文献标志码：A

具有储能功能的模块化多电平换流器的控制方法

郭捷1,2，胡鹏飞2，周月宾2，林志勇2

(1. 国网河北省电力公司电力科学研究院，河北石家庄050021；2. 浙江大学电气工程学院，浙江杭州310027)

Control Strategy for Modular Multilevel Converter With Energy Storage AbilityGUO Jie1,2, HU Pengfei2, ZHOU Yuebin2, LIN Zhiyong2

(1. State Grid Hebei Electric Power Research Institute, Shijiazhuang 050021, China;

2. College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

摘要：研究具有储能功能的模块化多电平换流器的控制方法，将模块化多电平换流器与电池储能系统相结合，适用于离岸风电场接入电力系统等柔性直流输电应用。系统在模块化多电平换流器的基础上，在子模块直流侧加入蓄电池实现储能。换流器两侧均可等效为受控电压源，可在储能容量范围内对直流侧馈入功率起到平滑作用。运行时，换流器交流侧有功无功电流解耦控制实现交流功率控制，换流器直流侧直流电流控制实现直流功率控制，给出子模块SOC控制方法和子模块组SOC控制方法实现系统中大量蓄电池SOC的平衡控制。计算机仿真分析表明，提出的系统可实现交直流功率控制和储能功能。

关键词：模块化多电平换流器(MMC)；柔性直流输电系统；蓄电池储能系统；离岸风电场接入；SOC平衡控制

文章编号：1007-2322(2015)05-0073-06

中图分类号：TM721.1

收稿日期：2014-10-20

作者简介：

Abstract：A control strategy for modular multilevel converter (MMC) with energy storage ability is proposed for such flexible DC transmission application as power system connected with offshore wind farm. In the main circuit, battery banks are set in each sub-model of MMC. The DC terminal and AC terminal of converter are equivalent to controlled voltage sources, and feed-in power at DC side is smoothed in the region of energy storage capacity. During operation, the decoupled control of active power current at AC side of converter can realize AC power control, and the direct current control at DC side of converter can regulate DC power. In addition, SOC control methods of sub-model and sub-model cluster are given to balance the battery SOC in system. The simulation results show that proposed system can realize power control and storage function of AC/DC current system, and its viability is also verified.

Keywords：modular multilevel converter(MMC); HVDC; battery energy storage system; the accessing of offshore wind farm; SOC balancing

0引言

模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)自提出[1-3]以来，得到了人们越来越多的重视和研究，包括MMC的数学模型[4-6]、控制方法[1-3, 7]和硬件结构[8]等。基于MMC的柔性直流输电作为其在电力系统中的重要应用，具有如下优点：子模块的串联结构可以提高换流器的额定电压和容量，从而提高了柔性直流输电系统的额定电压和容量；换流器中可以安排冗余子模块，使换流器的可靠性大幅提高；换流器交流侧可以实现很高的输出电平数，使输出波形畸变降低，输出谐波小；对交流系统的有功无功在容许范围内可独立控制等。

包括离岸风电资源在内的风力发电资源具有广阔的开发前景[9-10]，被认为是清洁、低碳、储量巨大的新型能源。但是，考虑到风电资源具有间歇性、调度困难等自然特性，风电场的并网方式逐步成为研究者关注的焦点。柔性直流输电可以对有功无功快速独立控制，使用电缆输电时具有更高的输送容量，具有提高所连接交流系统稳定性和阻尼系统振荡的能力，故而被认为是解决离岸风电场与电网相连问题的重要手段[11-12]。此外，将风电电源与大容量储能装置相结合[13-18]用以弥补风电自然特性上的缺点，从而实现风电场与电网稳定且具有一定低电压穿越能力的柔性连接。

电池储能系统(battery energy storage system，BESS)与多电平级联型PWM换流器(multilevel cascade PWM converter)相结合的研究见于文献[19]，将换流器中的级联H桥子模块改造为电池储能单元，并提出了适用于该系统的蓄电池SOC平衡控制，是该系统与其他非储能型换流器在控制方面的重要区别之一。

具有储能功能的模块化多电平换流器(MMC/BESS)控制方法将MMC与BESS相结合，使系统具有储能/换流双重功能，并使实现这两项功能所需的2台电力电子换流器(分别用于HVDC和BESS)减少为1台。该方案的优点在于使系统结构更加简单、紧凑，降低了成本，提高系统可靠性且易于维护。但是，由于提出拓扑的特殊性，文献[19]中的SOC控制不再适用，后文将说明原因并给出一种新的SOC控制方法，并在此基础上给出具有储能功能的模块化多电平换流器控制方法。

