CN103296722B - 应用于h桥级联型电池储能系统相内soc均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于H桥级联型电池储能系统相内SOC均衡控制方法，该方法首先采集储能电池SOC信息及充放电状态：通过电池管理系统采集各个H桥功率单元储能电池的SOC信息及此时系统所处充放电状态；然后调节载波三角板幅值：根据PCS系统所处不同状态分别调节载波三角波幅值。本发明以大容量电池储能H桥级联型功率转换系统为对象，通过采集电池荷电状态，控制调制比实现相内储能电池SOC功率均衡的目的。本发明可以消除储能功率转换系统相内电池荷电状态变化对相输出电压的影响，实现尤其针对电池平台电压不稳的情况有良好的调节特性。

Description

应用于H桥级联型电池储能系统相内SOC均衡控制方法

技术领域

本发明涉及电池储能系统，具体地，涉及通过控制储能变换器的调制策略实现储能电池的功率均衡控制。

背景技术

电池储能系统主要实现能量的存储和释放，其主要组成部分包括电池储能载体和由电力电子器件组成的储能功率转换系统（Power Conversion System-PCS）。PCS主要实现充放电控制、功率调节等功能。

大功率电池储能系统的拓扑结构有多种形式，比如DC/AC单级结构、DC/DC+DC/AC双级结构、DC/AC级联多电平结构等等。MW级电池储能系统直接接入中压电网，DC/AC单级结构输出电压较低，系统容量受到限制，不适用于大功率系统；DC/DC+DC/AC双级结构的功率转换器通过增加DC/DC环节调节电池充放电电流以达到电池均衡的目的，但是这种拓扑增加了开关损耗、体积和成本，降低了效率；上述两种结构的储能变流器通常需要大容量工频变压器隔离升压后接入中高压电网。基于H桥级联的储能变流器系统容量大，不包含DC/DC环节以及工频变压器，减小了系统损耗及成本，允许采用分立的电池单元接入各个H桥，冗余性好。因此本发明主要针对H桥级联型拓扑进行分析。

储能电池在储能系统的成本中占有很大比重，储能电池的使用寿命对储能系统应用前景至关重要。由于储能电池单元本身的差异以及运行过程中更新等情况，一相内不同储能电池单元之间的荷电状态SOC并不相同，因此需要通过某种控制策略对每个功率单元的输出功率进行有效控制，否则会导致电池的过充过放等不良情况，缩短电池的寿命且不利于整个系统的稳定运行。而对电池荷电状态（SOC）的均衡是保证电池使用寿命的重要手段。

在H桥级联结构的储能系统中，SOC均衡控制分为相内均衡与相间均衡，相内SOC均衡控制是指每个H桥功率单元输出功率与自身电池单元SOC成正相关性，以达到减小电池单元间SOC偏差的目的。目前，针对大功率电池储能系统，还没有明确的电池均衡控制策略。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种应用于H桥级联型电池储能系统相内SOC均衡控制方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：本发明通过改变不同逆变器的PWM驱动的三角载波，改变相内不同H桥功率单元的功率输出，最终实现一相内各个H桥功率单元对应储能电池的均衡问题。

具体的，所述控制方法分充放电两种状态，通过给定的储能电池荷电状态，计算各个H桥逆变单元PWM驱动三角载波，具体步骤如下：

(1)采集储能电池SOC信息及充放电状态：通过电池管理系统采集各个H桥功率单元储能电池的SOC信息及此时系统所处充放电状态；

(2)调节载波三角板幅值：根据PCS系统所处不同状态分别调节载波三角波幅值；

具体步骤如下：

1)储能电池处于放电状态下：

设N个H桥功率单元输出电压为：

V=(m₁V₁sinw_st...m_iV_isinw_st...m_NV_Nsinw_st)

其中，调制比M=（m₁...m_i...m_N），m_i＝Ｕs_i/Uc_i,Us_i、Uc_i为正弦调制波、三角载波，0<i<N，N为级联个数，V_i为各个储能电池单元直流侧电压，w_s为工频角频率，t表示时间，则单相PCS输出电压Ua为：

$\mathrm{Ua}=(M,V)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{m}_i{V}_i\sin w_{s}t$

