MMC混合储能拓扑的频率响应功率分配及能量均衡方法技术

本发明专利技术公开了一种MMC混合储能拓扑的频率响应功率分配及能量均衡方法，包括：对MMC混合储能系统进行变流器整体建模；计算超级电容的功率参考值，实现功率在蓄电池与超级电容之间的分配；确定各相补偿直流环流参考值，实现能量在MMC混合储能系统各相之间的均衡；计算各相交流环流补偿幅值，实现能量在MMC混合储能系统同相上下桥臂间的均衡；基于荷电状态排序的最低电平调制方法，实现MMC混合储能系统桥臂电压输出，并实现MMC混合储能系统同一桥臂内子模块的荷电状态均衡。该方法可保持MMC混合储能在多种运行状态下储能单元间的能量均衡，能对外部频率变化作出功率响应，使功率高频分量由超级电容承担，低频分量由蓄电池承担。担。担。

【技术实现步骤摘要】
MMC混合储能拓扑的频率响应功率分配及能量均衡方法


[0001]本专利技术涉及电力系统
，具体涉及一种MMC混合储能拓扑的频率响应功率分配及能量均衡方法。

技术介绍

[0002]面临着日益严重的环境污染问题，减小碳排放已成为人类社会的广泛共识。为了减少碳排放，大力发展可再生能源替代传统化石能源成为电力方面的关注重点。随着电力系统中大规模分布式可再生能源的接入和大量相关电力电子装置的应用，系统惯量减小，频率稳定性问题凸显。储能可为电力系统提供功率响应与惯量支撑，被视为提高系统频率稳定性的一种解决方案。相比于单一储能，混合储能可以结合不同储能之间的优势，具有较好的经济性，被视为一种较为具有前景的解决方案。较为常见的用于电网功率响应的混合储能由蓄电池与超级电容组成，蓄电池用于低频长时间功率响应，超级电容用于高频短时间功率响应。
[0003]目前，混合储能拓扑主要有基于传统两电平变流器的集中式配置与基于多电平(三电平及以上)变流器的分布式配置方案。基于多电平的分布式配置方案相关研究还处于起步阶段，目前基于MMC(Multilevel Modular Converter，模块化多电平变流器)的混合储能系统研究较多，储能既可以配置在MMC的子模块内部，也可以配置在MMC的直流侧。现有蓄电池集中配置于MMC直流侧，超级电容配置于子模块内；蓄电池配置于上桥臂，超级电容配置于下桥臂；蓄电池与超级电容同配置于子模块内；蓄电池配置于子模块内，超级电容配置于直流侧等多种方案。
[0004]对于分布式配置的混合储能系统，其内部储能介质的能量平衡策略包括相间平衡与子模块间平衡。对于级联H桥拓扑，其相间能量平衡利用零序电压注入实现，子模块间能量平衡利用更改调制波的方式实现。对于MMC拓扑，其桥臂间的能量平衡通过控制交流与直流环流实现，同一桥臂的子模块间能量平衡也通过更改调制波实现。目前，对于不同分布式储能拓扑的储能单元能量平衡策略多有研究，但是其具体的控制策略随拓扑而变化，需要进行个别设计。现有的分布式储能能量均衡策略中，针对多种MMC混合储能拓扑的控制策略多有研究，但是针对蓄电池配置于子模块内，超级电容配置于直流侧的MMC混合储能系统，其能量均衡策略尚欠缺，需要加以研究。
[0005]混合储能的功率分配策略一般基于频带分解的方式实现，低频功率分配给蓄电池，高频功率分配给超级电容。可以通过滤波器的方式对功率指令进行频带分解，实现功率的分配。对于虚拟同步机控制的混合储能系统，现有利用频率微分获取惯量响应部分功率作为高频功率，利用频率偏差值获取阻尼响应部分功率作为低频功率的方法。现有混合储能功率分配策略中，基于滤波器的频带分解方式需要确定的功率指令。然而，若采用虚拟同步机作为混合储能系统的控制方式，其功率环无法直接获取功率指令值。利用频率微分与频率偏差的方式进行频带分解可以实现基于虚拟同步机控制的混合储能功率分配。然而，微分环节在实际的控制器中不易实现，为控制器的设计造成困难。
