CN103715734B - 一种星形连接级联储能系统两级均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种星形连接级联储能系统两级均衡控制方法，所述方法包括如下步骤：第一步：获取链式储能系统各个链节的SOC、SOH信息；第二步：计算各个链节的可充电电量和可放电电量；第三步：计算各相和整个系统总的可充电电量和可放电电量；第四步：各相功率的分配与控制；第五步：链节功率的分配与控制。本发明以储能系统容量利用率最大化为目标，即所有链节的电池同时充满电和同时放完电，同时考虑到安全运行边界，可以更加合理地体现储能系统在不同运行工况和SOC状态下对均衡能力的需求，在可实现的范围内最优化均衡性能。

Description

一种星形连接级联储能系统两级均衡控制方法

技术领域

本发明涉及的是储能系统均衡控制方法，具体是一种应用于星形连接级联储能系统的两级SOC均衡方法，用于大容量电池储能场合。属于电池储能领域。

背景技术

级联储能系统以其模块化结构，同等功率下，电压高、电流小、电流谐波小和效率高的特点，日益受到关注。该拓扑结构还具有对电池的两级均衡功能。

目前国内外对级联储能系统的均衡控制研究不多。2008年，日本学者Akagi等在《AtransformerlessbatteryenergystoragesystembasedonamultilevelcascadePWMconverter[C].PowerElectronicsSpecialistsConference,IEEE,2008:4798-4804》中提出用于电池储能的级联储能PCS，并对功率控制和电池组SOC均衡控制方法进行了研究。文中，储能系统的相内均衡控制采用注入偏差电压信号，使得相内各个链节的功率与功率均值的偏差正比于链节的SOC与该相SOC均值的偏差；储能系统的相间均衡控制采用注入零序电压方法，使得各相上产生的附加功率正比于各相的SOC与三相SOC均值的偏差。国内刘文华等在《大容量链式电池储能系统及其充放电均衡控制[J].电力系统自动化设备,2011,31(3):6-11》中采用了直接控制零序电流的方法来实现相间的SOC均衡。上述的均衡方法中，控制目标均是使均衡功率与SOC的偏差值成正比。这种以消除SOC偏差为直接目标的控制策略简单且易于理解，但也存在以下不足：1）适用于储能系统的静态均衡，对于动态运行中的储能系统，该控制策略没有考虑均衡能力与整体充放电时间的联系。对于实际运行中的储能系统，均衡能力合理值不仅与SOC的偏差相关，也与SOC的绝对值相关。2）没有考虑实际运行时的SOC安全边界。为了保证电池的安全运行，基于SOC估算误差往往较大（近10%）和电池充放电两端电压变化较大的考虑，运行中限定SOC的运行范围不超过10%—90%。对于SOC偏差相同而绝对值不同的情况，电池对均衡能力的要求是不同的。当前仅考虑SOC偏差大小的控制方法无法反映出上述的情况下控制的差别。3）没有考虑同一储能系统中电池的容量差异的因素。随着储能系统运行中电池的老化以及损坏后更换，电池的SOH处于不同的状态，即同样SOC的电池却存储着不同大小的电量，存储着相同电量的电池处于不同的SOC状态。单纯以SOC和SOC偏差进行的控制可能导致在储能系统的一个单向充电或者放电过程中，容量较小的电池出现正反向反复均衡的情况，加重了均衡的负担，降低了效率。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出基于可充电容量和可放电容量的星形连接级联储能系统两级均衡控制方法。该方法以储能系统容量利用率最大化为目标，即所有链节的电池同时充满电和同时放完电，同时考虑到安全运行边界，可以更加合理地体现储能系统在不同运行工况和SOC状态下对均衡能力的需求，在可实现的范围内最优化均衡性能。

为实现上述目的，本发明提供一种星形连接级联储能系统两级均衡控制方法，所述方法包括如下步骤：

第一步：获取链式储能系统各个链节的SOC、SOH信息

链式储能系统中，每个链节由电池单元和功率单元组成，电池单元由电池管理系统（BatteryManagementSystem，BMS）管理，功率单元作为功率转换系统（PowerConversionSystem，PCS）的一部分由PCS控制器控制。PCS控制器定时从BMS获取各个功率单元对应的电池单元的SOC状态和SOH状态，时间间隔从0.1s-10min。获取方式可以是通讯方式，也可以是模拟量方式，具体由PCS和BMS之间的接口确定。

