CN103545877A - 一种mmc电池储能系统相内soc均衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种MMC电池储能系统相内SOC均衡方法，储能系统采用载波移相调制，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功率模块储能电池的SOC信息及此时系统所处充放电状态；然后调节载波幅值大小，即根据PCS系统所处不同状态以及相内各功率模块储能电池SOC的大小调节对应功率模块正向、反向接入时间比。本发明以MMC电池储能系统为对象，通过采集电池荷电状态，控制载波幅值实现相内储能电池SOC功率均衡的目的。

Description

一种MMC电池储能系统相内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MMC电池储能系统载波移相调制相内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储能电池和储能变流系统（Power Conversion System-PCS）。PCS主要实现充放电控制、功率调节等功能。基于MMC结构的电池储能变流系统由于引入了多电平技术，减小电力电子器件上的电压应力；并且因为结构上的优势，每个电池组可以相对独立的控制，从而容易实现各个电池组之间的SOC均衡；系统同时拥有直流和交流接口的特殊结构，可同时连接直流电网与交流电网，在交直流配电领域将有较大的应用潜力。
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MMC电池储能系统中，由于每个功率模块的储能电池本身的差异以及可能出现的维护、更新等原因，同一相内不同功率模块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，需要对相内不同功率模块储能电池单元的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。MMC电池储能系统若采用载波移相调制方式，则由载波移相调制本质上决定了，在各个功率模块载波调制比、端口电压、电池SOC相同的情况下，各个功率模块一个工频周期内充电或放电功率相同，即对于各个功率模块SOC本身就均衡的情况，不需要额外的均衡算法来进行各个功率模块充放电功率的平衡。但对于各个功率模块SOC本身就不一致的情况下，如何通过载波移相调制实现相内不同功率模块间的SOC均衡控制尚未见文献公开报道。
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MMC电池储能系统载波移相调制相内SOC均衡方法。
本发明中，MMC电池储能系统采用双调制波载波移相调制策略进行SPWM控制，其中一个调制波1用于上桥臂功率模块PWM输出，另一调制波2用于下桥臂功率模块PWM输出。上下桥臂内各个功率模块载波三角波的初相位α应依次超前2π/N，同时上下桥臂对应功率模块在一个载波周期内也存在一个相位差π/N。即第一个功率模块载波三角波UC1的初相位角α1＝00，上桥臂第二个功率模块载波三角波UC2的初相位角α2＝(2-1)2π/N，第三个功率模块载波三角波UC3的初相位角α3＝(3-1)2π/N......第N个功率模块载波三角波UCN的初相位角αN＝(N-1)2π/N。而下桥臂第一个功率模块载波三角波UC（N+1）的初相位角α2＝(2-1)π/N，下桥臂第二个功率模块载波三角波UC（N+2）的初相位角α2＝(4-1)π/N，第三个功率模块载波三角波UC（N+3）的初相位角α3＝(6-1)π/N......第N个功率模块载波三角波UC（2N）的初相位角αN＝(2N-1)π/N，调制原理图如图3所示。对于2N个功率模块级联系统需要2N个三角载波进行调制，每个三角载波对应于一个功率模块，且最大输出电平数为N+1的阶梯波。
本发明根据各个功率模块储能电池的SOC分布，设定一个基准值SOCR，按照各个功率模块储能电池的SOC与基准值SOCR关系，改变各个功率模块的载波幅值，从而实现控制SOC不同的功率模块充放电功率不同的目的，最终实现一相内各个功率模块对应储能电池SOC的均衡。
为实现上述目的，本发明提供一种MMC电池储能系统载波移相调制相内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功率模块储能电池的SOC信息及此时系统所处充、放电状态；计算各个功率模块的载波幅值，即根据PCS系统所处不同状态以及相内各功率模块储能电池SOC与基准值SOCR的差值调节对应载波幅值大小。
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功率模块储能电池SOC，计算各个功率模块载波幅值，具体步骤如下：
(1)获取功率模块储能电池SOC信息：通过电池管理系统采集各个功率模块储能电池的SOC信息以及充放电状态；
(2)根据相内各个功率模块SOC大小设定基准值SOCR；
(3)根据储能系统充、放电状态，及与基准值SOCR的关系，计算各个功率模块的载波幅值；
A：系统处于放电状态
