徐云飛，肖湘寧，孫雅旻，龍?jiān)撇ǎ煊篮?/p>

（華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

0 引言

隨著風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源的大規(guī)模接入，其功率的隨機(jī)性以及間歇性給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)［1-3］。另外，基于分布式電源的微電網(wǎng)系統(tǒng)研究日益成熟，孤網(wǎng)下的供電可靠性以及經(jīng)濟(jì)效益亦成為制約其發(fā)展的重要因素。儲(chǔ)能系統(tǒng)是解決上述問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。規(guī)?；植际絻?chǔ)能系統(tǒng)的配置可為每一個(gè)用戶提供更為優(yōu)質(zhì)的新能源接入條件，提高分布式電源的利用率，但其綜合成本較高，且難以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，因此儲(chǔ)能為電網(wǎng)提供功率支撐的作用有限。大容量集中式的儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅可以平抑新能源大規(guī)模接入時(shí)的功率波動(dòng)、輔助解決低電壓穿越問題，還可以改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量、提高供電可靠性以及經(jīng)濟(jì)效益，當(dāng)孤島運(yùn)行時(shí)，可為整個(gè)微電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓、頻率支撐［4-7］。因此，大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)未來的發(fā)展中占據(jù)了重要的地位。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)BESS（Battery Energy Storage System）能量密度大、技術(shù)成熟且成本較低，可以通過大量電池組的級(jí)聯(lián)提高容量，其控制的靈活性較高，更加適合大功率、大容量的應(yīng)用環(huán)境［8-10］。

通常儲(chǔ)能系統(tǒng)可通過特定的級(jí)聯(lián)或串聯(lián)形式接于中、高壓電力系統(tǒng)以提升容量，現(xiàn)有的級(jí)聯(lián)式大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多采用H橋結(jié)構(gòu)以及基于模塊化多電平變換器MMC（Modular Multilevel Converter）結(jié)構(gòu)，其中儲(chǔ)能單元直接或間接與儲(chǔ)能換流器中的各功率單元相連，這類結(jié)構(gòu)中儲(chǔ)能單元的輸出功率受到級(jí)聯(lián)換流器內(nèi)部交換功率的影響，儲(chǔ)能部分能量均衡控制較為復(fù)雜，并且需要同等數(shù)量的平波電感平抑功率單元的直流紋波［9-15］，系統(tǒng)損耗較大。因此，本文提出一種基于MMC結(jié)構(gòu)的級(jí)聯(lián)雙極型BESS，該系統(tǒng)可直掛于中、高壓母線處，且儲(chǔ)能部分與MMC獨(dú)立，在系統(tǒng)對(duì)稱時(shí)可實(shí)現(xiàn)MMC與儲(chǔ)能單元的功率解耦。本文通過分析該系統(tǒng)原理建立了數(shù)學(xué)模型，從結(jié)構(gòu)及內(nèi)部特性兩方面與現(xiàn)有的高壓大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，提出儲(chǔ)能單元功率控制及SOC均衡控制策略，并提出不對(duì)稱工況下的直流波動(dòng)抑制策略，最后利用RTDS進(jìn)行數(shù)字-物理閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及算法的正確性。

