CN103390916B - 储能链式功率转换系统阶梯波调制相内soc均衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种储能链式功率转换系统阶梯波调制相内SOC均衡方法，该方法首先采集储能电池SOC信息及充放电状态，即通过电池管理系统采集各个链节储能电池的SOC信息及此时系统所处充放电状态；然后调节载波次序，即根据PCS系统所处不同状态以及相内各链节储能电池SOC的大小调节对应载波次序。本发明以大容量电池储能链式功率转换系统为对象，通过采集电池荷电状态，控制载波次序实现相内储能电池SOC功率均衡的目的。

Description

储能链式功率转换系统阶梯波调制相内SOC均衡方法
技术领域
本发明涉及电池储能领域，应用于储能电站、风储系统等大规模电池储能的场合，具体地，涉及一种储能链式功率转换系统阶梯波调制相内SOC均衡方法。
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储能功率转换系统（PowerConversionSystem-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桥级联的链式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。
储能系统的均衡控制对于保证储能系统的运行寿命至关重要。在链式的储能系统中，由于每个链节的储能电池本身的差异以及可能出现的维护、更新等原因，同一相内不同链节的储能电池单元之间的荷电状态SOC可能不同，为了最大限度利用储能系统的存储容量和保证电池寿命，需要对相内不同链节储能电池单元的SOC进行均衡控制。均衡控制策略与储能系统的调制方法紧密相关。链式储能系统如采用载波移相调制方式，则可以通过改变各个链节的调制波的方法，改变各个链节的输入输出功率。采用阶梯波调制时，PCS开关损耗小，特别适合大容量储能场合，但无法对各个链节的调制波进行单独的调节。且由于阶梯波调制本质上决定了各个链节在一个工频周期内输出功率的不同，对于各个链节SOC均衡的情况，也需要额外的轮询算法来进行各个链节输入输出功率的平衡。对于各个链节SOC本身就不一致的情况下如何实现相内不同链节间的SOC均衡控制上未见文献公开报道。
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储能链式功率转换系统阶梯波调制相内SOC均衡方法，根据各个链节储能电池的SOC，按照从低到高进行排序，根据各个链节储能电池的SOC大小顺序将各个链节输出排在阶梯波的不同阶梯层上，从而实现控制SOC不同的链节输入输出功率不同的目的，最终实现一相内各个H桥功率单元对应储能电池的均衡。
为实现上述目的，本发明提供一种储能链式功率转换系统阶梯波调制相内SOC均衡方法，该方法首先采集储能电池SOC信息及充、放电状态，即通过电池管理系统采集各个链节储能电池的SOC信息及此时系统所处充、放电状态；然后调节载波次序，即根据PCS系统所处不同状态以及相内各链节储能电池SOC的大小调节对应载波次序。
具体的，所述方法分充、放电两种状态，通过从电池管理系统获得的链节储能电池SOC，计算各个链节在阶梯波中的阶梯层，具体步骤如下：
(1)获取链节储能电池SOC信息：通过电池管理系统采集各个链节储能电池的SOC信息以及充放电状态；
(2)对各个链节SOC大小进行排序；
(3)根据储能系统充、放电状态，安排各个链节的阶梯层；
A：系统处于放电状态
若某个链节SOC对应次序为j，则其所处阶梯层数为第N-j层，其中j=1～N；
B：系统处于充电状态
若某个链节SOC对应次序为j，则其所处阶梯层数也为第j层，其中j=1～N。
优选地，步骤(2)中，设所采集的N个链节储能电池的SOC为：SOC1，SOC2，SOC3，……，SOCN，按照由低到高顺序进行排列，设第i个链节储能电池SOCi大小位于序列第j处，其中i=1～N、j=1～N，即每个链节储能电池SOC经排序后都处于某一次序上；
