CN103715734A - 一种星形连接级联储能***两级均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种星形连接级联储能***两级均衡控制方法，所述方法包括如下步骤：第一步：获取链式储能***各个链节的SOC、SOH信息；第二步：计算各个链节的可充电电量和可放电电量；第三步：计算各相和整个***总的可充电电量和可放电电量；第四步：各相功率的分配与控制；第五步：链节功率的分配与控制。本发明以储能***容量利用率最大化为目标，即所有链节的电池同时充满电和同时放完电，同时考虑到安全运行边界，可以更加合理地体现储能***在不同运行工况和SOC状态下对均衡能力的需求，在可实现的范围内最优化均衡性能。

Description

一种星形连接级联储能***两级均衡控制方法

技术领域

本发明涉及的是储能***均衡控制方法，具体是一种应用于星形连接级联储能***的两级SOC均衡方法，用于大容量电池储能场合。属于电池储能领域。

背景技术

级联储能***以其模块化结构，同等功率下，电压高、电流小、电流谐波小和效率高的特点，日益受到关注。该拓扑结构还具有对电池的两级均衡功能。

目前国内外对级联储能***的均衡控制研究不多。2008年，日本学者Akagi等在《A transformerless battery energy storage system based on a multilevel cascade PWMconverter[C].Power Electronics Specialists Conference,IEEE,2008:4798-4804》中提出用于电池储能的级联储能PCS，并对功率控制和电池组SOC均衡控制方法进行了研究。文中，储能***的相内均衡控制采用注入偏差电压信号，使得相内各个链节的功率与功率均值的偏差正比于链节的SOC与该相SOC均值的偏差；储能***的相间均衡控制采用注入零序电压方法，使得各相上产生的附加功率正比于各相的SOC与三相SOC均值的偏差。国内刘文华等在《大容量链式电池储能***及其充放电均衡控制[J].电力***自动化设备,2011,31(3):6-11》中采用了直接控制零序电流的方法来实现相间的SOC均衡。上述的均衡方法中，控制目标均是使均衡功率与SOC的偏差值成正比。这种以消除SOC偏差为直接目标的控制策略简单且易于理解，但也存在以下不足：1）适用于储能***的静态均衡，对于动态运行中的储能***，该控制策略没有考虑均衡能力与整体充放电时间的联系。对于实际运行中的储能***，均衡能力合理值不仅与SOC的偏差相关，也与SOC的绝对值相关。2）没有考虑实际运行时的SOC安全边界。为了保证电池的安全运行，基于SOC估算误差往往较大（近10%）和电池充放电两端电压变化较大的考虑，运行中限定SOC的运行范围不超过10%—90%。对于SOC偏差相同而绝对值不同的情况，电池对均衡能力的要求是不同的。当前仅考虑SOC偏差大小的控制方法无法反映出上述的情况下控制的差别。3）没有考虑同一储能***中电池的容量差异的因素。随着储能***运行中电池的老化以及损坏后更换，电池的SOH处于不同的状态，即同样SOC的电池却存储着不同大小的电量，存储着相同电量的电池处于不同的SOC状态。单纯以SOC和SOC偏差进行的控制可能导致在储能***的一个单向充电或者放电过程中，容量较小的电池出现正反向反复均衡的情况，加重了均衡的负担，降低了效率。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出基于可充电容量和可放电容量的星形连接级联储能***两级均衡控制方法。该方法以储能***容量利用率最大化为目标，即所有链节的电池同时充满电和同时放完电，同时考虑到安全运行边界，可以更加合理地体现储能***在不同运行工况和SOC状态下对均衡能力的需求，在可实现的范围内最优化均衡性能。

为实现上述目的，本发明提供一种星形连接级联储能***两级均衡控制方法，所述方法包括如下步骤：

第一步：获取链式储能***各个链节的SOC、SOH信息

链式储能***中，每个链节由电池单元和功率单元组成，电池单元由电池管理***（Battery Management System，BMS）管理，功率单元作为功率转换***（PowerConversion System，PCS）的一部分由PCS控制器控制。PCS控制器定时从BMS获取各个功率单元对应的电池单元的SOC状态和SOH状态，时间间隔从0.1s-10min。获取方式可以是通讯方式，也可以是模拟量方式，具体由PCS和BMS之间的接口确定。

