在網壓不平衡工況下,模塊化多電平儲能系統(modular multilevel converter energy storage system,MMC- ESS)如果以并網電流平衡為控制目標,雖然可以保證交流系統安全運行,但是會引起各相放電速度不同,導致子模塊儲能電池荷電狀態(state of ge,SOC)的不均衡。為解決上述問題,首先對比分析了傳統MMC和MMC-ESS的內部環流特性;然后分析了以并網電流平衡為目標的不平衡網壓控制對電池SOC的影響;針對這一問題,提出了利用注入直流環流的控制策略,有效地實現了相間功率均衡,并論述了直流環流控制器參數對系統穩定性的影響;以各相電壓跌落度為變量,繪制各相注入的直流環流占額定橋臂電流比例的三維圖,針對不同跌落度分析了各相橋臂電流的變化,為設備器件選型提供了依據;最后,通過仿真和實驗驗證了理論分析的正確性及控制策略的可行性。
關鍵詞 : 模塊化多電平變流器; 儲能系統; 不平衡網壓; 環流;
DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2017.0021
ABSTRACT
Control objective of AC current balance for converters can maintain a safe and stable state under unbalanced voltage. However, it causes difference of power and inconsistency of state of ge (SOC). Firstly, operation principle and circulating acteristics of modular multilevel converter (MMC) and modular multilevel converter energy storage system (MMC-ESS) are compared and analyzed in this paper. The battery SOC is analyzed through instantaneous power of sub-modules in upper and lower arms of the converters in different phases. Then, a power balance control strategy of DC circulating current injection is proposed. Influence of DC loop controller parameters on system is discussed. Based on voltage in each phase, 3D plots of DC circulating currents are drawn. The standard parameters of the devices are given by arm current deviation for each phase under different unbalanced voltage. A MMC-ESS simulation model is set up on Simulink to verify effectiveness of the proposed control strategy and experimental results are presented.
KEY WORDS : MMC; energy storage system; AC system asymmetry; circulating current;
0 引言
儲能系統作為交直流電網的中間儲能環節,可以提高電網供電的可靠性[1-2]。模塊化多電平變流器作為一種能量變換裝置,與電池結合可以組成新型儲能裝置,其模塊化結構可以使儲能電池運行在低電壓模式下,具有開關器件電壓應力小、諧波小,模塊化程度高、輸出電壓高、易于拓展、可靠性高等優點[3];同時,MMC-ESS也適用于柔性直流輸電、柔性變電站等應用。目前,模塊化多電平儲能系統已經引起國內外研究人員的關注,相關研究包括MMC-ESS應用于電動汽車充電站作為能量緩沖器[4-6],應用于中低壓電網實現功率補償和電壓支撐等功能,提高電能質量[7-10]。
在交直流輸配電系統中,交流側不平衡產生的負序電壓會造成換流器并網電流不平衡;與傳統MMC類似,MMC-ESS系統也需要采用保證并網電流平衡或降低功率波動的控制目標[11]。但對于MMC-ESS系統,儲能作為換流器的中間環節,交流功率波動不會影響MMC直流電壓穩定,對此只需采用并網電流平衡的控制目標。不平衡網壓會引起功率在各相分配不均勻,導致電池放電速率不一致,使部分電池的SOC提前到達電池安全下限,造成儲能系統容量配置浪費,甚至還將使MMC- ESS退出運行,輸配電系統癱瘓。因此需要研究不平衡網壓對MMC-ESS系統的影響與控制。文
