基于MMC的光储系统控制策略研究

卢奇 洪晓燕 李佳鹏 李凯

摘要：光储系统在一定程度上实现了分布式光伏电源和储能系统的功率互补，保证了电网系统安全、稳定运行，同时提高了电能质量。现提出一种光储系统控制策略，从模块化多电平变流器入手，将光伏逆变器和变流器加入光储系统，同时实现了光伏发电和电池储能两大功能，具有输出电压高、功率开关电压应力小以及开关频率低等优点。从调制策略、功率控制、荷电状态均衡控制等方面对所提控制策略进行了研究，Simulink仿真证明了策略的可行性和有效性。

关键词：光伏发电;电池储能;模块化多电平变流器;功率控制;荷电状态均衡控制

0    引言

近几年来，太阳能等清洁可再生能源受到了人们的广泛关注。但传统光伏发电系统存在诸多不足，尤其考虑到太阳能的随机性和间歇性，其导致了电网电压和频率波动以及继电保护装置不正常工作等问题。针对以上问题，传统的两电平和三电平变流器技术备受关注并被广泛应用，该技术通过串并联诸多小容量的电池单体的工作原理来实现储能大容量化。但电池的串并联会导致系统发生不均衡，很大程度上危害了电池寿命和系统的安全稳定运行，这就意味着系统的电池管理模块将成为研究焦点。

模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的模块化程度较高，因而冗余性、波形质量和开关损耗等关键控制目标都得到了很好的改善，因此模块化多电平变流器在光伏发电领域受到了大多数研究者的青睐[1-2]。与此同时，模块化这一特点决定了储能单元在整体结构中以低压分散的形式存在，模块电池组电压等级可供选择的范围增大[3-5]。除了这些特点外，MMC光储系统对电力系统其他方面也有很大影响：系统的运行效率因为光伏和储能的结合大大提高，整个系统的可靠性也得到改善;更重要的是，光储系统能量的消耗和储存能够通过对交流电网功率流动的控制从而得到合理控制[6-8]。因此，本文将基于MMC的光储系统作为对象，对其控制策略展开了研究，目的在于提高光储系统的电能质量及输出效率。

1    MMC光储系统的拓扑结构及工作原理

1.1    MMC光储系统的拓扑结构

图1是MMC光储系统主电路的结构图，图中PV代表光伏阵列，C1和C2为直流侧滤波电容，Ls是交流侧滤波电感，La是桥臂滤波电感。其结构与传统MMC构造基本相同。

储能子模块结构如图1右上所示，一个储能子模块单元中，T1、T2为两个可控开关器件，D1、D2为两个反并联二极管，C0代表子模块电容，低压储能电池为Bat。如果忽略子模块与电池之间的线路阻抗，并联在直流侧的储能子模块电容电压等于电池电压，故分析时储能电池电压可认为其保持一个恒定值。针对该拓扑，本文选用的是载波移相调制（Carrier Phase Shifting Pulse Width Modulation，CPS-PWM），通过三角载波与调制波比较输出所需的控制信号。

1.2    储能子模块的工作原理

储能子模块工作原理如图2所示。

由图可得，储能子模块的工作模式如表1所示。

根据上述分析可知，每个桥臂带有的4个子模块可以引发5电平的阶梯波。由此可以得出，储能子模块的工作模式决定了MMC交流侧输出多电平电压、对交流电压的精准控制以及直流电压的控制。

2    MMC光储系统的功率控制

2.1    交流接口电流的控制

静止坐标系下MMC系统的单相等效电路经坐标变换后得旋转坐标系下数学模型，其中的id、iq依然互相牵制，没有实现对控制电流id、iq的完全解耦，因而本文采用PI调节对电流id、iq进行控制。交流接口的输出电压ud、uq控制方程如下：

式中：id*、iq*分别为dq坐标系下交流接口电流的参考值;kp为比例调节系数;ki为积分调节的参数。

控制原理如图3所示，uxref为交流接口电压控制信号，通过对uxref的控制進而控制ix。

2.2    光伏阵列接口电流的控制

在三相对称MMC系统中，流经三个桥臂的光伏阵列的电流是相同的。一旦ix被控制住，光伏阵列接口电流idc会因三相上、下桥臂电流之和变化而发生改变。而MMC系统在大多数情况下处于不平衡状态，这就决定了光伏阵列接口电流idc会产生高次环流，因此抑制ijf就显得很有必要。光伏阵列接口电流的控制原理图如图4所示，图中目标值Idc*/3的作用是使得光伏阵列接口电流在三相中均匀分配。

