基于儲(chǔ)能型模塊化多電平系統(tǒng)的多時(shí)間尺度控制策略

2017-10-16 10:54:47 電工技術(shù)學(xué)報(bào) 　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

山東大學(xué)電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員李楠、高峰，在2017年第17期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，將模塊化多電平變換器作為電池儲(chǔ)能裝置的并網(wǎng)變換器,可在平抑新能源輸出功率波動(dòng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置的直接并網(wǎng),降低了系統(tǒng)成本。對(duì)于大規(guī)模電池儲(chǔ)能裝置而言,如何延長其使用壽命一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。

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

近年來，隨著能源危機(jī)的逐漸加重，新能源在電網(wǎng)中的接入比例逐年增加。由于新能源發(fā)電具有波動(dòng)性、間歇性和不確定性等特點(diǎn)，為現(xiàn)有電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大挑戰(zhàn)。

為了平抑新能源的出力波動(dòng)，儲(chǔ)能技術(shù)受到了越來越多的重視。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式的不同，儲(chǔ)能技術(shù)可分為機(jī)械儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能三種。其中電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(BatteryEnergyStorageSystem，BESS)因其能量密度高、動(dòng)態(tài)特性好等特點(diǎn)，成為應(yīng)用最為廣泛的儲(chǔ)能裝置。

傳統(tǒng)儲(chǔ)能并網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，多個(gè)電池組間采用串、并聯(lián)連接以滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出能量需求。而后經(jīng)過DC-DC升壓電路、DC-AC逆變電路和并網(wǎng)變壓器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功能。由于存在多個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程，整體輸出效率受到一定影響。同時(shí)大量電池組的監(jiān)測(cè)與調(diào)控也對(duì)電池能量管理系統(tǒng)(BatteryManagementSystem，BMS)提出了更為苛刻的要求。

模塊化多電平系統(tǒng)(ModularMultilevelConverter，MMC)因其輸出特性良好、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在中/高壓大功率場(chǎng)合具有廣泛應(yīng)用前景。若能將儲(chǔ)能電池分置于MMC的各個(gè)子模塊中，則可在保有良好輸出特性的同時(shí)，利用相間環(huán)流對(duì)各個(gè)電池組進(jìn)行靈活調(diào)控，實(shí)現(xiàn)多種控制目標(biāo)。

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

文獻(xiàn)［10］中將儲(chǔ)能型模塊化多電平系統(tǒng)(BatteryIntegratedModularMultilevelConverter，B-MMC)應(yīng)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域，并分別對(duì)常規(guī)行駛、交流充電和直流充電狀態(tài)進(jìn)行了相關(guān)分析。由于在電動(dòng)汽車中需要保證輸出功率的最大化，各個(gè)電池組間的荷電狀態(tài)(StateofCharge，SOC)保持一致。

文獻(xiàn)［11］中則將電池儲(chǔ)能裝置與級(jí)聯(lián)型H橋電路相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能并網(wǎng)功能。該情況下并未考慮電池組間不同SOH狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)壽命造成的影響。文獻(xiàn)［12］針對(duì)B-MMC系統(tǒng)中電池組間的不同SOH狀態(tài)進(jìn)行了研究，并為每個(gè)電池組設(shè)計(jì)了特定的弧形放電曲線。由于弧形放電曲線的變化速率會(huì)在臨界點(diǎn)處發(fā)生變化，因此能夠利用的放電曲線部分相對(duì)較小。

基于此，本文提出了一種針對(duì)B-MMC系統(tǒng)的多時(shí)間尺度控制方法。根據(jù)時(shí)間尺度的不同，可將整體控制結(jié)構(gòu)分為三層。其中，長時(shí)間尺度下主要進(jìn)行電池組的相對(duì)健康程度(RelativeStateofHealth，R-SOH)估計(jì)，并據(jù)此分配各個(gè)電池組的輸出功率參考，確定各自放電曲線;中時(shí)間尺度下通過調(diào)整子模塊的開關(guān)信號(hào)占空比，實(shí)現(xiàn)放電SOC曲線的跟蹤;短時(shí)間尺度下則進(jìn)行環(huán)流和輸出電流調(diào)控，實(shí)現(xiàn)相間與橋臂間的能量傳輸，提升系統(tǒng)整體效率，滿足并網(wǎng)要求。最后，分別在Matlab仿真平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)下搭建了BMMC系統(tǒng)，通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的有效性和可行性。

圖9多時(shí)間尺度控制整體框圖

結(jié)論

隨著新能源在電網(wǎng)中接入比例的逐年增高，儲(chǔ)能系統(tǒng)愈發(fā)成為不可或缺的一部分。若將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)分散接入于MMC結(jié)構(gòu)中，則可在保有良好輸出特性的同時(shí)靈活利用相間環(huán)流，實(shí)現(xiàn)多種控制功能。

基于電動(dòng)汽車中淘汰的二次電池，本文提出一種能夠有效延長儲(chǔ)能型模塊化多電平系統(tǒng)使用壽命的多時(shí)間尺度控制策略。長時(shí)間尺度下，根據(jù)電池組的相對(duì)健康程度可以計(jì)算得到各子模塊的輸出功率參考，進(jìn)而獲得電池組的SOC變化曲線;中時(shí)間尺度下通過調(diào)整子模塊的調(diào)制深度實(shí)現(xiàn)SOC曲線的跟蹤;小時(shí)間尺度下分別對(duì)交流輸出電流和相間環(huán)流進(jìn)行有效調(diào)控，在實(shí)現(xiàn)功率分配的同時(shí)滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)需求。

在多時(shí)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(shí)間段內(nèi)退出運(yùn)行，從而延長系統(tǒng)的整體使用壽命，提升能量利用效率。最后通過Matlab仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略的有效性和可行性。

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