丁 超，裘 鹏，张文超，马万庆

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.杭州模储科技有限公司，杭州 311000

0 引言

能源是社会进化和人类进步的重要基础。随着经济技术的快速发展，工业化社会对能源的需求也在日益增长，导致了常规能源的过度消耗，并引发了全球环境恶化等一系列问题[1]。为促进能源产业优化升级，实现清洁低碳发展，近年来，我国大力发展清洁能源，其中风电、光伏实现跨越式大发展，新能源装机容量占比日益提高[2]。电池储能电站可与分布/集中式新能源发电联合应用，是解决新能源发电并网问题的有效途径之一[3]。随着新能源电动车的迅速发展，退役动力电池的数量日益增加。据官方统计，2030 年我国新能源汽车保有量将达到8 000 万辆，折合电池容量约4 000 GWh[4]。数量如此庞大的退役动力电池回收用于储能行业，不仅经济效益明显，而且环境效益突出。目前针对不同规格，不同品牌的退役动力电池梯次利用的研究主要集中于拓扑结构和控制策略等方面。其中MMC（模块化多电平换流器）[5]由于易扩展、模块化和分布式等特点而受到广泛关注。文献[6]提出一种含H 桥模块的混合型MMC 拓扑结构，可以将电平数提高至4n+1。文献[7]提出的拓扑结构与文献[2]提出的拓扑结构相类似，只是改变了桥臂内子模块的位置。文献[8]在传统的MMC 拓扑结构的基础上针对子模块进行改进，一个子模块由两个H 半桥串联组成，每个桥臂有n 个子模块，输出电平数为2n+1，该拓扑结构增加了器件数量，控制方法复杂。文献[9]针对风电、光伏大规模集中接入电网引起的功率波动问题，分别基于MPC（模型预测控制）和波动率智能化分段控制平滑时间常数提出了相应的储能系统控制策略，且在控制过程中均引入电池SOC（充电状态）等参数，以确保储能单元的健康和稳定。文献[10]对新能源发电出力波动效果进行了反馈控制。

本文对MMC 拓扑结构进行改进，提出一种储能型MMHC（模块化多电平H 桥换流器）拓扑结构。并分析该拓扑结构的工作原理及均衡控制方法。

1 MMHC 拓扑结构

MMC 拓扑结构[11-12]，如图1 所示，MMC 拓扑结构有6 个桥臂，每个桥臂有N 个子模块和1 个桥臂电感L。子模块为H 半桥。

图1 MMC 拓扑结构

对MMC 拓扑结构进行改进后的MMHC 拓扑结构如图2 所示，MMHC 拓扑由3 个桥臂构成，每个桥臂由N 个子模块、1 个H 桥模块和1 个并网滤波电感Ls 组成，电池模组分散于每个子模块中，子模块的输出从H 半桥的下管S2并联输出，同一桥臂内N 个子模块的输出端首位互联形成多电平桥臂后与H 桥模块级联。子模块由H 半桥串联组成，每个子模块的输入端设置一个滤波电容。与MMC 拓扑结构相比，在输出相同电平数时，MMHC 拓扑结构子模块的数量减少了一半，并且MMHC 拓扑结构不存在直流母线故无桥臂环流，将电池模组分散于各个子模块中，降低了电池组串的个数，可实现各个电池模组的独立控制。

图2 MMHC 拓扑结构

2 工作原理分析

子模块有两种运行状态：工作模式和切除模式。工作模式又可分为充电和放电两种工况，工作模式下，通过上管S1导通，实现电池的充放电，上管S1和下管S2互补导通。切除模式中，上管S1关断，下管S2导通，此时子模块输出电压电流为0。工作状态如表1 所示。

表1 子模块工作状态

根据H 桥中开关状态的不同，H 桥工作状态有整流和逆变两种。H 桥模块处于整流和逆变状态时，开关状态、输入输出电压和电流的状态如表2 所示。

表2 H 桥模块工作状态

调制方法采用载波移相调制，载波移相调制的PWM 信号主要驱动子模块中的开关管S1和S2，各子模块之间移相角满足式（1）。H 桥模块的开关管动作以调制波为基准，以A 相为例，当调制波uref_a≥1 V 时，H 桥的S1和S4导通，S2和S3关断，H 桥输出正半轴的波形；当uref_a≤-1 V时，H 桥的S2和S3导通，S1和S4关断，H 桥对子模块输出的波形进行翻转；当调制波-1 V＜uref_a≤1 V 时，H 桥保持上一工作状态，即：

子模块输出的电平只有“0”和“1”两种电平，采用载波移相的调制方式，n 个子模块级联输出电压波形为n+1 个电平的半波正弦，经过H 桥逆变之后输出2n+1 个电平的完整正弦波形，如图3所示。

图3 工作原理

3 均衡控制

均衡控制主要分为相内均衡和相间均衡控制。退役动力电池一致性差，用于储能时，易造成相内和相间不均衡，使储能系统的输出波形THD（总谐波失真）增加、损耗增大、电池循环寿命缩短，因此需对其进行均衡控制。

3.1 相内均衡控制

以电池模组的SOC 为衡量指标，根据SOC 的大小调整子模块的占空比。其具体计算过程如下：

对桥臂内的电池SOC 求平均值可得：

式中：SSOC_all为桥臂内总SOC；SSOC_i为桥臂内第i 个电池模组的SOC；SSOC_ave为桥臂内SOC 的平均值。

假设算法调制过程中某一相调制波为Uref。则平均占空比为：

式中：Dave为桥臂内子模块平均占空比；Uall为桥臂内电池模组电压之和。

放电时，电池模组SOC 越大则子模块占空比越大，电池模组SOC 越小子模块占空比越小；充电时，电池模组SOC 越大子模块占空比越小，电池模组SOC 越小子模块占空比越大。

