一種儲能型MMHC 拓撲結構的研究

丁 超，裘 鵬，張文超，馬萬慶

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.杭州模儲科技有限公司，杭州 311000

0 引言

能源是社會進化和人類進步的重要基礎。隨著經濟技術的快速發展，工業化社會對能源的需求也在日益增長，導致了常規能源的過度消耗，并引發了全球環境惡化等一系列問題[1]。為促進能源產業優化升級，實現清潔低碳發展，近年來，我國大力發展清潔能源，其中風電、光伏實現跨越式大發展，新能源裝機容量占比日益提高[2]。電池儲能電站可與分布/集中式新能源發電聯合應用，是解決新能源發電并網問題的有效途徑之一[3]。隨著新能源電動車的迅速發展，退役動力電池的數量日益增加。據官方統計，2030 年我國新能源汽車保有量將達到8 000 萬輛，折合電池容量約4 000 GWh[4]。數量如此龐大的退役動力電池回收用于儲能行業，不僅經濟效益明顯，而且環境效益突出。目前針對不同規格，不同品牌的退役動力電池梯次利用的研究主要集中于拓撲結構和控制策略等方面。其中MMC（模塊化多電平換流器）[5]由于易擴展、模塊化和分布式等特點而受到廣泛關注。文獻[6]提出一種含H 橋模塊的混合型MMC 拓撲結構，可以將電平數提高至4n+1。文獻[7]提出的拓撲結構與文獻[2]提出的拓撲結構相類似，只是改變了橋臂內子模塊的位置。文獻[8]在傳統的MMC 拓撲結構的基礎上針對子模塊進行改進，一個子模塊由兩個H 半橋串聯組成，每個橋臂有n 個子模塊，輸出電平數為2n+1，該拓撲結構增加了器件數量，控制方法復雜。文獻[9]針對風電、光伏大規模集中接入電網引起的功率波動問題，分別基于MPC（模型預測控制）和波動率智能化分段控制平滑時間常數提出了相應的儲能系統控制策略，且在控制過程中均引入電池SOC（充電狀態）等參數，以確保儲能單元的健康和穩定。文獻[10]對新能源發電出力波動效果進行了反饋控制。

本文對MMC 拓撲結構進行改進，提出一種儲能型MMHC（模塊化多電平H 橋換流器）拓撲結構。并分析該拓撲結構的工作原理及均衡控制方法。

1 MMHC 拓撲結構

MMC 拓撲結構[11-12]，如圖1 所示，MMC 拓撲結構有6 個橋臂，每個橋臂有N 個子模塊和1 個橋臂電感L。子模塊為H 半橋。

圖1 MMC 拓撲結構

對MMC 拓撲結構進行改進后的MMHC 拓撲結構如圖2 所示，MMHC 拓撲由3 個橋臂構成，每個橋臂由N 個子模塊、1 個H 橋模塊和1 個并網濾波電感Ls 組成，電池模組分散于每個子模塊中，子模塊的輸出從H 半橋的下管S2并聯輸出，同一橋臂內N 個子模塊的輸出端首位互聯形成多電平橋臂后與H 橋模塊級聯。子模塊由H 半橋串聯組成，每個子模塊的輸入端設置一個濾波電容。與MMC 拓撲結構相比，在輸出相同電平數時，MMHC 拓撲結構子模塊的數量減少了一半，并且MMHC 拓撲結構不存在直流母線故無橋臂環流，將電池模組分散于各個子模塊中，降低了電池組串的個數，可實現各個電池模組的獨立控制。

圖2 MMHC 拓撲結構

2 工作原理分析

子模塊有兩種運行狀態：工作模式和切除模式。工作模式又可分為充電和放電兩種工況，工作模式下，通過上管S1導通，實現電池的充放電，上管S1和下管S2互補導通。切除模式中，上管S1關斷，下管S2導通，此時子模塊輸出電壓電流為0。工作狀態如表1 所示。

