基于MMC-BESS的子模块电池功率极限值分析

模块化多电平变换器(modularmultilevelconverter,MMC)是电池储能系统(batteryenergystoragesystems,BESS)功率变换的最佳选择之一。在基于模块化多电平变换器的电池储能系统(MMC-BESS)运行时,会出现子模块之间的有功功率分布不平衡情况,为评估系统稳定安全运行的合理性,需要对子模块功率极限值进行分析。因此,该文首先对MMC-BESS建模,分析其桥臂环流的功率传输特性,再提出相应控制策略,包括外部交流及电池功率控制和内部电容电压平衡及环流控制,可以实现相间和桥臂间功率不平衡时的稳定运行,而对于桥臂内功率不平衡,根据安秒平衡原理,从过调制角度对子模块电池功率极限值进行详细分析,得出功率极限值的计算方法。最后,通过仿真以及实验验证功率极限值分析及计算的正确性。

Reduced Switching-Frequency State of Charge Balancing Strategy for Battery Integrated Modular Multilevel Converter

A modular multilevel converter(MMC)integrated with split battery cells(BIMMCs)is proposed for the battery management system(BMS)and motor drive system.In order to reduce the switching losses,the state of charge(SOC)balancing strategy with a reduced switching-frequency(RSF)is proposed in this paper.The proposed RSF algorithm not only reduces the switching losses,but also features good balancing performance both in the unbalanced and balanced initial states.The results are verified by extensive simulations in MATLAB/Simulink surroundings.

基于非排序的MMC-BESS的SOC均衡策略

为降低模块化多电平储能系统在传统的基于排序的荷电状态平衡策略下的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的开关频率,减少系统在信号调制环节中对芯片资源的过度依赖,提出了一种非排序的SOC均衡策略,基本思想是根据子模块SOC大小进行分组,并对其施加不同的控制,以此降低IGBT的开关频率。在MATLAB/Simulink平台上建立的MMC-BESS并入10 kV电网的实验系统模型验证了所提出的策略相较于传统的SOC均衡策略有效地降低了IGBT开关频率。

Reverse-blocking modular multilevel converter for battery energy storage systems

Energy storage systems with multilevel converters play an important role in modern electric power systems with large-scale renewable energy integration.This paper proposes a reverse-blocking modular multilevel converter for a battery energy storage system(RB-MMCBESS). Besides integrating distributed low-voltage batteries to medium or high voltage grids, with the inherited advantages of traditional MMCs, the RB-MMC-BESS also provides improved DC fault handling capability. This paper analyzes such a new converter configuration and its operating principles. Control algorithms are developed for AC side power control and the balancing of battery state of charge. The blocking mechanism to manage a DC pole-topole fault analyzed in depth. Comprehensive simulation results validate both the feasibility of the RB-MMC-BESS topology and the effectiveness of the control and fault handling strategies.

MMC-BESS交直流功率控制研究

在建立MMC-BESS数学模型的基础上,实现了直流侧三相解耦的功率控制策略和交流侧同步旋转坐标系下有功和无功的解耦控制策略。实验验证功率控制策略稳态下系统控制模型的准确性,暂态下系统控制模型的快速响应能力;交流侧有功无功的典型工况实验验证了系统交流侧功率解耦控制的能力。实验结果验证了MMC-BESS数学模型和功率控制策略的正确性。

基于MMC-BESS的风电场功率及电压综合调节策略

风电并网存在功率及公共耦合点(Point of Common Coupling,PCC)电压波动问题,常规方法为采用储能装置与无功补偿装置分别进行调节,但会导致系统结构复杂。文中研究了一种基于模块化多电平变换器拓扑的电池储能系统(Modular Multilevel Converter Based Battery Energy Storage System,MMC-BESS),可对风电场功率及电压进行综合调节。由于风速的随机性导致风电场输出功率波动,提出将风电场有功功率输入到一阶低通滤波器中,滤波器输出与输入的差作为MMC-BESS有功参考信号,以平滑风电场并网功率。由于风电场负荷突变导致PCC电压波动,提出将PCC电压的d轴分量与额定值作差,通过PI调节生成无功参考电流,实现PCC电压调节,在模拟风电场场景下进行实验,实验结果验证了风电场中MMC-BESS四象限功率补偿能力。