当某两个链节储能电池SOC相同时，则规定按照SOC下标大小进行排序，即比如当SOCi=SOCi+k时；若SOCi处于序列第j处，则SOCi+k处于序列第j+1处；对于多个链节储能电池SOC均相同时的情况，排序方法依次类推；
最终经过排序，可以得到一个各个链节SOC大小的排序表，每个链节SOC均对应一个序次，且序次越小，说明SOC也越小。
优选地，步骤(3)中：
A：系统处于放电状态
如系统处于放电状态，根据阶梯波调制的原理可知，位于阶梯上层对应的链节输出功率越小，则为了保证相内SOC的均衡，SOC较小即对应序次低的链节功率单元应处于比较高阶梯层；根据调制原理可知对于N个链节级联的PCS，其所输出阶梯波也为N层，则若某个链节SOC对应次序为j，则其所处阶梯层数应该为第N-j层，其中j=1～N。
B：系统处于充电状态
如系统处于充电状态，则SOC小的链节所输出电压应处于较低的阶梯层，即充电功率较大，较快实现SOC均衡；则若某个链节SOC对应次序为j，则其所处阶梯层数也应该为第j层，其中j=1～N。
本发明根据各个链节储能电池的SOC，按照从低到高进行排序，根据各个链节储能电池的SOC大小顺序将各个链节输出排在阶梯波的不同阶梯层上，从而实现控制SOC不同的链节输入输出功率不同的目的，最终实现一相内各个H桥功率单元对应储能电池的均衡。
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链式功率转换系统为对象，通过采集电池荷电状态，控制阶梯波实现相内储能电池SOC功率均衡的目的；本发明可以消除阶梯波调制导致各个链接功率不均衡的不良后果，且对相内SOC均衡有较快的反应速度。
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链节电路拓扑；
图2为本发明一实施例N个链节级联PCS系统电路拓扑；
图3为本发明一实施例N个链节级联阶梯波调制原理图。
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。
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个链节级联PCS系统拓扑：
如图1所示为单个链节电路拓扑，由储能电池、吸收电容以及一个全桥逆变器组成；如图2所示为N个链节级联PCS系统电路拓扑，共分为ABC三相，每相PCS由N个链节级联而成，三相PCS通过连接电感直挂10kV电网。整个系统参数如表1所示：
表1系统电路及元器件参数
2.阶梯波调制原理：
阶梯波调制的实现分为两种：一种为利用等面积法则，计算每个阶梯波占空比，再转化为PWM信号，由于需要进行离线计算，对于多电平变流器尤其是大于五电平的电路，控制较为复杂，不再详细阐述；另外一种等同于载波层叠调制方法，即将载波频率降低至100Hz，以此生成阶梯波并通过叠加的方式输出阶梯电压，调制原理图如图3所示。
对于N链节级联系统需要N对三角载波进行调制，每对三角载波对应于一个链节，且最大输出电平数为N*E的阶梯波；从图3可知位于较低阶梯层的链节输出功率较大，位于较高阶梯层的链节输出功率较低，即不同链节输出功率不均衡，因此可根据阶梯波调制的这个特点进行相内SOC的均衡调制。
3.采集各个链节储能电池SOC信息并进行排序：
设所采集的N个链节储能电池的SOC为：SOC1，SOC2，SOC3，……，SOCN；按照由低到高顺序进行排列，设第i个链节储能电池SOCi大小位于序列第j处，其中i=1～N、j=1～N，即每个链节储能电池SOC经排序后都处于某一次序上。
当某两个链节储能电池SOC相同时，则规定按照SOC下标大小进行排序，即比如当SOCi=SOCi+k时，若SOCi处于序列第j处，则SOCi+k处于序列第j+1处。对于多个链节储能电池SOC均相同时的情况，排序方法依次类推。
最终经过排序，可以得到一个各个链节SOC大小的排序表，每个链节SOC均对应一个序次，且序次越小，说明SOC也越小。
4.根据系统充放电状态安排各个链节的阶梯层
A：系统处于放电状态