表1 子模塊工作狀態

根據H 橋中開關狀態的不同，H 橋工作狀態有整流和逆變兩種。H 橋模塊處于整流和逆變狀態時，開關狀態、輸入輸出電壓和電流的狀態如表2 所示。

表2 H 橋模塊工作狀態

調制方法采用載波移相調制，載波移相調制的PWM 信號主要驅動子模塊中的開關管S1和S2，各子模塊之間移相角滿足式（1）。H 橋模塊的開關管動作以調制波為基準，以A 相為例，當調制波uref_a≥1 V 時，H 橋的S1和S4導通，S2和S3關斷，H 橋輸出正半軸的波形；當uref_a≤-1 V時，H 橋的S2和S3導通，S1和S4關斷，H 橋對子模塊輸出的波形進行翻轉；當調制波-1 V＜uref_a≤1 V 時，H 橋保持上一工作狀態，即：

子模塊輸出的電平只有“0”和“1”兩種電平，采用載波移相的調制方式，n 個子模塊級聯輸出電壓波形為n+1 個電平的半波正弦，經過H 橋逆變之后輸出2n+1 個電平的完整正弦波形，如圖3所示。

圖3 工作原理

3 均衡控制

均衡控制主要分為相內均衡和相間均衡控制。退役動力電池一致性差，用于儲能時，易造成相內和相間不均衡，使儲能系統的輸出波形THD（總諧波失真）增加、損耗增大、電池循環壽命縮短，因此需對其進行均衡控制。

3.1 相內均衡控制

以電池模組的SOC 為衡量指標，根據SOC 的大小調整子模塊的占空比。其具體計算過程如下：

對橋臂內的電池SOC 求平均值可得：

式中：SSOC_all為橋臂內總SOC；SSOC_i為橋臂內第i 個電池模組的SOC；SSOC_ave為橋臂內SOC 的平均值。

假設算法調制過程中某一相調制波為Uref。則平均占空比為：

式中：Dave為橋臂內子模塊平均占空比；Uall為橋臂內電池模組電壓之和。

放電時，電池模組SOC 越大則子模塊占空比越大，電池模組SOC 越小子模塊占空比越小；充電時，電池模組SOC 越大子模塊占空比越小，電池模組SOC 越小子模塊占空比越大。

放電時：

充電時：

相內均衡控制原理如圖4 所示。

圖4 相內均衡控制原理

3.2 相間均衡控制

相間均衡控制采用注入零序電壓法,通過公共點，能量在三相橋臂內流動實現相間均衡。計算A，B，C 三相橋臂各相橋臂SOC 與其平均值之間偏差如式（6）所示：

放電時，橋臂SOC 越大則該相放電功率越大，充電時，橋臂SOC 越大則該相充電功率越小。本文采用一個P 控制器，實現橋臂SOC 偏差與該相功率偏差之間的對應關系，如式（7）所示：

考慮零序電壓電流的三相電壓、電流如式（8）和式（9）所示：

式中：ua，ub，uc為電網電壓；ia，ib，ic為電網電流；U 為電網電壓有效值；I 為電網電流有效值；U0為零序電壓；θi為電流相角。

根據式（8）和式（9），可得疊加零序電壓之后的三相功率偏差為：

根據式（10），可求得零序電壓和零序電流的相位角如式（11）所示：

式中：

此時式（12）中的ΔPa，ΔPb，ΔPc可由式（7）計算獲得。

4 仿真驗證

搭建100 kW 的Simulink 仿真模型如圖5 所示。系統參數如表3 所示。

圖5 Simulink 仿真模型

表3 系統參數

圖5（a）為A 相橋臂的Simulink 模型，B 相和C 相的Simulink 模型與A 相的一致。為簡化系統的控制及結構在此采用電感作為并網濾波器。圖5（b）為Simulink 控制模型。

