基于MMC的电池储能系统控制策略研究

基于MMC的电池储能系统控制策略研究

申志遥

浙江大唐国际江山新城热电有限责任公司

单位省市：浙江省衢州市江山市

单位邮编：323000

摘要：随着能源消耗和环境问题日益凸显，电池储能系统成为可再生能源应用和电网调度的重要组成部分。然而，现有的电池储能系统在实际应用中仍然存在一些挑战，如不稳定性、充放电效率低以及对电网的影响等。因此，如何制定高效稳定的电池储能系统控制策略，成为当前研究领域的热点问题。同时，模块化多级换流器（MMC）作为一种新型的直流－交流转换技术，具有高度可靠性、高功率质量和灵活性等优点。通过MMC技术，电池储能系统能够实现精细调控和高效能量转换，进一步提升系统性能和稳定性。基于此，本文将对基于MMC的电池储能系统控制策略进行简单探究。

关键词：MMC；电池储能系统；控制策略

1. 模块化多级换流器（MMC）的原理和特点

模块化多级换流器（MMC）是一种高性能、高稳定性的直流-交流转换器。其原理是通过分段电压控制和多级变压器来实现对电压和电流的精确调节。MMC的特点包括：①模块化设计。MMC由许多相同的模块组成，每个模块都包含一个电容和一个开关，这种模块化设计使得MMC的构造和维护更加方便。②高电压调节能力。MMC的每个模块都可以独立地调节输出电压，因此能够在不同负载条件下实现精确电压调节，提高系统的稳定性。③高频率操作。MMC能够以高频率（几千Hz至几十千Hz）工作，这样可以减小电感和滤波器的尺寸，提高系统的响应速度。④低谐波产生。MMC可以通过改变开关模块的状态来实现对电压波形的调节，从而最小化谐波含量，减少对电网的污染。⑤高可靠性。MMC的模块化结构使得如果某个模块发生故障，仅影响该模块周围的部分，而不会导致整个系统失效，从而提高了系统的可靠性。⑥较高的功率密度。MMC能够实现高速电压和电流的转换，使得系统可以在较小的体积内传输更大的功率。

2. 电池储能系统控制目标和要求

2.1系统安全稳定性

电池储能系统的控制目标之一是确保系统的安全稳定运行。这包括电池充放电过程中的电压、电流、温度等参数的稳定控制，防止电池过充、过放、过热等危险情况的发生。通过恰当的控制策略和保护机制，确保储能系统的安全性和可靠性。

2.2能量管理效率

电池储能系统旨在提供高效的能量管理，以最大程度地提升能量转换效率。控制策略需要对电池的充电、放电和储能过程进行准确控制，确保能量转换的高效率和最小能量损失。该目标可以通过合理的电池充放电控制、能量平衡管理和功率优化策略进行实现。

2.3电池健康性

电池的使用寿命和性能是电池储能系统的重要考量因素。控制策略需要考虑电池的寿命衰减、容量衰减、内阻变化等因素，并进行有效的电池管理和优化调度，以提升电池的健康性，延长电池的使用寿命和维持其性能稳定。

2.4环境友好型策略

电池储能系统应该采用环境友好型的控制策略，以减少对环境的不良影响。例如可采用谐波控制、优化充放电策略、能量回收和再利用等方法，降低对电网的谐波污染和能源消耗，提高系统的环境可持续性。

3. 基于MMC的电池储能系统控制策略

3.1分段电压控制

分段电压控制的原理是通过改变每个MMC模块中电容器的充放电状态，调节其对电池产生的电压贡献，进而实现对系统输出电压的调节。基本思想是根据需要调整每个模块的充电和放电状态，使得它们的电压加权平均值等于期望输出电压。

在分段电压控制中，首先需要实时检测系统的输出电压，并与设定值进行比较，得到电压偏差。然后根据电压偏差，通过控制每个MMC模块的充放电状态，调整模块的电容电压，使得各模块的电压加权平均值逐步接近期望输出电压。

具体实现分段电压控制的方法包括两个步骤：电压调整和平均电压控制。在电压调整阶段，通过改变每个模块的电容充放电状态，逐步减小电压偏差。例如，当输出电压过高时，可以增加某些模块的电容放电量，降低其电压，从而使得整体电压下降。反之亦然，当输出电压过低时，可以增加某些模块的电容充电量，提高其电压，实现整体电压的升高。

