CN103532194A - 独立电池供电的链式储能***中电池soc自均衡控制策略 - Google Patents

Abstract

独立电池供电的链式储能***中电池SOC自均衡控制策略，属于电力电子技术领域。其特征在于：实时检测电池组SOC状态，当电池组SOC处于正常工作状态时采用移相PWM控制方式，当电池组SOC达到一定不平衡度时自动切换到特定谐波消除PWM（Selective Harmonic Elimination PWM，SHE-PWM）控制方式，利用差异性充放电进行SOC的均衡调节，调整SOC值趋同后，自动切换到移相PWM控制方式，各级电池进行相同深度的平衡充放电。本发明提出的控制策略能够有效地均衡各电池模块的差异，可应用于各种独立电池供电的链式储能***，提高电池模块和储能***的可用率，有效延长电池的使用寿命。

Description

独立电池供电的链式储能***中电池SOC自均衡控制策略

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及电池SOC自均衡控制策略。

背景技术

风能和太阳能等可再生清洁能源具有随机性和波动性，对并网电力***的稳定性和可控性带来了极大的挑战，电池储能及功率补偿技术可以很好的解决这些问题。电池储能***根据电源是否独立，分为独立电池供电的链式储能***和基于公共直流母线的链式储能***。基于公共直流母线的***，解决了接入网电压对电池串联数的约束，易于模块化,可灵活拓展，但是随着并联模块数目的增加，以及互连线距离的增大，互连线信号容易受到干扰；各个模块之间相互影响，当一个逆变器桥臂发生直通故障时，电池的扰动会影响其它逆变模块的正常运行，模块间存在环流干扰。若移去逆变器之间的互连线，构成独立电池供电***，能很好的弥补上述缺陷，而且不需要模块间的控制信号，可实现各模块控制***的电气隔离，使***安装和维修更加简便快速，并联运行更加可靠，因此已逐渐成为新的研究热点。

然而独立电池供电的链式储能***中同相各逆变单元流过相同的电流，各电池模块必须同时进行充放电。因此，各电池组由于生产工艺和使用等原因导致的荷电状态（State Of Charge,SOC，指电池组剩余容量与其完全充电状态的容量之比）的差异，在充放电过程中不断扩大。假设电池SOC的正常工作范围为30%至100%，那么，在充电过程中当有电池模块的SOC提前升至100%，或者在放电过程中有电池模块的SOC提前降至30%时，整个电池储能***就将退出运行。可见，最早结束充放电的电池模块将成为决定整个储能***容量和可用率的瓶颈因素，各电池模块SOC的差异将严重降低电池储能***的利用率，缩短电池的使用寿命。

本文针对独立电池供电的链式储能***中各电池组SOC不均衡问题，提出一种新型控制策略，实时检测电池组SOC状态，电池组SOC处于正常工作状态时采用移相PWM控制方式，当电池组SOC达到一定不平衡度时自动切换到特定谐波消除PWM（Selective Harmonic Elimination PWM，SHE-PWM）控制方式，利用各电池组SOC的差异性充放电进行均衡调节，调整SOC值趋同后，再自动切换到移相PWM控制方式，使各电池模块进行相同深度的平衡充放电，从而大大提高整个链式储能***的可用率和***容量，有效延长电池组乃至整个储能***的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是为独立电池供电的链式储能***提供一种电池SOC自均衡控制策略，调节电池组SOC使之趋同，提高电池模块和储能***的可用率，延长电池使用寿命，并消除谐波，改善电能质量。本发明的特征在于，所述控制策略包括以下步骤：

步骤（1），储能***启动后，采用移相PWM控制方式；

步骤（2），当检测到各电池组SOC达到一定不平衡度时，自动切换到SHE-PWM控制方式；

步骤（3），当调整到电池组SOC趋同时，自动切换到移相PWM控制方式。

所述的电池SOC自均衡控制策略，其特征在于：在所述步骤（1）中，所述***为独立电池组供电、隔离型半桥DC/DC变换器和级联式H桥DC/AC变换器组合而成，交流侧直接接入电网***，用高频PWM控制方式触发H桥。

