储能型模块化多电平变换器控制方法研究

发布时间：2020-10-10 19:37

　　 随着能源危机与环境问题的逐步加剧,新能源在电网中的接入比例正在逐年升高。相比于传统化石能源,新能源具有可再生能力强,排放污染小等优势,对解决环境污染,缓解能源紧缺具有重要意义。现阶段较为广泛应用的新能源种类主要包括风能和太阳能,其受自然条件影响较为严重,具有明显的发电间歇性与不确定性等特点,大规模接入下会对电力系统的运行稳定性、电能质量和容量备用等方面提出挑战。为了妥善解决这一问题,通常需要将其与储能装置相结合,利用储能装置的功率解耦能力实现新能源输入与电网接收功率的有效解耦。按照储能原理的不同,储能技术主要可分为物理储能,电磁储能和电化学储能三种。目前应用较为广泛的储能类型为电化学储能,即电池储能,其在能量密度、供电时间和稳定性等层面具有优势。为了更好的提升电池组的能量利用效率,通常需要配备相应的电池能量管理系统(Battery Management System,BMS)。BMS能够对电池的运行状态进行监管,保证电池安全、稳定运行,更重要的是其具备荷电状态(State of Charge,SOC)均衡管理能力,能够实现能源利用率的优化。单体电池的电压和能量等级相对较低,为了满足并网需求,通常需要将多节单体电池进行串、并联连接,而后经过DC/DC升压电路、DC/AC逆变电路和升压变压器实现电网接入。该并网方式结构简单,便于调控,但大量单体电池的串并联连接方式要求BMS系统具有很强的电池量测管理能力。此外开关器件的电压、电流应力也相对较高,电能变换效率低。由于输出电平数目较低(两电平或三电平),在交流并网侧需引入大容量滤波装置实现滤波功能,增加了系统的成本和体积。模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)因其模块化结构、易于拓展等优势而逐渐受到学术界和工业界的认可。相比于两电平变换器,MMC具有输出谐波特性好、可扩展性强、冗余性好等优势。若将储能电池分散接入于MMC结构的子模块中,则能在保有MMC变换器自身优势的基础上实现电池组输出功率的灵活调控,优化电池组管理能力。目前国内外已逐步开展关于储能型 MMC 结构(MMC based Battery Energy Storage System,MMC-BESS)的相关研究。除储能系统并网应用领域外,储能电池在电动汽车领域也存在广泛应用。电动汽车内部的电力电子电路主要分为电机驱动电路,充电电路和BMS系统三大部分。传统结构下三者相互独立,挤占了车内本就狭小的安装空间,使得储能电池安装容量缩减,进而引发行驶里程数下降,难以满足用户需求。此外,受限于控制复杂度与芯片成本等客观条件,大量单体电池串、并联接入方式下BMS系统的SOC均衡能力也受到一定限制。若能将MMC-BESS系统应用于电动汽车中,并通过内锁开关、充放电接口与驱动电机、外界充电装置相连接,则能实现三者的空间结构复用,形成充放电一体化系统,一定程度上提高空间利用率。同时,利用MMC-BESS结构子模块电池组能量灵活调控的特点,可以进一步提升BMS系统的SOC均衡能力,提高能量利用效率。电动汽车的迅猛增长,也引发了退役电池处理的相关问题。为了降低动力电池成本,开发和扩展电池市场,其中一个重要的突破方向是通过论证与评估退役电池的潜在二次利用价值,实现动力电池的梯次利用。动力电池寿命终结后仍具备70%～80%的容量,能够满足风光储能、电网削峰填谷等功能。由于电池组老化程度与各自生产工艺、工作状态等密切相关,退役后电池组的健康程度(State of Health,SOH)也会有所差异。目前的控制策略中多以SOC均衡作为最优控制目标。当电池组间SOH状态差异明显时,传统SOC均衡控制策略会导致健康程度较差的电池组率先达到淘汰水平,进而缩短储能系统的使用寿命。因此亟需提出一种考虑SOH差异的新型控制方法,有效延长退役电池储能系统使用寿命。为了解决上述问题,本文利用理论分析、仿真与试验验证相结合的手段,重点对MMC-BESS系统的运行机理及控制方法进行深入探讨。针对电网平衡、不平衡运行工况进行分析,提出一种通用的SOC均衡控制方式;针对现有MMC-BESS系统控制中PI控制器数目过多的问题,提出一种减小开关状态计算量的混合型模型预测控制方法(Hybrid Model Predictive Control,H-MPC);提出一种适用于电动汽车的集成式充放电一体化MMC-BESS结构,并对不同工作模式下的运行机理进行相关分析;充分考虑退役电池SOH差异对储能系统寿命造成的影响,提出一种SOH均衡控制方法,有效延长退役电池的使用寿命。具体研究成果如下:(1)MMC-BESS系统通用SOC均衡控制方法。对MMC-BESS系统进行详细数学分析,通过建立桥臂功率与环流间的数学联系,确定特定环流成分对电池组SOC均衡产生的影响,进而选取环流控制参考目标。该控制策略可分为相间SOC均衡,桥臂间SOC均衡及单体SOC均衡三个层次。针对不同控制层次设定各自控制目标,最终实现整体SOC均衡一致。分别对电网平衡、不平衡运行情况进行讨论,提出一种通用SOC均衡控制策略,具有良好的工程适用性。(2)MMC-BESS系统H-MPC控制方法。该部分首先对MMC系统中目前应用较多的几种模型预测控制方法(Model Predictive Control,MPC)进行简要介绍,在此基础上指出削减开关状态计算量已成为推动MPC技术在多电平领域应用的重要方向之一。针对现有MMC-BESS控制策略中PI控制器过多引发的参数整定问题,提出一种H-MPC控制方法。该方法包含PI控制和MPC控制两部分。通过灵活设定各自控制目标,H-MPC可在实现控制目标良好追踪特性前提下有效削减处理器运算量,为MPC技术在多电平、大功率储能领域的工程应用提供支撑。(3)集成式电动汽车电能变换系统。提出一种集电机驱动电路、充电电路和BMS系统于一体的集成式MMC-BESS结构,并对不同工作模式下(电机驱动、直流充电和单相交流充电)的电路结构进行数学分析,提出相应SOC均衡控制策略。在此基础上以系统效率最大化为目标,提出优化分组充电策略,有效提升MMC-BESS系统能量转换效率。以SOH作为评价参数,采用概率论方法对集成系统的最小SOH数值进行数学估计,在理论上证明了 MMC-BESS系统相比于传统两电平集中接入方式在能量利用效率上具有优势。(4)退役电池储能系统SOH均衡控制方法。以电动汽车中退役的动力电池作为研究对象,分析其作为储能系统能源供给时存在的相关问题。充分考虑SOH差异对系统寿命的影响,量化分析电池组SOH、放电深度(Depth of Discharge,DOD)与循环周期寿命间的数学关系。针对SOH难以实现在线精确量测的问题,提出一种基于SOC量测的相对SOH估算方法。在此基础上提出一种SOH均衡控制方法,有效实现电池组SOH衰减曲线均衡一致,延长了退役电池储能系统的使用寿命。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM912
【部分图文】：