[0006]综上所述，需要提出一种新型混合储能拓扑及其对应的控制策略，以解决蓄电池配置于子模块内、超级电容配置于直流侧的MMC混合储能拓扑内蓄电池储能单元能量均衡的问题以及基于虚拟同步机控制的功率分配方式的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术为了克服以上技术的不足，提供了一种MMC混合储能拓扑的频率响应功率分配及能量均衡方法，该方法可用于MMC混合储能的内部能量均衡与功率分配，保持MMC混合储能在多种运行状态下储能单元间的能量均衡，并且能够对外部频率变化作出功率响应，其中功率高频分量由超级电容承担，低频分量由蓄电池承担。
[0008]术语解释：
[0009]1、MMC：Multilevel Modular Converter，模块化多电平变流器。
[0010]2、SOC：State of charge，荷电状态。
[0011]本专利技术克服其技术问题所采用的技术方案是：
[0012]一种MMC混合储能拓扑的频率响应功率分配及能量均衡方法，适用于蓄电池分散配置于子模块内且超级电容配置于直流侧的MMC混合储能系统，包括如下步骤：
[0013]S1、对MMC混合储能系统进行变流器整体建模；
[0014]S2、使用包含电压电流环的虚拟同步机控制方法对MMC混合储能系统整体对外功率进行控制，根据MMC混合储能系统对外输出实际功率前馈值、MMC混合储能系统收到的调度指令功率值、虚拟同步机功率环内阻尼部分功率计算超级电容的功率参考值，实现功率在蓄电池与超级电容之间的分配；
[0015]S3、基于超级电容的功率参考值计算直流环流总额，根据MMC混合储能系统的全部相蓄电池的储能荷电状态平均值和三相各相蓄电池的储能荷电状态平均值确定各相补偿直流环流参考值，并采用PI控制器实现直流环流控制，实现能量在MMC混合储能系统各相之间的均衡；
[0016]S4、根据MMC混合储能系统同相内上桥臂和下桥臂的蓄电池荷电状态平均值计算各相交流环流补偿幅值，并采用PR控制器实现交流环流控制，实现能量在MMC混合储能系统同相上下桥臂间的均衡；
[0017]S5、基于荷电状态排序的最低电平调制方法，实现MMC混合储能系统桥臂电压输出，并实现MMC混合储能系统同一桥臂内子模块的荷电状态均衡。
[0018]进一步地，蓄电池分散配置于子模块内且超级电容配置于直流侧的MMC混合储能系统包括三相，每相包括相对称的上桥臂和下桥臂，每相的上桥臂或下桥臂中均包括若干个半桥模块和若干个全桥模块且半桥模块与全桥模块的数量相等。
[0019]进一步地，每个半桥模块包括电池、电容和两个MOS管，两个MOS管串联后与电池和电容并联。
[0020]进一步地，每个全桥模块包括电池、电容和四个MOS管，每两个MOS管串联后与另外两个相串联的MOS管并联并与电池和电容并联。
[0021]进一步地，步骤S1中，对MMC混合储能系统进行变流器整体建模具体包括如下：
[0022]各桥臂的功率为：
[0023][0024][0025]上式中，P
px
和P
nx
分别为MMC各相的上桥臂和下桥臂功率，x代表a,b,c三相中的某一相，U
dc
为MMC直流侧电压，e
x
为MMC交流侧电压，I
ox
为MMC各相输出的交流电流，I
cirx
和U
unbx
分别为各相内环流电流和不平衡电压；
[0026]设u
xp
和u
xn
分别为MMC各相的上桥臂电压和下桥臂电压，I
xp
和I
xn
分别为MMC各相的上桥臂电流和下桥臂电流，U
xp
和U
xn
为MMC各相的上桥臂电压和下桥臂电压；各物理量的关系为：
[0027][0028]某一相上下桥臂功率之和P
x
为：
[0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MMC混合储能拓扑的频率响应功率分配及能量均衡方法，其特征在于，适用于蓄电池分散配置于子模块内且超级电容配置于直流侧的MMC混合储能系统，包括如下步骤：S1、对MMC混合储能系统进行变流器整体建模；S2、使用包含电压电流环的虚拟同步机控制方法对MMC混合储能系统整体对外功率进行控制，根据MMC混合储能系统对外输出实际功率前馈值、MMC混合储能系统收到的调度指令功率值、虚拟同步机功率环内阻尼部分功率计算超级电容的功率参考值，