Development and Analysis of Modular Multilevel Converter Integrated with Battery Storage for Grid Support
Authors
Sukauskis, Rokas ; Poska, Mykolas
Term
4. semester
Education
Publication year
2024
Submitted on
2024-06-03
Pages
128
Abstract
This thesis explores how battery energy storage systems can support the electrical grid by balancing supply and demand and stabilizing voltage and frequency. It begins with a survey of key power converters, energy storage technologies, and control algorithms used for grid support. The work then focuses on a Modular Multilevel Converter (MMC), a power converter built from many submodules. In the proposed setup, each submodule includes a second-life battery connected through a bidirectional buck-boost converter, allowing energy to flow both to and from the battery. Dynamic models of the MMC are developed to control the output current delivered to the grid and to suppress circulating currents inside the converter (internal currents that do not reach the grid). These models are tested with electrical circuit simulations. Several control functions are analyzed and implemented: output current control, active and reactive power control (real power delivery and voltage support), circulating current suppression, and balancing strategies across submodules. For the bidirectional buck-boost converter, a small-signal model is derived, and controllers are tuned for constant-current and constant-voltage protocols used during battery charging and discharging. The thesis also examines second-life batteries and defines an electrical equivalent model. Model parameters are identified as functions of state of charge and charge–discharge cycling to emulate aging processes. The batteries are integrated into the MMC, and preliminary analyses indicate that a battery-integrated MMC can help regulate active power according to grid needs. Finally, the thesis identifies future research directions to improve system model accuracy and simulation fidelity.
Dette speciale undersøger, hvordan batterilagringssystemer kan støtte elnettet ved at balancere produktion og forbrug samt stabilisere spænding og frekvens. Først kortlægges de vigtigste effektelektroniske konvertere, energilagringsteknologier og reguleringsalgoritmer, der bruges til netstøtte. Arbejdet fokuserer derefter på en modulær multilevel-konverter (MMC), som er en strømomformer opbygget af mange delmoduler. I denne løsning er hvert delmodul udstyret med et second-life-batteri via en tovejs buck-boost-konverter, så energi kan flyde begge veje mellem batteriet og konverteren. Der udvikles dynamiske modeller af MMC'en for at styre udgangsstrømmen til nettet og dæmpe cirkulerende strømme inde i konverteren (interne strømme, der ikke leveres til nettet). Modellerne afprøves med elektriske kredsløbssimulationer. Flere reguleringsalgoritmer analyseres og implementeres: udgangsstrømskontrol, styring af aktiv og reaktiv effekt (henholdsvis levering af reel energi og støtte til spænding), undertrykkelse af cirkulerende strømme samt balanceringsstrategier mellem delmoduler. For den tovejs buck-boost-konverter udledes en småsignalmodel, og regulatorer indstilles til både konstantstrøms- og konstantspændingsprotokoller, som bruges ved opladning og afladning af batterier. Specialet undersøger også second-life-batterier, og der opstilles en elektrisk ækvivalentmodel. Modellens parametre identificeres som funktion af ladetilstand (state of charge) og antallet af lade-aflade-cykler for at efterligne aldringsprocesser. Batterierne integreres i MMC'en, og indledende analyser viser, at en batteriintegreret MMC kan medvirke til at regulere aktiv effekt i forhold til elnettets behov. Afslutningsvis peges der på områder for videre forskning, som kan forbedre modelnøjagtighed og simulationsfidelitet.
[This apstract has been rewritten with the help of AI based on the project's original abstract]