1 基于MMC結(jié)構(gòu)的級(jí)聯(lián)雙極型BESS

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)［10］提出了一種中高壓BESS結(jié)構(gòu)，該儲(chǔ)能系統(tǒng)由H橋結(jié)構(gòu)的功率單元級(jí)聯(lián)而成，其中電池組直接并聯(lián)于每個(gè)功率單元的直流端。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，且可以直掛于中、高壓母線處。然而，該結(jié)構(gòu)各級(jí)聯(lián)模塊中的電池組可能分別處于充電或者放電狀態(tài)，導(dǎo)致其端電壓差異較大，且實(shí)現(xiàn)電池組荷電狀態(tài)SOC（State Of Charge）均衡較為困難，級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能變換器電流中包含較大紋波電流［11-12］。上述情況均會(huì)影響整體儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作性能，降低儲(chǔ)能單元的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)將危害系統(tǒng)安全。而且，由于電池直接并聯(lián)于各相級(jí)聯(lián)子模塊的直流母線上，當(dāng)某個(gè)電池組故障時(shí)需要直接旁路該級(jí)聯(lián)H橋功率單元，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行在不對(duì)稱狀態(tài)。文獻(xiàn)［13-14］提出了一種可擴(kuò)展式BESS，電池組經(jīng)過帶高頻隔離的DC／DC換流器連接于各全控橋的直流母線上，經(jīng)連接電抗與交流母線相連。此結(jié)構(gòu)可更靈活地控制電池組的充放電過程，且與交流系統(tǒng)間存在電磁隔離，使系統(tǒng)運(yùn)行更加安全可靠。然而，由于此結(jié)構(gòu)需要大量的全控器件以及磁性元器件，因此不適用于級(jí)聯(lián)數(shù)較多的情況。文獻(xiàn)［15］提出了基于MMC的儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)MMC子模塊采用AC／DC／DC的雙極形式，儲(chǔ)能單元通過DC／DC變換器并聯(lián)于各子模塊直流電容兩端。該系統(tǒng)不僅適用于高壓大容量場(chǎng)合，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度模塊化，各儲(chǔ)能單元相對(duì)獨(dú)立，便于控制?；趦?chǔ)能系統(tǒng)的雙極型結(jié)構(gòu)，本文提出一種級(jí)聯(lián)雙極型大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 級(jí)聯(lián)雙極型BESS結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of cascaded bipolar BESS

不同于文獻(xiàn)［15］，該系統(tǒng)將儲(chǔ)能單元整體從MMC中獨(dú)立出來，利用經(jīng)典MMC及MMC直流橋臂構(gòu)成級(jí)聯(lián)雙極型結(jié)構(gòu)。MMC直流橋臂由半橋子模塊與直流阻抗構(gòu)成，其中儲(chǔ)能單元替換了半橋子模塊中的電容。本文提出的級(jí)聯(lián)雙極型BESS具有高度模塊化的優(yōu)點(diǎn)，因此適用于高壓大容量場(chǎng)合，且與現(xiàn)有級(jí)聯(lián)式大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)相比結(jié)構(gòu)更為緊湊，儲(chǔ)能單元可進(jìn)行靈活的獨(dú)立控制，更容易實(shí)現(xiàn)各儲(chǔ)能單元間的能量均衡控制。

1.2 工作原理

由圖1可知，本文提出的BESS可分為兩部分，即交流MMC部分與MMC直流橋臂。交流MMC部分通過調(diào)節(jié)逆變電壓實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)四象限運(yùn)行；MMC直流橋臂工作在DC／DC狀態(tài)對(duì)儲(chǔ)能單元進(jìn)行能量控制。

MMC直流橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，其中Ld為直流側(cè)濾波電感。本文采用載波移相PWM策略［16］控制M組全控器件（M為直流橋臂子模塊數(shù)），圖2（b）中以M=3為例說明了載波移相調(diào)制算法下的MMC直流橋臂PWM調(diào)制機(jī)理。MMC直流橋臂工作原理如下，假設(shè)其工作在Buck模式下且電流連續(xù)，各子模塊占空比為D，電池組電壓均為ub，令：

圖2 MMC直流橋臂結(jié)構(gòu)及調(diào)制機(jī)理Fig.2 Structure of MMC DC bridge and its modulation principle

則有：

電路工作在高頻狀態(tài)下，忽略電感電阻，電感電壓可近似表達(dá)為：

其中，ΔIL為電感電流波動(dòng)分量。由圖2可知，當(dāng)各子模塊占空比D相同時(shí)，電感電壓變化幅值為ub，且變化頻率為M倍的子模塊開關(guān)頻率fs，則有：

