模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制方法及装置

1.本发明涉及本发明涉及电池储能系统的优化控制技术领域，尤其涉及一种模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制方法及装置。


背景技术：

2.模块化多电平电池储能系统(modular multilevel converter-battery energy storage system,mmc-bess)具有模块化的结构，可将电池组分散直接地接入mmc子模块的直流侧，具有功率双向流动、高效率、高可靠性、易扩展等优点，在网侧大规模电池储能系统中具有广阔前景。
3.电荷吞吐量指的是在电池的整个使用寿命期间可以充入和放出的总电荷量(可以用库伦或安培小时数作为单位进行评估测量)，可用电池电流绝对值的积分表示。它取决于电池的电化学特性和工作条件；当忽略其他老化影响时，电池的寿命取决于其化学活性物质所能承受的总电荷吞吐量。理想情况下，电池电流主要为直流量，因此其总电荷吞吐量可用电池平均电流的积分表示。
4.mmc-bess中各子模块功率周期性波动，与其相连的电池组充放电状态频繁切换，会产生额外的电荷吞吐量，危害电池储能系统寿命，限制了mmc-bess的推广。
5.通过附加无源硬件滤波电路或dc/dc可在一定程度上抑制电池电流波动，进而抑制电池电荷吞吐量，但会导致装置体积和硬件成本大幅增加。为此，需根据mmc-bess的特性，利用软件方法对mmc-bess的控制策略进行改进，从而抑制mmc-bess电荷吞吐量。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制方法及装置，本发明通过注入最优二倍频环流，减少了模块化多电平电池储能系统的电荷吞吐量，详见下文描述：
7.第一方面，一种模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制方法，所述方法包括：
8.构建模块化多电平电池储能系统数学模型；
9.将子模块后级储能单元视为整体，建立模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量的表达式；
10.建立考虑二倍频环流注入的模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量的表达式；
11.以系统总电荷吞吐量最小为目标，计算不同工况下最优二倍频环流参数；
12.根据系统运行参数，动态选取最优二倍频环流分量；
13.对模块化多电平电池储能系统的功率和注入的二倍频环流精准控制。
14.其中，所述构建模块化多电平电池储能系统数学模型具体为：
15.考虑正常工况下交流电网和mmc的对称性，仅以a相电荷吞吐量为例进行分析。
16.为了实现mmc-bess交、直流侧与其内部电池间的功率平衡，需满足
17.p
dc
＝p
ac
+p
bat
＝(1+k)p
ac
18.式中，p
ac
表示mmc-bess交流侧功率；p
dc
表示mmc-bess直流侧功率；p
bat
表示mmc-bess电池组功率之和；k表示电池功率p
bat
与交流功率p
ac
之比，将其定义为储能功率占比。
[0019][0020]
式中，i
cira
和m分别为a相环流直流分量和调制比；im为交流电流幅值；p
dca
表示a相直流侧功率；v
dc
表示直流母线电压。
[0021]
其中，所述将子模块后级储能单元视为整体，建立模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量的表达式具体为：
[0022]
将子模块后级储能单元视为整体，根据电荷吞吐量的定义以及mmc-bess的数学模型，可将a相mmc-bess的电荷吞吐量qa表示为：
[0023][0024]
式中，q
ua
和q
la
分别为a相上桥臂电荷吞吐量和下桥臂电荷吞吐量；i
ua
和i
la
分别为a相上、下桥臂电流；s(t)
uai
和s(t)
lai
分别为上、下桥臂第i个子模块的调制参考值；s(t)
ua
和s(t)
la
分别为上、下桥臂电压调制参考值，其可通过桥臂电压计算获得，具体可表示为
[0025][0026]
若桥臂电流不存在过零点，mmc-bess将不产生额外的电荷吞吐量，无需设计额外的电荷吞吐量抑制策略。因此，可得所提电荷吞吐量抑制策略的适用条件如下
[0027][0028]
其中，所述建立考虑二倍频环流注入的模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量的表达式具体为：
[0029]
mmc-bess二倍频环流如下式所示
[0030][0031]
式中，λ为二倍频环流的幅值系数，其数值为二倍频环流幅值与交流电流幅值之比；θ为二倍频环流的初相角。
[0032]
注入二倍频环流后，桥臂电流主要包含直流、基频和二倍频分量，具体可表示为
[0033][0034]
将上式代入a相mmc-bess的电荷吞吐量的表达式中，可得注入二倍频环流后，a相各子模块电池组的电荷吞吐量的总和，具体示于式
