文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

具有儲(chǔ)能功能的模塊化多電平換流器的控制方法

郭捷1,2，胡鵬飛2，周月賓2，林志勇2

(1. 國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，河北石家莊050021；2. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027)

Control Strategy for Modular Multilevel Converter With Energy Storage AbilityGUO Jie1,2, HU Pengfei2, ZHOU Yuebin2, LIN Zhiyong2

(1. State Grid Hebei Electric Power Research Institute, Shijiazhuang 050021, China;

2. College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

摘要：研究具有儲(chǔ)能功能的模塊化多電平換流器的控制方法，將模塊化多電平換流器與電池儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合，適用于離岸風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)等柔性直流輸電應(yīng)用。系統(tǒng)在模塊化多電平換流器的基礎(chǔ)上，在子模塊直流側(cè)加入蓄電池實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。換流器兩側(cè)均可等效為受控電壓源，可在儲(chǔ)能容量范圍內(nèi)對(duì)直流側(cè)饋入功率起到平滑作用。運(yùn)行時(shí)，換流器交流側(cè)有功無(wú)功電流解耦控制實(shí)現(xiàn)交流功率控制，換流器直流側(cè)直流電流控制實(shí)現(xiàn)直流功率控制，給出子模塊SOC控制方法和子模塊組SOC控制方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中大量蓄電池SOC的平衡控制。計(jì)算機(jī)仿真分析表明，提出的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)交直流功率控制和儲(chǔ)能功能。

關(guān)鍵詞：模塊化多電平換流器(MMC)；柔性直流輸電系統(tǒng)；蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)；離岸風(fēng)電場(chǎng)接入；SOC平衡控制

文章編號(hào)：1007-2322(2015)05-0073-06

中圖分類(lèi)號(hào)：TM721.1

收稿日期：2014-10-20

作者簡(jiǎn)介：

Abstract：A control strategy for modular multilevel converter (MMC) with energy storage ability is proposed for such flexible DC transmission application as power system connected with offshore wind farm. In the main circuit, battery banks are set in each sub-model of MMC. The DC terminal and AC terminal of converter are equivalent to controlled voltage sources, and feed-in power at DC side is smoothed in the region of energy storage capacity. During operation, the decoupled control of active power current at AC side of converter can realize AC power control, and the direct current control at DC side of converter can regulate DC power. In addition, SOC control methods of sub-model and sub-model cluster are given to balance the battery SOC in system. The simulation results show that proposed system can realize power control and storage function of AC/DC current system, and its viability is also verified.

Keywords：modular multilevel converter(MMC); HVDC; battery energy storage system; the accessing of offshore wind farm; SOC balancing

0引言

模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)自提出[1-3]以來(lái)，得到了人們?cè)絹?lái)越多的重視和研究，包括MMC的數(shù)學(xué)模型[4-6]、控制方法[1-3, 7]和硬件結(jié)構(gòu)[8]等?；贛MC的柔性直流輸電作為其在電力系統(tǒng)中的重要應(yīng)用，具有如下優(yōu)點(diǎn)：子模塊的串聯(lián)結(jié)構(gòu)可以提高換流器的額定電壓和容量，從而提高了柔性直流輸電系統(tǒng)的額定電壓和容量；換流器中可以安排冗余子模塊，使換流器的可靠性大幅提高；換流器交流側(cè)可以實(shí)現(xiàn)很高的輸出電平數(shù)，使輸出波形畸變降低，輸出諧波??；對(duì)交流系統(tǒng)的有功無(wú)功在容許范圍內(nèi)可獨(dú)立控制等。

包括離岸風(fēng)電資源在內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電資源具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景[9-10]，被認(rèn)為是清潔、低碳、儲(chǔ)量巨大的新型能源。但是，考慮到風(fēng)電資源具有間歇性、調(diào)度困難等自然特性，風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)方式逐步成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。柔性直流輸電可以對(duì)有功無(wú)功快速獨(dú)立控制，使用電纜輸電時(shí)具有更高的輸送容量，具有提高所連接交流系統(tǒng)穩(wěn)定性和阻尼系統(tǒng)振蕩的能力，故而被認(rèn)為是解決離岸風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)相連問(wèn)題的重要手段[11-12]。此外，將風(fēng)電電源與大容量?jī)?chǔ)能裝置相結(jié)合[13-18]用以彌補(bǔ)風(fēng)電自然特性上的缺點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)穩(wěn)定且具有一定低電壓穿越能力的柔性連接。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(battery energy storage system，BESS)與多電平級(jí)聯(lián)型PWM換流器(multilevel cascade PWM converter)相結(jié)合的研究見(jiàn)于文獻(xiàn)[19]，將換流器中的級(jí)聯(lián)H橋子模塊改造為電池儲(chǔ)能單元，并提出了適用于該系統(tǒng)的蓄電池SOC平衡控制，是該系統(tǒng)與其他非儲(chǔ)能型換流器在控制方面的重要區(qū)別之一。

