基于儲能型模塊化多電平系統的多時間尺度控制策略

2017-10-16 10:54:47 電工技術學報　點擊量：評論 (0)

山東大學電網智能化調度與控制教育部重點實驗室的研究人員李楠、高峰，在2017年第17期《電工技術學報》上撰文，將模塊化多電平變換器作為電池儲能裝置的并網變換器,可在平抑新能源輸出功率波動的同時實現儲能裝置

山東大學電網智能化調度與控制教育部重點實驗室的研究人員李楠、高峰，在2017年第17期《電工技術學報》上撰文，將模塊化多電平變換器作為電池儲能裝置的并網變換器,可在平抑新能源輸出功率波動的同時實現儲能裝置的直接并網,降低了系統成本。對于大規模電池儲能裝置而言,如何延長其使用壽命一直是學術界和工業界的研究熱點。

基于此,提出了一種適用于儲能型模塊化多電平系統的多時間尺度控制方法。根據不同的時間尺度劃分,可將整體控制分為三層,并為每層控制設定了各自的控制目標。在該控制方式下,僅需估算每個電池組的相對健康程度,即可確定各子模塊的輸出功率,進而改善電池組的健康狀況,使其趨于一致,延長儲能系統的使用壽命。最后通過Matlab仿真和實驗驗證了該控制方法的有效性和可行性。

近年來，隨著能源危機的逐漸加重，新能源在電網中的接入比例逐年增加。由于新能源發電具有波動性、間歇性和不確定性等特點，為現有電力系統的穩定運行帶來了巨大挑戰。

為了平抑新能源的出力波動，儲能技術受到了越來越多的重視。根據能量轉換方式的不同，儲能技術可分為機械儲能、電池儲能和化學儲能三種。其中電池儲能系統(BatteryEnergyStorageSystem，BESS)因其能量密度高、動態特性好等特點，成為應用最為廣泛的儲能裝置。

傳統儲能并網結構中，多個電池組間采用串、并聯連接以滿足儲能系統的輸出能量需求。而后經過DC-DC升壓電路、DC-AC逆變電路和并網變壓器實現并網功能。由于存在多個能量轉換過程，整體輸出效率受到一定影響。同時大量電池組的監測與調控也對電池能量管理系統(BatteryManagementSystem，BMS)提出了更為苛刻的要求。

模塊化多電平系統(ModularMultilevelConverter，MMC)因其輸出特性良好、可擴展性強等優勢，在中/高壓大功率場合具有廣泛應用前景。若能將儲能電池分置于MMC的各個子模塊中，則可在保有良好輸出特性的同時，利用相間環流對各個電池組進行靈活調控，實現多種控制目標。

文獻［9］指出，電動汽車中應用的儲能電池，在其壽命終結后，仍具有70%-80%的容量，能夠滿足儲能裝置的應用需求。因此，本文以電動汽車中淘汰的二次電池作為研究對象，考慮其健康程度(StateofHealth，SOH)對控制造成的影響，具有實際意義。

文獻［10］中將儲能型模塊化多電平系統(BatteryIntegratedModularMultilevelConverter，B-MMC)應用于電動汽車領域，并分別對常規行駛、交流充電和直流充電狀態進行了相關分析。由于在電動汽車中需要保證輸出功率的最大化，各個電池組間的荷電狀態(StateofCharge，SOC)保持一致。

文獻［11］中則將電池儲能裝置與級聯型H橋電路相結合，實現儲能并網功能。該情況下并未考慮電池組間不同SOH狀態對系統壽命造成的影響。文獻［12］針對B-MMC系統中電池組間的不同SOH狀態進行了研究，并為每個電池組設計了特定的弧形放電曲線。由于弧形放電曲線的變化速率會在臨界點處發生變化，因此能夠利用的放電曲線部分相對較小。

基于此，本文提出了一種針對B-MMC系統的多時間尺度控制方法。根據時間尺度的不同，可將整體控制結構分為三層。其中，長時間尺度下主要進行電池組的相對健康程度(RelativeStateofHealth，R-SOH)估計，并據此分配各個電池組的輸出功率參考，確定各自放電曲線;中時間尺度下通過調整子模塊的開關信號占空比，實現放電SOC曲線的跟蹤;短時間尺度下則進行環流和輸出電流調控，實現相間與橋臂間的能量傳輸，提升系統整體效率，滿足并網要求。最后，分別在Matlab仿真平臺和實驗室平臺下搭建了BMMC系統，通過仿真與實驗驗證了控制策略的有效性和可行性。

圖9多時間尺度控制整體框圖

結論

隨著新能源在電網中接入比例的逐年增高，儲能系統愈發成為不可或缺的一部分。若將電池儲能系統分散接入于MMC結構中，則可在保有良好輸出特性的同時靈活利用相間環流，實現多種控制功能。

基于電動汽車中淘汰的二次電池，本文提出一種能夠有效延長儲能型模塊化多電平系統使用壽命的多時間尺度控制策略。長時間尺度下，根據電池組的相對健康程度可以計算得到各子模塊的輸出功率參考，進而獲得電池組的SOC變化曲線;中時間尺度下通過調整子模塊的調制深度實現SOC曲線的跟蹤;小時間尺度下分別對交流輸出電流和相間環流進行有效調控，在實現功率分配的同時滿足儲能系統并網需求。

在多時間尺度控制策略的作用下，不同電池組間的SOH逐漸趨于一致，盡可能保證電池組在同一時間段內退出運行，從而延長系統的整體使用壽命，提升能量利用效率。最后通過Matlab仿真和實驗驗證了該控制策略的有效性和可行性。