基于模块化多电平换流器的电池储能系统控制策略

针对基于模块化多电平换流器的电池储能系统,提出了电网电压对称运行和电网电压不对称运行情况的通用控制策略。其控制策略主要包括输出功率控制、电池荷电状态(SOC)均衡控制以及并网电流直流分量抑制。SOC均衡控制分为相间SOC均衡、桥臂间SOC均衡以及桥臂内SOC均衡。通过控制环流实现相间SOC均衡和桥臂间SOC均衡;通过调节各个子模块输出电压工频分量,实现桥臂内各子模块的SOC均衡。首先对基于模块化多电平换流器的电池储能系统的模型进行了详细分析;基于等效模型,提出了相应的控制策略。最后,通过仿真以及实验对所提出的控制策略进行了验证。     

储能型MMC电池荷电状态均衡策略

在储能型模块化多电平换流器(MMC)中,电池模块的差异性导致各电池模块荷电状态(SOC)不一致。为了提高电池容量利用率,需要对各电池模块的SOC均衡控制。介绍了储能型MMC的结构与原理,分析了分别基于交流功率与直流功率的三级SOC均衡方法,并对各级均衡方法进行了评估,得到了相间、上下桥臂间、桥臂内各模块间的电池SOC均衡策略,结合功率解耦控制与差分电流控制提出了系统整体控制策略。最后,搭建实验样机验证了所提均衡策略的可行性。     

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。     

储能型MMC换流器的SOC均衡策略研究

模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)子模块直流侧加入储能电池即构成储能型MMC换流器,无需额外的功率转换装置即可对交、直流电网提供有功功率支撑。文中分析了储能型MMC换流器的复杂工况,针对性地提出了基于直流功率、交流功率的相间、桥臂间与模块间三级荷电状态(state of charge,SOC)均衡控制策略,并通过仿真和实验验证了所提策略的正确性。     

基于模块化多电平变流器的电池储能系统荷电状态均衡控制策略

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)适用于中高压交直流混合电网,有助于解决可再生能源大规模并网问题。针对电池容量利用率问题,该文分析了MMC-BESS中各端电源功率传递关系,提出了一种电池荷电状态(state of charge,SOC)均衡控制策略,通过三级均衡控制,实现相间、上下桥臂间、桥臂内子模块间电池模块的SOC均衡。同时为提高系统运行的可靠性,研究了故障容错运行工况下的SOC均衡控制策略。最后通过仿真和实验验证了所提控制策略的有效性。     

基于MMC的储能系统SOC均衡控制

针对模块化多电平储能变流器(MMC-ES)中子模块电池荷电状态(SOC)均衡控制的问题,在此通过数学模型分析了MMC-ES桥臂电流组成成分,提出了SOC均衡控制策略。最后经过仿真与实验验证了上述理论分析的正确性以及控制策略的有效性。     

分布式储能型MMC电池荷电状态均衡优化控制策略

为提高电池的能量利用率和解决电池因制造工艺、循环充放电次数不同以及老化程度不一致等因素导致的荷电状态(SOC)极度不均衡问题,提出一种兼顾电流波动抑制的分布式储能型模块化多电平换流器的电池SOC均衡优化控制策略。为准确控制充放电功率,采用双环控制：外环针对相间、桥臂间和子模块间电池SOC差异,建立离散时域预测功率模型,通过负反馈控制生成动态电流参考值;内环设计了模型预测优化控制策略,准确追踪动态电流参考值,实现电池SOC均衡、提高电池能量利用率,并提高系统的动态响应能力以及抑制电池电流纹波,延长电池使用寿命。最后通过在PSCAD/EMTDC中构建仿真模型对所提出的控制器性能进行验证。     

基于MMMC插电式混合电动汽车变换系统及充电控制策略

提出一种基于模块化多电平矩阵变换器(MMMC)的插电式混合电动汽车(PHEV)综合变换系统,该系统同时兼顾电机驱动和电池管理,不需额外的充电电路。针对该系统,研究了外接电源充电控制策略。通过建立系统小信号模型和分析各部分功率关系,提出了以MMMC桥臂电流直接控制为核心的多层次电池荷电状态(SOC)均衡充电控制策略,包含相间、桥臂间以及本桥臂各子模块电池SOC均衡充电控制。搭建了RTLAB硬件在环仿真实验平台,实验结果验证了所提出的控制策略的有效性和可行性。     

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MMC-BESS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。     

模块化多电平换流器操作过电压分析EI北大核心CSCD

模块化多电平换流器(MMC)是高压大容量柔性直流(VSC-HVDC)输电工程的核心,换流器设备的参数设计和型式试验需要基于其暂态过电压的分析结果。为此,提出了模块化多电平换流器的操作过电压计算模型。基于±500 k V柔性直流输电工程的系统参数,研究了模块化多电平换流器设备的设计参数对操作过电压的影响,包括避雷器、桥臂电抗器和子模块储能电容器。结果表明:对于模块化多电平换流器,操作过电压分析中起决定作用的故障工况是换流器交流出口单相接地故障、换流器直流出口单极接地故障、和换流器交流出口相间短路故障;避雷器的荷电率增加时,模块化多电平换流器交流侧相对地、直流侧极对地和桥臂端间的最大操作过电压幅值降低;桥臂电抗器的电感值增加时,模块化多电平换流器的交流侧相对地最大操作过电压幅值降低;子模块储能电容器的电容值增加时,模块化多电平换流器直流侧极对地最大操作过电压幅值增加。研究结果可为柔性直流输电工程换流器的设计和试验提供参考。     

