[发明专利]一种采用电池电流独立控制的储能型MMC变流器

说明书

技术领域

本发明涉及储能变流器及控制领域，特别涉及一种采用电池电流独立控制的储能型MMC变流器。

背景技术

随着智能电网的发展，大量可再生能源并入电网，而诸如风能和太阳能等可再生能源容量小、远离用户中心、位置分散，且主要分布于我国的偏远边疆地区，因此，迫切需要灵活、经济、环保的输配电方式，高压直流输电(HVDC)孕育而生。模块化多电平变流器(MMC)作为高压直流输电的核心装置已经被广泛使用。MMC每相由上下两个桥臂和电感组成，每个桥臂又由若干个子模块串联而成，这种电路结构可以采用耐压等级较低的功率开关器件，以实现较高的交直流电压等级。同时，由于输出电平数较多，等效开关频率高，输出电流谐波含量可以大幅降低。MMC在同时存在交流电网和直流电网的场合中有很大的应用前景。由于可再生能源的随机性和不稳定性，在交流电网或直流电网中常加入一定容量的储能装置以达到平抑可再生能源接入电网所带来的功率波动，提高供电可靠性，改善电能质量的目的。额外设计的储能系统将增加HVDC输电系统的建设成本。如果把传统MMC中的子模块直流侧电容替换成储能电池，构成储能型MMC变流器，使HVDC输电系统在不加入其它电力电子装置的情况下获得储能能力，节省额外的储能系统成本，同时将储能系统控制和DC/AC变换控制集成在一起，易于实现整体协调控制。

传统的电池储能形式包括集中式储能和分布式储能，这两种储能方式都需要将大量的低压电池串并联形成电池阵列。由于电池单体间的差异性，电池阵列的性能取决于阵列中性能最差的单体电池，形成“木桶效应”。因此，这种情况下需要单体电池的一致性较高，直接增加了电池生产成本。针对以上问题，尽量减少单体电池串联数量、实现电池柔性成组成为目前研究的关键技术。本申请专利中将低压电池组与相应功率变换器相结合构成电池模块，多模块通过级联形式串联构成储能型MMC系统，接入交流电网，即将储能装置柔性成组技术与MMC相结合。这种技术所需要的电池组电压等级和容量等级比传统储能形式低，所需要串并联的单体电池数量少，降低了对单体电池一致性的要求，直接降低了电池生产成本。

电池本身具有复杂、时变的物理特性。由于单体电池间的差异性，电池组间的荷电状态(SOC)不可能完全一样，如果对串联成组的电池用统一的电流充放电，为避免SOC大的电池充电时过充或SOC小的电池放电时过放，统一充放电电流以性能最差的电池为基准设计，不一致性严重时还可能将子模块切除，不仅降低了系统的稳定性，同时降低了储能电池的利用率，损害了电池使用寿命。因此，本发明中根据储能型MMC系统各低压电池组的充放电需求及电池SOC等状态量的不同，实现对各电池组的独立电流控制，使每个电池模块工作在最优状态，提高储能电池的利用率，延长电池使用寿命。

发明内容

针对电池储能系统中存在的电池利用率和寿命受单体电池差异性制约的问题，本发明的目的是提供一种采用电池电流独立控制的储能型MMC变流器，通过在储能型MMC变流器中改变各子模块的调制波来独立控制储能电池的充放电电流，以提高电池的利用率和使用寿命。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明中的储能型MMC变流器每相含有2N个子模块，每相分为上桥臂和下桥臂，每个桥臂有N个带储能电池的子模块和一个电感。三相MMC电池储能系统含有公共直流母线，能连接直流电网，交流侧可以连接三相交流电网，也可以接交流负载。每个子模块由一个半桥模块、一个支撑电容和一个储能电池组组成。每个子模块的输出电压为0V或电池电压。

对于每相2N个子模块中的储能电池，通过电池管理系统(BMS)可以获得各电池组的SOC等状态量，并可据此得到各电池组最佳的充放电电流给定值并进行独立控制，例如使SOC大的电池组充电速度减慢或放电速度加大，SOC小的电池组充电速度加快或放电速度减慢。

对于三相储能型MMC变流器，交流侧采用广泛使用的前馈解耦矢量控制，通过给定有功功率和无功功率可以得到A、B、C三相输出电压的正弦调制波分量。每个子模块都通过这个信号产生正弦交流电压分量，输出交流功率。

三相储能型MMC变流器由于含有直流母线，每相两端都加载了一个直流电压，因而每个子模块都要输出一定的直流电压。该直流电压由调制波中直流偏移量产生，直流偏移量的给定由直流母线电压及模块数决定。