第二步：计算各个链节的可充电电量和可放电电量

根据第一步获取的SOC、SOH信息以及电池单元的额定容量，分别计算出各个链节的可充电电量和可放电电量。

可放电电量：

Q_f(x,n)＝(SOC_x,n-SOC_down)×SOH_x,n×C_N

可充电电量：

Q_c(x,n)＝(SOC_up-SOC_x,n)×SOH_x,n×C_N

式中，SOC_up和SOC_down分别代表电池运行的SOC上下边界，0≤SOC_down<SOC_up≤1。下标f表示放电，c表示充电，x表示a、b、c三相之一，n表示某一相中的链节编号。C_N为电池额定容量。

第三步：计算各相和整个***总的可充电电量和可放电电量

计算每相的可放电电量：

$Q_{f,x}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Q}_{f(x,n)}$

式中，下标x表示a、b、c三相之一，下标f表示放电，n表示该相的第n个链节。N为每相的链节数。

计算三相总的可放电电量：

Q_f，sum＝Q_f，a+Q_f，b+Q_f，c

计算每相的充电电量：

$Q_{c,x}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Q}_{c(x,n)}$

式中，下标x表示a、b、c三相之一，下标c表示充电，n表示该相的第n个链节。N为每相的链节数。

计算三相总的可充电电量：

Q_c,sum=Q_c,a+Q_c,b+Q_c,c

第四步：各相充放电功率的分配与控制

按照各相的可放/充电电量Q_f,a，Q_f,b,Q_f,c的比例，根据总功率指令Psum，分配功率如下：

放电时，abc三相的放电功率指令分别为：

$P_a=\frac{Q_{f,a}}{Q_{f,a}+Q_{f,b}+Q_{f,c}}\&times;P_{\mathrm{sum}}$

$P_b=\frac{Q_{f,b}}{Q_{f,a}+Q_{f,b}+Q_{f,c}}\&times;P_{\mathrm{sum}}$

$P_c=\frac{Q_{f,c}}{Q_{f,a}+Q_{f,b}+Q_{f,c}}\&times;P_{\mathrm{sum}}$

式中，下标f表示放电。

充电时，abc三相的充电功率指令分别为：

$P_a=\frac{Q_{c,a}}{Q_{c,a}+Q_{c,b}+Q_{c,c}}\&times;P_{\mathrm{sum}}$

$P_b=\frac{Q_{c,b}}{Q_{c,a}+Q_{c,b}+Q_{c,c}}\&times;P_{\mathrm{sum}}$

$P_c=\frac{Q_{f,c}}{Q_{c,a}+Q_{c,b}+Q_{c,c}}\&times;P_{\mathrm{sum}}$

式中，下标c表示充电。

abc三相的功率与平均值的偏差为：

$\mathrm{\&Delta;}{P}_a=P_a-\frac{1}{3}{P}_{\mathrm{sum}}$

$\mathrm{\&Delta;}{P}_b=P_b-\frac{1}{3}{P}_{\mathrm{sum}}$

$\mathrm{\&Delta;}{P}_c=P_c-\frac{1}{3}{P}_{\mathrm{sum}}$

三相功率的偏差通过注入零序电压的方式来实现。

注入的零序电压的相对A相正序电流相位为：

零序电压的大小为：

A相正序电流的相位通过对电网电压锁相得到。

a、b、c三相电压相量分别为：

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_a={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{a1}+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0$

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_b={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{b1}+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0$

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_c={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{c1}+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0$

三相电流相量及大小分别为：

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_a={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{a1}$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_b={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{b1}$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_c={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{c1}$

$\left|I_a\right|=\left|I_b\right|=\left|I_c\right|=\frac{P_{\mathrm{sum}}}{\sqrt{3}{U}_s}$