具有儲(chǔ)能功能的模塊化多電平換流器(MMC/BESS)控制方法將MMC與BESS相結(jié)合，使系統(tǒng)具有儲(chǔ)能/換流雙重功能，并使實(shí)現(xiàn)這兩項(xiàng)功能所需的2臺(tái)電力電子換流器(分別用于HVDC和BESS)減少為1臺(tái)。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、緊湊，降低了成本，提高系統(tǒng)可靠性且易于維護(hù)。但是，由于提出拓?fù)涞奶厥庑?，文獻(xiàn)[19]中的SOC控制不再適用，后文將說(shuō)明原因并給出一種新的SOC控制方法，并在此基礎(chǔ)上給出具有儲(chǔ)能功能的模塊化多電平換流器控制方法。

1電路拓?fù)浼盎驹?/p>

MMC/BESS換流器的主電路拓?fù)淙鐖D1所示，為一個(gè)三相全橋結(jié)構(gòu)，每個(gè)橋臂上是由子模塊(sub-module，SM)串聯(lián)而成的子模塊組。每個(gè)子模塊都為半H橋結(jié)構(gòu)，子模塊的交流側(cè)相互串聯(lián)，子模塊的直流側(cè)[19]并聯(lián)接入直流電容C和蓄電池E，R是帶有旁路開(kāi)關(guān)的充電電阻，用于在裝置啟動(dòng)時(shí)限制蓄電池向電容充電的電流，正常運(yùn)行時(shí)旁路開(kāi)關(guān)閉合。

圖1　MMC/BESS換流器主電路拓?fù)?/p>

MMC的交直流側(cè)功率可以獨(dú)立控制[6]，即直流側(cè)通過(guò)控制換流器直流輸出電壓vdc2實(shí)現(xiàn)，交流側(cè)通過(guò)有功無(wú)功解耦控制實(shí)現(xiàn)，具體控制方法將在后文詳述。若在MMC上結(jié)合BESS能力，則可以實(shí)現(xiàn)圖2所示的功率/能量關(guān)系。換流器直流側(cè)接在直流系統(tǒng)上，假設(shè)直流電壓vdc1為常數(shù)，但是可以通過(guò)控制換流器直流輸出電壓vdc2調(diào)節(jié)直流回路電流idc，則直流系統(tǒng)傳輸?shù)墓β蕄dc可以控制。與經(jīng)典的電壓源換流器類(lèi)似，在容許范圍內(nèi)，換流器與交流系統(tǒng)的有功pac、無(wú)功qac可以雙向獨(dú)立控制。注入MMC/BESS的功率pdc、pac均可控(設(shè)注入換流器方向?yàn)檎?，則蓄電池中存儲(chǔ)的能量w可以控制。系統(tǒng)的功率/能量關(guān)系可以由下式表示

(1)

式中：winit是蓄電池初始能量;D是換流器損耗功率，電容器儲(chǔ)能忽略不計(jì)。

圖2　系統(tǒng)的功率/能量關(guān)系

2MMC/BESS的調(diào)制策略

MMC/BESS的調(diào)制策略采用最近電平調(diào)制法(nearest level modulation，NLM)[6,15]，這種調(diào)制方法適用于中高壓模塊化多電平換流器的調(diào)制控制，當(dāng)子模塊數(shù)較高時(shí)具有開(kāi)關(guān)頻率低，簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)。其基本原理是把參考波離散化成為階梯波，階梯波的電平數(shù)越高，產(chǎn)生的波形越逼近參考波。以A相為例，交直流側(cè)參考波離散化后為

(2)

(3)

由文獻(xiàn)[6]可知，na可控的前提是為偶數(shù)且橋臂具有冗余子模塊，定義每橋臂的冗余模塊數(shù)是

(4)

式中:Nmax是換流器設(shè)計(jì)的交流側(cè)可達(dá)到的最高電平。則na的取值范圍為

(5)