所述的电池SOC自均衡控制策略，其特征在于：在所述步骤（2）中，当同时满足以下两个条件时，自动切换DC/AC变换器的级联式H桥IGBT的触发控制方式：

条件1：储能***的输出有功功率满足可控范围

移相PWM控制方式下，***设定总有功功率可控范围为[-P_N,P_N]，SHE-PWM控制方式下，***总有功功率可控范围为

即在储能***采用SHE-PWM控制方式进行内部电池SOC自均衡控制时，整个储能***的输出有功功率会比正常运行方式下有所减小；

条件2：电池组SOC不平衡度满足可调范围

电池组SOC的实际不平衡度ε为：

$\mathrm{\ϵ}=\sqrt{{({\mathrm{SOC}}_1-\stackrel{\‾}{\mathrm{SOC}})}^2+{({\mathrm{SOC}}_2-\stackrel{\‾}{\mathrm{SOC}})}^2+\·\·\·+{({\mathrm{SOC}}_n-\stackrel{\‾}{\mathrm{SOC}})}^2}=\sqrt{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{SOC}}_k-\stackrel{\‾}{\mathrm{SOC}})}^2}$

其中 $\stackrel{\‾}{\mathrm{SOC}}=\frac{{\mathrm{SOC}}_1+{\mathrm{SOC}}_2+\·\·\·+{\mathrm{SOC}}_n}{n}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SOC}}_k}{n},$ ***级联数为n，SOC_k表示第k级电池的SOC值；

在满足***总有功功率可控范围内，当检测到电池组SOC的不平衡度ε≥ε_max时，由高频移相PWM控制方式自动切换到SHE-PWM控制方式进行SOC均衡调节；其中：ε_max为预设的电池组SOC不平衡度阈值，其大小可根据不同电池的性能和参数而取不同数值。

所述的电池SOC自均衡控制策略，其特征在于：在所述步骤（2）中，SHE-PWM控制方式采用1/2周期对称的奇函数单脉冲，工作频率为50Hz，用牛顿迭代法解SHE-PWM消除谐波非线性方程组，将所得开关角度α_k和幅值调制度Ma采用分段函数α=f(M_a)线性拟合；由实时动态Ma值得到实时开关角度，然后根据电池组SOC值动态分配到各级H桥开关管脉冲生成器，产生所需触发信号。

所述的电池SOC自均衡控制策略，其特征在于：在所述步骤（3）中，当检测到电池组SOC趋同时，即电池组SOC不平衡度ε≤ε_min，由SHE-PWM控制方式自动切换到高频移相PWM控制方式，结束不均衡控制方式；其中：ε_min为预设电池组SOC平衡度阈值，其大小可根据不同电池的性能和参数而取不同数值。

本发明具有如下优点：

1）SHE-PWM控制方式采用工频50Hz，开关损耗小，消除了特定次数的谐波，改善了储能***的电能质量；采用拟合曲线的方法实现SHE-PWM的实时在线控制，解决了传统SHE-PWM离线查表方法占用空间大，计算时间长的问题。

2）利用移相PWM和SHE-PWM两种控制方法，根据电池组不同工作状态，实现自动切换方式，提高了电池和储能***的可用率，解决电池SOC不均衡对***容量限制的问题，并有效延长了电池模块的寿命。

附图说明

图1为本发明所述电池SOC自均衡控制策略流程图。

图2为独立电池链式（n=3）逆变***A相结构图。

图3为SHE-PWM1/2周期对称单脉冲示意图。

图4为移相PWM输出电压波形图。

图5为SHE-PWM输出电压波形图。

图6为移相PWM输出电压谐波FFT分析图。

图7为SHE-PWM输出电压谐波FFT分析图。

图8为电池SOC正向放电自均衡图。

图9为电池SOC反向充电自均衡图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明。

如图2所示，以独立电池链式（n=3）储能***为例，验证本发明提出的电池SOC自均衡控制策略的有效性。该***直流侧采用锂电池（电池额定电压为Un=60V，额定容量为10Ah），DC/DC逆变器采用隔离型半桥结构，DC/AC逆变器采用全桥结构，图中Li为电源滤波电感，开关器件S1-S8，分压电容C2-C5，直流侧电容C1，储能电感Ls，滤波电感Lo1和Lo2，输出电压为Uo。***给定功率指令P_ref=3Kw=0.5P_N，整个装置启动后，DC/DC侧采用占空比和移相角控制，DC/AC侧采用移相PWM触发方式，频率为2000Hz，生成的阶梯波电压波形如图4所示。

