CN103545878B - 一种mmc电池储能系统相间soc均衡方法 - Google Patents

一种mmc电池储能系统相间soc均衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种MMC电池储能系统相间SOC均衡方法，该方法采用载波移相调制，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相储能电池的SOC信息及此时系统所处充放电状态；然后调节环流控制信号大小，即根据PCS系统所处不同状态以及各相储能电池SOC的大小调节对应相流经环流大小，也即充放电电流大小。本发明以MMC电池储能系统为对象，通过采集电池荷电状态，调节环流控制信号实现相间储能电池SOC功率均衡的目的。

Description

一种MMC电池储能系统相间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间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器（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器系统由于引入了多电平技术，减小了电力电子器件上的电压应力；并且因为结构上的优势，每相环流信号可以相对独立的控制，从而容易实现三相电池组之间的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，由于三相储能电池本身的差异以及可能出现的维护、更新等原因，三相之间的储能电池单元荷电状态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，需要对相间储能电池单元的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，在各相调制比、端口电压、电池SOC相同的情况下，各相在一个工频周期内充电或放电功率相同，即对于三相SOC本身就均衡的情况，不需要额外的均衡算法来进行相间充放电功率的平衡。但对于三相SOC本身就不一致的情况下，如何通过载波移相调制实现相间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间SOC均衡方法，根据各相储能电池的SOC，设定一个基准值SOCR，按照各相储能电池的SOC与基准值SOCR关系，改变各相的环流控制信号值，从而实现控制储能电池SOC不同的三相，其充放电功率也不同的目的，最终实现三相间储能电池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间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相储能电池的SOC信息及此时系统所处充、放电状态；计算各相的环流控制信号值，即根据PCS系统所处不同状态以及各相储能电池SOC与基准值SOCR的关系调节对应环流控制信号值大小。
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三相储能电池SOC，计算各相环流控制信号值，具体步骤如下：
(1)获取三相储能电池SOC信息：通过电池管理系统采集各相储能电池的SOC信息以及充放电状态；
(2)根据各相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SSOCR的关系，计算各相的环流控制信号值；
A：系统处于放电状态
若某个功率模块SOC小于基准值SOCR，则增加该相的环流控制信号值，若大于基准值SOCR，则减小该相的环流控制信号值；
B：系统处于充电状态
若某个功率模块SOC小于基准值SOCR，则增加该相的环流控制信号值，若大于基准值SOCR，则减小该相的环流控制信号值。
优选地，步骤(2)中，设所采集的三相储能电池的SOC为：SOCa，SOCb，SOCc，按照由低到高顺序进行排列，根据三相SOC大小，设定一个基准值SOCR，并设置一个不动作区间，若一相储能电池SOC在此区间内，则相间均衡策略不启用。若在此区间之外，则启动相间均衡策略，通过计算调整该相环流控制信号大小。
优选地，步骤(3)中：
A：系统处于放电状态
此时环流控制信号为负，若一相功率模块SOCy小于SOCR，则增加该相的环流控制信号值，减小该相放电电流，即少放电；若一相功率模块SOCy大于SOCR，则减小该相的环流控制信号值，增加该相放电电流，即多放电，最终使三相间SOC均衡；
B：系统处于充电状态
此时环流控制信号为正，若一相功率模块SOCy小于SOCR，则增加该相的环流控制信号值，增加该相充电电流，即多充电；若某个功率模块SOCy大于SOCR，则减小该相的环流控制信号值，减小该相充电电流，即少充电，最终使三相间SOC均衡；
本发明根据各相储能电池的SOC，按照从低到高进行排序，设定一个基准值SOCR，根据各相储能电池的SOC与基准值SOCR差值，计算各相环流控制信号值大小，从而实现控制储能电池SOC不同的三相，其充放电功率也不同的目的，最终实现相间储能电池SOC的均衡。
不均衡相环流控制信号的计算公式为ICir_y+K×(SOCR-SOCy)，其中Icir_y为初始不考虑相间均衡时y相的环流控制信号，K为均衡系数，具体取值取决于要求均衡速度以及主电路器件允许流过最大电流，SOCy为不均衡相y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，控制环流控制信号值实现相间储能电池SOC功率均衡的目的；本发明可以消除因三相SOC本身不一致导致的不良后果，且对相间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MMC电池储能系统环流控制原理图。
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：
1.一个单相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.环流控制原理：
在本发明内容中，MMC电池储能系统环流闭环控制主要原理是：通过控制三相桥臂同时的导通模块数的变化来间接实现对每一相上环流的控制。具体来说，在电池充电工况中，通过一相上环流Icir的闭环控制，调节一相上同时导通的功率模块个数小于8，即控制一段时间内强制旁路某一个或几个模块，使桥臂电压低于直流侧电压，形成充电环流。同时，通过对环流的检测，控制强制旁路模块的时间周期占空比，使充电电流可以调节。采用载波移相来实现16个功率模块的轮循，从而使每个功率模块上的充电能量均衡。在电池放电工况中，与充电类似，通过对环流Icir的闭环控制，调节一相上同时导通的功率模块个数大于8，即控制一段时间内强制接入某一个或几个模块，使桥臂电压高于直流侧电压，形成放电环流。同时，通过对环流的检测，PI动态控制强制接入模块的时间周期占空比，使放电电流可以调节。采用载波移相来实现16个功率模块的轮循，从而使每个功率模块上的放电能量均衡。