以E_0.5为基准令驱动第i个H桥功率单元的三角载波幅值为：

${\mathrm{Uc}}_i=\frac{\mathrm{SOCa}}{\mathrm{SO}{C}_i}*\frac{V_i}{E_{0.5}}$

其中SOC_i分别为第i个H桥功率单元的储能电池单元荷电状态SOC，E_0.5表示SOC=0.5时H桥储能电池单元的输出电压，可推出单个H桥功率单元输出电压及单相PCS输出电压：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Ua}}_i=\frac{\mathrm{SO}{C}_i}{\mathrm{SO}{C}_a}{U}_s{E}_{0.5}\sin w_{s}t\\ \mathrm{Ua}=(M,V)=N{U}_s{E}_{0.5}\sin w_{s}t\end{array}\right.$

根据系统需要设置E_0.5，Us使之能提供电网所需电压，可使得每个功率单元的输出功率与自身的SOC成正比，且单相PCS输出电压与单个的功率单元输出电压无直接关系，也即单个功率单元SOC的变化不影响PCS整个一相的输出电压。

2)储能电池单元处于充电状态

依然通过改变三角载波幅值使SOC_i≤SOC_a的电池单元充电功率大，SOC_i≥SOC_a的电池单元充电功率小，实现相内SOC均衡。令驱动第i个H桥功率单元的三角载波幅值为：

$U{c}_i=\frac{1-\mathrm{SO}{C}_a}{1-\mathrm{SO}{C}_i}*\frac{V_i}{E_{0.5}}$

可推出单个H桥功率单元输出电压及单相PCS输出电压：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Ua}}_i=\frac{1-\mathrm{SO}{C}_i}{1-\mathrm{SO}{C}_a}{U}_s{E}_{0.5}\sin w_{s}t\\ \mathrm{Ua}=(M,V)=N{U}_s{E}_{0.5}\sin w_{s}t\end{array}\right.$

则第i个H桥功率单元吸收功率与1-SOC_i成正比，整个单相PCS吸收功率依然与单个功率单元无直接关系，亦实现了储能电池的相内SOC均衡调节。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明以大容量电池储能H桥级联型功率转换系统为对象，通过采集电池荷电状态，控制调制比实现相内储能电池SOC功率均衡的目的。本发明可以消除储能功率转换系统（power conversion system-PCS）相内电池荷电状态变化对相输出电压的影响，实现尤其针对电池平台电压不稳的情况有良好的调节特性。

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为本发明一实施例单个H桥功率单元电路拓扑；

图2为本发明一实施例N个H桥级联PCS系统电路拓扑；

图3为本发明一实施例磷酸铁锂、钛酸锂、铅酸电池SOC-V关系图；

图4为本发明一实施例充放电状态下储能电池SOC最大允许偏差范围。

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。

以下在发明内容提供的技术方案基础上，给出本发明实施例的详细描述：

1.N个H桥级联PCS系统拓扑

图1是单个H桥功率单元电路拓扑，主要由储能电池，吸收电容，以及一个全桥逆变器组成。图2是N个H桥级联PCS系统电路拓扑，共分为ABC三相，每相PCS由N个H桥功率单元级联而成，三相PCS通过连接电感直挂10kV电网。整个系统参数如表1系统电路及元器件参数所示：

表1系统电路及元器件参数

2.储能电池的SOC-V荷电特性曲线

对于特定类型的储能电池，其输出电压V与荷电状态SOC有着密切的联系，一般意义上，储能电池输出电压总与SOC呈正相关特性。本实施例选取钛酸锂电池、磷酸铁锂电池以及铅酸电池作为研究对象，可采用线性拟合方式找出两者的线性关系：

V=SOC*k+b  (1)

式中SOC表示电池荷电状态，k表示SOC-V线性拟合曲线的斜率，b表示拟合曲线与纵轴的交点也即SOC=0时的电池端电压，k，b具体数值因电池而异。

1)钛酸锂电池

在实际应用中，电池过充或过放对会对电池寿命产生影响，假定对于钛酸锂电池选择10%～90%段为利用区域，且这一段内的端电压输出较平滑，易于拟合，如图3所示。根据钛酸锂电池荷电特性曲线图得出SOC-V公式：

V=0.6791*SOC+1.9077  10%≤SOC≤90%  (2)

2)磷酸铁锂电池

根据现有资料得出STL18650型锂铁电池（容量为1100mAh）在1C放电率下的SOC-V关系图，如图3所示，磷酸铁锂电池在SOC>10%区域内端电压基本保持在3V，特性良好。