其中，F(xiàn)=floor（MD），floor（x）為向下取整函數(shù)。

同理，根據(jù)式（3）可推導(dǎo)出文獻(xiàn)［15］中各子模塊濾波電感電流紋波為：

其中，usm為MMC子模塊電容電壓；L為文獻(xiàn)［15］中子模塊濾波電感。

綜上所述，相比較于文獻(xiàn)［15］中級(jí)聯(lián)式儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)而言，本文提出的結(jié)構(gòu)主要優(yōu)勢(shì)可以總結(jié)為2點(diǎn)：首先，在一定的輸出電流紋波下，本文提出的儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)能單元級(jí)聯(lián)數(shù)M與其濾波電感值Ld成反比，對(duì)比式（4）、式（5）可知，當(dāng)設(shè)計(jì)2種結(jié)構(gòu)中儲(chǔ)能系統(tǒng)濾波電感電流紋波相等時(shí)，即 ΔI′L=ΔIL，則有 Ld／L=ub／（2usmM），可以看出本文提出的儲(chǔ)能系統(tǒng)所需的濾波電感值更小且使用數(shù)量也大幅減少；其次，隨著級(jí)聯(lián)數(shù)的增加，接口電壓不斷升高，但直流橋臂中電感兩端的電壓保持為一個(gè)子模塊電壓，且等效開關(guān)頻率為子模塊開關(guān)頻率的M倍，因此可以有效降低電感紋波電流，從而減小系統(tǒng)損耗。因此本文提出的基于MMC的級(jí)聯(lián)雙極型BESS結(jié)構(gòu)更為緊湊，尤其適用于多儲(chǔ)能單元級(jí)聯(lián)的場(chǎng)合。

1.3 約束條件

由于BESS中MMC直流橋臂整體工作在DC／DC模式下，由式（2）可知，MMC直流母線電壓udc須小于電池組電壓之和u1。在運(yùn)行時(shí)，由于各電池組SOC不同或者存在個(gè)別電池組故障的情況，直流橋臂中某些子模塊不能處于正常充、放電狀態(tài)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮一定的裕量，則有：

其中，M為直流橋臂子模塊數(shù)；P為冗余子模塊數(shù)量；ubmin為子模塊電池組深度放電時(shí)的電池組端電壓。同時(shí)，MMC公共直流母線側(cè)電壓應(yīng)可以滿足裝置在額定容量下的四象限運(yùn)行，若忽略橋臂電阻，則有：

MMC直流橋臂的控制環(huán)節(jié)及電壓調(diào)制部分的非線性和延遲環(huán)節(jié)可以用小時(shí)間常數(shù)慣性函數(shù)GD（s）表示，即：其中，X為MMC等效連接電抗標(biāo)幺值；μ為MMC直流電壓利用率；upcc為系統(tǒng)相電壓幅值；m為MMC最大調(diào)制比。結(jié)合式（6）、（7）可以得到MMC直流公共母線電壓u2的約束范圍，進(jìn)而約束MMC直流橋臂中子模塊數(shù)M，以及每個(gè)子模塊應(yīng)串聯(lián)的電池組數(shù)。

2 電網(wǎng)對(duì)稱下的控制策略

根據(jù)上文對(duì)MMC直流橋臂工作原理的分析，并結(jié)合MMC交流側(cè)等效電路，可得到級(jí)聯(lián)雙極型BESS的等效電路如圖3所示。圖中，usa、usb、usc為系統(tǒng)電壓；uca、ucb、ucc為 MMC 等效輸出電壓；ia、ib、ic為 MMC輸出電流；upa、upb、upc和una、unb、unc分別為 MMC 上 、下橋臂各相輸出電壓；udc為MMC直流電壓；u2為MMC 直 流 橋 臂 輸 出 電 壓 ；Lseq、Ld、R 分 別 為 交 流MMC等效電感、MMC直流橋臂濾波電感及電阻。

