针对三相负载不平衡情况的离网MMC-BESS能量均衡控制方法与流程

针对三相负载不平衡情况的离网mmc-bess能量均衡控制方法
技术领域
1.本发明属于电能存储系统领域，尤其涉及一种用于三相负载不平衡离网mmc-bess能量的均衡控制方法。


背景技术：

2.新能源发电规模的扩大，促进了对电池储能系统(battery energy storage system,bess)的研究。
3.目前，对于级联式拓扑结构电池储能系统的研究已经较为成熟，且已有实际的工程应用；例如，申请公布日为2022年1月28日，申请公布号为cn 113991662 a的中国发明专利申请，公开了一种“基于lcc-mmc的能量路由系统及直流故障保护方法”，其系统的拓扑包括电网相控换流器lcc、模块化多电平变换器mmc、储能装置bess、改进型混合直流断路器dccb和直流母线；该系统的能量调控控制方式包括lcc侧定直流电压控制、mmc交流侧功率解耦控制以及储能接口buck/boost控制；系统的直流故障保护方法是将储能单元功率切换控制与改进型混合直流断路器dccb结合形成一套完整的联合故障保护方案。该技术方案在快速隔离故障电流的同时，能够防止mmc侧交流电流发生畸变，极大程度提高了系统的供电质量，保证了交流电网的可靠稳定运行，有利于故障后系统的快速恢复。
4.可见，模块化多电平电池储能系统(modular multilevel converter based bess,mmc-bess)因其突出的模块化特点越来越受关注。但是由于其拓扑结构中不存在直流母线，使其应用场景受到了一定的限制。
5.mmc-bess在实际运行过程中不可避免会出现三相负载不平衡的情况，在三相三线制接线中，将导致负载电流中包含负序分量，而不包含零序分量。负序分量将使得原本平衡的电池侧功率出现偏差，使得各相中电池的充放电功率不一致，再加上电池原本的不一致性和“短板效应”，可能导致电池组内发生过充、过放、过流现象，不仅影响电池组的寿命，更有可能引发火灾等安全问题，所以电池充放电功率的控制至关重要。
6.目前，对于电池充放电功率控制均是通过控制mmc-bess的直流侧和交流侧功率，间接控制电池的充放电功率，因此mmc-bess的电池均衡大多数也是通过控制交直流侧功率实现的。其方法一般是先检测反映电池状态的相关变量，如荷电状态soc(state of charge，指蓄电池使用一段时间后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值)，再根据这些状态量进行均衡控制，如相间电池soc均衡较常用的方法是直流电流分配法和零序电压注入法，这两个方法分别利用系统的直流功率和交流功率实现soc均衡；桥臂间soc均衡可以采用基频电流注入法，利用同一相内上、下桥臂电压相位相反的特点，向该相注入幅值可调、相位与该相交流输出电压相同或相反的基频电流，实现桥臂间的soc均衡；子模块soc均衡的方法有直流电压分配法、交流电压分配法等等，与相间soc均衡类似，根据各个子模块不同的soc生成直流偏差功率或交流偏差功率，实现soc均衡。
7.但是上述的电池均衡属于滞后控制，是在电池已经出现了一定的不一致性之后，进行电池充放电功率的控制，使其均衡。
8.针对电池出现不一致性一部分原因是由于三相功率不平衡，如果能够考虑提前介入三相功率平衡控制，使电池充放电功率提前趋于一致，则可以为电池的均衡提供一定的保障。