放电时：

充电时：

相内均衡控制原理如图4 所示。

图4 相内均衡控制原理

3.2 相间均衡控制

相间均衡控制采用注入零序电压法,通过公共点，能量在三相桥臂内流动实现相间均衡。计算A，B，C 三相桥臂各相桥臂SOC 与其平均值之间偏差如式（6）所示：

放电时，桥臂SOC 越大则该相放电功率越大，充电时，桥臂SOC 越大则该相充电功率越小。本文采用一个P 控制器，实现桥臂SOC 偏差与该相功率偏差之间的对应关系，如式（7）所示：

考虑零序电压电流的三相电压、电流如式（8）和式（9）所示：

式中：ua，ub，uc为电网电压；ia，ib，ic为电网电流；U 为电网电压有效值；I 为电网电流有效值；U0为零序电压；θi为电流相角。

根据式（8）和式（9），可得叠加零序电压之后的三相功率偏差为：

根据式（10），可求得零序电压和零序电流的相位角如式（11）所示：

式中：

此时式（12）中的ΔPa，ΔPb，ΔPc可由式（7）计算获得。

4 仿真验证

搭建100 kW 的Simulink 仿真模型如图5 所示。系统参数如表3 所示。

图5 Simulink 仿真模型

表3 系统参数

图5（a）为A 相桥臂的Simulink 模型，B 相和C 相的Simulink 模型与A 相的一致。为简化系统的控制及结构在此采用电感作为并网滤波器。图5（b）为Simulink 控制模型。

为子模块驱动信号与输出电流波形见图6，H 桥模块驱动波形与输出的电压波形见图7，子模块和H 桥模块输出的电压波形见图8。

图6 子模块驱动信号与输出电流波形

从图6 看出，子模块上管驱动信号与输出的电流近似为半波正弦，证明子模块工作的正确性。从图7 和图8 可以看出，H 桥将子模块级联输出频率为100 Hz 的半波正弦逆变为频率50 Hz的全波正弦波形，与并网电压频率进行匹配，说明H 桥模块工作原理的正确性。

图7 H 桥模块驱动波形与输出的电压波形

图8 子模块和H 桥模块输出的电压波形

MMHC 储能变换器满功率运行时，三相输出电压电流波形如图9 所示，对A 相的电流进行THD 分析如图10 所示，从图10 可看出电流THD仅为0.94%，说明该逆变器的输出电能质量高。

图9 三相电压电流波形

图10 A 相电流THD

本文首先设定三相桥臂的SOC 相同，充电时，MMHC 储能逆变器的零序电压如图11 所示，当设置A 相桥臂的SOC 为50%，B 相桥臂和C相桥臂的SOC 为55%时，MMHC 储能逆变器的零序电压波形如图12 所示。

图11 各桥臂SOC 均衡时，零序电压波形

图12 各桥臂SOC 不均衡时，零序电压波形

从图11 和图12 对比，本文所提的相间均衡控制，可通过主动零序电压的调节，实现各相之间的SOC 均衡。从图13 可以看出，储能系统充电时随着时间的推移，A 相桥臂的SOC 与B、C相的SOC 之间的偏差逐渐减小，最终重合，在SOC 大于95%时，储能系统停止充电，避免电池过充。

图13 充电时，三相桥臂SOC 变换曲线

相内均衡控制通过选择A 相内的两个子模块A1 和子模块A2 放电进行验证，设定子模块A1 中的电池模组的初始SOC 为45%，子模块A2中的电池模组初始SOC 为50%，子模块A1 和子模块A2 输出的功率曲线如图14 所示，SOC 变化曲线如图15 所示。

图14 子模块A1 和子模块A2 输出的功率曲线

图15 子模块A1 和子模块A2 的SOC 变化曲线

从图14 和图15 对比发现，本文所提的相内均衡控制可通过子模块输出功率的调节，实现各子模块间电池模组的SOC 均衡。从图15 可以看出，子模块放电时随着时间的推移，子模块A1中的电池模组SOC 与子模块A2 中的电池模组SOC 之间的偏差逐渐减小，最终重合，在SOC 小于5%时，停止放电，避免电池过放。

5 样机验证

样机的主控系统采用DSP+ARM+FPGA 三级架构[13]进行设计。搭建100 kW 的样机如图16 所示，系统参数如表3 所示。

图16 实验样机

MMHC 储能变换器放电时，其子模块和H桥模块工作波形图17 所示。MMHC 储能变换器输出三相电压和电流波形如图18 所示。

图17 子模块和H 桥模块工作波形

从图17 和图18 可以看出，本文研制的试验样机并网输出电压、电流波形正弦性较好，从而验证了本文所提拓扑结构的正确性。

图18 三相电压电流波形

6 结论

由于受实验条件的限制，本文只对MMHC拓扑结构的工作原理进行了实验验证。本文提出的MMHC 拓扑结构及其均衡控制方法，经仿真和实验验证，MMHC 拓扑结构用于退役动力电池储能时，可实现相内、相间均衡和异构兼容。与传统的MMC 拓扑结构相比，在输出相同电平数时，MMHC 拓扑结构子模块数量减少了一半，简化了系统结构，降低了控制的复杂性。综上，MMHC 拓扑结构在退役动力电池异构兼容储能中具有很大的优势。