圖3 級(jí)聯(lián)雙極型BESS等效電路Fig.3 Equivalent circuit of cascaded bipolar BESS

由于儲(chǔ)能系統(tǒng)中交流MMC與MMC直流橋臂相對(duì)獨(dú)立，且當(dāng)系統(tǒng)對(duì)稱時(shí)，MMC直流橋臂電流中不包含環(huán)流分量。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)交流MMC與MMC直流橋臂兩部分的獨(dú)立控制。

2.1 交流MMC控制策略

由圖3可知，交流側(cè)MMC輸出關(guān)系可表示為：

其中，x代表a、b、c三相；Lseq為 MMC 等效連系電抗電感值［17］，Lseq=0.5Ls，Ls為 MMC 橋臂電抗電感值。 通過行旋轉(zhuǎn)變換，可得dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的交流MMC輸出關(guān)系為（忽略序分量［19］）：

其中，isd和isq、ucd和ucq、usd和usq分別為交流 MMC 電流、等效輸出電壓以及系統(tǒng)電壓在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的瞬時(shí)值。采用基于dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的雙閉環(huán)算法對(duì)交流MMC進(jìn)行控制，包括電壓外環(huán)及電流內(nèi)環(huán)控制［16］，其中，d軸電流參考值為MMC公共直流母線電壓的調(diào)節(jié)量，以維持儲(chǔ)能系統(tǒng)公共直流母線電壓穩(wěn)定，q軸電流參考值為交流MMC無功功率輸出基準(zhǔn)值。

2.2 MMC直流橋臂控制策略

由圖2可知，MMC直流橋臂中各子模塊流經(jīng)電流均為idc，且交流MMC電壓外環(huán)控制下直流母線電壓udc可視為恒定值，因此調(diào)節(jié)直流橋臂輸出電壓u2即可控制輸出電流，結(jié)合圖3中級(jí)聯(lián)雙極型BESS等效電路可知，MMC直流橋臂系統(tǒng)傳遞函數(shù)GS（s）可表示為：

其中，Td為慣性時(shí)間常數(shù)。與此同時(shí)，由于電池組內(nèi)部參數(shù)差異以及外部環(huán)境的影響，MMC直流橋臂中各電池在充、放電過程中都會(huì)出現(xiàn)狀態(tài)不均衡的現(xiàn)象［18］。這種不均衡現(xiàn)象會(huì)使得一些電池過充或過放，以至于影響儲(chǔ)能設(shè)備的正常運(yùn)行及電池組的使用壽命。通常利用SOC衡量電池組充放電狀態(tài)，MMC直流橋臂中第 j（j=1，2，3，…，M）個(gè)子模塊中電池組的SOC可表示為：

其中，Qj和QT_j分別為第j個(gè)電池組的初始電量和額定電量。

通過上述分析可知，MMC直流橋臂部分控制策略中應(yīng)包含兩部分：直流電流控制和SOC均衡控制，控制框圖如圖4所示。

圖4 MMC直流橋臂控制策略Fig.4 Control strategy of MMC DC bridge

直流電流控制為級(jí)聯(lián)雙極型BESS中儲(chǔ)能電池與系統(tǒng)有功功率交換的核心控制策略，指令值由上層控制系統(tǒng)根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)需要吸收或釋放的有功功率指令計(jì)算得來，采用調(diào)節(jié)器GR_dc（s）對(duì)MMC直流橋臂電流偏差進(jìn)行控制，其偏差量作為直流橋臂各子模塊輸出電壓調(diào)制波的一部分。SOC均衡控制則是通過調(diào)節(jié)MMC直流橋臂中各電池組的投入時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的，其基準(zhǔn)值Savg為各電池組SOC平均值，采用調(diào)節(jié)器GR_soc（s）對(duì)各模塊SOC偏差進(jìn)行控制，其偏差量作為MMC直流橋臂各子模塊輸出電壓調(diào)制波的另一部分。 調(diào)節(jié)器 GR_dc（s）、GR_soc（s）可表示為：