如系统处于放电状态，根据阶梯波调制的原理可知，位于阶梯上层对应的链节输出功率越小，则为了保证相内SOC的均衡，SOC小也即对应排序序次低的链节所输出电压应处于比较高阶梯层；
则若某个链节SOC对应次序为j，则其所处阶梯层数应该为第N-j层；相应地，令第N-j层对应的第N-j对三角载波控制此链节输出相应层的电压，其余SOC情况类似，即根据各个链节的SOC重新分配了其所输出功率，达到相内SOC均衡控制的目的；
B：系统处于充电状态
如系统处于充电状态，则SOC小的链节所输出电压应处于较低的阶梯层，即充电功率较大，较快实现SOC均衡；则若某个链节SOC对应次序为j，则其所处阶梯层数也应该为第j层；相应地，令第j层对应的第j对三角载波控制此链节输出相应层的电压，其余SOC情况类似，即根据各个链节的SOC重新分配了其所输出功率，达到相内SOC均衡控制的目的。
当系统相内SOC均衡控制策略启动时，则将不停采集各个链节SOC信息，并进行排序，当有储能电池出现SOC偏差时，将触发控制策略重新分布各个链节输出电压所处阶梯层，逐渐缩小偏差，并最终使SOC处于一致状态，达到相内SOC均衡控制的目的。
本发明根据各个链节储能电池的SOC，按照从低到高进行排序，根据各个链节储能电池的SOC大小顺序将各个链节输出排在阶梯波的不同阶梯层上，从而实现控制SOC不同的链节输入输出功率不同的目的，最终实现一相内各个H桥功率单元对应储能电池的均衡。
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 (2)

1.一种储能链式功率转换系统阶梯波调制相内SOC均衡方法，其特征在于，所述方法分充放电两种状态，通过从电池管理系统获得的链节储能电池SOC，计算各个链节在阶梯波中的阶梯层，根据储能功率转换系统所处不同状态以及相内各链节储能电池SOC的大小调节对应载波次序，具体步骤如下：
(1)获取链节储能电池SOC信息：通过电池管理系统采集各个链节储能电池的SOC信息以及充放电状态；
(2)对各个链节SOC大小进行排序；
设所采集的N个链节储能电池的SOC为：SOC1，SOC2，SOC3，……，SOCN，按照由低到高顺序进行排列，设第i个链节储能电池SOCi大小位于序列第j处，其中i＝1～N、j＝1～N，即每个链节储能电池SOC经排序后都处于某一次序上；
当某两个链节储能电池SOC相同时，则规定按照SOC下标大小进行排序，即当SOCi＝SOCi+k时，若SOCi处于序列第j处，则SOCi+k处于序列第j+1处；对于多个链节储能电池SOC均相同时的情况，排序方法依次类推；
最终经过排序，得到一个各个链节SOC大小的排序表，每个链节SOC均对应一个序次，且序次越小，说明SOC也越小；
(3)根据储能系统充、放电状态，安排各个链节的阶梯层；
A：系统处于放电状态
若某个链节SOC对应次序为j，则其所处阶梯层数为第N-j层，其中j＝1～N；
B：系统处于充电状态
若某个链节SOC对应次序为j，则其所处阶梯层数也为第j层，其中j＝1～N。
2.根据权利要求1所述的储能链式功率转换系统阶梯波调制相内SOC均衡方法，其特征在于，步骤(3)中：
A：系统处于放电状态
如系统处于放电状态，根据阶梯波调制的原理，位于阶梯上层对应的链节输出功率小，则为了保证相内SOC的均衡，SOC较小即对应序次低的链节功率单元应处于比较高的阶梯层；根据调制原理，对于N个链节级联的储能功率转换系统，其所输出阶梯波也为N层，则若某个链节SOC对应次序为j，则其所处阶梯层数应该为第N-j层，其中j＝1～N；
B：系统处于充电状态
如系统处于充电状态，则SOC小的链节所输出电压应处于低的阶梯层，即充电功率大，实现SOC均衡快；则若某个链节SOC对应次序为j，则其所处阶梯层数也应该为第j层，其中j＝1～N；
根据各个链节储能电池的SOC，按照从低到高进行排序，根据各个链节储能电池的SOC大小顺序将各个链节输出排在阶梯波的不同阶梯层上，从而实现控制SOC不同的链节输入输出功率不同的目的，最终实现一相内各个H桥功率单元对应储能电池的均衡。
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