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:
Qf(x,n)=(SOCx,n-SOCdown)×SOHx,n×CN
可充电电量:
Qc(x,n)=(SOCup-SOCx,n)×SOHx,n×CN
式中,SOCup和SOCdown分别代表电池运行的SOC上下边界,0≤SOCdown<SOCup≤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。CN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:
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:
Qf,sum=Qf,a+Qf,b+Qf,c
计算每相的充电电量:
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:
Qc,sum=Qc,a+Qc,b+Qc,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Qf,a,Qf,b,Qf,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:
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:
式中,下标c表示充电。
abc三相的功率与平均值的偏差为:
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:
三相电流相量及大小分别为:
式中,Us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:
放电时,abc三相各个链节电压分配如下:
式中,Ua,n,Ub,n,Uc,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。
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:
SOCa=[0.29,0.29,0.29,0.29,0.29,0.29,0.29,0.29,0.29,0.29,0.29,0.29]
SOCb=[0.26,0.3,0.32,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3]
SOCc=[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:
Qf,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
Qf,b=[57.6,72,79.2,72,72,72,72,72,72,72,72,72]AH
Qf,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:
Qc,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
Qc,bc=[230.4,216,208.8,216,216,216,216,216,216,216,216,216]AH
Qc,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:
Qc,ab=219.6AH
Qc,bc=216.36AH
Qc,ca=215.28AH
计算总的可充电电量:
Qc=219.6AH+216.36AH+215.28AH=651.24AH
计算每相的可放电电量:
Qf,ab=68.4AH
Qf,bc=71.64AH
Qf,ca=72.72AH
计算总的可放电电量:
Qf=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:
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。