级联H桥电池储能系统的小容量等值设计

何领风, 田凯, 凌志斌, 李旭光

(1.上海交通大学 电力传输与功率变换控制教育部重点实验室,上海 200240; 2.国网江苏电力有限公司苏州供电分公司,江苏 苏州 215000)

0 引 言

级联H桥电池储能系统(cascaded H-bridge based battery energy storage system,CHB-BESS)因其模块化程度高和结构简单等特点,近年来受到了广泛的应用。为确认控制策略是否满足控制指标,可以采用软件模型仿真和硬件在环仿真的方法。但软件模型仿真不仅与实际对象存在偏差,而且无法反映实际控制器的延时和采样误差,硬件在环仿真同样无法保证被控对象模型与实际对象的一致,而且常需要对控制器与仿真平台的控制信号做一些转化处理,使得硬件在环仿真的控制器与实际控制器之间存在一定的差异。根据实际大容量系统及其主电路参数,建立小容量等值系统并进行控制验证,是最为完善的控制器和控制策略的验证方法。

目前研究未见对CHB-BESS进行软件仿真,相近的研究有构建等效系统模型和动态等值方法。

目前国内外主要通过电化学模型和等效电路模型对储能电池进行简化,进而构建等效系统模型。文献[1]采用实时数字仿真手段,完成了其兆瓦级储能系统控制策略的研究测试。文献[2]从锂电池组建模、储能变流器和换流变压器参数设计、控制策略以及等值建模方法对储能电站仿真,仿真测试结果表明,等值的储能电站模块,能够实现每个储能模块的基本功能。文献[3]采用了基于戴维南定理和模拟受控流源理论对储能发电厂的等值仿真进行模拟,并分析了储能电站的暂态特性。

动态等值方法是指对电力系统进行动态等值简化,在保持必要精确度的前提下能提高系统分析计算效率。文献[4]根据同调等价法给出了动态等值效果量化评价方法。文献[5]提出了适用于同调等值法的感应电动机群参数聚合的实用算法。文献[6]提出了基于物理等效和基于全球定位系统的同步相量测量单元的动态等值方法。

数字仿真系统和动态等值的方法虽然能在一定程度上近似地研究CHB-BESS的特性,但是实际的元器件与理论等值和仿真存在一定差别,因此需要小容量等值系统对大容量系统进行验证,以满足最大程度的对大容量系统实际运行状态的模拟。

1 CHB-BESS控制系统设计

1.1 CHB-BESS控制模型

CHB-BESS结构如图1所示,子模块为H桥拓扑。图1中:uga/b/c为电网电压;ia、ib、ic为输出电流;ua、ub、uc为输出电压。

图1 CHB-BESS拓扑结构

(1)

式中:UN为系统额定电压;SN为额定容量;ω为电网工频角速度。

图2 d轴和q轴电流控制框图

Td=1.5Tsw

(2)

式中:Tsw为系统等效开关周期。

1.2 控制系统PI参数设计

电流环开环传递函数Gopen(s)如下:

(3)

考虑到当系统在穿越频率的增益为1:

(4)

Ki=Kpωzt

(5)

式中:ωcr为穿越频率;ωzt为转折频率;ωsw为等效开关频率。可选的关系如下:

(6)

满足并网电感标幺值和等效开关频率不变的条件后,PI参数固定,系统dq轴电流的开环传递函数固定,此时系统电流动态特性是一致的。

2 小容量等值的CHB-BESS设计

小容量等值设计需满足两个要求:一是电流或电压动态特性与大容量系统一致;二是子模块内部若干指标与大容量系统一致。本文设计中,除了使系统的电流动态特性一致外,还使子模块的电容电压和电池电流二倍频波动占直流分量比例相等。

2.1 带滤波器的子模块模型

子模块拓扑结构如图3所示,在电池两端并联LC滤波器以抑制电池电流波动。图3中:iB为电池电流;UB为电池电压;UC为滤波器电容电压;idj为滤波器电流;ij为子模块输出电流;uj为子模块输出电压;Ldc、Cdc、Rdc分别为滤波器的电感、电容和电阻。滤波器谐振频率ω0和品质因数Q如下:

(7)

图3 系统子模块拓扑结构图

(8)

(9)

(10)

(11)

2.2 滤波器电容电压小容量等值参数设计

解微分方程组,得到UC(t):

(12)

式中:C1、C2为衰减分量的系数。其他分量由式(13)给出。

(13)

当衰减分量减小到零,电容电压仅剩直流分量和二倍频交流波动。二倍频波动相对于直流分量的比例如下:

(14)

若保证滤波器的谐振频率和品质因数不变,则电容电压二倍频波动公式可转化为式(15)。

(15)

(16)

(17)

(18)

2.3 电池电流小容量等值参数设计

由式(11),忽略谐振频率附近的分量,得到稳定状态的电池电流函数。

(19)

其中:

(20)

得到电流二倍频电流波动的幅值与直流分量的比值IB100/IB0如下:

(21)

因此电池电流的二倍频波动占比仅与滤波器的谐振频率和品质因数以及工频角频率相关。

3 小容量等值设计的仿真验证

3.1 电池电流小容量等值设计

对实际应用的2 MW/10 kV大容量系统进行小容量等值设计,使小容量系统在220 V电压下并网。大容量系统给定了额定电压、容量,子模块数目,子模块电池电压、内阻,并网电感值,以及滤波器电感值、电容值;小容量系统给定了额定电压、容量、子模块电池电压和电阻。大、小容量系统的参数如表1所示。

表1 大容量系统和小容量等值系统参数

此外系统的PI参数相同,调制方式均为单极性倍频调制和移相载波调制。子模块功率器件开关频率为1 kHz,因此子模块输出的频率为2 kHz,系统等效开关频率fsw为32 kHz。按照图4所示的步骤进行计算。

图4 小容量等值系统参数计算步骤

3.2 小容量等值系统参数验证

在Simulink下对大、小容量系统进行仿真。令d轴电流参考值的标幺值在0.02 s时刻从0跳变到1,如图5所示。大小容量系统d轴电流标幺值的暂态响应波形接近。且电流稳定时间都小于0.005 s,因此系统稳定性较好。

图5 大容量系统和小容量系统d轴电流动态响应

在系统进入稳态后,子模块电容电压、电池电流二倍频占比如表2所示。可见大、小容量系统在电容电压、电池电流的波动特性接近,并且仿真数值与理论值接近。

表2 子模块电容电压和电池电流 二倍频占直流分量比及其相对误差 单位:%

4 结束语

本文提出的CHB-BESS小容量等值设计能满足电流动态响应特性与大容量系统非常相近,并且滤波器电容电压、电池电流二倍频波动占比与大容量系统相近,符合理论预期。因此小容量等值系统的设计能满足对大容量系统滤波器电容电压、电池电流二倍频波动的等效反映。本文方法能将大容量CHB-BESS等值设计成小容量系统并在低压电网下实机试验,为未来CHB-BESS的大规模应用提供基础。