MMC-BESS交直流功率控制研究_陈满.pdf

MMC-B E S S交直流功率控制研究*陈 满1,2,彭 鹏1,2,李勇琦1,2,凌志斌2,3(1.南方电网调峰调频发电有限公司储能科研院,广东 广州5 1 0 6 3 0;2.南方电网先进储能技术联合实验室,广东 广州5 1 0 6 3 0;3.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2 0 0 2 4 0)摘 要:在建立MMC-B E S S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-B E S S数学模型和功率控制策略的正确性。关键词:模块化电池储能系统;直流侧模型;交流侧模型;直流功率控制;交流功率控制中图分类号:TM 4 6 D O I:1 0.1 9 7 6 8/j.c n k i.d g j s.2 0 2 3.0 2.0 1 8R e s e a r c ho nA C/D CP o w e rC o n t r o l o fMMC-B E S S*CHE N M a n1,2,P E N GP e n g1,2,L IY o n g q i1,2,L I N GZ h i b i n2,3(1.C S GP G CP o w e rS t o r a g eR e s e a r c hI n s t i t u t e,G u a n g z h o u5 1 0 6 3 0,C h i n a;2.C S GA d v a n c e dE n e r g yS t o r a g eT e c h n o l o g yJ o i n tL a b o r a t o r y,G u a n g z h o u5 1 0 6 3 0,C h i n a;3.K e yL a b o r a t o r yo fC o n t r o l o fP o w e rT r a n s m i s s i o na n dC o n v e r s i o n,S h a n g h a i J i a oT o n gU n i v e r s i t y,S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e do n t h em a t h e m a t i c a lm o d e l o fMMC-B E S S,t h ep o w e r c o n t r o l s t r a t e g yo fD Cs i d e t h r e e-p h a s ed e c o u p l i n ga n dt h ed e c o u p l i n gc o n t r o l s t r a t e g yo f a c t i v e a n d r e a c t i v ep o w e r i nA Cs i d e s y n c h r o n o u s r o t a t i n gc o o r d i n a t e s y s t e ma r e r e-a l i z e d.T h ee x p e r i m e n t sv e r i f y t h ea c c u r a c yo f t h e s y s t e mc o n t r o lm o d e l u n d e r s t e a d ys t a t ea n d t h e f a s t r e s p o n s ea b i l i t yo ft h es y s t e mc o n t r o lm o d e l u n d e r t r a n s i e n t c o n d i t i o n s.T h e t y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n t e s t o f a c t i v e a n d r e a c t i v ep o w e r o n t h eA Cs i d ev e r i f i e s t h ea b i l i t yo fp o w e rd e c o u p l i n gc o n t r o l o nt h eA Cs i d eo f t h es y s t e m.T h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sv e r i f yt h ec o r r e c t n e s so f t h eMMC-B E S Sm a t h e m a t i c a lm o d e l a n dp o w e rc o n t r o l s t r a t e g y.K e yw o r d s:m o d u l a rm u l t i l e v e lc o n v e r t e rb a s e db a t t e r ye n e r g ys t o r a g es y s t e m;D Cs i d em a t h e m a t i cm o d e l;A Cs i d em a t h e m a t i cm o d e l;D Cp o w e rc o n t r o l;A Cp o w e rc o n t r o l基金项目:国家自然科学基金面上项目(编号5 1 7 7 7 1 2 5);南方电网重点项目(编号0 2 0 0 0 0 2 0 2 0 0 3 0 3 0 4 J S 0 0 3 1)收稿日期:2 0 2 2-0 5-0 7作者简介:陈满(1 9 7 3-),硕士,教授级高级工程师,研究方向为电池储能设计、运行和维护技术;彭鹏(1 9 8 8-),硕士,研究方向为电池储能设计、运行和维护技术;李勇琦(1 9 7 9-),硕士,教授级高级工程师,研究方向为电池储能设计、运行和维护技术;凌志斌(1 9 7 6-),通信作者,博士,副教授,研究方向为电池储能功率变换、能量管理技术。