第二步：计算各个链节的可充电电量和可放电电量

根据第一步获取的SOC、SOH信息以及电池单元的额定容量，分别计算出各个链节的可充电电量和可放电电量。

可放电电量：

Q_f(x,n)＝(SOC_x,n-SOC_down)×SOH_x,n×C_N

可充电电量：

Q_c(x,n)＝(SOC_up-SOC_x,n)×SOH_x,n×C_N

式中，SOC_up和SOC_down分别代表电池运行的SOC上下边界，0≤SOC_down<SOC_up≤1。下标f表示放电，c表示充电，x表示a、b、c三相之一，n表示某一相中的链节编号。C_N为电池额定容量。

第三步：计算各相和整个系统总的可充电电量和可放电电量

计算每相的可放电电量：

$Q_{f,x}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Q}_{f(x,n)}$

式中，下标x表示a、b、c三相之一，下标f表示放电，n表示该相的第n个链节。N为每相的链节数。

计算三相总的可放电电量：

Q_f，sum＝Q_f，a+Q_f，b+Q_f，c

计算每相的充电电量：

$Q_{c,x}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Q}_{c(x,n)}$

式中，下标x表示a、b、c三相之一，下标c表示充电，n表示该相的第n个链节。N为每相的链节数。

计算三相总的可充电电量：

Q_c,sum=Q_c,a+Q_c,b+Q_c,c

第四步：各相充放电功率的分配与控制

按照各相的可放/充电电量Q_f,a，Q_f,b,Q_f,c的比例，根据总功率指令Psum，分配功率如下：

放电时，abc三相的放电功率指令分别为：

$P_a=\frac{Q_{f,a}}{Q_{f,a}+Q_{f,b}+Q_{f,c}}\&times;P_{\mathrm{sum}}$

$P_b=\frac{Q_{f,b}}{Q_{f,a}+Q_{f,b}+Q_{f,c}}\&times;P_{\mathrm{sum}}$

$P_c=\frac{Q_{f,c}}{Q_{f,a}+Q_{f,b}+Q_{f,c}}\&times;P_{\mathrm{sum}}$

式中，下标f表示放电。

充电时，abc三相的充电功率指令分别为：

$P_a=\frac{Q_{c,a}}{Q_{c,a}+Q_{c,b}+Q_{c,c}}\&times;P_{\mathrm{sum}}$

$P_b=\frac{Q_{c,b}}{Q_{c,a}+Q_{c,b}+Q_{c,c}}\&times;P_{\mathrm{sum}}$

$P_c=\frac{Q_{f,c}}{Q_{c,a}+Q_{c,b}+Q_{c,c}}\&times;P_{\mathrm{sum}}$

式中，下标c表示充电。

abc三相的功率与平均值的偏差为：

$\mathrm{\&Delta;}{P}_a=P_a-\frac{1}{3}{P}_{\mathrm{sum}}$

$\mathrm{\&Delta;}{P}_b=P_b-\frac{1}{3}{P}_{\mathrm{sum}}$

$\mathrm{\&Delta;}{P}_c=P_c-\frac{1}{3}{P}_{\mathrm{sum}}$

三相功率的偏差通过注入零序电压的方式来实现。

注入的零序电压的相对A相正序电流相位为：

零序电压的大小为：

A相正序电流的相位通过对电网电压锁相得到。

a、b、c三相电压相量分别为：

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_a={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{a1}+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0$

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_b={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{b1}+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0$

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_c={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{c1}+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0$

三相电流相量及大小分别为：

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_a={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{a1}$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_b={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{b1}$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_c={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{c1}$

$\left|I_a\right|=\left|I_b\right|=\left|I_c\right|=\frac{P_{\mathrm{sum}}}{\sqrt{3}{U}_s}$

式中，U_s为电网系统电压有效值。

第五步：链节功率的分配与控制

在各相功率确定的基础上分配各个链节的功率，同相各个链节电压相位相同，按照各链节的可充/放电电量的比例分配电压，即控制了功率。

充电时，abc三相各个链节电压分配如下：

$U_{a,n}=\frac{Q_{c(a,n)}}{N\&times;Q_{c,a}}\&times;U_a$

$U_{b,n}=\frac{Q_{c(b,n)}}{N\&times;\left(Q_{c,b}\right)}\&times;U_b$

$U_{c,n}=\frac{Q_{c(c,n)}}{N\&times;Q_{c,c}}\&times;U_c$

放电时，abc三相各个链节电压分配如下：

$U_{a,n}=\frac{Q_{f(a,n)}}{N\&times;Q_{f,a}}\&times;U_a$

$U_{b,n}=\frac{Q_{f(b,n)}}{N\&times;Q_{f,b}}\&times;U_b$

$U_{c,n}=\frac{Q_{f(c,n)}}{N\&times;Q_{f,c}}\&times;U_c$

式中，U_a，n，U_b，n，U_c，n分别表示a、b、c三相的第n个链节的交流侧电压。下标a、b、c表示abc三相，下标f表示放电，c表示充电。n表示链节的编号,N表示每相的链节数。