MMC/BESS的調(diào)制策略還應(yīng)考慮使同一橋臂的子模塊荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)保持在該相平均SOC值附近。文獻(xiàn)[19]中采用的改變子模塊PWM參考波的控制方法不適用于提出的系統(tǒng)，原因是NLM調(diào)制法沒(méi)有各子模塊獨(dú)立的參考波。類(lèi)似于選擇性投切的子模塊均壓控制策略[7]，可以根據(jù)橋臂電流方向(充電或放電)，確定投入該橋臂SOC最低或最高的子模塊。

3MMC/BESS的控制方法

除了受控?fù)Q流器MMC/BESS的交直流側(cè)功率控制以外，基于蓄電池在正常工作狀態(tài)下電壓/荷電狀態(tài)特性，還應(yīng)對(duì)子模塊中蓄電池的SOC進(jìn)行平衡控制，這是MMC/BESS與傳統(tǒng)MMC在平衡控制方面的顯著不同點(diǎn)。

3.1交直流側(cè)功率控制

MMC/BESS的交流側(cè)功率控制采用有功無(wú)功電流解耦控制[18-19]。在dq坐標(biāo)系下，換流器交流側(cè)的數(shù)學(xué)模型可以表示為

(6)

式中：Lac是換流器交流側(cè)連接電抗；id、iq分別為有功、無(wú)功電流；vSd、vSq分別為交流系統(tǒng)電壓的d軸、q軸分量；vCd、vCq分別為換流器輸出電壓的d軸、q軸分量；ω為系統(tǒng)角頻率。

圖3　有功無(wú)功電流解耦控制

(7)

直流側(cè)功率控制采用定直流電流控制[6]，通過(guò)調(diào)節(jié)正負(fù)極間投入的子模塊數(shù)n控制換流器直流輸出電壓vdc2，從而實(shí)現(xiàn)直流電流idc的調(diào)節(jié)。具體做法是首先建立直流側(cè)數(shù)學(xué)模型，如下式所示

(8)

(9)

圖4　直流電流控制

3.2子模塊組SOC平均值控制

子模塊組SOC平均值控制的目標(biāo)是使每相子模塊組中SOC平均值相等。如前文所說(shuō)，達(dá)到子模塊組SOC平均值控制的前提是相間能量可以交換，即必須使功率在相間流動(dòng)。文獻(xiàn)[19]提出了向交流電壓參考值中注入零序分量的方法，由于零序分量在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中不會(huì)產(chǎn)生零序電流，且在交流線(xiàn)電壓中相互抵消，故不影響交流側(cè)對(duì)外的功率輸出特性；而交流電流流過(guò)零序電壓分量會(huì)產(chǎn)生功率交換，從而改變相間功率的分配。但是，MMC拓?fù)渑c文獻(xiàn)[19]中拓?fù)洳煌?，三相具有正?fù)極公共點(diǎn)，所以各相SOC稍有不同就會(huì)在相間引起較大環(huán)流(因?yàn)槊肯嗟刃?nèi)電阻較小)，導(dǎo)致蓄電池劇烈充放電。本文給出了一種控制思路：在直流側(cè)向各相直流側(cè)參考電壓中注入直流分量；通過(guò)控制直流分量進(jìn)而控制直流回路中的相間環(huán)流；相間環(huán)流流過(guò)各相子模塊組，可以引起相間功率交換達(dá)到改變各相SOC的目的；同時(shí)環(huán)流僅在MMC/BESS內(nèi)部流動(dòng)，不會(huì)與裝置外部發(fā)生功率交換。通過(guò)環(huán)流控制可以保證各相存在SOC差的情況下不會(huì)發(fā)生電池劇烈充放電，而是可控地達(dá)到SOC平均。在考慮到這一注入分量很小且已經(jīng)存在直流側(cè)定直流電流控制的前提下，根據(jù)公式(9)也可認(rèn)為MMC/BESS對(duì)外的直流功率pdc近似不變。給出的控制思路可以通過(guò)下面的方法實(shí)現(xiàn)：

定義MMC/BESS每相相間環(huán)流ica、icb、icc為

(10)

式中：iap、ibp、icp是上橋臂電流，正方向?yàn)榱魅胱幽K正極;ian、ibn、icn是下橋臂電流，正方向?yàn)榱魅胱幽K正極;idc是換流器直流電流。存在

(11)