獻[12]闡述了網壓不平衡會使輸出功率降低,并針對抑制負序電流和抑制功率波動兩種目標的不平衡網壓控制進行比較,提出了保證有功功率輸出的改進策略;文獻[13]提出了利用儲能向電網輸送功率的方法,實現對不平衡電網的功率補償;文獻[14]針對運行在網壓不平衡工況下的MMC-ESS系統,提出了通過在各子模塊調制波疊加與SOC負比例系數的補償量,實現相間功率均衡;但由于通過對調制波的重組,容易產生過調制,造成調制信息丟失。文獻[12-15]沒有深入分析交流不對稱對儲能電池的影響。另外,對MMC-ESS的控制要兼顧對MMC和電池的控制,將總體控制分為多個子控制,協調各子控制環節以達到運行目的[16]。對于電池接入MMC的方式大多分2種：直接并聯或經DC/DC并聯[5]。其中,直接并聯具有結構簡單、子模塊(sub-module,SM)直流側無變壓環節,能耗相對較低等優點,故文中采用此接入方式。與傳統電容SM相比,儲能電池直接并聯在電容的結構會使其電容電壓更加穩定,忽略線路的影響,電容電壓等于電池電壓。
針對以上問題,本文采用電池直接并聯在SM直流側的拓撲,首先利用對稱工況下的開關函數與子模塊電壓,對橋臂電流進行數學分析,證明MMC-ESS不存在偶次環流諧波;再利用交流系統不對稱工況下的各類電氣量,推導電池SOC表達式;根據交流功率的不平衡度以及直流側電流,推導出直流環流注入表達式,實現相間功率均衡,并分析了直流環流控制器參數對系統穩定性的影響;以各相電壓跌落程度為變量,繪制不同跌落程度下各相注入直流環流占額定橋臂電流比例的三維圖,對比分析不同跌落度對橋臂電流變化的影響,以便重新確定器件參數裕量。最后通過MATLAB仿真軟件以及實驗平臺對控制算法進行了驗證。
1 MMC-ESS結構及數學模型
1.1 基于半橋的MMC-ESS
MMC-ESS及半橋式子模塊拓撲結構圖如圖1所示[17]。O點表示零電位參考點,MMC-ESS分為3個相單元,每個相單元由上、下兩個橋臂單元組成,每個橋臂由N個SM和一個橋臂電抗La串聯形成。T1、T2代表開關器件,D1、D2代表反并聯二極管,Bat代表電池,usm為電池電壓;雖然usm隨SOC的不同會有小幅變化,但通常情況下變化緩慢,故分析時可認為其保持一個恒定值。通過載波移相的調制策略可以保證各相隨時有N個子模塊投入,因此直流側可等效存在一個穩定的直流電壓,且同相內的子模塊調制比mx相同。
圖1 MMC-ESS及半橋式子模塊拓撲結構圖
Fig. 1 Configuration of MMC-ESS and half-bridge sub-module
1.2 MMC-ESS的橋臂電流分析
對于傳統MMC拓撲,受子模塊電容充放電的影響,子模塊電壓存在基頻波動和二倍頻波動;受子模塊電容電壓波動影響,橋臂電流呈現二倍頻等偶次諧波分量[18]。考慮到直流電流在三相均分、交流電流在上下橋臂均分、子模塊電壓波動引起的偶次環流等因素,因此傳統MMC的上、下橋臂電流可以分別表達為
式中：ipx、inx為x相上、下橋臂電流,其中x=a,b,c;Idc是直流電流;ω是電網角頻率;Ix是交流電流幅值;φ是交流電流初始相角;Inf是n次諧波幅值,其中n≥2,且為偶數;φnf為其初始相角。
但對于MMC-ESS系統,子模塊電壓受充放電影響極小,電壓不存在明顯波動,傳統MMC的環流分析并不適用此時的MMC-ESS,需要建立新的數學模型,以便分析MMC-ESS系統中橋臂電流等電氣量諧波成分。
忽略橋臂阻抗對系統的影響,可以得到MMC-ESS單相的簡化模型,如圖2所示。圖中：La為橋臂濾波電感;ux為交流電壓;ix為交流電流;upx、unx分別代表其上、下橋臂子模塊等效輸出電壓,其中x=a,b,c。
圖2 MMC-ESS單相簡化模型
Fig. 2 Simplified model of single phase topology
上、下橋臂的開關函數可以分別表示為
式中mx為該相調制比,且0≤m≤1。
同時,上、下橋臂子模塊等效輸出電壓可以表示為
式中：N為橋臂中子模塊數量;Udc是直流電壓。
根據式(3),可得x相的總電壓和交流輸出相電壓,如下所示：
式(4)表明：在網壓對稱工況下,MMC-ESS相單元總電壓是穩定的,不存在傳統MMC所呈現的二次諧波電壓分量,因此橋臂電流也不會產生相應的二次諧波。假定三相單元的參數完全相同,直流電流在3個相單元中均分;上、下橋臂參數完全相同,交流電流在上下橋臂均分。因此x相上、下橋臂電流可以表示為
式中Ix為x相交流電流幅值。
根據環流公式,該相環流表示為
分析得知：在MMC-ESS系統中,環流中不存在傳統MMC拓撲中偶次諧波分量。
2 不平衡網壓對MMC-ESS的影響