[0035][0036]
通过注入合适幅值和初相角的二倍频环流分量，可降低式中qa的数值，即可实现mmc-bess的电荷吞吐量抑制。
[0037]
其中，所述以系统总电荷吞吐量最小为目标，计算不同工况下最优二倍频环流参数具体为：
[0038]
mmc-bess直流母线电压v
dc
通常为恒定值，因此，mmc-bess的电荷吞吐量的影响因素仅包括调制比m，储能功率占比k以及环流。
[0039]
mmc-bess的运行工况和系统参数不同，会导致调制比m和储能功率占比k不同。
[0040]
为了实现不同工况下mmc-bess电荷吞吐量的有效抑制，需计算不同m和k工况下的最优二倍频环流参数。
[0041]
以a相各子模块电池组的电荷吞吐量的最小为目标，通过遍历得到不同m和k下的的二倍频环流参数λ和θ。
[0042]
将离线计算结果存入控制器中，以根据系统运行参数动态选取最优二倍频环流分量。
[0043]
其中，所述根据系统运行参数，动态选取最优二倍频环流分量具体为：
[0044]
为了实现不同工况下mmc-bess电荷吞吐量的有效抑制，需根据系统运行参数动态选取最优二倍频环流分量。
[0045]
首先，对环流参数初始化，将λ和θ赋零；
[0046]
其次，输入u
sd
、v
dc
、p
*ac
、p
*dc
等系统运行参数；
[0047]
然后，计算k和m；
[0048]
进一步，判断k是否满足所提方法的适用范围，若满足，则采用查找表法选取该k和m对应工况下的最优二倍频环流参数λ和θ，若不满足，则采用初始环流参数λ和θ；
[0049]
最后，计算二倍频环流的参考值。
[0050]
其中，所述对模块化多电平电池储能系统的功率和注入的二倍频环流精准控制具体为：
[0051]
mmc-bess整体控制策略主要包括交流功率控制、直流功率控制、电荷吞吐量抑制和调制策略四个环节。
[0052]
第二方面，一种模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制装置，所述装置包括：
[0053]
最优二倍频环流参数计算模块，用于计算使系统电荷吞吐量最小的最优二倍频环流参数；
[0054]
最优二倍频环流分量选取模块，用于选取最优二倍频环流分量，计算注入二倍频环流的参考值；
[0055]
整体控制模块，包括交流功率控制、直流功率及环流控制、电荷吞吐量抑制和调制环节。
[0056]
本发明提供的技术方案的有益效果是：
[0057]
1、本发明所提模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制方法通过最优二倍频环流注入，显著抑制了mmc-bess的电荷吞吐量；
[0058]
2、本发明所提模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制方法通过最优二倍频环流分量动态选取，可抑制不同工况下mmc-bess的电荷吞吐量；
[0059]
3、本发明所提模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制方法无需添加额外的硬件电路，可减小mmc-bess滤波电路的体积。
附图说明
[0060]
图1为模块化多电平电池储能系统拓扑结构图；
[0061]
图2为mmc-bess电荷吞吐量示意图；
[0062]
图3为最优二倍频环流参数计算流程图；
[0063]
图4为最优二倍频环流分量选取流程图；
[0064]
图5为模块化多电平电池储能系统整体控制框图；
[0065]
图6为单相模块化多电平电池储能系统样机图；
[0066]
图7为模块化多电平电池储能系统实验波形图；
[0067]
其中，图(a)为a相上桥臂电压、上桥臂电流、下桥臂电压、下桥臂电流，图(b)为交流电网电压、交流电流、环流。
[0068]
具体实施方法
[0069]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0070]
为了解决背景技术中存在的问题，抑制模块化多电平电池储能系统的电荷吞吐量，本发明实施例以模块化多电平电池储能系统为研究对象，研发一种模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制方法。
[0071]
实施例1
[0072]
一种模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制方法，该方法包括以下步骤：
[0073]
步骤101：构建模块化多电平电池储能系统数学模型；
[0074]
步骤102：将子模块后级储能单元视为整体，建立模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量的表达式；
[0075]
步骤103：建立考虑二倍频环流注入的模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量的表达式；
[0076]
步骤104：以系统总电荷吞吐量最小为目标，计算不同工况下最优二倍频环流参数；