由SOC曲线相互平行（即1s前工作状态）可知移相PWM方法使得每个电池以相同的速度放电，在1s时检测到三个电池的SOC分别为SOC₁=0.725，SOC₂=0.72，SOC₃=0.713。

计算此时三个SOC的平均值

$\stackrel{\‾}{\mathrm{SOC}}=\frac{{\mathrm{SOC}}_1+{\mathrm{SOC}}_2+{\mathrm{SOC}}_3}{3}=0.7193$

电池组SOC不平衡度为

$\mathrm{\ϵ}=\sqrt{{({\mathrm{SOC}}_1-\stackrel{\‾}{\mathrm{SOC}})}^2+{({\mathrm{SOC}}_2-\stackrel{\‾}{\mathrm{SOC}})}^2+{({\mathrm{SOC}}_3-\stackrel{\‾}{\mathrm{SOC}})}^2}=0.853$

此时***有功功率满足可调范围

电池组SOC不平衡度ε≥ε_max，切换到SHE-PWM控制方式进行自均衡调节。

SHE-PWM控制方式采用1/2周期对称的奇函数单脉冲，工作频率为50Hz，开关管在每个周期内只开关一次，开关管触发脉冲具体方式原理如图3所示，其中α_k为第k级H桥开关角度，A相第k级H桥输出电压为：

由于电网***本身三相对称性和逆变器星形连接方式，可以消除3次及3的倍数次谐波，由式（3）可以看出SHE-PWM调制方法的1/2周期对称性消除了偶次谐波，因此只需消除5,7次谐波，并达到交流输出电压幅值V_om，得到3级H桥开关角度求解的非线性方程组为：

$\left\{\begin{array}{c}\cos a_1+\cos a_2+\cos a_3=M_a\\ \cos {5a}_1+\cos {5a}_2+\cos {5a}_3=0\\ \cos {7a}_1+\cos {7a}_2+\cos {7a}_3=0\end{array}\right.$

其中：幅值调制度

用牛顿迭代法求解上述方程组，再进行分段函数拟合，结果为：

(1)第一级H桥角度

${\mathrm{\&alpha;}}_1\left\{\begin{array}{cc}-111.4\&times;{\mathrm{Ma}}^3+487.8\&times;{\mathrm{Ma}}^2-692.9\&times;{\mathrm{Ma}}^1+367..3& (1.2\&le;\mathrm{Ma}<1.8)\\ 37.03\&times;{\mathrm{Ma}}^3-182.9\&times;{\mathrm{Ma}}^2+237.2\&times;{\mathrm{Ma}}^1-16.19& (1.8\&le;\mathrm{Ma}-2.5)\end{array}\right.$

(2)第二级H桥角度

${\mathrm{\&alpha;}}_2=\left\{\begin{array}{cc}72.53\&times;{\mathrm{Ma}}^3-284.9\&times;{\mathrm{Ma}}^2+341.6\&times;{\mathrm{Ma}}^1-59.91& (1.2\&le;\mathrm{Ma}<1.7)\\ 6.555\&times;{\mathrm{Ma}}^1+42.84& (1.7\&le;\mathrm{Ma}<1.9)\\ -23.12\&times;{\mathrm{Ma}}^3+143.3\&times;{\mathrm{Ma}}^2-346\&times;{\mathrm{Ma}}^1+353& (1.9\&le;\mathrm{Ma}\&le;2.5)\end{array}\right.$

(3)第三级H桥角度

$a_3=\left\{\begin{array}{c}-2.93\&times;{\mathrm{Ma}}^3-11.95\&times;{\mathrm{Ma}}^2+18.94\&times;{\mathrm{Ma}}^1+88.45(1.2\&le;\mathrm{Ma}<1.9)\\ 8.332\&times;{\mathrm{Ma}}^3-101.2\&times;{\mathrm{Ma}}^2+304.8\&times;{\mathrm{Ma}}^1-206.7(1.9\&le;\mathrm{Ma}\&le;2.5)\end{array}\right.$

稳定时，M_a=2.17代入拟合函数中可以得到每级H桥触发角度：

α₁=15.791°，α₂=40.56°，α₃=63.381°

根据得到的触发角度产生对应A相的开关管触发脉冲，将A相触发脉冲波平移120°和240°，得到B相、C相H桥开关管的触发脉冲。A相输出阶梯波电压如图5所示，并对两种触发方式下的输出电压进行傅里叶分解，分析其谐波含量，如图6和图7所示。