1电路拓扑及基本原理

MMC/BESS换流器的主电路拓扑如图1所示，为一个三相全桥结构，每个桥臂上是由子模块(sub-module，SM)串联而成的子模块组。每个子模块都为半H桥结构，子模块的交流侧相互串联，子模块的直流侧[19]并联接入直流电容C和蓄电池E，R是带有旁路开关的充电电阻，用于在装置启动时限制蓄电池向电容充电的电流，正常运行时旁路开关闭合。

图1　MMC/BESS换流器主电路拓扑

MMC的交直流侧功率可以独立控制[6]，即直流侧通过控制换流器直流输出电压vdc2实现，交流侧通过有功无功解耦控制实现，具体控制方法将在后文详述。若在MMC上结合BESS能力，则可以实现图2所示的功率/能量关系。换流器直流侧接在直流系统上，假设直流电压vdc1为常数，但是可以通过控制换流器直流输出电压vdc2调节直流回路电流idc，则直流系统传输的功率pdc可以控制。与经典的电压源换流器类似，在容许范围内，换流器与交流系统的有功pac、无功qac可以双向独立控制。注入MMC/BESS的功率pdc、pac均可控(设注入换流器方向为正)，则蓄电池中存储的能量w可以控制。系统的功率/能量关系可以由下式表示

(1)

式中：winit是蓄电池初始能量;D是换流器损耗功率，电容器储能忽略不计。

图2　系统的功率/能量关系

2MMC/BESS的调制策略

MMC/BESS的调制策略采用最近电平调制法(nearest level modulation，NLM)[6,15]，这种调制方法适用于中高压模块化多电平换流器的调制控制，当子模块数较高时具有开关频率低，简单可靠的优点。其基本原理是把参考波离散化成为阶梯波，阶梯波的电平数越高，产生的波形越逼近参考波。以A相为例，交直流侧参考波离散化后为

(2)

(3)

由文献[6]可知，na可控的前提是为偶数且桥臂具有冗余子模块，定义每桥臂的冗余模块数是

(4)

式中:Nmax是换流器设计的交流侧可达到的最高电平。则na的取值范围为

(5)

MMC/BESS的调制策略还应考虑使同一桥臂的子模块荷电状态(state of charge，SOC)保持在该相平均SOC值附近。文献[19]中采用的改变子模块PWM参考波的控制方法不适用于提出的系统，原因是NLM调制法没有各子模块独立的参考波。类似于选择性投切的子模块均压控制策略[7]，可以根据桥臂电流方向(充电或放电)，确定投入该桥臂SOC最低或最高的子模块。

3MMC/BESS的控制方法

除了受控换流器MMC/BESS的交直流侧功率控制以外，基于蓄电池在正常工作状态下电压/荷电状态特性，还应对子模块中蓄电池的SOC进行平衡控制，这是MMC/BESS与传统MMC在平衡控制方面的显著不同点。

3.1交直流侧功率控制

MMC/BESS的交流侧功率控制采用有功无功电流解耦控制[18-19]。在dq坐标系下，换流器交流侧的数学模型可以表示为

(6)

式中：Lac是换流器交流侧连接电抗；id、iq分别为有功、无功电流；vSd、vSq分别为交流系统电压的d轴、q轴分量；vCd、vCq分别为换流器输出电压的d轴、q轴分量；ω为系统角频率。

图3　有功无功电流解耦控制

(7)

直流侧功率控制采用定直流电流控制[6]，通过调节正负极间投入的子模块数n控制换流器直流输出电压vdc2，从而实现直流电流idc的调节。具体做法是首先建立直流侧数学模型，如下式所示

(8)

(9)

图4　直流电流控制

3.2子模块组SOC平均值控制

子模块组SOC平均值控制的目标是使每相子模块组中SOC平均值相等。如前文所说，达到子模块组SOC平均值控制的前提是相间能量可以交换，即必须使功率在相间流动。文献[19]提出了向交流电压参考值中注入零序分量的方法，由于零序分量在中性点不接地系统中不会产生零序电流，且在交流线电压中相互抵消，故不影响交流侧对外的功率输出特性；而交流电流流过零序电压分量会产生功率交换，从而改变相间功率的分配。但是，MMC拓扑与文献[19]中拓扑不同，三相具有正负极公共点，所以各相SOC稍有不同就会在相间引起较大环流(因为每相等效内电阻较小)，导致蓄电池剧烈充放电。本文给出了一种控制思路：在直流侧向各相直流侧参考电压中注入直流分量；通过控制直流分量进而控制直流回路中的相间环流；相间环流流过各相子模块组，可以引起相间功率交换达到改变各相SOC的目的；同时环流仅在MMC/BESS内部流动，不会与装置外部发生功率交换。通过环流控制可以保证各相存在SOC差的情况下不会发生电池剧烈充放电，而是可控地达到SOC平均。在考虑到这一注入分量很小且已经存在直流侧定直流电流控制的前提下，根据公式(9)也可认为MMC/BESS对外的直流功率pdc近似不变。给出的控制思路可以通过下面的方法实现：