說(shuō)明該電流在三相相間循環(huán)流動(dòng)，不會(huì)流出換流器進(jìn)入交、直流側(cè)系統(tǒng)。以A相為例，建立相間環(huán)流的數(shù)學(xué)模型如下

(12)

式中:LS是橋臂緩沖電抗器；RS是該電抗器的電阻；Δva是A相上下橋臂子模塊組電壓之和與外電路等效電壓源的電壓差?？梢园聪嘣O(shè)計(jì)PI控制器，對(duì)相間環(huán)流進(jìn)行閉環(huán)控制，如圖5所示。

圖5　MMC/BESS相間環(huán)流控制

設(shè)SOCa、SOCb、SOCc為三相子模塊組各自的SOC平均值，SOCmmc是換流器所有子模塊SOC平均值。定義

(13)

根據(jù)SOC的定義可建立數(shù)學(xué)模型

(14)

式中：Da是每相子模塊損耗功率;Q是每個(gè)子模塊中蓄電池容量;M是橋臂子模塊數(shù)?？梢园聪嘣O(shè)計(jì)比例控制器，對(duì)子模塊組SOC平均值進(jìn)行閉環(huán)控制，如圖6所示。

圖6　子模塊組SOC平均值控制

綜合上文所述的功率控制和子模塊組SOC平均值控制之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，MMC/BESS的控制方法的具體實(shí)現(xiàn)可以采用圖7所示的結(jié)構(gòu)。

圖7　MMC/BESS的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4仿真結(jié)果分析

對(duì)具有儲(chǔ)能功能的模塊化多電平換流器進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，電池特性采用鎳氫蓄電池(NiMH)典型曲線(xiàn)，其余主電路參數(shù)見(jiàn)表1，控制器參數(shù)見(jiàn)表2。

表1　仿真模型主電路參數(shù)

表2　控制系統(tǒng)參數(shù)

圖8是當(dāng)pac為-20MW(換流器向交流系統(tǒng)提供有功)，qac為-10Mvar(換流器向交流系統(tǒng)提供無(wú)功)，pdc為20MW(直流系統(tǒng)向換流器提供功率)時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程0.2s仿真結(jié)果。第一組波形為換流器交流輸出電壓，由于MMC/BESS的多電平輸出特性，輸出電壓基本為正弦波；第二組波形為換流器交流輸出電流，波形同樣基本為正弦波；第三組波形為換流器直流側(cè)輸出電流；第四組波形為換流器交直流側(cè)功率。

圖8　啟動(dòng)過(guò)程仿真(0.2s)

圖9為三相子模塊組SOC平衡控制200s仿真結(jié)果。仿真時(shí)直流側(cè)流入功率等于交流側(cè)流出功率，三相子模塊組平均SOC初始值分別為50%、55%、45%。由第一組波形可以看出在SOC平衡控制的作用下三相平均SOC在約150s后達(dá)到平衡，由第二組波形可以看出三相子模塊平均電壓也隨SOC達(dá)到平衡。

圖9　SOC平衡控制仿真(200s)

圖10為功率/儲(chǔ)能特性24h仿真結(jié)果。第一組波形為MMC/BESS交直流側(cè)功率(注入換流器為正)，其中，實(shí)線(xiàn)pdc為直流功率，仿真時(shí)采用某風(fēng)電場(chǎng)1#升壓變24h有功實(shí)測(cè)值；虛線(xiàn)pac為交流功率，其輸出特性表明裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流側(cè)饋入功率的平滑作用。第二組波形為MMC/BESS的平均SOC，在進(jìn)行平滑時(shí)其波動(dòng)在合理范圍之內(nèi)。

圖10　功率/儲(chǔ)能特性仿真(24h)

仿真結(jié)果表明，具有儲(chǔ)能功能的模塊化多電平換流器可以實(shí)現(xiàn)交直流側(cè)功率的獨(dú)立控制，可以輸出低畸變率的交流電壓、電流，可以向子模塊中的蓄電池存儲(chǔ)能量，并使各蓄電池SOC達(dá)到均衡。

5結(jié)論

給出了具有儲(chǔ)能功能的模塊化多電平換流器MMC/BESS的控制方法，包括直流功率控制，子模塊組SOC平均值控制，分別建立了控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型并給出控制策略。研究了適用于MMC/BESS的子模塊蓄電池SOC平衡控制策略，可以抑制由于SOC不同而造成劇烈充放電，并使各蓄電池SOC可控地達(dá)到平衡。提出的系統(tǒng)可以降低柔性直流輸電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本，提高裝置的可靠性，使系統(tǒng)更加緊湊，易于維護(hù)，為離岸風(fēng)電資源接入電力系統(tǒng)以及海島、海上平臺(tái)供電等柔性直流輸電應(yīng)用提供了一種控制方法。

參考文獻(xiàn)

[1]Makoto Hagiwara, Hirofumi Akagi.Control and experiment of pulsewidth-modulated modular multilevel converters [J].IEEE Trans. Power Electron，2009， 24 (7)： 1737-1746.