在平均电压控制阶段，通过控制各模块的充放电状态，使得它们的电压加权平均值逐步接近期望输出电压。这样可以减小电压波动范围，提高输出电压的稳定性和精确度。

分段电压控制能够有效解决MMC系统中电压不稳定和电压偏差的问题，进而提高电池储能系统的稳定性和性能。通过合理设计控制策略和参数，可以实现快速响应和精确控制，适应不同的工作条件和负载需求，提高系统的可靠性和适应性。

3.2多级变压器控制

在多级变压器控制中，通过改变多级变压器的变比，可以有效地调整电池储能系统的电压输出。当需要升高输出电压时，可以增大变压器的变比，将输入电压升高到所需的输出电压。反之，当需要降低输出电压时，可以减小变压器的变比，将输入电压降低到所需的输出电压。

多级变压器控制具有以下优势：①精确调节能力。通过多级变压器，可以实现对电压的精确控制。每个级别的变压器都有一定的变比范围，因此可以根据需求精确调整输出电压，满足不同的负载要求。②快速响应性。多级变压器控制可以实现快速响应。通过调节变压器的变比，可以在短时间内改变输出电压，提高系统的响应速度。这对于储能系统在紧急情况下的调节和保护非常重要。③灵活性和可靠性：多级变压器控制采用多级结构，每个级别之间相互独立，因此具有良好的灵活性和可靠性。即使某个级别的变压器出现故障，其他级别仍然可以正常工作，保证了系统的可靠性和连续性。④节能和效率高。多级变压器控制在实现电压升降的同时，也可以实现电能的传递和转换。在能量传递过程中，通过合理选择变压器的变比，可以最大程度地提高能量传输的效率，减少能量损失。

3.3谐波控制

谐波控制是基于MMC的电池储能系统中的一种关键控制策略，旨在减少系统对电网的谐波污染。谐波指的是基波频率的整数倍频率的电压或电流成分，它们会对电网和其他设备造成不良影响。

通过谐波控制策略，可以有效降低谐波成分，减少谐波电流的注入和传递，从而降低对电网的谐波污染。主要实施方法有：①谐波过滤器。谐波过滤器是最常用的谐波控制方法之一。它通过在电池储能系统的输入端或输出端安装谐波滤波器来滤除谐波成分。谐波滤波器由谐波滤波电容器和电感器组成，可以选择性地消除特定频率的谐波成分，减少其对电网的影响。②直流侧滤波器。电池储能系统的直流侧滤波器也可用于谐波控制。通过在直流侧安装滤波器电容器和电感器，可以过滤掉直流侧的谐波成分，减少其注入电池储能系统中，并通过直流侧的逆变器控制来减少谐波传递到交流侧。③PWM控制策略。脉宽调制（PWM）控制是另一种谐波控制的方法。通过控制MMC的开关状态和脉冲宽度，可以调节输出波形的谐波含量。采用合适的PWM控制策略，可以抑制谐波产生和传递，减少对电网的谐波污染。

3.4电池状态估计与管理

对电池状态的准确估计和有效管理是实现电池储能系统控制策略的关键。通过采用电池状态估计算法，可以实时监测电池的电流、电压、温度等参数，并结合充放电策略进行电池的有效管理，延长电池寿命并保证系统安全和性能稳定。

结 语：

MMC作为一种先进的直流－交流转换技术，具有模块化设计、高电压调节能力、高频率操作、低谐波产生、高可靠性和较高的功率密度等特点。这些特点使得MMC在电池储能系统等领域具有广泛的应用前景。目前对于基于MMC的电池储能系统控制策略的研究还相对较少。因此，有必要开展针对MMC技术在电池储能系统中的控制策略研究，以提高储能系统的功率密度、能量转化效率和运行稳定性。

参考文献：

[1]梁嘉,马勤冬,张敏吉,凌志斌.基于MMC的电池储能系统的控制策略[J].电力科学与工程,2017.

[2]张卓阳，邓超平，凌志斌.基于MMC的光伏发电-电池储能系统控制策略[J].电气传动，2017.