式中，U_s为电网***电压有效值。

第五步：链节功率的分配与控制

在各相功率确定的基础上分配各个链节的功率，同相各个链节电压相位相同，按照各链节的可充/放电电量的比例分配电压，即控制了功率。

充电时，abc三相各个链节电压分配如下：

$U_{a,n}=\frac{Q_{c(a,n)}}{N\&times;Q_{c,a}}\&times;U_a$

$U_{b,n}=\frac{Q_{c(b,n)}}{N\&times;\left(Q_{c,b}\right)}\&times;U_b$

$U_{c,n}=\frac{Q_{c(c,n)}}{N\&times;Q_{c,c}}\&times;U_c$

放电时，abc三相各个链节电压分配如下：

$U_{a,n}=\frac{Q_{f(a,n)}}{N\&times;Q_{f,a}}\&times;U_a$

$U_{b,n}=\frac{Q_{f(b,n)}}{N\&times;Q_{f,b}}\&times;U_b$

$U_{c,n}=\frac{Q_{f(c,n)}}{N\&times;Q_{f,c}}\&times;U_c$

式中，U_a，n，U_b，n，U_c，n分别表示a、b、c三相的第n个链节的交流侧电压。下标a、b、c表示abc三相，下标f表示放电，c表示充电。n表示链节的编号,N表示每相的链节数。

控制各个链节的电压即控制了各个链节的功率。

与现有功率均衡方法相比，本发明的有益效果是：考虑了电池运行的SOC边界，利于对电池的保护；考虑到电池的SOH，体现了电池老化的影响，均衡控制更加合理。均衡控制以所有电池同时充满、同时放完为目标，目标更加明晰、合理。可以最大限度地发挥PCS的功率控制能力，提高均衡的效果。最终达到提高电池容量利用率和延长电池寿命的目的。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的星形连接的级联储能***结构框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例为2MW电池储能***，额定电压10kV，星形连接，每相N=12个链节，并网电抗10mH。

本实施例中，电池SOC的运行上限为0.9，运行下限为0.1。电池的SOH为0.9，额定容量400Ah。

本实施例中，将由300节3.2V/400Ah磷酸铁锂电池单体串联组成额定电压960V，额定容量400Ah的蓄电池组。

本实施例的过程如下：

第一步：获取链式储能***各个链节的SOC、SOH信息

PCS通过通讯方式每3s从BMS获取三相共36个链节的SOC信息，链节电池的SOH均为0.9，SOC运行上下限分别为0.9和0.1，额定容量均为400AH。三相SOC信息如下：

SOC_a=[0.29,0.29,0.29,0.29,0.29,0.29,0.29,0.29,0.29,0.29,0.29,0.29]

SOC_b=[0.26,0.3,0.32,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3]

SOC_c=[0.3,0.28,0.3,0.36,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3]

第二步：计算各个链节的可充电电量和可放电电量

根据步骤一获取的SOC、SOH信息以及电池单元的额定容量，分别计算出各个链节的可充电电量和可放电电量。

计算三相各个链节可放电电量：

Q_f,a=[68.4,68.4,68.4,68.4,68.4,68.4,68.4,68.4,68.4,68.4,68.4,68.4]AH

Q_f,b=[57.6,72,79.2,72,72,72,72,72,72,72,72,72]AH

Q_f,c=[72,64.8,72,93.6,72,72,72,72,72,72,72,72]AH

计算三相各个链节可充电电量：

Q_c,ab=[219.6,219.6,219.6,219.6,219.6,219.6,219.6,219.6,219.6,219.6,219.6,219.6]AH

Q_c,bc=[230.4,216,208.8,216,216,216,216,216,216,216,216,216]AH

Q_c,ca=[216,223.2,216,194.4,216,216,216,216,216,216,216,216]AH

第三步：计算各相和整个***总的可充电电量和可放电电量

计算每相的可充电电量：

Q_c,ab=219.6AH

Q_c,bc=216.36AH

Q_c,ca=215.28AH

计算总的可充电电量：

Q_c=219.6AH+216.36AH+215.28AH=651.24AH

计算每相的可放电电量：

Q_f,ab=68.4AH

Q_f,bc=71.64AH

Q_f,ca=72.72AH

计算总的可放电电量：

Q_f=68.4AH+71.64AH+72.72AH=212.76AH

第四步：各相功率的分配与控制

PCS接收到的功率指令为900kW充电时，根据三相的可充电电量分配功率如下：

Pa=219.6/651.24*900kW=303.48kW

Pb=216.36/651.24*900kW=299kW

Pc=215.28/651.24*900kW=297.52kW

三相电流Ia=Ib=Ic=900kW/10kV/1.732=52A，相位与相电压正序同相位。忽略并网电抗电阻，电抗上工频压降为163V，相位滞后对应相电压90度电角度。