避免浪费［１８］。主动均衡的具体实现方式主要包括如下几种：??１．电容转移型??电容转移型拓扑结构如图１－２所示。其利用电容作为能量均衡器，依靠外接??继电器和开关装置实现电池间的能量转移。该均衡方式逻辑简单，易于实现，但??其只能依靠单体电池间的电压差实现能量转移，整体均衡效率较为低下［｜９］。??２??

控制目标［２４￣２５］。由于单体电池的电压等级较低，通常需要将大量单体电池进行串??并联连接后经由ＤＣ／ＤＣ升压电路、ＤＣ／ＡＣ逆变电路和变压器实现并网功能，具??体结构如图１－５所示［２６］。该接入方式结构简单，易于调控，但单体电池数目较多，??ＢＭＳ系统工作负担较重。同时输出电平数目较低，需要配置大容量滤波装置，??变压器的引入也会进一步增大系统成本。??电池组??，ＢＭＳ?芯片?ｒ?—?１??／?繅一！??电池组?４?Ｉ－??Ｂ！！ｆ片?４?变压器?＾??电池组?’Ｇ?＼?Ｌ?／??ｂｍｓ芯片?ｒ?：－?１???：，：：?１?￣?，ｒ－ｒ?ＭｍＭ?夷??ｉ?Ｉ?／Ｉ?Ａ?￣￣Ｉ??＼?ｂ＝」??Ｌ＞?＿＞？潘丨??图１－５传统电池储能系统并网结构图??随着电压和功率等级的逐步抬升，传统两电平变换器在应用过程中愈发呈现??不足，具体表现主要包含以下几点：（１）电路开关器件的耐压、耐流能力有限，??应用于高压、大功率场合时，需要多个开关串、并联连接，容易引发均压、均流??问题