定义MMC/BESS每相相间环流ica、icb、icc为

(10)

式中：iap、ibp、icp是上桥臂电流，正方向为流入子模块正极;ian、ibn、icn是下桥臂电流，正方向为流入子模块正极;idc是换流器直流电流。存在

(11)

说明该电流在三相相间循环流动，不会流出换流器进入交、直流侧系统。以A相为例，建立相间环流的数学模型如下

(12)

式中:LS是桥臂缓冲电抗器；RS是该电抗器的电阻；Δva是A相上下桥臂子模块组电压之和与外电路等效电压源的电压差。可以按相设计PI控制器，对相间环流进行闭环控制，如图5所示。

图5　MMC/BESS相间环流控制

设SOCa、SOCb、SOCc为三相子模块组各自的SOC平均值，SOCmmc是换流器所有子模块SOC平均值。定义

(13)

根据SOC的定义可建立数学模型

(14)

式中：Da是每相子模块损耗功率;Q是每个子模块中蓄电池容量;M是桥臂子模块数。可以按相设计比例控制器，对子模块组SOC平均值进行闭环控制，如图6所示。

图6　子模块组SOC平均值控制

综合上文所述的功率控制和子模块组SOC平均值控制之间的数学关系，MMC/BESS的控制方法的具体实现可以采用图7所示的结构。

图7　MMC/BESS的控制系统结构

4仿真结果分析

对具有储能功能的模块化多电平换流器进行了计算机仿真，电池特性采用镍氢蓄电池(NiMH)典型曲线，其余主电路参数见表1，控制器参数见表2。

表1　仿真模型主电路参数

表2　控制系统参数

图8是当pac为-20MW(换流器向交流系统提供有功)，qac为-10Mvar(换流器向交流系统提供无功)，pdc为20MW(直流系统向换流器提供功率)时系统启动过程0.2s仿真结果。第一组波形为换流器交流输出电压，由于MMC/BESS的多电平输出特性，输出电压基本为正弦波；第二组波形为换流器交流输出电流，波形同样基本为正弦波；第三组波形为换流器直流侧输出电流；第四组波形为换流器交直流侧功率。

图8　启动过程仿真(0.2s)

图9为三相子模块组SOC平衡控制200s仿真结果。仿真时直流侧流入功率等于交流侧流出功率，三相子模块组平均SOC初始值分别为50%、55%、45%。由第一组波形可以看出在SOC平衡控制的作用下三相平均SOC在约150s后达到平衡，由第二组波形可以看出三相子模块平均电压也随SOC达到平衡。

图9　SOC平衡控制仿真(200s)

图10为功率/储能特性24h仿真结果。第一组波形为MMC/BESS交直流侧功率(注入换流器为正)，其中，实线pdc为直流功率，仿真时采用某风电场1#升压变24h有功实测值；虚线pac为交流功率，其输出特性表明装置实现了对直流侧馈入功率的平滑作用。第二组波形为MMC/BESS的平均SOC，在进行平滑时其波动在合理范围之内。

图10　功率/储能特性仿真(24h)

仿真结果表明，具有储能功能的模块化多电平换流器可以实现交直流侧功率的独立控制，可以输出低畸变率的交流电压、电流，可以向子模块中的蓄电池存储能量，并使各蓄电池SOC达到均衡。

5结论

给出了具有储能功能的模块化多电平换流器MMC/BESS的控制方法，包括直流功率控制，子模块组SOC平均值控制，分别建立了控制系统数学模型并给出控制策略。研究了适用于MMC/BESS的子模块蓄电池SOC平衡控制策略，可以抑制由于SOC不同而造成剧烈充放电，并使各蓄电池SOC可控地达到平衡。提出的系统可以降低柔性直流输电系统和储能系统的成本，提高装置的可靠性，使系统更加紧凑，易于维护，为离岸风电资源接入电力系统以及海岛、海上平台供电等柔性直流输电应用提供了一种控制方法。

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郭捷(1985—)，男，博士，工程师，主要研究方向为高压直流输电及柔性交流输电技术，E-mail:guojie@ieee.org。

(责任编辑：杨秋霞)