根據(jù)圖4可得MMC直流橋臂的開環(huán)傳遞函數(shù)，根據(jù)幅值最優(yōu)原理選取各調(diào)節(jié)器參數(shù)，可得：

3 不對(duì)稱補(bǔ)償策略

當(dāng)電網(wǎng)對(duì)稱且儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出正序電流時(shí)，由于交流MMC具有單相功率特性［19］，因此各相橋臂輸出瞬時(shí)功率分量中包含2倍頻分量，該分量體現(xiàn)為交流MMC各橋臂間的環(huán)流分量，且不流入MMC直流橋臂。因此，對(duì)比文獻(xiàn)［15］，本文提出的級(jí)聯(lián)雙極型BESS在對(duì)稱條件下無需進(jìn)行復(fù)雜的相間及橋臂間能量均衡控制，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能環(huán)節(jié)與交流系統(tǒng)間的功率解耦。

然而，當(dāng)電網(wǎng)不對(duì)稱或者儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出三相功率不對(duì)稱時(shí)，交流側(cè)各相瞬時(shí)功率可表達(dá)為：

其中，pxavg為各相功率平均值；px2+、px2-和px20分別為各相2倍頻瞬時(shí)功率分量的正序、負(fù)序和零序分量。px2+和px2-分量對(duì)交、直流側(cè)功率均無影響，僅表現(xiàn)為交流MMC內(nèi)部環(huán)流分量［20］。pxavg和px20分量則直接影響儲(chǔ)能系統(tǒng)交、直流側(cè)功率特性，可表示為：

其中，x=0，1，2 分別對(duì)應(yīng) a、b、c 三相；usp、usn分別為電網(wǎng)正、負(fù)序電壓幅值；ip、in分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)交流輸出正、負(fù)序電流幅值；φup、φun分別為電網(wǎng)正、負(fù)序電壓初相角；φip、φin分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)交流輸出正、負(fù)序電流初相角。根據(jù)式（16）可知，不對(duì)稱工況下各相平均功率中包含兩部分，其中pavg0為各相平均功率的等幅部分，而pavg1在各相中均不相等。根據(jù)功率守恒定律可知，儲(chǔ)能系統(tǒng)交流側(cè)平均功率應(yīng)與直流功率相等（忽略換流器損耗），因此直流功率在各相中的分量不等。與此同時(shí)交流瞬時(shí)功率中包含2倍頻波動(dòng)分量，該分量將造成MMC直流橋臂電流、電壓的2倍頻波動(dòng)。直流側(cè)的2倍頻電流分量將導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)電流應(yīng)力及系統(tǒng)損耗增大，電池組輸出諧波分量增加，影響電池組使用壽命及儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此應(yīng)采取相應(yīng)補(bǔ)償控制策略將其消除。由于本文提出的級(jí)聯(lián)雙極型BESS的交直流獨(dú)立特性，可通過對(duì)MMC直流橋臂控制算法中加入前饋分量抑制直流電流中的2倍頻分量，其控制框圖如圖5所示。

圖5 不對(duì)稱補(bǔ)償策略Fig.5 Asymmetric compensation strategy

補(bǔ)償策略中采用快速傅里葉變換（FFT）提取直流電流中的2倍頻分量幅值，其與基準(zhǔn)值0的偏差量經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后，此調(diào)節(jié)量與直流電壓的2倍頻分量相乘，以提取其相位信息，從而與圖4中得到的MMC直流橋臂調(diào)制電壓相加，作為其前饋補(bǔ)償部分。當(dāng)控制達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，MMC直流橋臂中包含有與直流母線電壓幅值相等、相位相同的2倍頻波動(dòng)分量，從而抑制了直流橋臂2倍頻波動(dòng)。其中直流電壓的2倍頻分量由100 Hz的帶通濾波器Gbp_2（s）提取。