三相功率与三相功率平均值的偏差：

△Pa=Pa-Psum/3=303.48kW-300kW=3.48kW

△Pb=Pb-Psum/3=299kW-300kW=-1kW

△Pc=Pc-Psum/3=297.52kW-300kW=-2.48kW

三相功率的偏差通过注入零序电压的方式来实现。

注入的零序电压的相对A相正序电流相位为（以A相电压相位为参考）：

零序电压的大小为：

由零序电压的符号可确定，零序电压相位为13.8°，大小为68.9V。

A相正序电流的相位通过对电网电压锁相得到。

三相电压为：

PCS接收到的功率指令为600kW放电时，根据三相的可充电电量分配功率如下：

Pa=68.4/212.76*600kW=192.89kW

Pb=71.64/212.76*600kW=202.03kW

Pc=72.72/212.76*600kW=205.08kW

三相电流Ia=Ib=Ic=600kW/10kV/1.732=34.6A，相位与相电压正序同相反。忽略并网电抗电阻，电抗上工频压降为108.6V，相位超前对应相电压90度电角度。

三相功率与三相功率平均值的偏差：

△Pa=Pa-Psum/3=192.89kW-200kW=-7.11kW

△Pb=Pb-Psum/3=202.03kW-200kW=2.03kW

△Pc=Pc-Psum/3=205.08kW-200kW=5.08kW

三相功率的偏差通过注入零序电压的方式来实现。

注入的零序电压的相对A相正序电流相位为（以A相电压相位为参考）：

零序电压的大小为：

$\begin{array}{c}=\frac{-7.11}{34.6\&times;0.9706}V\\ =-211.7V\end{array}$

由零序电压的符号确定，零序电压相位为166.1°，大小为211.7V。

A相正序电流的相位通过对电网电压锁相得到。

三相电压为：

第五步：链节功率的分配与控制

在各相功率确定的基础上分配各个链节的功率，按照各链节的可充/放电电量的比例分配链节电压即可实现按此比例分配功率。

放电时三相各个链节电压：

Uf,a=[464.1,464.1,464.1,464.1,464.1,464.1,464.1,464.1,464.1,464.1,464.1,464.1]V

Uf,b=[392.3,490.4,539.4,490.4,490.4,490.4,490.4,490.4,490.4,490.4,490.4,490.4]V

Uf,c=[478.3,430.5,478.3,621.8,478.3,478.3,478.3,478.3,478.3,478.3,478.3,478.3]V

充电时三相各个链节电压：

Uc,a=[486.7,486.7,486.7,486.7,486.7,486.7,486.7,486.7,486.7,486.7,486.7,486.7]V

Uc,b=[507.6,475.9,460.0,475.9,475.9,475.9,475.9,475.9,475.9,475.9,475.9,475.9]V

Uc,c=[479.8,495.8,479.8,431.9,479.8,479.8,479.8,479.8,479.8,479.8,479.8,479.8]V

控制各个链节的电压比例即控制了各个链节的充放电功率比例。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (3)

1.一种星形连接级联储能***两级均衡控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

第一步：获取链式储能***各个链节的SOC、SOH信息；

第二步：根据第一步获取的SOC、SOH信息以及电池单元的额定容量，分别计算出各个链节的可充电电量和可放电电量；

可放电电量：

Q_f(x,n)＝(SOC_x,n-SOC_down)×SOH_x,n×C_Ｎ

可充电电量：

Q_c(x,n)＝(SOC_up-SOC_x,n)×SOH_x,n×C_N

式中，SOC_up和SOC_down分别代表电池运行的SOC上下边界，0≤SOC_down<SOC_up≤1，下标f表示放电，c表示充电，x表示a、b、c三相之一，n表示某一相中的链节编号，C_N为电池额定容量；