由于通过载波移相实现控制轮巡，十分方便模块的扩展。MMC电池储能系统总体控制框图如图3所示，分别采集三相环流Icir信号，作为环流闭环控制反馈输入，交流侧采集电压V_grid和电流I_grid（分别为三相信号），作为网侧电流闭环控制反馈输入。
因为在MMC电池储能系统中，三相环流就对应于各相上流经电流。从图3可知通过调节环流控制信号值，可以改变一相上充放电电流大小，即改变该相储能电池充放电功率，因此可根据MMC电池储能系统环流控制的这个特点进行相间SOC的均衡调制。
3.采集各相储能电池SOC信息并设定基准值：
设所采集的三相储能电池的SOC为：SOCa，SOCb，SOCc，按照由低到高顺序进行排列，根据三相SOC大小，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%，若一相储能电池SOC在此区间内，则相间均衡策略不启用。若在此区间之外，则启动相间均衡策略，通过计算调整该相环流控制信号大小。
4.根据系统充放电状态安排各相的环流控制信号值
A：系统处于放电状态
此时环流控制信号为负，若一相功率模块SOCy小于SOCR，则增加该相的环流控制信号值，减小该相放电电流，即少放电；若一相功率模块SOCy大于SOCR，则减小该相的环流控制信号值，增加该相放电电流，即多放电，最终使三相间SOC均衡；
B：系统处于充电状态
此时环流控制信号为正，若一相功率模块SOCy小于SOCR，则增加该相的环流控制信号值，增加该相充电电流，即多充电；若某个功率模块SOCy大于SOCR，则减小该相的环流控制信号值，减小该相充电电流，即少充电，最终使三相间SOC均衡；
当系统正常运行时，将不停采集各相SOC信息，并进行排序，当一相储能电池出现SOC偏差（即位于不动作区间之外）时，将启用相间SOC均衡控制策略，触发控制策略计算调整该相环流控制信号值，逐渐缩小偏差，并最终使三相SOC处于一致状态，达到相间SOC均衡控制的目的。不均衡相环流控制信号值计算公式为ICir_y+K×(SOCR-SOCy)，其中Icir_y为初始不考虑相间均衡时y相的环流控制信号，K为均衡系数，本实例中K确定为500，并且出于对系统直流侧电流、一相上开关器件额定电流值的考量，K×(SOCR-SOCy)整体限制在±50内，SOCy为不均衡相y的电池SOC值。
本发明根据各相储能电池的SOC，设定一个基准值SOCR，按照各相储能电池的SOC与基准值SOCR关系，改变各相的环流控制信号值，从而实现控制储能电池SOC不同的三相，其充放电功率也不同的目的，最终实现三相间储能电池SOC的均衡。可以消除因三相SOC本身不一致导致的不良后果，且对相间SOC均衡有较快的反应速度。
其中需要注意的是，本方案由于改变环流控制信号值，因此会改变MMC电池储能系统直流侧电流大小，这在系统设计时需要留有足够的裕量以作为相间均衡策略控制之用。同时，由于环流改变，开关器件上流经电流也会改变，要注意开关器件额定值选择。
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电池储能系统相间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三相储能电池SOC，计算各相的环流控制信号，即根据PCS系统所处不同状态以及各相储能电池SOC的大小调节对应环流控制信号，具体步骤如下：
(1)获取三相储能电池SOC信息：通过电池管理系统采集三相储能电池的SOC信息以及充放电状态；
(2)对三相储能电池SOC大小进行排序，确定基准值；
设所采集的三相储能电池的SOC为：SOCa，SOCb，SOCc，按照由低到高顺序进行排列，根据三相SOC大小，设定一个基准值SOCR，并设置一个不动作区间，若一相SOC在此区间内，则相间均衡策略不启用；若在此区间之外，则启动相间均衡策略，通过计算调整该相环流控制信号大小；
(3)根据储能系统充、放电状态，调整不均衡相环流控制信号大小；
A：系统处于放电状态
此时环流控制信号为负，若一相功率模块SOCy小于SOCR，则增加该相的环流控制信号值，减小该相放电电流，即少放电；若一相功率模块SOCy大于SOCR，则减小该相的环流控制信号值，增加该相放电电流，即多放电，最终使三相间SOC均衡；
B：系统处于充电状态
此时环流控制信号为正，若一相功率模块SOCy小于SOCR，则增加该相的环流控制信号值，增加该相充电电流，即多充电；若某个功率模块SOCy大于SOCR，则减小该相的环流控制信号值，减小该相充电电流，即少充电，最终使三相间SOC均衡。
2.根据权利要求1所述的一种MMC电池储能系统相间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，在此区间内的各相，视为SOC相同；而在此区间外的相，根据充放电状态，及与基准值SOCR差值，计算该相环流控制信号值，具体实现通过改变充放电电流大小，即改变三相各自充放电能量，最终使三相间SOC均衡。
3.根据权利要求1或2所述的一种MMC电池储能系统相间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，此时环流控制信号为负，通过增加一相环流控制信号值，可以减小该相的放电电流，即减小该相模块内储能电池放电能量；通过减小一相环流控制信号值，可以增加该相的放电电流，即增加该相模块内储能电池放电能量；
B：系统处于充电状态
如系统处于充电状态，此时环流控制信号为正，通过增加一相环流控制信号值，可以增加该相的充电电流，即增加该相模块内储能电池充电能量；通过减小一相环流控制信号值，可以减小该相的充电电流，即减小该相模块内储能电池充电能量；
根据各相储能电池的SOC，按照与基准值SOCR差值，计算各相环流控制信号值大小，从而实现控制SOC不同的三相，其充放电功率也不同的目的，最终实现相间储能电池SOC的均衡。
4.根据权利要求3所述的一种MMC电池储能系统相间SOC均衡方法，其特征在于，所述环流控制信号的计算公式为：
ICir_y+K×(SOCR-SOCy)，
其中Icir_y为初始不考虑相间均衡时y相的环流控制信号，K为均衡系数，具体取值取决于要求均衡速度以及主电路器件允许流过最大电流，SOCy为不均衡相y的电池SOC值。
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