面向中压直流配电网的模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制策略

模块化多电平电池储能系统(modular multilevel converter-battery energy storage system,MMC-BESS)中各子模块功率周期性波动,与其相连的电池组充放电状态频繁切换,产生额外的电荷吞吐量,危害电池储能系统寿命。当MMC-BESS用于中压直流配电网时,其交直流侧功率传输情况复杂多变,增大电荷吞吐量的抑制难度。因此,文中针对中压直流配电网中的MMC-BESS,提出一种基于二倍频环流注入的电荷吞吐量抑制策略。首先,构建中压直流配电网中MMC-BESS的数学模型;其次,剖析MMC-BESS电荷吞吐量的产生机理,分析不同运行方式下电荷吞吐量的影响因素;再次,提出基于二倍频环流注入的电荷吞吐量抑制策略,以系统总电荷吞吐量最小为目标,选取不同工况下需注入的最优二倍频环流分量;最后,多种工况下的仿真及实验结果表明,所提方法可有效抑制中压直流配电网中MMC-BESS的电荷吞吐量。

基于MMC的分布式储能系统及其快速SOC均衡控制策略

提高基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的分布式储能系统(distributed energy storage systems,DESS)的能量利用率,解决储能子模块(energy sub-module,ESM)荷电状态(state of charge,SOC)均衡问题至关重要。针对现有的SOC均衡控制策略的不足,提出内外分层的快速SOC均衡控制策略。外层针对桥臂间或相间的SOC差异,通过改进MMC模型预测控制(model predictive predictive control,MPC),配合自适应均衡系数,快速调整功率差额。内层引入自适应虚拟电阻法,根据ESM的SOC情况确定主导ESM,自适应调节各单元的虚拟电阻,产生相应的电压梯度,结合MMC排序算法使ESM按照各自SOC进行功率分配,从而实现ESM的SOC快速均衡,提高DESS能量利用率。通过在Matlab/Simulink构建仿真模型,证明了所提控制策略的有效性和可行性。

MMC结构的分布式光伏系统功率不平衡优化方案

模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)由于其模块化结构,已成为大规模光伏(photovoltaic,PV)并网逆变器的研究热点。然而,在不同光照强度和温度下,PV组件之间发电功率不同,导致MMC内部出现桥臂、相间功率不均衡。因此,该文先分析MMC-PV系统在功率不均衡下的表现机理,后提出一种基于MMC结构的光储电能路由,其控制策略在满足交、直流端口功率需求的同时,实现桥臂间和相间的功率自均衡,提高PV利用率和系统稳定性。同时,受桥臂内子模块功率传输极限的影响,对PV和ESS的配置约束作详细分析,最后,通过仿真以及实验验证所提拓扑及控制策略的正确性和有效性。

超导磁储能装置提高柔性直流配电系统稳定性的研究

柔性直流配电系统中定功率控制的换流器具有恒功率负载特性,会降低系统阻尼,对系统的稳定性产生不利影响。针对该问题,在直流配电系统中加入超导磁储能SMES(superconducting magnetic energy storage)装置来提高系统的稳定性。推导了柔性直流配电系统的反馈控制模型,采用频域分析法研究了换流器恒功率负载特性对系统稳定性的影响,并结合数学模型和频域分析,指出SMES装置能够为电网提供正阻尼,增大了系统开环传递函数在剪切频率处的相位裕度,从而改善了系统稳定性。为防止超导磁体两端电压过高,SMES装置与直流配电网连接的DC/DC换流器需具备一定的电压调节性能,因此研究了采用模块化多电平DC/DC换流器DC-MMC(modular multilevel DC/DC converter)的SMES装置,通过调节子模块个数灵活设置换流器电压变比,在实现换流器能量双向流动的同时控制超导磁体两端电压,以保护储能装置。最后通过时域仿真波形验证了采用DC-MMC的SMES装置在提高柔性直流配电系统稳定性方面的可行性和有效性。

部分接入电池储能系统的模块化多电平换流器控制方法

部分接入电池储能系统的模块化多电平换流器(MMC with partly integrated BESS,MMCPBESS)可以在接入储能的同时节约建造成本,但其控制更加复杂。针对下桥臂接入储能电池的MMC-PBESS拓扑,建立数学模型及等效电路。在此基础上给出电容电压均衡策略,提出了上/下桥臂分控的控制策略,并分析了其运行边界。在MATLAB/Simulink平台搭建仿真模型,仿真了不同交直流功率比例的运行工况,所提控制策略可以在维持电容电压平衡的同时实现对电池充电的功能。该策略无需额外的环流计算,上下桥臂控制解耦,简单灵活。

