基于MMC的光儲系統控制策略

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摘要：光儲系統在一定程度上實現了分布式光伏電源和儲能系統的功率互補，保證了電網系統安全、穩定運行，同時提高了電能質量。現提出一種光儲系統控制策略，從模塊化多電平變流器入手，將光伏逆變器和變流器加入光儲系統，同時實現了光伏發電和電池儲能兩大功能，具有輸出電壓高、功率開關電壓應力小以及開關頻率低等優點。從調制策略、功率控制、荷電狀態均衡控制等方面對所提控制策略進行了研究，Simulink仿真證明了策略的可行性和有效性。

關鍵詞：光伏發電；電池儲能；模塊化多電平變流器；功率控制；荷電狀態均衡控制

0引言

近幾年來，太陽能等清潔可再生能源受到了人們的廣泛關注。但傳統光伏發電系統存在諸多不足，尤其考慮到太陽能的隨機性和間歇性，其導致了電網電壓和頻率波動以及繼電保護裝置不正常工作等問題。針對以上問題，傳統的兩電平和三電平變流器技術備受關注并被廣泛應用，該技術通過串并聯諸多小容量的電池單體的工作原理來實現儲能大容量化。但電池的串并聯會導致系統發生不均衡，很大程度上危害了電池壽命和系統的安全穩定運行，這就意味著系統的電池管理模塊將成為研究焦點。模塊化多電平變流器（ModularMultilevelConverter，MMC）的模塊化程度較高，因而冗余性、波形質量和開關損耗等關鍵控制目標都得到了很好的改善，因此模塊化多電平變流器在光伏發電領域受到了大多數研究者的青睞[1-2]。與此同時，模塊化這一特點決定了儲能單元在整體結構中以低壓分散的形式存在，模塊電池組電壓等級可供選擇的范圍增大[3-5]。除了這些特點外，MMC光儲系統對電力系統其他方面也有很大影響：系統的運行效率因為光伏和儲能的結合大大提高，整個系統的可靠性也得到改善；更重要的是，光儲系統能量的消耗和儲存能夠通過對交流電網功率流動的控制從而得到合理控制[6-8]。因此，本文將基于mmc的光儲系統作為對象，對其控制策略展開了研究，目的在于提高光儲系統的電能質量及輸出效率。

1MMC光儲系統的拓撲結構及工作原理

1.1MMC光儲系統的拓撲結構。圖1是MMC光儲系統主電路的結構圖，圖中PV代表光伏陣列，C1和C2為直流側濾波電容，Ls是交流側濾波電感，La是橋臂濾波電感。其結構與傳統MMC構造基本相同。儲能子模塊結構如圖1右上所示，一個儲能子模塊單元中，T1、T2為兩個可控開關器件，D1、D2為兩個反并聯二極管，C0代表子模塊電容，低壓儲能電池為Bat。如果忽略子模塊與電池之間的線路阻抗，并聯在直流側的儲能子模塊電容電壓等于電池電壓，故分析時儲能電池電壓可認為其保持一個恒定值。針對該拓撲，本文選用的是載波移相調制（CarrierPhaseShiftingPulseWidthModulation，CPS-PWM），通過三角載波與調制波比較輸出所需的控制信號。

1.2儲能子模塊的工作原理。儲能子模塊工作原理如圖2所示。由圖可得，儲能子模塊的工作模式如表1所示。根據上述分析可知，每個橋臂帶有的4個子模塊可以引發5電平的階梯波。由此可以得出，儲能子模塊的工作模式決定了MMC交流側輸出多電平電壓、對交流電壓的精準控制以及直流電壓的控制。