4 數(shù)字-物理閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 物理控制系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)的物理控制器采用主從結(jié)構(gòu)，通過Ethercat網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)以及命令通信。其中主控制器為通信主站，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)控制，采用TM320F28335與TMS320C6713的雙DSP結(jié)構(gòu)，采樣頻率為6.4 kHz，主要負(fù)責(zé)儲(chǔ)能系統(tǒng)交流側(cè)電壓電流采樣、直流母線電壓電流采樣、交流MMC控制算法、調(diào)制策略及各子模塊電容電壓均衡控制；子控制器為從站，實(shí)現(xiàn)功率單元級(jí)控制，控制算法由TM320F28335實(shí)現(xiàn)，時(shí)序與主站相同，每一個(gè)子站可分別控制4個(gè)MMC單元，主要負(fù)責(zé)儲(chǔ)能系統(tǒng)中各子模塊的直流電壓電流采樣、觸發(fā)脈沖生成以及電池組SOC均衡控制。

4.2 數(shù)字-物理閉環(huán)仿真搭建

閉環(huán)仿真在RTDS環(huán)境下搭建，分別在大步長(zhǎng)與小步長(zhǎng)環(huán)境中搭建系統(tǒng)模型以及儲(chǔ)能系統(tǒng)詳細(xì)模型。閉環(huán)實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)電壓、交流輸出電流與直流母線電壓、電流分別通過功率放大器和RTDS前面板輸出至主控制器；子模塊直流電壓、儲(chǔ)能單元輸出電流由RTDS前面板輸出至各子控制器。與此同時(shí)，子控制器將開關(guān)信號(hào)經(jīng)由GTDI板卡輸入至RTDS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字-物理閉環(huán)。數(shù)字-物理閉環(huán)實(shí)驗(yàn)如圖6所示，其中下層控制中包含7個(gè)子站，分別控制6個(gè)交流MMC橋臂與1個(gè)MMC直流橋臂，構(gòu)成N=4、M=4的級(jí)聯(lián)雙極型BESS。

圖6 級(jí)聯(lián)雙極型BESS數(shù)字-物理閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Digital-physical closed-loop simulation of cascaded bipolar BESS

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

級(jí)聯(lián)雙極型儲(chǔ)能系統(tǒng)閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：系統(tǒng)額定電壓us=150 V，MMC直流母線電壓 udc=320 V，MMC橋臂子模塊數(shù)N=4，MMC子模塊直流電容容值C=4400 μF，MMC橋臂電感Ls=0.63 mH，MMC直流橋臂子模塊數(shù)M=4，蓄電池組額定直流電壓ub=120 V，MMC直流橋臂電感Ld=30 μH，開關(guān)頻率 fs=800 Hz，蓄電池組總電量 QT=5 kC（1.38 A·h）。

首先對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)在對(duì)稱工況下進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制算法的正確性。圖7所示為穩(wěn)態(tài)時(shí)的充放電仿真結(jié)果。

圖7 級(jí)聯(lián)雙極型BESS充放電仿真波形Fig.7 Simulative charging and discharging waveforms of cascaded bipolar BESS

圖8所示為儲(chǔ)能系統(tǒng)直流母線指令電流由20 A（放電）變化為30 A（充電）時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，輸出電流相應(yīng)速度在20 ms以內(nèi)。

圖8 級(jí)聯(lián)雙極型BESS充放電動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真波形Fig.8 Simulative waveforms of charging，discharging and dynamic response of cascaded bipolar BESS

仿真實(shí)驗(yàn)中采用設(shè)定各電池組初始電量Qj，并對(duì)采樣所得各蓄電池組輸出電流進(jìn)行積分模擬計(jì)算蓄電池組SOC。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置蓄電池組初始電量值Q1、Q2、Q3、Q4分別為 4.75 kC、4.25 kC、3.75 kC、3.25 kC。級(jí)聯(lián)雙極型BESS電池組SOC均衡控制仿真波形如圖9所示。