不同导通角的H桥传递的功率不同：

正向放电状态下，根据同相各电池模块SOC大小的不同，选择其对应的H桥的导通角度，电池SOC最大的选择第一级H桥，放电速度最快，使SOC下降最快；电池SOC最小的选择第三级H桥，放电速度最慢，使SOC下降最慢；进行这种差异性放电，使得所有不同初始SOC在时间t内下降到同一个值，实现了各电池模块SOC的自均衡调节；当检测到不平衡度ε≤ε_min，完成自均衡控制，自动切换到移相PWM控制方式，所有电池同程度放电，仿真结果如图8所示。

SOC₁-ΔSOC₁t=SOC₂-ΔSOC₂t=SOC₃-ΔSOC₃t=SOC

同理，可实现电池组反向充电自均衡控制，结果如图9所示。

本发明在说明书和权利要求书中所述的举例应用于独立电池供电的链式（3级）储能***的电池SOC自均衡控制策略，应该理解到的是，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或者联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.独立电池供电的链式储能***中电池SOC自均衡控制策略，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤（1），储能***启动后，采用移相PWM控制方式；

步骤（2），当检测到电池组SOC达到一定不平衡度时，自动切换到SHE-PWM控制方式；

步骤（3），当调整到电池组SOC趋同时，自动切换到移相PWM控制方式。

2.根据权利要求1所述的电池SOC自均衡控制策略，其特征在于：在所述步骤（1）中，所述***为独立电池组供电、隔离型半桥DC/DC变换器和级联式H桥DC/AC变换器组合而成，交流侧直接接入电网***，用高频PWM控制方式触发H桥。

3.根据权利要求1所述的电池SOC自均衡控制策略，其特征在于：在所述步骤（2）中，当同时满足以下两个条件时，自动切换控制方式：

条件1：储能***的输出有功功率满足可控范围

移相PWM控制方式下，***设定总有功功率可控范围为[-P_N,P_N]，SHE-PWM控制方式下，***总有功功率可控范围为

即当储能***采用SHE-PWM控制策略进行内部SOC自均衡控制时，***的总有功功率会比正常运行方式下有所减小；

条件2：电池组SOC不平衡度满足可调范围

电池组SOC的实际不平衡度ε为：

$\mathrm{\&epsiv;}=\sqrt{{({\mathrm{SOC}}_1-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{SOC}})}^2+{({\mathrm{SOC}}_2-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{SOC}})}^2+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+{({\mathrm{SOC}}_n-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{SOC}})}^2}=\sqrt{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{({\mathrm{SOC}}_k-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{SOC}})}^2}$

其中 $\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{SOC}}=\frac{{\mathrm{SOC}}_1+{\mathrm{SOC}}_2+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+{\mathrm{SOC}}_n}{n}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{SOC}}_k}{n},$ ***级联数为n，SOC_k表示第k级电池的荷电状态(SOC：State Of Charge,指电池组剩余容量与其完全充电状态的容量之比)；

在满足***总有功功率可控范围内，当检测到电池组SOC的不平衡度ε≥ε_max时，由高频移相PWM控制方式自动切换到SHE-PWM控制方式进行SOC均衡调节;其中：ε_max为预设的电池组SOC不平衡度阈值，其大小可根据不同电池的性能和参数而取不同数值。

4.根据权利要求1所述的电池SOC自均衡控制策略，其特征在于：在所述步骤（2）中，SHE-PWM控制方式采用1/2周期对称的奇函数单脉冲，工作频率为50Hz，用牛顿迭代法解SHE-PWM消除谐波非线性方程组，将所得开关角度α_k和幅值调制度Ma采用分段函数α=f(M_a)线性拟合；由动态Ma值得到实时开关角度，然后根据电池组SOC值动态分配到各级H桥开关管脉冲生成器，产生所需触发信号。

5.根据权利要求1所述的电池SOC自均衡控制策略，其特征在于：在所述步骤（3）中，当检测到电池组SOC趋同时，即电池组SOC不平衡度ε≤ε_min，由SHE-PWM控制方式自动切换到高频移相PWM控制方式，结束不均衡控制方式；其中：ε_min为预设电池组SOC平衡度阈值，其大小可根据不同电池的性能和参数而取不同数值。

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