模块化多电平换流器操作过电压分析

模块化多电平换流器(MMC)是高压大容量柔性直流(VSC-HVDC)输电工程的核心,换流器设备的参数设计和型式试验需要基于其暂态过电压的分析结果。为此,提出了模块化多电平换流器的操作过电压计算模型。基于±500 k V柔性直流输电工程的系统参数,研究了模块化多电平换流器设备的设计参数对操作过电压的影响,包括避雷器、桥臂电抗器和子模块储能电容器。结果表明:对于模块化多电平换流器,操作过电压分析中起决定作用的故障工况是换流器交流出口单相接地故障、换流器直流出口单极接地故障、和换流器交流出口相间短路故障;避雷器的荷电率增加时,模块化多电平换流器交流侧相对地、直流侧极对地和桥臂端间的最大操作过电压幅值降低;桥臂电抗器的电感值增加时,模块化多电平换流器的交流侧相对地最大操作过电压幅值降低;子模块储能电容器的电容值增加时,模块化多电平换流器直流侧极对地最大操作过电压幅值增加。研究结果可为柔性直流输电工程换流器的设计和试验提供参考。     

MMC-HVDC系统冗余容错模型预测控制

当模块化多电平换流器柔性直流(modular multilevel converter-high voltage direct current,MMC-HVDC)输电系统子模块发生故障时,上、下桥臂处于不对称运行状态,此时会导致上、下桥臂子模块输出电压之和不均衡,造成换流器内部环流不仅含有二倍频负序分量,还增加了基频分量,导致直流侧电流波动。基于MMC桥臂子模块不对称运行时平均开关函数,阐述了上下桥臂子模块数目不对称运行时子模块数量不对称所在相上、下桥臂子模块输出电压之和,以及桥臂电流基频分量与桥臂正常运行子模块数量、环流直流分量和二倍频分量之间的关系。提出一种MMC-HVDC系统冗余容错模型预测控制策略,在实现交流电流跟踪、子模块电容电压均衡的同时,可以实现故障时对环流基频和二倍频成分的抑制,使正常运行子模块电压维持在给定值附近,维持直流侧电流稳定。仿真结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

模块化多电平换流器故障容错控制策略

模块化多电平换流器型轻型直流输电系统,其拓扑结构中各桥臂级联了大量子模块,系统运行时容易出现可靠性问题。针对桥臂冗余子模块耗尽的情况,基于桥臂能量均衡和最近电平调制提出一种桥臂子模块对称切除及系统运行于不对称状态的控制方法,保证了系统不间断安全稳定运行。最后,利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了21电平两端有源的模块化多电平换流器型轻型直流输电系统模型。仿真结果验证了所提出的故障容错控制策略的正确性和有效性。     

基于桥臂虚拟电压的MMC-MG相间功率平衡控制策略

针对孤岛运行模块化多电平变流器半桥串联结构微电网（modular multilevel converter microgrid,MMC-MG）各相微源输出功率差异引起的三相功率不平衡问题,提出了一种相间功率平衡控制策略。介绍了MMC-MG基本拓扑结构以及三种相间功率传输模式,建立了系统三相输出功率数学模型,并阐述了采用环流直流分量控制相间功率传输的原理。设计了基于桥臂虚拟电压的环流直流分量控制器,并将其输出信号作为功率平衡控制量叠加于各桥臂调制信号以实现相间功率平衡。通过各相微源输出功率及负载功率得到环流直流分量参考值,并根据各相发电单元储能装置的荷电状态对其补偿。仿真及实验结果表明：所提出的控制策略能根据各相微源输出功率实现相间功率平衡,且对系统输出电压及频率没有影响;相比于普通三相微电网,MMC-MG可通过环流控制实现相间功率平衡,而无需额外的功率平衡设备。     

模块化多电平换流器桥臂电流分析及其环流抑制方法

为了抑制模块化多电平换流器(MMC)内部环流,对MMC桥臂电压的波动和环流产生的机理进行了分析,提出了一种抑制环流的补偿控制方法。MMC在进行功率交换时,由于桥臂电流的作用,导致子模块电容电压发生周期性的变化,采用平均值的方法分析得出子模块电容电压包含直流分量和交流分量。采用最近电平调制法进行换流器电压调制,由于子模块电容电压含有直流分量以及基频分量偏差,导致桥臂电压与期望值间存在基频偏差和二倍频等分量,从而产生环流。通过对桥臂电压与期望值的偏差量进行补偿,能够消除桥臂电压的偏差,从而抑制换流器桥臂间的环流。在PSCAD/EMTDC中搭建了11电平MMC双端直流输电系统,仿真结果验证了所提方法的有效性。     