圖9 級(jí)聯(lián)雙極型BESS電池組SOC均衡控制仿真波形Fig.9 Simulative waveforms of SOC balancing control for battery packs of cascaded bipolar BESS

由圖9可知，當(dāng)以直流母線電流20 A對(duì)外放電時(shí)，經(jīng)過約2 min后（SOC每0.5 s記錄一次），4個(gè)電池組SOC得到均衡。

然后，本文在2種不對(duì)稱工況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分別為系統(tǒng)電壓的不對(duì)稱故障以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的不對(duì)稱電流輸出。2種工況下MMC直流橋臂輸出電流直流分量均設(shè)置為15 A，對(duì)稱補(bǔ)償策略在t=0時(shí)刻投入，其仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 級(jí)聯(lián)雙極型BESS不對(duì)稱補(bǔ)償控制仿真波形Fig.10 Simulative waveforms of asymmetric compensation control of cascaded bipolar BESS

圖10（a）中儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出負(fù)序電流幅值為20 A；圖10（b）中電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障，此時(shí)電網(wǎng)電壓的不對(duì)稱度達(dá)到了45%。仿真結(jié)果表明，不對(duì)稱工況下MMC直流橋臂中會(huì)出現(xiàn)較大的2倍頻電流波動(dòng)，采用本文提出的控制策略可以有效地抑制該波動(dòng)分量。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于MMC的級(jí)聯(lián)雙極型BESS。建立了其數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)多電池組SOC均衡策略；分析了儲(chǔ)能系統(tǒng)不對(duì)稱工況下的瞬時(shí)功率特性，提出了直流波動(dòng)分量的前饋抑制策略。實(shí)時(shí)數(shù)字-物理閉環(huán)仿真結(jié)果表明了儲(chǔ)能系統(tǒng)和控制策略的有效性。該系統(tǒng)特別適用于中、高壓或存在較多蓄電池組級(jí)聯(lián)的應(yīng)用環(huán)境。相比于現(xiàn)有級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為緊湊，且交直流環(huán)節(jié)相對(duì)獨(dú)立，便于實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的SOC均衡控制以及冗余設(shè)計(jì)，有較高的實(shí)用價(jià)值。

［1］蔡國偉，孔令國，潘超，等.風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的建模及并網(wǎng)控制策略［J］. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（9）：196-204.CAI Guowei，KONG Lingguo，PAN Chao，et al.System modeling of wind-PV-ES hybrid power system and its control strategy for grid-connected［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28（9）：196-204.

［2］丁明，徐寧舟，林根德.電池儲(chǔ)能電站靜態(tài)功能的研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（10）：242-248.DING Ming，XU Ningzhou，LIN Gende.Static function of the battery energy storage system［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27（10）：242-248.

［3］丁明，陳忠，蘇建徽，等.可再生能源發(fā)電中的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)綜述［J］. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37（1）：19-25.DING Ming，CHEN Zhong，SU Jianhui，etal.An overview of battery energy storage system for renewable energy generation［J］.Automation of Electric Power Systems，2013，37（1）：19-25.

［4］肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制［M］.北京：中國電力出版社，2004：124-132.

［5］姚勇，朱桂萍，劉秀成.電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量中的應(yīng)用［J］. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（1）：85-89.YAO Yong，ZHU Guiping，LIU Xiucheng.Improvement of power quality ofmicro-gridsby battery energy storage system ［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27（1）：85-89.

［6］BARRADO JA，GRINOR，VALDERRAMA-BLAVIH.Powerquality improvement of a stand-alone induction generator using a STATCOM with battery energy storage system［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2010，25（4）：2734-2741.

［7］黃偉，孫昶輝，吳子平，等.含分布式發(fā)電系統(tǒng)的微網(wǎng)技術(shù)研究綜述［J］. 電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（9）：14-18.HUANG Wei，SUN Changhui，WU Ziping，et al.A review on microgrid technology containing distributed generation system［J］.Power System Technology，2009，33（9）：14-18.