為子模塊驅動信號與輸出電流波形見圖6，H 橋模塊驅動波形與輸出的電壓波形見圖7，子模塊和H 橋模塊輸出的電壓波形見圖8。

圖6 子模塊驅動信號與輸出電流波形

從圖6 看出，子模塊上管驅動信號與輸出的電流近似為半波正弦，證明子模塊工作的正確性。從圖7 和圖8 可以看出，H 橋將子模塊級聯輸出頻率為100 Hz 的半波正弦逆變為頻率50 Hz的全波正弦波形，與并網電壓頻率進行匹配，說明H 橋模塊工作原理的正確性。

圖7 H 橋模塊驅動波形與輸出的電壓波形

圖8 子模塊和H 橋模塊輸出的電壓波形

MMHC 儲能變換器滿功率運行時，三相輸出電壓電流波形如圖9 所示，對A 相的電流進行THD 分析如圖10 所示，從圖10 可看出電流THD僅為0.94%，說明該逆變器的輸出電能質量高。

圖9 三相電壓電流波形

圖10 A 相電流THD

本文首先設定三相橋臂的SOC 相同，充電時，MMHC 儲能逆變器的零序電壓如圖11 所示，當設置A 相橋臂的SOC 為50%，B 相橋臂和C相橋臂的SOC 為55%時，MMHC 儲能逆變器的零序電壓波形如圖12 所示。

圖11 各橋臂SOC 均衡時，零序電壓波形

圖12 各橋臂SOC 不均衡時，零序電壓波形

從圖11 和圖12 對比，本文所提的相間均衡控制，可通過主動零序電壓的調節，實現各相之間的SOC 均衡。從圖13 可以看出，儲能系統充電時隨著時間的推移，A 相橋臂的SOC 與B、C相的SOC 之間的偏差逐漸減小，最終重合，在SOC 大于95%時，儲能系統停止充電，避免電池過充。

圖13 充電時，三相橋臂SOC 變換曲線

相內均衡控制通過選擇A 相內的兩個子模塊A1 和子模塊A2 放電進行驗證，設定子模塊A1 中的電池模組的初始SOC 為45%，子模塊A2中的電池模組初始SOC 為50%，子模塊A1 和子模塊A2 輸出的功率曲線如圖14 所示，SOC 變化曲線如圖15 所示。

圖14 子模塊A1 和子模塊A2 輸出的功率曲線

圖15 子模塊A1 和子模塊A2 的SOC 變化曲線

從圖14 和圖15 對比發現，本文所提的相內均衡控制可通過子模塊輸出功率的調節，實現各子模塊間電池模組的SOC 均衡。從圖15 可以看出，子模塊放電時隨著時間的推移，子模塊A1中的電池模組SOC 與子模塊A2 中的電池模組SOC 之間的偏差逐漸減小，最終重合，在SOC 小于5%時，停止放電，避免電池過放。

5 樣機驗證

樣機的主控系統采用DSP+ARM+FPGA 三級架構[13]進行設計。搭建100 kW 的樣機如圖16 所示，系統參數如表3 所示。

圖16 實驗樣機

MMHC 儲能變換器放電時，其子模塊和H橋模塊工作波形圖17 所示。MMHC 儲能變換器輸出三相電壓和電流波形如圖18 所示。

圖17 子模塊和H 橋模塊工作波形

從圖17 和圖18 可以看出，本文研制的試驗樣機并網輸出電壓、電流波形正弦性較好，從而驗證了本文所提拓撲結構的正確性。

圖18 三相電壓電流波形

6 結論

由于受實驗條件的限制，本文只對MMHC拓撲結構的工作原理進行了實驗驗證。本文提出的MMHC 拓撲結構及其均衡控制方法，經仿真和實驗驗證，MMHC 拓撲結構用于退役動力電池儲能時，可實現相內、相間均衡和異構兼容。與傳統的MMC 拓撲結構相比，在輸出相同電平數時，MMHC 拓撲結構子模塊數量減少了一半，簡化了系統結構，降低了控制的復雜性。綜上，MMHC 拓撲結構在退役動力電池異構兼容儲能中具有很大的優勢。