基于MMC的超级电容与蓄电池混合储能系统及其混合同步控制策略

为满足储能系统提供惯量和一次调频支撑功能需要对多类型储能介质集中配置和优化调控的需求,针对基于模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)的新型混合储能系统(hybrid energy storage system,HESS)MMC-HESS,提出了混合同步控制(hybrid synchronous control,HSC)整体策略。MMCHESS采用模块化设计,将超级电容和蓄电池分别安置在高压直流母线侧和子模块内,具备高功率密度和高能量密度的优势。阐述了混合储能系统的拓扑结构和工作原理并采用混合同步控制策略提供系统惯量和一次调频功能及故障限流时的同步能力和孤岛并网切换功能,采用滤波器实现储能功率分配,采用荷电状态(state of charge,SOC)均衡控制实现蓄电池能量均衡。最后,基于硬件在环实验平台,验证了所提拓扑结构与控制策略的可行性和有效性。实验结果表明:所提混合储能系统及其控制策略具备惯量与频率支撑能力,在故障限流、正常并网、孤岛运行之间可灵活切换,能够有效发挥混合储能的综合优势,在中压配电网中具有良好的应用前景。

模块化多电平电池储能系统功率控制与均衡策略研究

大量可再生能源接入电网会影响电网的稳定性和电能质量。电池储能系统作为可再生能源与电网间传递电能的接口,具有平抑功率波动、调频调压、提高电网运行稳定性的作用。基于模块化多电平变流器(modular multi-level converter,MMC)的电池储能系统(battery energy storage system,BESS)有利于削弱电池不一致性所引起的短板效应,通过功率控制实现电池模块间的均衡。该文分析了MMCBESS的拓扑结构;针对MMC-BESS的直流侧、交流侧建立数学模型,通过控制能量的流动,提出一种对直流侧和交流侧的功率控制策略,以解决相间SOC均衡、桥臂SOC均衡、子模块间SOC均衡的问题,避免电池过充、过放,提高电池利用率;通过仿真模型验证了所提控制策略的有效性。

Application of MMC with Embedded Energy Storage for Overvoltage Suppression and Fault Ride-through Improvement in Series LCCMMC Hybrid HVDC System

The series line-commutated converter(LCC)and modular multilevel converter(MMC)hybrid high-voltage direct current(HVDC)system provides a more economical and flexible alternative for ultra-HVDC(UHVDC)transmission,which is the so-called Baihetan-Jiangsu HVDC(BJ-HVDC)project of China.In one LCC and two MMCs(1+2)operation mode,the sub-module(SM)capacitors suffer the most rigorous overvoltage induced by three-phase-to-ground fault at grid-side MMC and valve-side single-phase-to-ground fault in internal MMC.In order to suppress such huge overvoltage,this paper demonstrates a novel alternative by employing the MMC-based embedded battery energy storage system(MMC-BESS).Firstly,the inducements of SM overvoltage are analyzed.Then,coordinated with MMC-BESS,new fault ride-through(FRT)strategies are proposed to suppress the overvoltage and improve the FRT capability.Finally,several simulation scenarios are carried out on PSCAD/EMTDC.The overvoltage suppression is verified against auxiliary device used in the BJ-HVDC project in a monopolar BJ-HVDC system.Further,the proposed FRT strategies are validated in the southern Jiangsu power grid of China based on the planning data in the summer of 2025.Simulation results show that the MMC-BESS and proposed FRT strategies could effectively suppress the overvoltage and improve the FRT capability.

基于模块化多电平换流器的超级电容储能系统高效仿真方法

基于模块化多电平换流器的超级电容储能系统(MMC-SCES)半导体开关器件数量众多,仿真规模庞大,给电磁暂态仿真效率带来了巨大的挑战。针对此问题,基于桥臂戴维南等效电路提出了一种高效的MMC-SCES电磁暂态仿真方法。该仿真运用嵌套快速求解方法对MMC-SCES进行建模,不仅可以大幅降低仿真耗时和保持仿真精度,还可以保留换流器的所有动态变量。搭建了双端MMC-SCES仿真系统,对所提出的高效仿真方法进行了验证。结果表明:相比于基于平均值模型的仿真方法,所提出的高效仿真方法具有更高的精度,能够拟合子模块内部动态变量;相比基于详细开关模型的仿真方法,所提出的高效仿真方法的仿真速度最高可提升约518倍,而仿真的绝对误差标幺化积分则控制在1%以内。