［8］丁明，陳中，程旭東.級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能變換器直流鏈紋波電流的抑制策略［J］. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29（2）：46-54.DING Ming，CHEN Zhong，CHENG Xudong.A scheme for suppressing DC ripple currentofcascade converterforenergy storage system［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29（2）：46-54.

［9］毛蘇閩，蔡旭.大容量鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制策略［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（9）：226-231.MAO Sumin，CAI Xu.Control strategy for power conditioning system of large capacity cascaded battery energy storage system［J］.Power System Technology，2012，36（9）：226-231.

［10］MAHARJAN L，INOUE S，AKAGI H.A transformerless energy storage system based on a cascade multilevel PWM converter with star configuration［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2008，44（5）：1621-1630.

［11］MAHARJAN L，INOUE S，AKAGI H，et al.State-Of-Charge（SOC）-balancing control of a battery energy storage system based on a cascade PWM converter［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24（6）：1628-1636.

［12］金一丁，宋強(qiáng)，劉文華.大容量鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)及其充放電均衡控制［J］. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31（3）：6-11.JIN Yiding，SONG Qiang，LIU Wenhua.Large scaled cascaded battery energy storage system with charge／discharge balancing［J］.Electric Power Automation Equipment，2011，31（3）：6-11.

［13］趙彪，于慶廣，王立雯，等.無主從自均流并聯(lián)并網(wǎng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)［J］. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36（21）：108-112.ZHAO Biao，YU Qingguang，WANG Liwen，et al.Parallel gridconnected system of non-master-slave and current-sharing battery energy storage［J］.Automation of Electric Power Systems，2012，36（21）：108-112.

［14］趙彪，于慶廣，王立雯，等.用于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)的雙向可拓展變流器及其分布式控制策略［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（增刊）：244-251.ZHAO Biao，YU Qingguang，WANG Liwen，et al.Bi-directional extensible converterand itsdistributed controlstrategy for battery energy storage grid-connected system［J］.Proceedings of the CSEE，2011，31（Supplement）：244-251.

［15］VASILADIOTIS M，RUFER A.Analysis and control of modular multilevel converters with integrated battery energy storage［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2015，30（1）：163-175.

［16］MONTESINOS-MIRACLE D，MASSOT-CAMPOS M，BERGASJANE J，et al.Design and control of a modular multilevel DC ／DC converter for regenerative applications［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28（8）：3970-3979.

［17］管敏淵，徐政.模塊化多電平換流器型直流輸電的建模與控制［J］. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（19）：64-68.GUAN Minyuan，XU Zheng.Modeling and control of modular multilevel converter in HVDC transmission［J］.Automation of Electric Power Systems，2010，34（19）：64-68.

［18］CAO J，SCHOFIELD N，EMADI A.Battery balancing methods：a comprehensive review［C］∥Vehicle Power and Propulsion Conference（VPPC）.Harbin，China：IEEE，2008：1-6.

［19］周月賓，江道灼，胡鵬飛，等.一種MMC-HVDC的直流電壓波動(dòng)抑制新方法［J］. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（27）：36-43.ZHOU Yuebin，JIANG Daozhuo，HU Pengfei，etal.A new approach for suppressing DC voltage ripples of MMC-HVDC［J］.Proceedings of the CSEE，2013，33（27）：36-43.

［20］韓少華，梅軍，鄭建勇，等.模塊化多電平換流器不對(duì)稱橋臂的環(huán)流穩(wěn)態(tài)分析［J］. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2014，34（7）：38-42.HAN Shaohua，MEI Jun，ZHENG Jianyong，et al.Steady-state analysis of unsymmetrical MMC bridge-arm circulating current［J］.Electric Power Automation Equipment，2014，34（7）：38-42.