若某个功率模块SOC小于基准值SOCR，则减小该模块的载波幅值，若大于基准值SOCR，则增大该模块的载波幅值；
B：系统处于充电状态
若某个功率模块SOC小于基准值SOCR，则减小该模块的载波幅值，若大于基准值SOCR，则增大该模块的载波幅值。
优选地，步骤(2)中，设所采集的2N个功率模块储能电池的SOC为：SOC1，SOC2，SOC3，......，SOC2N，按照由低到高顺序进行排列，根据SOC分布，设定一个基准值SOCR，并设置一个不动作区间，若功率模块SOC在此区间内，则该模块相内均衡控制策略不启用。若在此区间之外，则该功率模块启用相内均衡控制策略，通过计算调整其对应载波幅值。
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，若某个功率模块SOC小于SOCR，则减小该模块的载波幅值，减小反向接入时间，即少放电；若某个功率模块SOC大于SOCR，则增大该模块的载波幅值，增加反向接入时间，即多放电，最终使一相上各个功率模块SOC均衡；
B：系统处于充电状态
如系统处于充电状态，若某个功率模块SOC小于SOCR，则减小该模块的载波幅值，增加正向接入时间，即多充电；若某个功率模块SOC大于SOCR，则增大该模块的载波幅值，减小正向接入时间，即少充电，最终使一相上各个功率模块SOC均衡。
本发明根据各个功率模块储能电池的SOC，按照从低到高进行排序，设定一个基准值SOCR，根据各个功率模块储能电池的SOC与基准值SOCR差值，计算各个功率模块载波的幅值大小，从而实现控制SOC不同的功率模块充放电功率不同的目的，最终实现一相内各个功率模块内储能电池SOC的均衡。不平衡模块载波计算公式为UCx×[1-K×(SOCR-SOCx)]，其中UCx为未加相内均衡控制策略前功率模块x的载波，K为均衡系数，具体取值取决于要求均衡速度以及器件允许流过最大电流，SOCx为不均衡模块x的电池SOC值。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明以MMC电池储能系统为对象，通过采集电池荷电状态，控制载波幅值实现相内储能电池SOC功率均衡的目的；本发明可以消除因功率模块SOC本身不一致导致的不良后果，且对相内SOC均衡有较快的反应速度。
同时由于本方案只是改变载波的幅值，并不会改变该模块的输出电压，同时，不均衡模块内储能电池的充放电电流最大值为基准模块内充放电电流的峰峰值，即不会改变一相上的流经电流值和直流侧电流。
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功率模块电路拓扑；
图2为本发明一实施例一相2N个功率模块MMC电池储能系统电路拓扑；
图3为本发明一实施例一相2N个功率模块双调制波载波移相调制策略原理图。
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：
1.一个单相16个功率模块MMC电池储能系统拓扑：
如图1所示为单个功率模块电路拓扑，由储能电池、电容以及一个半桥逆变器组成；如图2所示为一个单相16个功率模块级联MMC电池储能系统电路拓扑，共分为abc三相，每相PCS由16个功率模块级联而成，分为上下两个桥臂，三相PCS可以直接或通过连接电感直挂220V工频电网。整个系统参数如表1所示：
表1系统电路及元器件参数
系统参数器件名称 规定符号 参数
电网线电压/V Usa，Usb，Usc 220
交流侧视在功率/KVA Sac 50
每一相功率模块个数 2N 16
桥臂连接电感/mH L 4（10%）
电感等效内阻/mΩ R 10
直流侧电压V Vdc 862
载波三角波频率Hz Fc 1000
调制比 α 0.722
2.载波移相调制实现：
在本发明一实例中，MMC电池储能系统采用双调制波载波移相调制策略进行SPWM控制，其中调制波1为初始角为0°的有效值220V正弦波，用于上桥臂功率模块PWM输出，调制波2为初始角为180°的有效值220V正弦波，用于下桥臂功率模块PWM输出。上下桥臂内各个功率模块载波三角波的初相位α应依次超前π/4，同时上下桥臂对应功率模块在一个载波周期内也存在一个相位差π/8。即第一个功率模块载波三角波UC1的初相位角α1＝00，上桥臂第二个功率模块载波三角波UC2的初相位角α2＝π/4，第三个功率模块载波三角波UC3的初相位角α3＝π/2......第8个功率模块载波三角波UC8的初相位角α8＝7π/4。而下桥臂第一个功率模块载波三角波UC9的初相位角α9＝π/8，下桥臂第二个功率模块载波三角波UC10的初相位角α10＝3π/8，第三个功率模块载波三角波UC11的初相位角α11＝5π/8......第16个功率模块载波三角波UC16的初相位角α16＝15π/8，调制原理图如图3所示。
对于16个功率模块级联系统需要16个三角载波进行调制，每个三角载波对应于一个功率模块，且最大输出电平数为9的阶梯波；从图3可知通过调节载波幅值，可以改变正反向接入时间之比，即改变该功率模块储能电池充放电功率，因此可根据载波移相调制的这个特点进行相内SOC的均衡控制。
3.采集各个功率模块储能电池SOC信息并设定基准值：
