設定idc*=+80 A，ix*=－50 A。

圖7(a)表示直流接口電流的仿真波形。從中可以看出，在充電情況下，BESS直流接口處電流在目標值附近小幅(±0．5 A)波動，說明了本文提出的直流電流控制策略具有較好的跟蹤性能。圖7(b)和圖7(c)分別表示工況(1，－1，1)和工況(1，－1，－1)時交流接口電流波形。根據FFT分析可知，在兩種工況下，交流接口處電流波形質量較好，其THD分別為0.40%和0.42%，且功率因素均非常接近1或－1。另外，在電流指令變化時，僅需約1/4個工頻周期的時間即可得到完全響應，說明本文針對BESS交流接口的電流控制策略具有較好的動態響應性能。

圖7(d)分別表示子模塊SMa1、SMb1、SMc1在工況(1，－1，1)和(1，－1，－1)電池充電時其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0～5 s階段，整個BESS以約73 kW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為其SOC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%。

3.2 電池放電工況仿真結果

為了驗證BESS在表2所列的兩種放電工況(1，1，－1)和(0，1，－1)時的運行狀況，設定的相關參數如下:針對工況(1，1，－1)，在0～0.2 s內設定直流接口處電流idc*=+50 A，交流接口處電流ix

*=－80 A;針對工況(0，1，－1)，在0.2～0.4 s內設定idc*=0 A，ix

*=－50 A。由于BESS電池工作在放電狀態時與充電類似，這里不再詳述，僅列出如圖8(a)～圖8(c)的仿真結果，其中圖8(c)仍將仿真時間加長至10 s，其中前5 s與工況(1，1，－1)相對應，后5 s與工況(0，1，－1)相對應。

圖7 電池充電時交、直流接口輸出特性及電池SOC變化曲線

圖8 電池放電時BESS交、直流接口特性及電池SOC變化曲線

4 結論

本文在傳統MMC結構子模塊中加入電池進而提出了一種新型模塊化多電平的BESS系統，為了實現對該系統中電池的充、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點，有針對性地討論了其實現方法。通過仿真可以得出以下結論:

(1)基于坐標變化的前饋解耦控制，對于BESS交流接口電流的控制具有較好控制效果;基于高次環流計算加PI的方法，對于BESS系統直流接口電流控制具有較好控制效果。

(2)基于MMC的光伏發電電池儲能系統可以對級聯結構中的電池的充、放電控制來實現功率流在電池、外部直流接口、外部交流接口三者之間交換和轉移，因此其對于大容量的新能源儲能－發電系統［13］有著很好的應用前景。

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Control Strategy for Battery Energy Storage System Based on MMC

LIANG Jia1，MA Qindong2，ZHANG Minji1，LING Zhibin2
(1．CNOOC Research Center，New Energy Research Center，Beijing 100055，China; 2．Department of Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China)

In order to realize the charge control and discharge control of the battery energy storage system(BESS)effectively，the modular multi-level converter(MMC)technology is combined with the BESS in this paper．Taking the mathematical model of the BESS under power control in the two-phase rotating d-q coordinate system as a starting point，the current control the AC interface and DC interface is discussed and analyzed respectively．The simulations in MATLAB/Simulink verify the reasonability of the control strategy．

MMC;battery;energy storage; charge and discharge strategy

TM46

A

1672－0792(2017)07－0015－07

梁嘉(1984－)，男，碩士研究生，主要研究方向為儲能技術、光儲系統等。

10.3969/j.ISSN.1672－0792.2017.07.003

2017－03－22。