[0077]
步骤105：根据系统运行参数，动态选取最优二倍频环流分量；
[0078]
步骤106：对模块化多电平电池储能系统的功率和注入的二倍频环流精准控制；
[0079]
步骤107：实验测试验证所提模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制方法的有效性。
[0080]
实施例2
[0081]
下面结合具体的计算公式、附图、实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
[0082]
步骤201：构建模块化多电平电池储能系统数学模型；
[0083]
模块化多电平电池储能系统的拓扑结构如图1所示，其每相包含上桥臂和下桥臂，每个桥臂中包含n个子模块。上桥臂和下桥臂通过桥臂电感与l
arm
相连。mmc-bess的直流端口与直流源相连，交流端口通过滤波电感l与电网相连。
[0084]
为了实现mmc-bess交、直流侧与其内部电池间的功率平衡，需满足
[0085]
p
dc
＝p
ac
+p
bat
＝(1+k)p
ac
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0086]
根据图1的参考方向以及基尔霍夫电压/电流定律可得
[0087][0088][0089]
式中，u
ua
和u
la
分别为a相上、下桥臂电压；i
ua
和i
la
分别为a相上、下桥臂电流；u
sa
和ia分别为a相交流电压和交流电流；vm和im为a相电压幅值和电流幅值；ω为角频率；为功率因数角，本文取0；i
cira
和m分别为a相环流直流分量和调制比，其表达式为
[0090][0091]
式中，i
cira
和m分别为a相环流直流分量和调制比。
[0092]
电荷吞吐量q定义为电池电流绝对值的积分，表示实际流经电池的电荷总量，其表达式为
[0093][0094]
步骤202：将子模块后级储能单元视为整体，建立模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量的表达式；
[0095]
将子模块后级储能单元视为整体，根据电荷吞吐量的定义以及mmc-bess的数学模型，可将a相mmc-bess的电荷吞吐量表示为：
[0096][0097]
式中，s(t)
uai
和s(t)
lai
分别为上、下桥臂第i个子模块的调制参考值；s(t)
ua
和s
(t)
la
分别为上、下桥臂电压调制参考值，其可通过桥臂电压计算获得，具体可表示为
[0098][0099]
类似地，可得上、下桥臂各子模块电池理想电荷吞吐量的表达式如下
[0100][0101]
根据式(6)和式(8)，可得电池放电和充电两种工况下，mmc-bess的电荷吞吐量如图2所示。图中阴影部分表示桥臂电流过零导致电池电流反向流动，使得电池在一个周期内反复充放电，从而造成额外的电荷吞吐量。
[0102]
若桥臂电流不存在过零点，mmc-bess将不产生额外的电荷吞吐量，无需设计额外的电荷吞吐量抑制策略。因此，可得所提电荷吞吐量抑制策略的适用条件如下
[0103][0104]
步骤203：建立考虑二倍频环流注入的模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量的表达式；
[0105]
mmc-bess二倍频环流如下式所示
[0106][0107]
式中，λ为二倍频环流的幅值系数，其数值为二倍频环流幅值与交流电流幅值之比；θ为二倍频环流的初相角。
[0108]
注入二倍频环流后，桥臂电流主要包含直流、基频和二倍频分量，具体可表示为
[0109][0110]
将上式代入a相mmc-bess的电荷吞吐量的表达式中，可得到注入二倍频环流后，a相各子模块电池组的电荷吞吐量的总和，具体示于下式
[0111][0112]
通通过注入合适幅值和初相角的二倍频环流分量，可降低式中qa的数值，即可实现mmc-bess的电荷吞吐量抑制。
[0113]
步骤204：以系统总电荷吞吐量最小为目标，计算不同工况下最优二倍频环流参数；
[0114]
mmc-bess直流母线电压v
dc
通常为恒定值，根据式(12)可知，mmc-bess的电荷吞吐
量的影响因素仅包括调制比m，储能功率占比k以及环流。
[0115]
mmc-bess的运行工况和系统参数不同，会导致调制比m和储能功率占比k不同。
[0116]
为了实现不同工况下mmc-bess电荷吞吐量的有效抑制，需计算不同m和k工况下的最优二倍频环流参数。
[0117]
最优二倍频环流参数的计算流程如图3所示。
[0118]
以a相各子模块电池组的电荷吞吐量的最小为目标，通过遍历得到不同m和k下的的二倍频环流参数λ和θ。
[0119]
将离线计算结果存入控制器中，以根据系统运行参数动态选取最优二倍频环流分量。
[0120]
步骤205：根据系统运行参数，动态选取最优二倍频环流分量；
[0121]
为了实现不同工况下mmc-bess电荷吞吐量的有效抑制，需根据系统运行参数动态选取最优二倍频环流分量。
[0122]
最优二倍频环流分量选取流程如图4所示。
[0123]