基于直流环流注入的MMC储能系统相间功率均衡控制策略

在网压不平衡工况下,模块化多电平储能系统(modular multilevel converter energy storage system,MMCESS)如果以并网电流平衡为控制目标,虽然可以保证交流系统安全运行,但是会引起各相放电速度不同,导致子模块储能电池荷电状态(state of charge,SOC)的不均衡。为解决上述问题,首先对比分析了传统MMC和MMC-ESS的内部环流特性;然后分析了以并网电流平衡为目标的不平衡网压控制对电池SOC的影响;针对这一问题,提出了利用注入直流环流的控制策略,有效地实现了相间功率均衡,并论述了直流环流控制器参数对系统稳定性的影响;以各相电压跌落度为变量,绘制各相注入的直流环流占额定桥臂电流比例的三维图,针对不同跌落度分析了各相桥臂电流的变化,为设备器件选型提供了依据;最后,通过仿真和实验验证了理论分析的正确性及控制策略的可行性。     

MMC-HVDC系统桥臂阻抗不对称模型预测控制EI北大核心CSCD

针对模块化多电平换流器柔性直流(modular multilevel converter-high voltage direct current,MMC-HVDC)输电系统桥臂阻抗不对称运行环流问题,推导了上、下桥臂阻抗不对称运行时子模块输出电压与桥臂电流特性,阐述了此时桥臂电流基频成分,指出了换流器环流成分含有直流分量、基频分量、二倍频分量以及三倍频分量,直流侧电流会产生波动;提出一种MMC-HVDC系统桥臂阻抗不对称环流抑制策略,该策略将比例-积分控制与有限控制集模型预测控制相结合,计算换流器所有开关状态下综合目标函数,根据环流抑制目标函数最小值和环流抑制补偿电平调节综合目标函数最小值对应的开关状态。该控制策略能够很好地抑制环流交流成分,减小了直流侧电流波动,使得桥臂阻抗不对称所在相上、下桥臂子模块输出电压之和基频分量、二倍频分量以及三倍频分量对称分布。仿真结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

MMC-HVDC系统桥臂阻抗不对称模型预测控制

针对模块化多电平换流器柔性直流(modular multilevel converter-high voltage direct current,MMC-HVDC)输电系统桥臂阻抗不对称运行环流问题,推导了上、下桥臂阻抗不对称运行时子模块输出电压与桥臂电流特性,阐述了此时桥臂电流基频成分,指出了换流器环流成分含有直流分量、基频分量、二倍频分量以及三倍频分量,直流侧电流会产生波动;提出一种MMC-HVDC系统桥臂阻抗不对称环流抑制策略,该策略将比例-积分控制与有限控制集模型预测控制相结合,计算换流器所有开关状态下综合目标函数,根据环流抑制目标函数最小值和环流抑制补偿电平调节综合目标函数最小值对应的开关状态。该控制策略能够很好地抑制环流交流成分,减小了直流侧电流波动,使得桥臂阻抗不对称所在相上、下桥臂子模块输出电压之和基频分量、二倍频分量以及三倍频分量对称分布。仿真结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

不对称交流电网下MMC-HVDC输电系统的控制策略

不对称交流电网下的功率波动将引起模块化多电平换流器子模块能量的不平衡,进而影响模块化多电平变流器型高压直流输电(modular multilevel converter based HVDC, MMC-HVDC)的动态性能。基于不对称交流电网下MMC桥臂瞬时功率的分析,确定换流器内部子模块电容电压及桥臂环流的控制目标。在此基础上,提出一种基于子模块电容电压预估的最近电平调制和基于桥臂环流预估的直接环流控制,两者相结合的复合控制策略。不论交流系统对称与否,在所提出的控制策略下,均能保证换流器上下桥臂间,三相间以及总子模块电容电压的相对平衡,实现对基频及二倍频谐波环流的抑制。基于 PSCAD/EMTDC,建立两端 MMC-HVDC 仿真模型,分别在有功功率和直流电压控制站进行不对称交流电网的仿真验证。仿真结果表明,所提出的控制策略能够保证故障期间子模块电容电压平均值保持恒定,直流电压不会由于二倍频零序瞬时功率出现二倍频波动,系统故障穿越能力得以提升。     

模块化多电平换流器的建模与控制

分析了模块化多电平换流器（MMC）的拓扑结构及原理。基于MMC的桥臂电流,建立了新型的电磁暂态模型,其中包括桥臂电流中基波分量、直流分量和二次分量的线性化方程。在此模型基础上,针对MMC桥臂电流中各分量提出相应控制策略,实现了换流器系统的外部功率控制和内部环流控制。通过Matlab／Simulink对基于所述模型的控制策略进行仿真试验,结果表明了控制策略的正确性和有效性。