當電網發生不平衡時,以抑制負序電流為目標,采用瞬時功率理論推導出并網給定的電流指令,在dq旋轉坐標系下利用比例積分諧振調節器(proportional integral resonant,PIR)進行控制,利用圖3所示的控制框圖產生開關管的PWM脈沖信號。
圖3 不平衡下系統控制框圖
Fig. 3 Control scheme of an MMC-ESS under unbalanced condition
根據式(2)可得,在MMC-ESS中上、下橋臂單個子模塊輸出電壓為
因此,可以得到上、下橋臂中一個子模塊的瞬時功率表達式為
式中：Pd為直流功率;Pax為x相交流功率
根據式(8),上、下橋臂中子模塊電池荷電狀態方程可以表示為
式中：s_int表示子模塊電池SOC初始值;Q表示儲能電池的總電量。
式(9)表明：子模塊電池荷電狀態變化趨勢受到直流側功率,交流側功率影響,同時還存在由于電池充放電導致的基頻波動,且上、下橋臂基頻波動相位相差180o。在MMC-ESS系統中,來自直流側的功率先與電池進行能量交換,再由電池與交流側進行能量交換,交流不對稱不會對直流側產生影響,因此直流側不會產生類似傳統變流器在不對稱工況下的二次功率脈動;同時由于相單元參數基本一致,可以認為直流功率在各相均分。在網壓對稱工況下,三相交流功率一致,各相SOC不會發生偏差;但網壓不對稱的工況,會導致三相交流功率不一致,進而造成各相SOC的不一致。
3 相間功率均衡控制分析
3.1 相間功率均衡控制策略
MMC內部的環流是不同相橋臂之間能量交換的載體,可通過改變環流成分,實現不同相橋臂之間的有功能量轉移和傳遞。對于相間有功能量的轉移和傳遞,環流需呈現直流分量的形式。向環流注入一定的直流環流izd_x,可促使相間功率流動,實現各相電池輸出功率相同。假設該直流分量與橋臂電流方向一致。
注入直流環流后,實際環流可以表示為
為保證交流電流的正常輸出,橋臂電流需要相應地修正為
在橋臂電流中補償此直流分量前,某相電池輸出功率即為交流輸出功率,可以通過橋臂電流和橋臂輸出電壓表示為
補償此直流分量后,該相電池功率則可表示為
由上式易知,通過向橋臂電流中注入直流分量,可以使該相電池輸出功率發生變化,策略投入前后功率差值可以表示為
直流環流控制框圖如圖4所示。
圖4 直流環流控制框圖
Fig. 4 Control of DC component circulating current
圖4中：icirx為環流指令值;上、下橋臂電流的均值為環流反饋值;ux*是調制波信號。三相分別利用一個比例積分(proportional integral,PI)調節器,完成對環流指令的無靜差跟蹤,實現相間功率均勻分配。
3.2 直流環流調節器設計
根據直流環流控制框圖,容易得到直流環流控制的等效數學模型如圖5所示。
其系統直流環流閉環傳遞函數為
圖5 直流環流控制等效數學模型
Fig. 5 Equivalent mathematic model of DC current control
式中：Rm表示橋臂等效電阻;kp、ki分別表示直流環流調節器比例系數和積分系數。
以直流環流PI環節kp為變量,通過對閉環傳遞函數的推導計算,可得到變量kp從0變為無窮時的根軌跡圖,如圖6所示。
圖6 直流環流PI環節kp變化的影響
Fig. 6 Influence of kp variation on DC current control
以直流環流PI環節ki為變量,通過對閉環傳遞函數的推導計算,可得到變量ki從0變為無窮時的根軌跡圖,如圖7所示。
圖7 直流環流PI環節ki變化的影響
Fig. 7 Influence of ki variation on DC current control
可見,當PI調節器參數逐漸變化時,系統特征根實部均始終保持為負,證明系統始終保持穩定狀態。在實際系統中,由于SOC變化相對較慢,PI調節器參數改變引起的儲能電池充放電電流動態變化,不會引起系統的不穩定,可適當修改參數使系統獲得更好的動態響應。
3.3 電壓跌落與直流環流指令分析
上述控制策略會導致橋臂電流發生不同程度的偏移,因此不能按照穩態下額定功率設計橋臂電感和子模塊限流參數,必須參考發生環流偏置后的橋臂電流。
在網壓發生跌落的MMC-ESS中,由于系統是三相三線制拓撲結構,因此不需要考慮零序電壓。假設c相電壓跌落度最小且uc=u,三相網壓可以分別表示為
式中：ua、ub、uc分別表示交流相電壓有效值;a、b分別表示a相、b相相對于c相的電壓跌落度,且0≤a≤100%,0≤b≤100%。
設MMC-ESS系統額定功率為P,當直流側功率為P時,交流功率等于直流功率,此時橋臂電流處于最大,對系統考驗最嚴酷;在對稱工況下,橋臂電流有效值可以表示為
式中m表示c相電壓調制比,m=u/(0.5×Udc)。系統正常運行時,由于交流電壓的要求既不能過高,也不能過低,因此選取m=0.8進行下一步分析。分別以a、b相電壓跌落度為變量,繪制出三相環流比例的三維圖,見圖8。
從圖8、圖9、圖10可以了解：直流環流指
圖8 a相直流環流