技术实现要素：

9.本发明所要解决的技术问题是提供一种针对三相负载不平衡情况的离网mmc-bess能量均衡控制方法。其在执行、确定或修改各相直流电流的给定值时，通过实时检测负载侧的负序电流，计算因此产生的三相不平衡功率，动态决定三相直流平衡电流的分配策略，最终实现三相功率的平衡，并给出了三相直流平衡电流的计算方法。其通过在三相功率平衡控制时，提前介入电池soc的均衡过程，使各相的电池充放电功率保持一致，使电池充放电功率提前趋于一致，进而为电池性能的均衡性提供一定的保障，能够提高系统的工作可靠性。
10.本发明的技术方案是：提供一种针对三相负载不平衡情况的离网mmc-bess能量均衡控制方法，其特征是所述的控制方法包括如下步骤：
11.1)执行预定的各相直流电流参考给定值；
12.2)实时检测负载侧的负序电流；
13.3)计算a相负载电流负序分量；
14.4)在a相负载电流负序分量的基础上，分别平移120
°
和-120
°
的相角，得到b相负载电流的负序分量和c相负载电流的负序分量；
15.5)以a相交流输出端电压为参考量，计算a相交流输出端电压的正序、负序和零序分量；
16.6)在a相输出端电压正序分量基础上，分别平移-120
°
和120
°
的相角，得到b相和c相输出端电压的正序分量；
17.7)计算由三相负载电流中的负序分量引起的三相不平衡功率；
18.8)对a、b、c三相不平衡功率的绝对值|p
δj
|按大小排序，计算叠加在各相直流电流给定值上的平衡电流；
19.9)在预定的各相直流电流参考给定值的基础上，叠加上各相直流电流给定值的平衡电流，进而得调整后新的各相直流电流给定值；
20.10)执行调整后新的各相直流电流给定值；
21.11)返回步骤2)，根据负载侧的三相不平衡功率，继续动态调整三相直流平衡电流的分配策略。
22.具体的，所述的控制方法，通过实时检测负载侧的负序电流，计算因此产生的三相不平衡功率，决定三相直流平衡电流的分配策略。
23.进一步的，所述的控制方法，通过在三相功率平衡控制时，提前介入电池soc的均衡过程，使各相的电池充放电功率保持一致，电池充放电功率提前趋于一致，减少因负序分量带来的对电池充放电功率的影响，进而改善电池性能的均衡性。
24.具体的，设流过三相负载的电流相量表示分别为和以a相电流为参考相，a相负载电流可按下式分解为正序、负序和零序电流：
[0025][0026]
式中分别为a相负载电流正序、负序和零序分量。
[0027]
具体的，设系统交流输出端电压分别为和以a相交流输出端电压为参考量，的正序、负序和零序分量可计算如下：
[0028][0029]
进一步的，由三相负载电流中的负序分量引起的三相功率不平衡按如下公式进行计算：
[0030][0031]
式中的t为工频周期。
[0032]
进一步的，对a、b、c三相不平衡功率的绝对值|p
δj
|按大小排序后，叠加在各相直流电流给定值上的平衡电流可按照下列公式计算：
[0033][0034]
式中δi
dcj_max
——叠加在max|p
δj
|对应相的直流平衡电流；
[0035]
δi
dcj_min
——叠加在min|p
δj
|对应相的直流平衡电流；
[0036]
δi
dcj_middle
——叠加除以上两相外剩余一相的直流平衡电流。
[0037]
具体的，设各相直流电流的原给定值为i
dc_ref
，可得调整后各相的直流电流给定值为：
[0038]
[0039]
与现有技术比较，本发明的优点是：
[0040]
1.本发明的技术方案，通过实时检测负载侧的负序电流，计算因此产生的三相不平衡功率，决定三相直流平衡电流的分配策略，最终实现三相功率的平衡，并给出了三相直流平衡电流的计算方法；
[0041]
2.本发明的技术方案，通过提前介入电池soc的均衡过程，使各相的电池充放电功率保持一致，使电池充放电功率提前趋于一致，进而为电池性能的均衡性提供一定的保障，能够提高系统的工作可靠性；
[0042]
3.本发明的技术方案，通过合理分配各相的直流功率，减少因负序分量带来的对电池充放电功率的影响，可以起到对电池的保护作用，有利于电池均衡，延长系统使用寿命。
附图说明
[0043]
图1是本发明离网mmc-bess主电路的拓扑结构示意图；
[0044]
图2是本发明各相能量均衡控制方法的方框图。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0046]
图1中所示，为本发明所述mmc-bess主电路的拓扑结构示意图。
[0047]
其中的mmc-bess主电路包含三个相簇，每个相簇分为上桥臂和下桥臂，桥臂中包含若干子模块，上、下桥臂中包含的子模块数量相同。
[0048]
在每个相簇中，直流母线的正极与上桥臂第一个子模块的输出正端连接，输出负端与下一个子模块的输出正端连接，以此类推；上桥臂的最后一个子模块的输出负端与桥臂电感相连；下桥臂的连接方式与上桥臂一样：桥臂电感、各子模块依次相连后，最后一个子模块的输出负端与直流母线的负极连接。
[0049]
上、下桥臂的中点连接在一起，形成交流电网电压的出口，并且通过交流电感引出，形成系统的交流侧，接三相负载，整个系统为三相三线制。
[0050]
该系统可以与交流电网和直流电网并网。子模块主要由开关器件、电容和电池组成，每个子模块均引出两个端子，用于与别的子模块级联。
[0051]
明显地，在图1中所示的子模块为半桥结构，半桥电路与电容、电池构成并联结构。
[0052]
对图1中出现的各个物理量的含义解释如下表所示。
[0053]
表1 mmc-bess拓扑中的符号含义
