模块化多级换流器（MMC）原理和特点

模块化多级换流器（MMC）它是一种高性能、高稳定性的DC-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器和一个开关，使MMC的结构和维护更加方便。②高压调节能力。MMC的每个模块都可以独立调节输出电压，从而在不同的负载条件下实现精确的电压调节，提高系统的稳定性。③高频操作。MMC可以以高频(几千Hz到几十千Hz)工作，从而降低电感和滤波器的尺寸，提高系统的响应速度。④产生低谐波。MMC可以通过改变开关模块的状态来调节电压波形，从而最大限度地减少谐波含量，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出现故障，只会影响模块周围的部分，而不会导致整个系统的故障，从而提高系统的可靠性。⑥更高的功率密度。MMC可以实现高速电压和电流的转换，使系统能够在较小的体积内传输更大的功率。

 

电池储能系统控制目标及要求

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和稳定运行。这包括电压、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。通过适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，以最大限度地提高能量转换效率。控制策略需要准确控制电池的充放电和储能过程，以确保能量转换的高效率和最小能量损失。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，可以实现这一目标。

 

2.3电池健康

 

电池的使用寿命和性能是电池储能系统的重要考虑因素。控制策略需要考虑电池寿命衰减、容量衰减、内阻变化等因素，进行有效的电池管理和优化调度，提高电池健康，延长电池使用寿命，保持其性能稳定。

 

2.4环境友好战略

 

电池储能系统应采用环保控制策略，减少对环境的不利影响。例如，谐波控制、优化充放电策略、能源回收和再利用可以减少电网的谐波污染和能源消耗，提高系统的环境可持续性。

 

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来调节其对电池的电压贡献，从而调节系统的输出电压。基本思想是根据需要调整每个模块的充放电状态，使其电压加权平均值等于预期的输出电压。

 

在分段电压控制中，需要实时检测系统的输出电压，并与设定值进行比较，以获得电压偏差。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，使每个模块的电压加权平均值逐渐接近预期的输出电压。

 

实现分段电压控制的具体方法包括两个步骤：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，逐渐降低电压偏差。例如，当输出电压过高时，可以增加某些模块的电容放电，降低其电压，从而降低整体电压。相反，当输出电压过低时，可以增加某些模块的电容充电，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，其电压加权平均值逐渐接近预期的输出电压。这可以降低电压波动范围，提高输出电压的稳定性和准确性。

 

分段电压控制可以有效地解决MMC系统中电压不稳定和电压偏差的问题，从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，满足不同的工作条件和负荷需求，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，电池储能系统的电压输出可以通过改变多级变压器的变比来有效调节。当需要增加输出电压时，可以增加变压器的变比，将输入电压提高到所需的输出电压。相反，当需要降低输出电压时，可以降低变压器的变比，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点：①精确调节能力。通过多级变压器，可以准确控制电压。每个级别的变压器都有一定的变比范围，因此输出电压可以根据需要准确调整，以满足不同的负载要求。②快速响应。多级变压器控制可以实现快速响应。通过调整变压器的变比，可以在短时间内改变输出电压，提高系统的响应速度。这对储能系统在紧急情况下的调整和保护非常重要。③灵活性和可靠性：多级变压器控制采用多级结构，各级相互独立，具有良好的灵活性和可靠性。即使某一级别的变压器出现故障，其他级别仍能正常工作，以确保系统的可靠性和连续性。④节能高效。多级变压器控制不仅可以实现电压升降，还可以实现电能的传递和转换。在能量传输过程中，通过合理选择变压器的变比，可以最大限度地提高能量传输效率，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。谐波是指基波频率的整数倍频率的电压或电流成分，对电网和其他设备产生不利影响。

 

通过谐波控制策略，可以有效减少谐波成分，减少谐波电流的注入和传输，从而减少对电网的谐波污染。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过滤谐波成分。谐波滤波器由谐波滤波电容器和电感器组成，可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DC侧安装滤波器电容器和电感器，可以过滤掉DC侧的谐波成分，减少其注入电池储能系统，并通过DC侧的逆变器控制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方法。输出波形的谐波含量可以通过控制MMC的开关状态和脉冲宽度来调节。适当的PWM控制策略可以抑制谐波的产生和传输，减少对电网的谐波污染。

 

3.4电池状态估计与管理

 

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。采用电池状态估计算法，可实时监测电流、电压、温度等参数，结合充放电策略，延长电池寿命，确保系统安全性能稳定。

 

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、高频操作、低谐波产生、高可靠性、高功率密度等特点。这些特点使MMC在电池储能系统等领域具有广阔的应用前景。目前，对基于MMC的电池储能系统控制策略的研究相对较少。因此，有必要对MMC技术在电池储能系统中的控制策略进行研究，以提高储能系统的功率密度、能量转换效率和运行稳定性。