V=0.4087*SOC+2.843  10%≤SOC≤98%  (3)

3)铅酸电池

由铅酸电池荷电特性图选取10%～100%作线性拟合：

V=0.6744*SOC+5.7452  10%≤SOC≤100%  (4)

三种电池SOC-V关系图如图3所示，比较三种储能电池SOC-V曲线可知，不同储能电池荷电特性差别很大，在研究功率转换器SOC控制策略时必须加以考虑。

4）SOC允许偏差范围分析

依然就充放电两种状态分析，放电状态下，若假设Us=1，则对于储能电池单元其输出电压不能超出其电压输出上限。另外为保证PCS系统的长期稳定运行，需要考虑冗余保护，即在一个H桥功率单元故障旁路的情况下，整个系统依然可以正常运行。当某一个H桥功率单元旁路切机之后，其所在相的PCS系统输出功率相应降低，为保持网侧所需电压，其余H桥功率单输出电压应相应增大，为此，所有储能电池的最低输出电压应始终大于某一个下限值，满足冗余保护的要求。综合以上考虑，储能电池单元输出电压应控制在一定范围之内，即：

$E_0\&le;\frac{\mathrm{SO}{C}_i}{\mathrm{SO}{C}_a}{E}_{0.5}\&le;E_1---\left(5\right)$

其中E₀是电池允许最低输出电压，E₁是SOC=1时的电池单元输出电压，若设E₁/E_0.5=α，E₀/E_0.5=β可推出第i个功率单元储能电池单元SOC_i的允许偏差范围：

$\frac{\underset{\underset{k\&NotEqual;i}{k=1}}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{SO}{C}_k}{\frac{N}{\mathrm{\&beta;}}-1}\&le;\mathrm{SO}{C}_i\&le;\frac{\underset{\underset{k\&NotEqual;i}{k=1}}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{SO}{C}_k}{\frac{N}{\mathrm{\&alpha;}}-1}---\left(6\right)$

对于处于充电状态的电池堆，计算过程类似，相应的SOC允许偏差范围为：

$\frac{\mathrm{N\&alpha;}-N-\mathrm{\&alpha;}*\underset{\underset{k\&NotEqual;i}{k=1}}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{SO}{C}_k}{\mathrm{\&alpha;}-N}\&le;\mathrm{SO}{C}_i\&le;\frac{\mathrm{N\&beta;}-N-\mathrm{\&beta;}*\underset{\underset{k\&NotEqual;i}{k=1}}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{SO}{C}_k}{\mathrm{\&beta;}-N}---\left(7\right)$

式(6)，(7)中，SOC_k表示第k个电池堆的SOC，1<k<N，N表示H桥级联个数。

下面取钛酸锂电池为例，直观地计算其偏差运行范围，选取10%～90%段，由图3得E_0.9=2.5V，E_0.5=2.25V，本系统是一个12H桥级联系统，考虑冗余保护、电感压降等因素，单个钛酸锂电池输出电压下限为E_0.1=1.85V，则α=1.11，β=0.82。设N=12，取分别带入式(6)、(7)推出第i个电池堆的SOC_i允许偏差范围以及允许偏差如表2所示，同样方法分析磷酸铁锂电池允许偏差范围如表3所示：

表2钛酸锂电池单元SOC变化范围

表3磷酸铁锂电池单元SOC变化范围

分析表2、表3：放电状态下，这种控制策略对于钛酸锂电池单元的允许偏差裕量达到了31.4%；充电状态下，储能电池单元的允许偏差裕量随SOC的变化而改变，且仅仅对于当SOC较高的情况允许偏差百分比较小，其余情况下裕量都超过了10%，在初期进行了容量组配且持续进行维护性均衡的储能系统中，可有效避免偏差超过10%的情况的发生，因此，该控制策略对于钛酸锂电池具有较高的实用意义；

对于磷酸铁锂电池，放电状态下裕量为13%左右，充电状态下当x达到0.6时，允许偏差裕量开始跌落至8%左右，依然具有较高的实用价值。

由于不同储能电池的SOC-V曲线差别很大，则相应的SOC允许偏差范围随之改变。不同的系统设计对电池电压下限要求不一，而与储能电池SOC-V拟合曲线的斜率，截距无关，因此仅针对电池输出电压上限进行分析。由(1)式得E₁=k+b，E_0.5=0.5*k+b即：