[2]Dorn J,Huang H, Retzmann D. Novel voltage-sourced converters for HVDC and FACTS applications [C]//Proceedings of Conf. Rec. CIGRE，Osaka， 2007.

[3]Lesnicar A, Marquardt R. An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range [C]//Proceedings of IEEE Bologna Power Tech. Conf.，Bologna，Italy，2003.

[4]王姍姍，周孝信，湯廣福，等.模塊化多電平電壓源換流器的數(shù)學(xué)模型[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(24)：1-8.

[5]周月賓，江道灼，郭捷，等.模塊化多電平換流器子模塊電容電壓波動(dòng)與內(nèi)部環(huán)流分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(24)：8-14.

[6]劉棟，湯廣福，鄭建超，等.模塊化多電平換流器小信號(hào)模型及開(kāi)環(huán)響應(yīng)時(shí)間常數(shù)分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(24)：1-7.

[7]郭捷，江道灼，周月賓，等.交直流側(cè)電流分別可控的模塊化多電平換流器控制方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，34(19)：64-68.

[8]Glinka M. Prototype of multiphase modular multilevel converter with 2MW power rating and 17 level output voltage [C]//Proceedings of35th Annu. IEEE Power Electronics Specialists Conf., Aachen，Germany，2004.

[9]張麗英，葉廷路，辛耀中，等.大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的相關(guān)問(wèn)題及措施[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(25)：1-9.

[10]袁鐵江，晁勤，李義巖，等.大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度中風(fēng)電場(chǎng)出力的短期預(yù)測(cè)模型[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(13)：23-27.

[11]Bresesti P,Kling W L, Hendriks R L, et al. HVDC connection of offshore wind farms to the transmission system [J].IEEE Trans. Energy Convers，2007，22(1)：37-43.

[12]Lu W, Boon-Teck Ooi.Optimal acquisition and aggregation of offshore wind power by multiterminal voltage-source HVDC [J].IEEE Trans. on Power Delivery，2003，18(1)： 201-206.

[13]汪海瑛，白曉民，許婧.考慮風(fēng)光儲(chǔ)協(xié)調(diào)運(yùn)行的可靠性評(píng)估[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(13)：13-20.

[14]Abbey C, Joós G. Supercapacitor energy storage for wind energy applications[J].IEEE Trans. Ind. Appl.，2007， 43(3)：769-775.

[15]Li W, Joós G,Bélanger J. Real-time simulation of a wind turbine generator coupled with a battery supercapacitor energy storage system[J].IEEE Trans. Ind. Electron，2010， 57(4)：1137-1145.

[16]Kinjo T, Senjyu T,Urasaki N, et al. Terminal-voltage and output-power regulation of wind-turbine generator by series and parallel compensation using SMES[J].IEE Proc.-Gener. Transm. Distrib.，2006，153(3)：277-282.

[17]Garimella N, Nair N-K C. Assessment of battery energy storage systems for small-scale renewable energy integration[C]//IEEE Region 10 Conf.，Singapore，2009.

[18]Maharjan L,Inoue S, Akagi H. A transformerless energy storage system based on a cascade multilevel PWM converter with star configuration[J].IEEE Trans. Ind. Appl.，2008，44(5)：1621-1629.

[19]Maharjan L,Inoe S, Akagi H, et al. A transformerless battery energy storage system based on a multilevel cascade PWM converter with star configuration[C]//Power Electronics Specialists Conference，Rodes，Greece，2008.

[20]Marcelo Pérez, José Rodríguez, Jorge Pontt, et al.Power distribution in hybrid multi-cell converter with nearest level modulation[C]//Proc. ISIE Ind. Electron.，Vigo，Spain，2007．

郭捷(1985—)，男，博士，工程師，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娂叭嵝越涣鬏旊娂夹g(shù)，E-mail:guojie@ieee.org。

(責(zé)任編輯：楊秋霞)