由此可以得出桥臂电压表达式：

图5为模块化光储系统的整体控制结构图，其中upj_ref和unj_ref分别为上、下桥臂的调制信号。

3    MMC光储系统的SOC均衡控制

3.1    相间SOC均衡控制

子模块电池在最开始或者工作一段时间后各相的平均SOC会有所不同，采取措施使得各相的SOC近似相同。为了实现各相SOC均衡，本文采取控制光伏阵列接口环流分量的策略。具体原理是人为改变光伏阵列接口电流在各相中的分配比例，从而每相子模块电池的充放电功率也随之发生相应的变化。原理图如图6所示，图中的Idc*′/3即为重新分配比例后的各相电流环流分量。

3.2    相内SOC均衡控制

级联结构中，电池的充放电功率与各个子模块的电压是正比关系，因而只需对各个子模块的电压叠加一个相应的分量，从而改变各个模块功率分配，以此来实现相内电池SOC的均衡控制。具体如图7所示。

4    仿真结果分析

为验证本文所提出控制策略的可行性，以表2所示的参数进行仿真。

图8为交流输出端三相电压，由于MMC的PVG-BESS的多电平输出特性，输出电压基本为五电平的正弦波。图9为交流输出端三相电流，波形同样基本为正弦波，波形质量有待进一步提高。图10为网侧端三相电压，波形为标准的正弦波。

图11为0.5 s时三相子模块组SOC均衡控制的仿真结果，三相子模块组SOC初始值分别为40%、50%、60%。图11为A、B、C三相第一个子模块电池的SOC变化曲线，从图中可以看出，当系统加入了SOC平衡控制，0.5 s时，子模块a1的SOC从40%上升到了40.013%，增加了0.013%;子模块b1的SOC从50%上升到了50.003 6%，增加了0.003 6%;子模块c1的SOC从60%上升到了60.000 75%，增加了0.000 75%。可以看出，在整个过程中三相的子模块电池朝着同一方向变化，近似均衡，且SOC小的增长快，SOC大的增长慢，符合均衡控制的预期。

5    结语

本文将MMC、电池储能、光伏发电三者结合，给出了基于MMC的PVG-BESS的控制方法，包括调制策略、交直流功率控制、SOC均衡控制，并针对每个部分建立了数学模型，给出了控制策略。电池与外部直流接口、外部交流接口之间进行的能量转移，在很大程度上避免了传统光伏发电系统电能质量不可靠的问题，这一控制系统对大容量新能源发电系统有很大的价值。本文基于该控制系统提出的子模块SOC均衡控制策略，是通过人为调控光伏阵列接口电流在各相中的分配比例使各蓄电池SOC趋向均衡的。此外，该系统在降低柔性直流输电系统和储能系统成本的同时提高了装置的可靠性，使得整个系统结构更紧凑，也更便于维护。

[参考文献]

[1] 郭捷，胡鹏飞，周月宾，等.具有储能功能的模块化多电平换流器的控制方法[J].现代电力，2015，32（5）：73-78.

[2] 王姗姗，周孝信，汤广福，等.模块化多电平电压源换流器的数学模型[J].中国电机工程学报，2011，31（24）：1-8.

[3] 丛晶，宋坤，鲁海威，等.新能源电力系统中的储能技术研究综述[J].电工电能新技术，2014，33（3）：53-59.

[4] 张卓阳，邓超平，凌志斌.基于MMC的光伏发电-电池储能系统控制策略[J].电气传动，2017，47（5）：45-49.

[5] 吕祎林.基于MMC拓扑的光伏并网系统研究[D].合肥：合肥工業大学，2018.

[6] 王帅.基于模块化多电平变流器的光储系统研究[D].北京：北京交通大学，2017.

[7] 徐怡.光储一体化微电网主逆变器控制策略研究[D].南京：南京航空航天大学，2015.

[8] 黄永烁.基于MMC的电池储能系统控制策略研究[D].武汉：华中科技大学，2019.

收稿日期：2020-07-29

作者简介：卢奇（1981—），男，吉林四平人，工程师，研究方向：能源领域基础科学和应用技术、能源材料问题关键核心技术深化挖掘在智能电网与智慧用电中的实践。