首先，对环流参数初始化，将λ和θ赋零；
[0124]
其次，输入u
sd
、v
dc
、p
*ac
、p
*dc
等系统运行参数；
[0125]
然后，根据式(1)和式(4)计算k和m；
[0126]
进一步，判断k是否满足式(9)，若满足，则采用查找表法选取该k和m对应工况下的最优二倍频环流参数λ和θ，若不满足，则采用初始环流参数λ和θ；
[0127]
最后，计算二倍频环流的参考值。
[0128]
步骤206：对模块化多电平电池储能系统的功率和注入的二倍频环流精准控制；
[0129]
mmc-bess整体控制框图如图5所示，主要包括交流功率控制、直流功率控制、电荷吞吐量抑制和调制策略四个环节。
[0130]
步骤207：实验测试验证所提模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制方法的有效性。
[0131]
为进一步验证所提控制方法的有效性，利用图6所示的单相mmc-bess实验平台进行实验验证，其主回路参数列于表1中。
[0132]
表1实验参数
[0133][0134]
mmc-bess在所提控制方法下的实验结果如图7示。实验中，注入最优二倍频环流前后mmc-bess的上桥臂电压、上桥臂电流、下桥臂电压和下桥臂电流如图7(a)所示；交流电网电压、交流电流和环流如图7(b)所示，其交流电流幅值稳定在10a左右，环流的直流分量约为1.6a。计算得此时k＝-0.2。初始时刻采用传统环流抑制策略，二倍频环流得到了有效的
抑制，0.1s后注入幅值为3.4a、初相角为0的二倍频环流，环流跟踪效果和动态性能良好。
[0135]
利用实验测得的上、下桥臂电压，根据式(7)推导得到上、下桥臂的调制信号，利用式(6)计算单个工频周期下系统电池电荷吞吐量总和。电荷吞吐量抑制前后实验结果对比如表2所示。当不对电荷吞吐量进行抑制时，mmc-bess电荷吞吐量为0.193c；当采用所提电荷吞吐量抑制方法时，mmc-bess电荷吞吐量为0.132c，抑制后mmc-bess电荷吞吐量降低了31.53％。
[0136]
表2电荷吞吐量抑制前后实验结果对比
[0137][0138]
综上所述，该模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制方法的优点如下：
[0139]
1、本发明所提模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制方法通过最优二倍频环流注入，显著抑制了mmc-bess的电荷吞吐量；
[0140]
2、本发明所提模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制方法通过最优二倍频环流分量动态选取，可抑制不同工况下mmc-bess的电荷吞吐量；
[0141]
3、本发明所提模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制方法无需添加额外的硬件电路，可减小mmc-bess滤波电路的体积。
[0142]
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
[0143]
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0144]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制方法，其特征在于，所述方法包括：构建模块化多电平电池储能系统数学模型；将子模块后级储能单元视为整体，建立模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量的表达式；建立考虑二倍频环流注入的模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量的表达式；以系统总电荷吞吐量最小为目标，计算不同工况下最优二倍频环流参数；根据系统运行参数，动态选取最优二倍频环流分量；对模块化多电平电池储能系统的功率和注入的二倍频环流精准控制。2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制方法，其特征在于，所述构建模块化多电平电池储能系统数学模型具体为：考虑正常工况下交流电网和模块化多电平电池储能系统(modular multilevel converter-battery energy storage system,mmc-bess)的对称性，仅以a相电荷吞吐量为例进行分析。为了实现mmc-bess交、直流侧与其内部电池间的功率平衡，需满足p
dc
＝p
ac
+p
bat
＝(1+k)p
ac
式中，p
ac
表示mmc-bess交流侧功率；p
dc
表示mmc-bess直流侧功率；p
bat
表示mmc-bess电池组功率之和；k表示电池功率p
bat
与交流功率p
ac
之比，将其定义为储能功率占比。式中，和m分别为a相环流直流分量和调制比；为交流电流幅值；p
dca
表示a相直流侧功率；v
dc