ＭＭＣ结构逐步受到学术界和工业界的关注［３５－３７］，我国也开展了对ＭＭＣ－ＨＶＤＣ??系统的研宄，并于２０１４年投运世界首个多端直流输电工程［３８］。??ＭＭＣ结构如图１－９所示，每相桥臂均由上、下两组桥臂构成。通过调整桥??臂中子模块接入个数，即可对交流输出电压进行调整，从而实现并网控制功能。??以典型半桥子模块电路为例，当开关管Ｓ１导通，Ｓ２关断时，子模块处于接入状??态，输出电压为电容电压当开关管Ｓ１关断，Ｓ２导通时，子模块处于旁路??状态，输出电压为０；当ＳＩ、Ｓ２均关断时，子模块处于检修状态，输出电压为??０。与级联型结构相比，ＭＭＣ结构无需在子模块中提供电源能量支撑，具有共用???Ｌ?－ｐ—??ｏｔＡ?ＳＭＩ?ＳＭＩ?ＳＭＩ??ＳＩＹ?ｚ［￣?ｚｒｒ?￣ｊ￣??＝ｉ＝?ｙＳｕ???Ｉ?ＳＭ２?Ｉ?ＳＭ２?Ｉ?ＳＭ２??＂?Ｌ?Ｉ??Ｓ２＜Ｊ?ｉ?ｉ??｜?｜?ＳＭＮ?Ｉ?｜?ＳＭＮ?｜?ｆＳＭＮ??１?■＂〇?Ａ?■■■■々Ｂ?ｏ?Ｃ??１１１??ＳＭＩ?｜?｜?ＳＭＩ?｜?ＳＭＩ
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 李楠;张磊;马士聪;高峰;;基于模块化多电平换流器的电池储能系统控制策略[J];电力系统自动化;2017年09期

2 李金科;吴学智;施恩泽;荆龙;王帅;金新民;;不平衡网压下抑制MMC模块电压波动的环流注入方法[J];电力系统自动化;2017年09期

3 郭文勇;张京业;张志丰;邱清泉;张国民;林良真;肖立业;;超导储能系统的研究现状及应用前景[J];科技导报;2016年23期

4 李可军;张正发;刘智杰;亓孝武;于小晏;王卓迪;;MMC桥臂不对称运行特性分析及子模块故障下的控制策略[J];高电压技术;2016年10期

5 殷实;谭国俊;方磊;曹晓冬;;模块化多电平变流器调速系统变频控制[J];电工技术学报;2016年20期

6 王超;何英杰;刘云峰;刘进军;;飞跨电容型多电平逆变器空间矢量与载波脉宽调制统一理论研究[J];中国电机工程学报;2016年15期

7 何睦;赵光金;吴文龙;冯祥明;;充电模式下纯电动公交大巴退役电池性能分析[J];电源技术;2016年07期

8 梁营玉;张涛;刘建政;杨奇逊;刘树;;不平衡电网电压下模块化多电平换流器的环流抑制策略[J];电工技术学报;2016年09期

9 何志兴;罗安;熊桥坡;马伏军;雷博;周乐明;;模块化多电平变换器模型预测控制[J];中国电机工程学报;2016年05期

10 李志伟;赵书强;刘应梅;;电动汽车分布式储能控制策略及应用[J];电网技术;2016年02期

相关博士学位论文 前1条

1 吉宇;储能型模块化多电平变换器的关键技术研究[D];东南大学;2015年

相关硕士学位论文 前5条

1 段文;并网变换器的模型预测控制研究[D];山东大学;2016年

2 尤适运;动力电池主动均衡策略和SOC估计方法研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

3 王维;动力电池梯次开发利用及经济性研究[D];华北电力大学;2015年

4 秦春江;感应电动机级联多电平驱动控制系统[D];北京交通大学;2009年

5 高秀梅;多电平逆变器的拓扑优化及仿真研究[D];山东大学;2008年

本文编号：2835499