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{E_1}{E_{0.5}}=\frac{k+b}{0.5k+b}=\frac{2k+2b}{k+2b}---\left(8\right)$

取N=12，拟合曲线斜率k变化范围为0～1，b变化范围为2～3，取特例分别代入式(6)、(7)，通过Matlab表示出SOC_i随k与b变化的在0.5附近的允许偏差范围如图4所示。

当取不同值时，SOC_i都有一个随自身电池SOC-V特性变化的范围。分析图4，SOC_i允许偏差范围随着斜率k的增大而增大，随着b的增大而减小。拟合斜率小的电池，其允许偏差范围也将很小。因此，此种控制策略适用于SOC-V拟合曲线斜率k较大的储能电池，研究发现一般拟合曲线斜率在0.4以上时，电池允许偏差一般均可达到8%以上，斜率在0.6以上时，电池允许偏差平均在10%以上。

综上所述，本发明针对钛酸锂电池，磷酸铁锂电池均有较好的调制作用。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (1)

1.一种应用于H桥级联型电池储能系统相内SOC均衡控制方法，其特征在于，所述控制方法分充放电两种状态，通过给定的储能电池荷电状态，计算各个H桥逆变单元PWM驱动三角载波，具体步骤如下：

(1)采集储能电池SOC信息及充放电状态：通过电池管理系统采集各个H桥功率单元储能电池的SOC信息及此时系统所处充放电状态；

(2)调节载波三角板幅值：根据PCS系统所处不同状态分别调节载波三角波幅值；

设N个H桥功率单元输出电压为：

V＝(m₁V₁sinw_st…m_iV_isinw_st…m_NV_Nsinw_st)

其中，调制比M＝(m₁…m_i…m_N)，m_i＝Us_i/Uc_i，Us_i、Uc_i为正弦调制波、三角载波，0<i<N，N为级联个数，V_i为各个储能电池单元直流侧电压，w_s为工频角频率，t表示时间；

A.若储能电池处于放电状态：

调节载波三角波幅值为：

${\mathrm{Uc}}_i=\frac{\mathrm{SOCa}}{{\mathrm{SOC}}_i}*\frac{V_i}{E_{0.5}}$

其中Uc_i为驱动第i个H桥功率单元的三角载波；为第i个H桥功率单元的储能电池单元荷电状态SOC，0<i<N；E_0.5表示SOC＝0.5时单个H桥储能电池单元的输出电压；

B.若储能电池单元处于充电状态

调节载波三角板幅值为：

${\mathrm{Uc}}_i=\frac{1-{\mathrm{SOC}}_a}{1-{\mathrm{SOC}}_i}*\frac{V_i}{E_{0.5}}$

式中各变量含义同A相同；

所述储能电池单元输出电压应控制在一定范围之内，即：

$E_0\&le;\frac{{\mathrm{SOC}}_i}{{\mathrm{SOC}}_a}{E}_{0.5}\&le;E_1$

其中E₀是电池允许最低输出电压，E₁是SOC＝1时的电池单元输出电压，若设推出第i个功率单元储能电池单元SOC_i的允许偏差范围：

$\frac{\underset{k\&NotEqual;i}{\overset{N}{\underset{k=1}{\mathrm{\&Sigma;}}}}{\mathrm{SOC}}_k}{\frac{N}{\mathrm{\&beta;}}-1}\&le;{\mathrm{SOC}}_i\&le;\frac{\underset{k\&NotEqual;i}{\overset{N}{\underset{k=1}{\mathrm{\&Sigma;}}}}{\mathrm{SOC}}_k}{\frac{N}{\mathrm{\&alpha;}}-1}$

对于处于充电状态的电池堆，相应的SOC允许偏差范围为：

$\frac{\mathrm{N\&alpha;}-N-{\mathrm{\&alpha;}}^{*}\underset{k\&NotEqual;i}{\overset{N}{\underset{k=1}{\mathrm{\&Sigma;}}}}{\mathrm{SOC}}_k}{\mathrm{\&alpha;}-N}\&le;{\mathrm{SOC}}_i\&le;\frac{\mathrm{N\&beta;}-N-{\mathrm{\&beta;}}^{*}\underset{k\&NotEqual;i}{\overset{N}{\underset{k=1}{\mathrm{\&Sigma;}}}}{\mathrm{SOC}}_k}{\mathrm{\&beta;}-N}.$