CN103647310A - 增减模块实现mmc电池储能系统相内soc均衡的方法 - Google Patents

增减模块实现mmc电池储能系统相内soc均衡的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种增减模块实现MMC电池储能系统相内SOC均衡的方法，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；然后调节一相内各个功率模块的工作状态，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强制接入或强制旁路时间周期占空比。本发明以MMC电池储能系统为对象，通过采集电池荷电状态，控制一相内各个功率模块强制接入或强制旁路时间以实现相内储能电池SOC功率均衡的目的。

Description

增减模块实现MMC电池储能系统相内SOC均衡的方法
技术领域
本发明涉及电池储能领域，具体地，涉及一种增减模块实现MMC电池储能系统相内SOC均衡的方法，应用于储能电站、风储系统等大规模电池储能的场合。
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。目前的MMC控制策略，主要是应用于各个功率模块SOC本身就均衡的情况下，通过控制策略来实现充放电过程中各个功率模块SOC仍保持均衡。但对于各个功率模块SOC本身就不一致的情况下，如何通过额外方法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增减模块实现MMC电池储能系统相内SOC均衡的方法，实现相内不同功率模块间的SOC均衡控制。
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，确定各个功率模块的工作状态，并计算各工作状态内具体分布时间比，即强制接入或强制旁路时间周期占空比，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；确定各个功率模块的工作状态，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的差值有三种不同的工作状态：正常工作状态、强制接入工作状态、强制旁路工作状态。
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，确定各个功率模块工作状态，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，确定各个功率模块的工作状态，并计算各工作状态内具体分布时间比，即强制接入或强制旁路时间周期占空比；
A：系统处于放电状态
若某个功率模块SOC小于基准值SOCR，则将该模块进入强制旁路工作状态，若大于基准值SOCR，则将该模块进入强制接入工作状态；
B：系统处于充电状态
若某个功率模块SOC小于基准值SOCR，则将该模块进入强制接入工作状态，若大于基准值SOCR，则将该模块进入强制旁路工作状态。
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，即该模块处于正常工作状态。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模块工作状态，分为两种：强制接入工作状态和强制旁路工作状态。
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，若功率模块x内电池SOC值SOCx<SOCR，则该模块进入强制旁路工作状态，其强制旁路时间为T×[K×(SOCR-SOCx)]；若功率模块x内电池SOC值SOCx>SOCR，则该模块进入强制接入工作状态，其强制接入时间为T×[K×(SOCx-SOCR)]；
B：系统处于充电状态
如系统处于充电状态，若功率模块x内电池SOC值SOCx<SOCR，则该模块进入强制接入工作状态，其强制接入时间为T×[K×(SOCR-SOCx)]；若功率模块x内电池SOC值SOCx>SOCR，则该模块进入强制旁路工作状态，其强制旁路时间为T×[K×(SOCx-SOCR)]；
其中K为均衡系数，具体取值取决于以下三点：1）要求均衡速度；2）器件允许流过最大电流；3）充放电电流控制目标，T为开关周期，SOCx为不均衡模块x的电池SOC值。
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，确定各个功率模块载波的工作状态，并计算各工作状态内具体分布时间比，即强制接入或强制旁路时间周期占空比，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。
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，调整模块工作状态以实现相内储能电池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。
同时由于本方案与MMC电池储能系统采用的具体调制策略关系不大，可以适用于多种调制策略，譬如载波移相调制、载波层叠调制、阶梯波调制均可采用本方案的相内均衡控制策略。
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电池储能系统相内均衡控制策略原理图（框内部分）。
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.相内均衡控制原理：
在本发明内容中，MMC电池储能系统相内均衡控制主要原理是：通过控制各功率模块数的强制接入、强制旁路工作状态切换，同时根据各功率模块SOC与基准值SOCR的关系，PI动态控制强制接入或强制旁路模块的时间周期占空比，使该模块上充放电功率可以调节，实现对一相上不同功率模块均衡控制，如图3框内部分所示。
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，即该模块处于正常工作状态。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模块工作状态，分为两种：强制接入工作状态和强制旁路工作状态。
4.根据系统充放电状态确定各个功率模块的工作状态
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，则将该模块进入强制旁路工作状态，减小该模块接入级联系统时间，即少放电；若某个功率模块SOC大于SOCR，则将该模块进入强制接入工作状态，增加该模块接入级联时间，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，则将该模块进入强制接入工作状态，增加该模块接入级联时间，即多充电；若某个功率模块SOC大于SOCR，则将该模块进入强制旁路工作状态，减小该模块接入级联系统时间，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工作状态内具体分布时间比，即强制接入或强制旁路时间周期占空比，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。
强制接入或旁路时间计算公式为±T×[K×(SOCR-SOCx)]，其中K为均衡系数，具体取值取决于以下三点：1）要求均衡速度；2）器件允许流过最大电流；3）充放电电流控制目标，本实例中K值确定为2，并且K×(SOCR-SOCx)取值范围限定在0至0.2之间，T为开关周期，SOCx为不均衡模块x的电池SOC值。
其中需要注意的是，本方案由于改变了一相桥臂上同时导通的模块个数，因此会改变此相上的充放电电流和MMC电池储能系统直流侧电流大小，具体改变值由强制接入或强制旁路个数和时间决定，这在系统设计时需要留有足够的裕量以作为相内均衡策略控制之用。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 (3)

1.一种增减模块实现MMC电池储能系统相内SOC均衡的方法，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的大小调节对应模块的工作状态，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，即该模块处于正常工作状态；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模块工作状态，分为两种：强制接入工作状态和强制旁路工作状态；
(3)根据储能系统充、放电状态，调整各个功率模块的工作状态；
A：系统处于放电状态
若某个功率模块SOC小于SOCR，则将该模块进入强制旁路状态，减小该模块接入级联系统时间，即少放电；若某个功率模块SOC大于SOCR，则将该模块进入强制接入状态，增加该模块接入级联系统时间，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，则将该模块进入强制接入状态，增加该模块接入级联系统时间，即多充电；若某个功率模块SOC大于SOCR，则将该模块进入强制旁路状态，减小该模块接入级联系统时间，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所述的增减模块实现MMC电池储能系统相内SOC均衡的方法，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，确定该模块工作状态，具体实现通过改变该模块强制接入或强制旁路时间周期占空比，即改变该模块充放电能量，最终使一相上各功率模块SOC均衡。
3.根据权利要求1或2所述的增减模块实现MMC电池储能系统相内SOC均衡的方法，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，若功率模块x内电池SOC值SOCx<SOCR，则该模块进入强制旁路工作状态，其强制旁路时间为T×[K×(SOCR-SOCx)]；若功率模块x内电池SOC值SOCx>SOCR，则该模块进入强制接入工作状态，其强制接入时间为T×[K×(SOCx-SOCR)]；
B：系统处于充电状态
如系统处于充电状态，若功率模块x内电池SOC值SOCx<SOCR，则该模块进入强制接入工作状态，其强制接入时间为T×[K×(SOCR-SOCx)]；若功率模块x内电池SOC值SOCx>SOCR，则该模块进入强制旁路工作状态，其强制旁路时间为T×[K×(SOCx-SOCR)]；
其中K为均衡系数，具体取值取决于以下三点：1）要求均衡速度；2）器件允许流过最大电流；3）充放电电流控制目标，T为开关周期，SOCx为不均衡模块x的电池SOC值；
根据各个功率模块储能电池的SOC，按照与基准值SOCR差值，确定各个功率模块的工作状态，并计算各工作状态内具体分布时间比，即强制接入或强制旁路时间周期占空比，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。
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