基于模块化多电平变换器的光伏发电系统

模块化多电平变换器具有较高的功率因数、较低的输出电流谐波含量、较便捷的功率和电压等级扩展方法、较高的可靠性等优点,因而广泛应用于新能源发电领域。为此介绍一套由光伏电池阵列、储能电池、直流变换器、模块化多电平变换器等构成的光伏发电系统以及四种运行工况。然后介绍了变步长扰动观测法的最大功率跟踪技术,储能电池的充放电控制技术,模块化多电平变换器及其控制技术。通过仿真验证了模块化多电平变换器的光伏发电系统四种运行工况的可行性以及各单元控制策略的有效性,同时可以通过储能电池进行功率平衡控制,从而维持输送到电网的功率平衡。上述光伏发电系统及其控制技术为新能源发电领域提供了技术保障。

MMC-BESS电池荷电状态三级均衡控制策略

基于模块化多电平变换器拓扑的电池储能系统(Modular Multilevel Monverter based Battery Energy Storage System, MMC-BESS)可以同时输出有功、无功功率,适用于中高压、大功率的新能源并网场合。为解决储能单元的差异导致其荷电状态(State of Charge, SOC)不均衡的问题,提出了一种电池SOC三级均衡控制策略。首先针对各相间SOC差异,通过控制桥臂环流直流分量改变每相功率,实现了各相SOC均衡。其次针对同相内上下桥臂SOC差异,通过控制桥臂环流基波分量改变上下桥臂功率,实现了每一相内上下桥臂SOC均衡。最后针对同一桥臂内子模块SOC差异,通过重构调制波改变子模块功率,实现了所有子模块SOC均衡。实验结果验证了该控制策略的有效性。

Control Strategy of MMC Battery Energy Storage System under Asymmetrical Grid Voltage Condition

A battery energy storage system using modular multilevel converter(MMC)as the interfacing converter could have several inherent advantages when compared with battery energy storage systems based on two-level inverter or cascaded H-bridge converter.It can manage the state-of-charges(SOCs)of all batteries to be equal to avoid the overcharge or over discharge of single battery.The inherent power exchange characteristics using circulating currents could increase the control flexibility and consequently improve the output quality and the internal regulation capability.This paper investigates the operational principle and control strategy of MMC battery energy storage system under unbalanced grid voltage condition,where key issues of system model and corresponding control methods are very different from those under the normal grid voltage condition.The injected de current control,SOC balancing control and circulating current control methods are fully discussed in this paper.Finally,the theoretical findings were verified through Matlab simulation and a scaled down experimental prototype.

低压MMC-BESS主电路设计研究

MMC拓扑结构的电池储能系统具有交直流两个外部接口,可同时为交直流电网起到能量存储、缓冲和互联的作用。以实际工程应用为背景进行了60 kW/380 V的基于MMC拓扑的电池储能系统主电路及主参数设计。储能系统子模块采用半桥拓扑,储能电池经过LC滤波器接入子模块。根据直流端口与交流端口的电压约束关系,参考直流电压等级相关国家标准,确定了电池储能系统的直流端口额定电压为750 V。根据储能电池模块的电压运行范围,设计桥臂子模块数量为120个。基于并网、环流抑制和短路电流限制三个条件,确定了桥臂电感和交流侧并网电感值均为1 mH。可以为后续相关研究应用提供参考。

一种大规模链式电池储能系统分层式并行均衡器

针对大规模链式电池储能系统,提出一种分层式并行均衡器。该均衡器采用两层主动均衡:第1层均衡可实现电池系统中所有单体电池同时进行能量均衡,均衡速度快且不受串联单体电池数目的影响;第2层均衡可实现来自不同电池组的多个电池单元的并行均衡充、放电,均衡速度快、效率高。该文对均衡器工作原理和均衡控制策略进行分析,为验证所提均衡方法的有效性,搭建由12个单体锂离子电池串联组成的电池系统实验平台进行均衡实验。理论和实验结果均表明,该均衡拓扑的均衡速度快、均衡效率高、模块化强、易扩展。