2MMC光儲系統的功率控制

2.1交流接口電流的控制。靜止坐標系下MMC系統的單相等效電路經坐標變換后得旋轉坐標系下數學模型，其中的id、iq依然互相牽制，沒有實現對控制電流id、iq的完全解耦，因而本文采用PI調節對電流id、iq進行控制。交流接口的輸出電壓ud、uq控制方程如下：式中：id*、iq*分別為dq坐標系下交流接口電流的參考值；kp為比例調節系數；ki為積分調節的參數。控制原理如圖3所示，uxref為交流接口電壓控制信號，通過對uxref的控制進而控制ix。

2.2光伏陣列接口電流的控制。在三相對稱MMC系統中，流經三個橋臂的光伏陣列的電流是相同的。一旦ix被控制住，光伏陣列接口電流idc會因三相上、下橋臂電流之和變化而發生改變。而MMC系統在大多數情況下處于不平衡狀態，這就決定了光伏陣列接口電流idc會產生高次環流，因此抑制ijf就顯得很有必要。光伏陣列接口電流的控制原理圖如圖4所示，圖中目標值Idc*/3的作用是使得光伏陣列接口電流在三相中均勻分配。由此可以得出橋臂電壓表達式：圖5為模塊化光儲系統的整體控制結構圖，其中upj_ref和unj_ref分別為上、下橋臂的調制信號。

3MMC光儲系統的SOC均衡控制

3.1相間SOC均衡控制。子模塊電池在最開始或者工作一段時間后各相的平均SOC會有所不同，采取措施使得各相的SOC近似相同。為了實現各相SOC均衡，本文采取控制光伏陣列接口環流分量的策略。具體原理是人為改變光伏陣列接口電流在各相中的分配比例，從而每相子模塊電池的充放電功率也隨之發生相應的變化。原理圖如圖6所示，圖中的Idc*′/3即為重新分配比例后的各相電流環流分量。

3.2相內SOC均衡控制。級聯結構中，電池的充放電功率與各個子模塊的電壓是正比關系，因而只需對各個子模塊的電壓疊加一個相應的分量，從而改變各個模塊功率分配，以此來實現相內電池SOC的均衡控制。具體如圖7所示。

4仿真結果分析

為驗證本文所提出控制策略的可行性，以表2所示的參數進行仿真。圖8為交流輸出端三相電壓，由于MMC的PVG-BESS的多電平輸出特性，輸出電壓基本為五電平的正弦波。圖9為交流輸出端三相電流，波形同樣基本為正弦波，波形質量有待進一圖11為0.5s時三相子模塊組SOC均衡控制的仿真結果，三相子模塊組SOC初始值分別為40%、50%、60%。圖11為A、B、C三相第一個子模塊電池的SOC變化曲線，從圖中可以看出，當系統加入了SOC平衡控制，0.5s時，子模塊a1的SOC從40%上升到了40.013%，增加了0.013%；子模塊b1的SOC從50%上升到了50.0036%，增加了0.0036%；子模塊c1的SOC從60%上升到了60.00075%，增加了0.00075%。可以看出，在整個過程中三相的子模塊電池朝著同一方向變化，近似均衡，且SOC小的增長快，SOC大的增長慢，符合均衡控制的預期。

5結語

本文將MMC、電池儲能、光伏發電三者結合，給出了基于MMC的PVG-BESS的控制方法，包括調制策略、交直流功率控制、SOC均衡控制，并針對每個部分建立了數學模型，給出了控制策略。電池與外部直流接口、外部交流接口之間進行的能量轉移，在很大程度上避免了傳統光伏發電系統電能質量不可靠的問題，這一控制系統對大容量新能源發電系統有很大的價值。本文基于該控制系統提出的子模塊SOC均衡控制策略，是通過人為調控光伏陣列接口電流在各相中的分配比例使各蓄電池SOC趨向均衡的。此外，該系統在降低柔性直流輸電系統和儲能系統成本的同時提高了裝置的可靠性，使得整個系統結構更緊湊，也更便于維護。

作者:盧奇 洪曉燕 李佳鵬 李凱 單位:國網浙江省電力有限公司嘉興供電公司 嘉興恒創電力設計研究院有限公司 同濟大學浙江學院