0引言随着以风电光伏为代表的绿色能源的普及,电池储能在电网中的应用也获得了长足的发展,应用范围包括促进新能源接入1、增强系统稳定性2和弹性3,研究涉及系统设计规划4-5、运行控制6-7、监 控8-9和 商 业模 式1 0等 多 个 方 面。模 块 化 多 电 平 电 池 储 能 系 统(M o d u l a rMu l t i l e v e lC o n v e r t e rB a s e dB a t t e r yE n e r g yS t o r-a g eS y s t e m,MMC-B E S S)可同时连接直流电网和交流电网,能实现直流侧、交流侧和电池侧三端口间的能量交换1 1-1 2。MMC-B E S S以 其 灵 活 的 应 用 方 式 在 配 合 光伏发电接入1 3、作为电动汽车充电站能量缓冲器1 4和牵引系统1 5等领域受到广泛关注。文献1 6-1 7 分析对比后认为MMC-B E S S效率最高,级联H桥储能的效率次之,公 共 直 流 母 线 上 直 接 集 中 储 能 的 效 率 最 低。MMC-B E S S对外 端 口 多,运 行 方 式 多 样,功 率 控 制 较为 复 杂1 8,对 交 流 侧1 9和 直 流 侧2 0的 控 制 性 能 是MMC-B E S S应用性能的重要体现。1 MMC-B E S S系统拓扑MMC-B E S S由三个相簇组成,每个相簇又分为上下两个 桥 臂,每 个 桥 臂 包 含N个 子 模 块(S u b-M o d u l e,S M)。子模块由半桥电路、电池和滤波电容组成,其中电池直接并联在滤波电容两端。其拓扑如图1所示。图1中,三相子模块相内统一编号12N,其中1N号子模块属于上桥臂,N+12N号子模块属于下桥臂。下标j代表a b c三相中任意一相,下标k代表子模块06电工技术 电力自动化 图1 MM C-B E S S的拓扑编号从1至2N中的任意一个,下标p和n分别表示上桥臂和下桥臂。j相交流电网相电压ugj的参考点为交流电网中性点o,j相并网点电压usj的参考点为系统零电位参考点o。2 MMC-B E S S数学模型根据系统拓扑图1,对MMC交流侧列K C L和KV L方程,得:ipj=id cj+12ijinj=id cj-12ij(1)usj=12UD C-upj-Ladipjdtusj=-12UD C+unj+Ladinjdtusj=uo o+ugj+Lgdijdt(2)式中,uo o 为交流电网中性点o对系统参考点o 的电位,uo o=uo-uo。桥臂电压由该桥臂的各子模块输出电压求和得到,即:upj=Nk=1uj kunj=2Nk=N+1uj k(3)2.1 MMC-B E S S直流侧数学模型联立式(1)、式(2),得MMC直流侧微分方程:2Ladid cjdt=UD C-(upj+unj)(4)令:ud cj=unj+upj(5)式中,ud cj为系统j相直流电压。MMC-B E S S直流侧数学模型如下:2Ladid cjdt=UD C-ud cj(6)2.2 MMC-B E S S交流侧数学模型联立式(1)、式(2),得a b c坐标系下MMC交流侧的数学模型:(Lg+12La)dijdt=unj-upj2-uo o-ugj(7)令:uj=unj-upj2L=Lg+La2(8)式中,uj为系统j相交流电压;L为系统等效电感。综上,a b c静止坐标系下MMC-B E S S的数学模型为:Ldijdt=uj-ugj-uo o(9)由式(9)可知,通过控制系统各相输出的交流电压可以控制其输出的交流电流。根据坐标变换理论,有C l a r k变换矩阵和P a r k变换矩阵:iaibic =101-12-321-12321iii0 (1 0)式中,i为轴电流;i为轴电流。ii=c o s-s i ns i nc o sidiq(1 1)式中,id为d轴电流;iq为q轴电流;为d轴相位角。令同步旋转坐标系d轴的相角=t,即将d轴定标到电网电压相量上,利用变换公式(1 0)对式(9)中的交流部分做C l a r k变换,得到:Ldidt=u-ugLdidt=u-ug(1 2)式中,u为系统轴电压;ug为电网轴电压;u为系统轴电压;ug为电网轴电压。利用变换公式(1 1)对式(1 2)做P a r k变换,得到d q坐标系下MMC-B E S S交流部分的数学模型:Ldiddt=ud-ugd+L iqLdiqdt=uq-ugq-L id(1 3)式中,ud为系统d轴电压;ugd为电网d轴电压;uq为系统q轴电压;ugq为电网q轴电压。3 MMC-B E S S功率控制功率控制是电池储能系统的基本功能,快速而准确的功率响应是电网对电池储能系统的基本要求。并且,针对电池储能系统的其他高级控制策略,都是基于功率控制功能实现的,所以功率控制模型的建立对于电池储能系统的良好控制是必不可少的。由于MMC电池储能系统存在直16电力自动化 电工技术 流端口和交流端口,因此需要分别控制直流功率和交流功率,且交直流功率之间需要实现解耦控制。3.1直流功率控制系统的直流功率是系统直流电压与直流电流的乘积,由于系统直流母线直接连接直流电网,因此直流母线电压固定,从而直流母线电流为:id c=Pd c_r e fUD C(1 4)式中,Pd c_r e f为直流侧功率给定值。根据基尔霍夫电流定律,系统三相直流电流之和应等于直流母线电流。因为理想情况下系统三相参数相同,所以各相直流电流的给定值应该相等,并且各相直流的和等于直流母线电流,则有:id cj_r e f=id c3(1 5)式中