Fig. 8 DC circulating current of phase a
圖9 b相直流環流
Fig. 9 DC circulating current of phase b
圖10 c相直流環流
Fig. 10 DC circulating current of phase c
令與三相網壓跌落程度呈現非線性關系,且三相直流環流指令之和為0;對比三相注入直流環流與橋臂電流的對比度可知,當兩相電壓均跌落至20%時,另一相的直流環流偏置為額定橋臂電流的50.79%,在考慮限流及保護參數時需將限定值上調0.5倍左右,以便在額定功率下依然可以保證系統安全運行。
4 仿真及實驗
4.1 仿真算例分析
在MATLAB/Simulink仿真環境下,搭建了如圖11所示的MMC-ESS系統,仿真系統主要參數如表1所示。仿真采用載波移相調制策略,子模塊電池電壓為162.5 V,交流線電壓有效值是380 V;由于仿真條件有限,為可以明顯觀測到電池SOC變化,選取較小的電池容量。
圖11 MMC-ESS系統仿真實驗拓撲
Fig. 11 Simulation and experiment topology of MMC-ESS
表1 MMC仿真系統參數
Tab. 1 System parameters of MMC-ESS platform
系統初始在正常工況下運行,t1=0.2 s時刻,在圖11所示的故障點處a相電壓跌落至額定值的20%;t2=0.6 s時刻,相間功率均衡控制策略投入。仿真結果如圖12所示。
圖12 相間功率均衡控制策略的仿真結果
Fig. 12 Simulation result of phase to phase power balance control strategy
圖12表示有功功率指令P=8000 W時,在抑制負序電流為零的控制目標下,各電氣量的波形圖。
從圖12(a)可以了解：t1時刻,a相相電壓跌落至20%,交流電流在網壓發生跌落后逐漸增加并始終保持對稱狀態,說明相間功率均衡控制策略未對交流輸出產生影響。圖12(b)分別為直流電流和直流電壓波形,此時直流側功率為零,且直流電壓受調制策略影響,基本穩定在650 V。從圖12(c)(d)可知,上、下橋臂電流對稱,驗證了前文關于橋臂電流中不存在偶次諧波分量的理論分析。而在t2時刻,分別向各相環流注入直流分量,橋臂電流和環流發生相應地偏置。圖12(e)波形表明,SOC因電池充放電也呈現出基頻的波動。由于t1時刻交流側不平衡的產生,SOC將出現發散現象,其發散速度與交流側不平衡程度有關。隨著t2時刻,相間功率均衡策略的投入,各相SOC發散停止,說明此時各相電池吸納釋放功率速度相同。
圖12的仿真結果表明,交流電壓的不平衡會引起MMC-ESS電池SOC的不一致。而相間功率均衡控制策略投入后,環流發生相應偏置,子模塊電池SOC發散現象停止,證明了通過注入直流環流控制相間功率均衡的有效性。
4.2 功率均衡的實驗驗證
實驗樣機外觀如圖13所示,實驗設備使用的器件為三菱PS21765,控制器由DSP和FPGA構成。由于實驗條件限制,子模塊電池電壓選取為15 V,交流電壓線電壓有效值為24 V。實驗時a相跌落至額定值的20%。
圖14為網壓不平衡時的橋臂電流和環流變化波形。t時刻投入功率均衡控制策略,各相橋臂電流和環流發生一定偏移。其中由于交流側變壓器的緣故,a相、c相環流均向下偏移約250 mA,b相環流向上偏移約500 mA,各相環流偏移量之和基
圖13 實驗平臺
Fig. 13 Physical experiment platform
圖14 橋臂電流及環流
Fig. 14 The arm current and the circulating current
本為零,與前文分析一致,說明本文提出的功率均衡控制不會造成額外功率的輸入輸出。總體來說,實驗結果與仿真結果一致,能夠驗證提出的功率均衡控制算法的有效性。
5 結論
本文針對網壓不平衡下模塊化多電平儲能系統的相間功率均衡控制策略進行了研究：
1)利用對稱工況下開關函數與子模塊電壓,對橋臂電流進行分析,證明了儲能電池直接并聯在SM直流側的拓撲不存在環流。
2)再利用不對稱工況下的各類電氣量,詳細推導了電池SOC表達式,說明了交流功率不對稱引起了SOC的不一致。
3)利用環流傳遞能量的原理,通過向橋臂電流中注入直流環流,使各相電池輸出功率實現均衡,該方法可以避免因重構調制波造成的過調制問題,同時也能夠最大限度保證實現相間功率均衡;通過分析環流控制調節器參數,結果也表明調節器參數使系統始終保持穩定,可適當修改參數以確保系統獲得更好的動態響應;同時,利用三維圖分析電壓跌落深度對橋臂電流變化的影響情況,重新確定器件保護參數。
4)通過仿真和實驗對該控制策略進行了驗證,結果表明該相間功率均衡控制策略的有效性和可行性。
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