表示直流母线电压。3.根据权利要求1所述的一种模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制方法，其特征在于，所述将子模块后级储能单元视为整体，建立模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量的表达式具体为：将子模块后级储能单元视为整体，根据电荷吞吐量的定义以及mmc-bess的数学模型，可将a相mmc-bess的电荷吞吐量表示为：式中，q
ua
和q
la
分别为a相上桥臂电荷吞吐量和下桥臂电荷吞吐量；i
ua
和i
la
分别为a相上、下桥臂电流；s(t)
uai
和s(t)
lai
分别为上、下桥臂第i个子模块的调制参考值；s(t)
ua
和s(t)
la
分别为上、下桥臂电压调制参考值，其可通过桥臂电压计算获得，具体可表示为
若桥臂电流不存在过零点，mmc-bess将不产生额外的电荷吞吐量，无需设计额外的电荷吞吐量抑制策略。因此，可得所提电荷吞吐量抑制策略的适用条件如下4.根据权利要求1所述的一种模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制方法，其特征在于，所述建立考虑二倍频环流注入的模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量的表达式具体为：mmc-bess二倍频环流如下式所示式中，λ为二倍频环流的幅值系数，其数值为二倍频环流幅值与交流电流幅值之比；θ为二倍频环流的初相角。注入二倍频环流后，桥臂电流主要包含直流、基频和二倍频分量，具体可表示为将上式代入a相mmc-bess的电荷吞吐量的表达式中，可得到注入二倍频环流后，a相各子模块电池组的电荷吞吐量的总和，具体示于下式通过注入合适幅值和初相角的二倍频环流分量，可降低式中q
a
的数值，即可实现mmc-bess的电荷吞吐量抑制。5.根据权利要求1所述的一种模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制方法，其特征在于，所述以系统总电荷吞吐量最小为目标，计算不同工况下最优二倍频环流参数具体为：mmc-bess直流母线电压v
dc
通常为恒定值，因此，mmc-bess的电荷吞吐量的影响因素仅包括调制比m，储能功率占比k以及环流。mmc-bess的运行工况和系统参数不同，会导致调制比m和储能功率占比k不同。为了实现不同工况下mmc-bess电荷吞吐量的有效抑制，需计算不同m和k工况下的最优二倍频环流参数。以a相各子模块电池组的电荷吞吐量的最小为目标，通过遍历得到不同m和k下的的二倍频环流参数λ和θ。将离线计算结果存入控制器中，以根据系统运行参数动态选取最优二倍频环流分量。6.根据权利要求1所述的一种模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制方法，其特征在于，所述根据系统运行参数，动态选取最优二倍频环流分量具体为：
为了实现不同工况下mmc-bess电荷吞吐量的有效抑制，需根据系统运行参数动态选取最优二倍频环流分量。首先，对环流参数初始化，将λ和θ赋零；其次，输入u
sd
、v
dc
、p
*ac
、p
*dc
等系统运行参数；然后，计算k和m；进一步，判断k是否满足所提方法的适用范围，若满足，则采用查找表法选取该k和m对应工况下的最优二倍频环流参数λ和θ，若不满足，则采用初始环流参数λ和θ；最后，计算二倍频环流的参考值。7.一种模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制装置，其特征在于，所述装置包括：最优二倍频环流参数计算模块，用于计算使系统电荷吞吐量最小的最优二倍频环流参数；最优二倍频环流分量选取模块，用于选取最优二倍频环流分量，计算注入二倍频环流的参考值；整体控制模块，包括交流功率控制、直流功率及环流控制、电荷吞吐量抑制和调制。

技术总结
本发明公开了一种模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量抑制方法及装置，方法包括：构建模块化多电平电池储能系统数学模型；将子模块后级储能单元视为整体，建立模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量的表达式；建立考虑二倍频环流注入的模块化多电平电池储能系统电荷吞吐量的表达式；以系统总电荷吞吐量最小为目标，计算不同工况下最优二倍频环流参数；根据系统运行参数，动态选取最优二倍频环流分量；对模块化多电平电池储能系统的功率和注入的二倍频环流精准控制。装置包括：最优二倍频环流参数计算模块、最优二倍频环流分量选取模块、整体控制模块。本发明所提出的方法及装置无需添加额外的硬件电路，与传统控制方法相比，可有效抑制模块化多电平电池储能系统的电荷吞吐量。荷吞吐量。荷吞吐量。


技术研发人员：肖迁 于浩霖 金昱 穆云飞 贾宏杰 陆文标 赵岩松 田森 李文华
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/7/21