设所采集的16个功率模块储能电池的SOC为：SOC1，SOC2，SOC3，......，SOC16；按照由低到高顺序进行排列，根据SOC分布，设定一个基准值SOCR，并设置一个不动作区间，考虑到电池管理系统测量精度，本实例中区间定为SOCR附近正负5%，若功率模块SOC在此区间内，则该模块相内均衡控制策略不启用。若在此区间之外，则该功率模块启用相内均衡控制策略，通过计算调整其对应载波幅值。
4.根据系统充放电状态安排各个功率模块的载波幅值
A：系统处于放电状态
如系统处于放电状态，若某个功率模块SOC小于SOCR，则减小该模块的载波幅值，减小反向接入时间，即少放电；若某个功率模块SOC大于SOCR，则增大该模块的载波幅值，增加反向接入时间，即多放电，最终使一相上各个功率模块SOC均衡；
B：系统处于充电状态
如系统处于充电状态，若某个功率模块SOC小于SOCR，则减小该模块的载波幅值，增加正向接入时间即多充电；若某个功率模块SOC大于SOCR，则增大该模块的载波幅值，减小正向接入时间，即少充电，最终使一相上各个功率模块SOC均衡。
当系统正常运行时，将不停采集各个功率模块SOC信息，并进行排序，当有储能电池出现SOC偏差（即位于不动作区间之外）时，将启用相内SOC均衡控制策略，触发控制策略计算调整该功率模块载波幅值，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。不平衡模块载波计算公式为UCx×[1-K×(SOCR-SOCx)]，其中UCx为未加相内均衡控制策略前功率模块x的载波，K为均衡系数，本实例中K值确定为10，并且K×(SOCR-SOCx)取值范围限定在±0.9之间，SOCx为不均衡模块x的电池SOC值。
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 (4)

1.一种MMC电池储能系统相内SOC均衡方法，其特征在于，所述系统采用载波移相调制，所述方法分充放电两种状态，通过从电池管理系统获得的功率模块内储能电池SOC，确定SOC基准值，再根据PCS系统所处不同状态以及相内各功率模块储能电池SOC的大小调节对应载波幅值，具体步骤如下：
(1)获取功率模块储能电池SOC信息：通过电池管理系统采集各个功率模块储能电池的SOC信息以及充放电状态；
(2)根据相内各个功率模块SOC大小设定基准值SOCR；
设所采集的2N个功率模块储能电池的SOC为：SOC1，SOC2，SOC3，......，SOC2N，按照由低到高顺序进行排列，根据SOC分布，设定一个基准值SOCR，并设置一个不动作区间，若功率模块SOC在此区间内，则该模块相内均衡控制策略不启用；若在此区间之外，则该功率模块启用相内均衡控制策略，通过计算调整其对应载波幅值；
(3)根据储能系统充、放电状态，调整各个功率模块的载波幅值大小；
A：系统处于放电状态
若某个功率模块SOC小于SOCR，则减小该模块的载波幅值，减小反向接入时间，即少放电；若某个功率模块SOC大于SOCR，则增大该模块的载波幅值，增加反向接入时间，即多放电，最终使一相上各个功率模块SOC均衡；
B：系统处于充电状态
若某个功率模块SOC小于SOCR，则减小该模块的载波幅值，增加正向接入时间，即多充电；若某个功率模块SOC大于SOCR，则增大该模块的载波幅值，减小正向接入时间，即少充电，最终使一相上各个功率模块SOC均衡。
2.根据权利要求1所述的MMC电池储能系统载波移相调制相内SOC均衡方法，其特征在于，步骤(2)中，需要在基准值SOCR附近设定一个不动作区间，在此区间内功率模块，视为SOC相同；而在此区间外功率模块，根据充放电状态及与基准值SOCR差值，计算该模块载波幅值，具体实现通过改变正反向接入时间比，即改变充放电能量比，最终使一相上各功率模块SOC均衡。
3.根据权利要求1或2所述的MMC电池储能系统载波移相调制相内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，根据载波移相调制的原理，在放电时，通过减小模块的载波幅值，可以减小该模块的反向接入时间，即减小模块内储能电池放电时间；通过增大模块的载波幅值，可以增加该模块的反向接入时间，即增加模块内储能电池放电时间；
B：系统处于充电状态
如系统处于充电状态，在充电时，通过减小模块的载波幅值，可以增加该模块的正向接入时间，即增加模块内储能电池充电时间；通过增大模块的载波幅值，可以减小该模块的正向接入时间，即减小模块内储能电池充电时间；
根据各个功率模块储能电池的SOC，按照与基准值SOCR差值，计算各个功率模块载波的幅值大小，从而实现控制SOC不同的功率模块充放电功率不同的目的，最终实现一相内各个功率模块内储能电池SOC的均衡。
4.根据权利要求3所述的MMC电池储能系统载波移相调制相内SOC均衡方法，其特征在于，不均衡模块对应载波的计算公式为UCx×[1-K×(SOCR-SOCx)]，其中UCx为未加相内均衡策略前功率模块x的载波，K为均衡系数，具体取值取决于要求均衡速度以及器件允许流过最大电流，SOCx为不均衡模块x的电池SOC值。
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