[0054]
[0055][0056]
这里需要说明的是，交流侧输出电压u
sj
的参考点为交流侧中性点o，交流侧并网电压u
gj
的参考点是直流侧中性点，也即系统的零电位点o'。规定直流母线电流的参考方向为从直流母线的正端流向桥臂；上桥臂电流的参考方向为从直流母线正端流向桥臂电感；下桥臂电流的参考方向为从桥臂电感流向直流母线负端；交流输出的相电流参考方向为从mmc交流出口流向并网电感；系统中电压的参考方向均取一致参考方向。
[0057]
在此基础上，本发明的技术方案，提供了一种针对三相负载不平衡情况的离网mmc-bess能量均衡控制方法，包括下列步骤：
[0058]
(1)实时检测负序电流，设流过三相负载的电流相量表示分别为和以a相电流为参考相，a相负载电流可按下式分解为正序、负序和零序电流：
[0059][0060]
式中分别为a相负载电流正序、负序和零序分量；
[0061]
(2)在a相负载电流负序分量基础上，分别平移120
°
和-120
°
的相角，即可得到b相和c相负载电流的负序分量，分别记为和
[0062]
(3)设系统交流输出端电压分别为和以a相交流输出端电压为参考量，的正序、负序和零序分量可计算如下：
[0063][0064]
(4)在a相输出端电压正序分量基础上，分别平移-120
°
和120
°
的相角，即可得到b相和c相输出端电压的正序分量，分别记为和
[0065]
(5)由三相负载电流中的负序分量引起的三相功率不平衡可计算如下：
[0066][0067]
式中t为工频周期。
[0068]
(6)将(5)中不平衡功率的绝对值|p
δj
|按大小排序，叠加在各相直流电流给定值上的平衡电流可计算如下：
[0069][0070]
式中δi
dcj_max
——叠加在max|p
δj
|对应相的直流平衡电流
[0071]
δi
dcj_min
——叠加在min|p
δj
|对应相的直流平衡电流
[0072]
δi
dcj_middle
——叠加除以上两相外剩余一相的直流平衡电流
[0073]
(7)设各相直流电流原给定值为i
dc_ref
，可得调整后各相的直流电流给定值为：
[0074][0075]
实施例：
[0076]
本实施例所示的mmc-bess额定容量50kw，直流侧电压750v，包含120个子模块，每个桥臂包含20个子模块，桥臂电感取值为0.5mh，交流侧电感取值为0.5mh。
[0077]
本实施例中三相负载电阻的阻值分别为：
[0078]
ra＝2ω
[0079]
rb＝5ω
[0080]
rc＝8ω
[0081]
本实施例中，采用载波移相调制实现对子模块的开关控制。
[0082]
本实施例中，设定直流侧母线电流给定值为90a，各相直流电流给定值为30a；交流侧电流幅值为100a。
[0083]
本实施例中，mmc-bess输出的交流端电压幅值为um＝311v，以a相输出的交流端电压为参考量，mmc-bess交流侧输出端的三个相电压可表示为：
[0084]
ua＝umsin(ωt)
[0085]
ub＝umsin(ωt-120
°
)
[0086]
uc＝umsin(ωt+120
°
)
[0087]
设a相交流输出电流与该相电压相角为可得各相交流电流表达式：
[0088][0089]
[0090][0091]
针对三相负载不平衡情况的离网mmc-bess能量均衡控制方法，包括以下步骤：
[0092]
(1)实时检测负序电流：
[0093]
根据式(1)计算a相负载电流的负序分量，得：
[0094][0095]
其中
[0096][0097][0098][0099]
(2)在a相负载电流负序分量基础上，分别平移120
°
和-120
°
的相角，即可得到b相和c相负载电流的负序分量：
[0100][0101][0102]
(3)计算系统交流输出端电压正序分量：
[0103]
本实施例中可认为三相交流输出端电压中只包含正序分量，以a相交流输出端电压为参考量，有：
[0104]ua+
＝umsin(ωt)
[0105]
(4)在a相输出端电压正序分量基础上，分别平移-120
°
和120
°
的相角，即可得到b相和c相输出端电压的正序分量：
[0106]ub+
＝umsin(ωt-120
°
)
[0107]uc+
＝umsin(ωt+120
°
)
[0108]
(5)计算由三相负载电流中的负序分量引起的三相不平衡功率：
[0109][0110][0111][0112]
(6)将(5)中不平衡功率的绝对值|p
δj
|按大小排序，叠加在各相直流电流给定值上的平衡电流可计算如下：
[0113][0114]
代入本实施例的数据，可得：
[0115][0116]
(7)调整后各相的直流电流给定值为：
[0117][0118]
由于mmc-bess中在实际应用中，不可避免会出现三相负载不平衡的情况，导致三相电池充放电功率不平衡，影响电池均衡。本发明的技术方案，针对这种情况，在设定和调节各相的直流电流给定值时，实时检测负载侧的负序电流，计算因此产生的三相不平衡功率，决定三相直流平衡电流的分配策略，合理分配各相的直流功率，减少因负序分量带来的对电池充放电功率的影响，通过提前介入电池soc的均衡过程，使各相的电池充放电功率保持一致，使电池充放电功率提前趋于一致，通过合理分配各相的直流功率，减少因负序分量带来的对电池充放电功率的影响，可以起到对电池的保护作用，有利于电池均衡，起到对电池的保护作用，进而为电池性能的均衡性提供相应能够的保障，延长系统使用寿命，提高系统的工作可靠性。
[0119]
本发明可广泛用于电能存储系统的运行管理领域。