第三步：根据第二步获得的各个链节的可充电电量和可放电电量，计算各相和整个***总的可充电电量和可放电电量；

计算每相的可放电电量：

$Q_{f,x}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Q}_{f(x,n)}$

式中，下标x表示a、b、c三相之一，下标f表示放电，n表示该相的第n个链节，N为每相的链节数；

计算三相总的可放电电量：

Q_f，sum＝Q_f，a+Q_f，b+Q_f，c

计算每相的充电电量：

$Q_{c,x}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Q}_{c(x,n)}$

式中，下标x表示a、b、c三相之一，下标c表示充电，n表示该相的第n个链节，N为每相的链节数；

计算三相总的可充电电量：

Q_c,sum＝Q_c,a+Q_c,b+Q_c,c

第四步：各相充放电功率的分配与控制

按照各相的可放/充电电量Q_f,a，Q_f,b,Q_f,c的比例，根据总功率指令Psum，分配功率如下：

放电时，abc三相的放电功率指令分别为：

$P_a=\frac{Q_{f,a}}{Q_{f,a}+Q_{f,b}+Q_{f,c}}\&times;P_{\mathrm{sum}}$

$P_b=\frac{Q_{f,b}}{Q_{f,a}+Q_{f,b}+Q_{f,c}}\&times;P_{\mathrm{sum}}$

$P_c=\frac{Q_{f,c}}{Q_{f,a}+Q_{f,b}+Q_{f,c}}\&times;P_{\mathrm{sum}}$

充电时，abc三相的充电功率指令分别为：

$P_a=\frac{Q_{c,a}}{Q_{c,a}+Q_{c,b}+Q_{c,c}}\&times;P_{\mathrm{sum}}$

$P_b=\frac{Q_{c,b}}{Q_{c,a}+Q_{c,b}+Q_{c,c}}\&times;P_{\mathrm{sum}}$

$P_c=\frac{Q_{f,c}}{Q_{c,a}+Q_{c,b}+Q_{c,c}}\&times;P_{\mathrm{sum}}$

abc三相的功率与平均值的偏差为：

$\mathrm{\&Delta;}{P}_a=P_a-\frac{1}{3}{P}_{\mathrm{sum}}$

$\mathrm{\&Delta;}{P}_b=P_b-\frac{1}{3}{P}_{\mathrm{sum}}$

$\mathrm{\&Delta;}{P}_c=P_c-\frac{1}{3}{P}_{\mathrm{sum}}$

三相功率的偏差通过注入零序电压的方式来实现；

注入的零序电压的相对A相正序电流相位为：

零序电压的大小为：

A相正序电流的相位通过对电网电压锁相得到；

a、b、c三相电压相量分别为：

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_a={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{a1}+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0$

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_b={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{b1}+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0$

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_c={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{c1}+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0$

三相电流相量及大小分别为：

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_a={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{a1}$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_b={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{b1}$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_c={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{c1}$

$\left|I_a\right|=\left|I_b\right|=\left|I_c\right|=\frac{P_{\mathrm{sum}}}{\sqrt{3}{U}_s}$

式中，U_s为电网***电压有效值；

第五步：链节功率的分配与控制

在各相功率确定的基础上分配各个链节的功率，同相各个链节电压相位相同，按照各链节的可充/放电电量的比例分配电压，即控制了功率。

2.根据权利要求1所述的星形连接级联储能***两级均衡控制方法，其特征在于，所述第一步中，链式储能***中，每个链节由电池单元和功率单元组成，电池单元由电池管理***管理，功率单元作为功率转换***的一部分由功率转换***控制器控制，功率转换***控制器定时从电池管理***获取各个功率单元对应的电池单元的SOC状态和SOH状态，时间间隔从0.1s-10min。

3.根据权利要求1所述的星形连接级联储能***两级均衡控制方法，其特征在于，所述第五步中，按照各链节的可充/放电电量的比例分配电压，具体为：

充电时，abc三相各个链节电压分配如下：

$U_{a,n}=\frac{Q_{c(a,n)}}{N\&times;Q_{c,a}}\&times;U_a$

$U_{b,n}=\frac{Q_{c(b,n)}}{N\&times;\left(Q_{c,b}\right)}\&times;U_b$

$U_{c,n}=\frac{Q_{c(c,n)}}{N\&times;Q_{c,c}}\&times;U_c$

放电时，abc三相各个链节电压分配如下：

$U_{a,n}=\frac{Q_{f(a,n)}}{N\&times;Q_{f,a}}\&times;U_a$

$U_{b,n}=\frac{Q_{f(b,n)}}{N\&times;Q_{f,b}}\&times;U_b$

$U_{c,n}=\frac{Q_{f(c,n)}}{N\&times;Q_{f,c}}\&times;U_c$

式中，U_a，n，U_b，n，U_c，n分别表示a、b、c三相的第n个链节的交流侧电压；下标a、b、c表示abc三相，f表示放电，c表示充电，n表示链节的编号,N表示每相的链节数；

控制各个链节的电压即控制了各个链节的功率。

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