实现功率在蓄电池与超级电容之间的分配；S3、基于超级电容的功率参考值计算直流环流总额，根据MMC混合储能系统的全部相蓄电池的储能荷电状态平均值和三相各相蓄电池的储能荷电状态平均值确定各相补偿直流环流参考值，并采用PI控制器实现直流环流控制，实现能量在MMC混合储能系统各相之间的均衡；S4、根据MMC混合储能系统同相内上桥臂和下桥臂的蓄电池荷电状态平均值计算各相交流环流补偿幅值，并采用PR控制器实现交流环流控制，实现能量在MMC混合储能系统同相上下桥臂间的均衡；S5、基于荷电状态排序的最低电平调制方法，实现MMC混合储能系统桥臂电压输出，并实现MMC混合储能系统同一桥臂内子模块的荷电状态均衡。2.根据权利要求1所述的MMC混合储能拓扑的频率响应功率分配及能量均衡方法，其特征在于，蓄电池分散配置于子模块内且超级电容配置于直流侧的MMC混合储能系统包括三相，每相包括相对称的上桥臂和下桥臂，每相的上桥臂或下桥臂中均包括若干个半桥模块和若干个全桥模块且半桥模块与全桥模块的数量相等。3.根据权利要求2所述的MMC混合储能拓扑的频率响应功率分配及能量均衡方法，其特征在于，每个半桥模块包括电池、电容和两个MOS管，两个MOS管串联后与电池和电容并联。4.根据权利要求2所述的MMC混合储能拓扑的频率响应功率分配及能量均衡方法，其特征在于，每个全桥模块包括电池、电容和四个MOS管，每两个MOS管串联后与另外两个相串联的MOS管并联并与电池和电容并联。5.根据权利要求2所述的MMC混合储能拓扑的频率响应功率分配及能量均衡方法，其特征在于，步骤S1中，对MMC混合储能系统进行变流器整体建模具体包括如下：各桥臂的功率为：各桥臂的功率为：上式中，P
px
和P
nx
分别为MMC各相的上桥臂和下桥臂功率，x代表a,b,c三相中的某一相，U
dc
为MMC直流侧电压，e
x
为MMC交流侧电压，I
ox
为MMC各相输出的交流电流，I
cirx
和U
unbx
分别为各相内环流电流和不平衡电压；设u
xp
和u
xn
分别为MMC各相的上桥臂电压和下桥臂电压，I
xp
和I
xn
分别为MMC各相的上桥臂电流和下桥臂电流，U
xp
和U
xn
为MMC各相的上桥臂电压和下桥臂电压；各物理量的关系为：
某一相上下桥臂功率之和P
x
为：P
x
＝(U
dc
‑
2U
unbx
)I
cirx
+e
x
I
ox
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)上式中，e
x
I
ox
为三相中某一相对交流侧输出功率，在三相平衡情况下这一项在三相相等；不平衡电压U
unbx
相比于直流电压U
dc
可忽略，则各相功率的差值主要由U
dc
I
cirx
一项决定；由于U
dc
为直流分量，主要由三相环流的直流分量决定；某一相内上下桥臂功率之间的差值为：ΔP
npx
＝(4e
x
I
cirx
+U
dc
I
ox
‑
2U
unbx
I
ox
)/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)上式中，U
dc
I
ox
为交流量乘直流量，在一个周期内值为零；不平衡电压U
unbx
相比于交流电压e
x
可忽略，则各相上下桥臂功率差主要由e
x
I
cirx
决定；由于e
x
为交流量，因此各相上下桥臂功率差由I
cirx
的一次基波分量决定；直流侧功率P
dc
为：直流侧功率由三相环流直流分量之和决定。6.根据权利要求1所述的MMC混合储能拓扑的频率响应功率分配及能量均衡方法，其特征在于，步骤S2具体包括：虚拟同步机的功率如式(7)分为三部分：上式中，P
ref...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡鹏飞，方逸宣，于彦雪，阿敏夫，杨再欣，
申请(专利权)人：内蒙古电力集团有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司，
类型：发明
国别省市：