控制各个链节的电压即控制了各个链节的功率。

与现有功率均衡方法相比，本发明的有益效果是：考虑了电池运行的SOC边界，利于对电池的保护；考虑到电池的SOH，体现了电池老化的影响，均衡控制更加合理。均衡控制以所有电池同时充满、同时放完为目标，目标更加明晰、合理。可以最大限度地发挥PCS的功率控制能力，提高均衡的效果。最终达到提高电池容量利用率和延长电池寿命的目的。

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为本发明一实施例的星形连接的级联储能系统结构框图。

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。

实施例

本实施例为2MW电池储能系统，额定电压10kV，星形连接，每相N=12个链节，并网电抗10mH。

本实施例中，电池SOC的运行上限为0.9，运行下限为0.1。电池的SOH为0.9，额定容量400Ah。

本实施例中，将由300节3.2V/400Ah磷酸铁锂电池单体串联组成额定电压960V，额定容量400Ah的蓄电池组。

本实施例的过程如下：

第一步：获取链式储能系统各个链节的SOC、SOH信息

PCS通过通讯方式每3s从BMS获取三相共36个链节的SOC信息，链节电池的SOH均为0.9，SOC运行上下限分别为0.9和0.1，额定容量均为400AH。三相SOC信息如下：

SOC_a=[0.29,0.29,0.29,0.29,0.29,0.29,0.29,0.29,0.29,0.29,0.29,0.29]

SOC_b=[0.26,0.3,0.32,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3]

SOC_c=[0.3,0.28,0.3,0.36,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3]

第二步：计算各个链节的可充电电量和可放电电量

根据步骤一获取的SOC、SOH信息以及电池单元的额定容量，分别计算出各个链节的可充电电量和可放电电量。

计算三相各个链节可放电电量：

Q_f,a=[68.4,68.4,68.4,68.4,68.4,68.4,68.4,68.4,68.4,68.4,68.4,68.4]AH

Q_f,b=[57.6,72,79.2,72,72,72,72,72,72,72,72,72]AH

Q_f,c=[72,64.8,72,93.6,72,72,72,72,72,72,72,72]AH

计算三相各个链节可充电电量：

Q_c,ab=[219.6,219.6,219.6,219.6,219.6,219.6,219.6,219.6,219.6,219.6,219.6,219.6]AH

Q_c,bc=[230.4,216,208.8,216,216,216,216,216,216,216,216,216]AH

Q_c,ca=[216,223.2,216,194.4,216,216,216,216,216,216,216,216]AH

第三步：计算各相和整个系统总的可充电电量和可放电电量

计算每相的可充电电量：

Q_c,ab=219.6AH

Q_c,bc=216.36AH

Q_c,ca=215.28AH

计算总的可充电电量：

Q_c=219.6AH+216.36AH+215.28AH=651.24AH

计算每相的可放电电量：

Q_f,ab=68.4AH

Q_f,bc=71.64AH

Q_f,ca=72.72AH

计算总的可放电电量：

Q_f=68.4AH+71.64AH+72.72AH=212.76AH

第四步：各相功率的分配与控制

PCS接收到的功率指令为900kW充电时，根据三相的可充电电量分配功率如下：

Pa=219.6/651.24*900kW=303.48kW

Pb=216.36/651.24*900kW=299kW

Pc=215.28/651.24*900kW=297.52kW

三相电流Ia=Ib=Ic=900kW/10kV/1.732=52A，相位与相电压正序同相位。忽略并网电抗电阻，电抗上工频压降为163V，相位滞后对应相电压90度电角度。

三相功率与三相功率平均值的偏差：

△Pa=Pa-Psum/3=303.48kW-300kW=3.48kW

△Pb=Pb-Psum/3=299kW-300kW=-1kW

△Pc=Pc-Psum/3=297.52kW-300kW=-2.48kW

三相功率的偏差通过注入零序电压的方式来实现。

注入的零序电压的相对A相正序电流相位为（以A相电压相位为参考）：

零序电压的大小为：

由零序电压的符号可确定，零序电压相位为13.8°，大小为68.9V。

A相正序电流的相位通过对电网电压锁相得到。

三相电压为：

PCS接收到的功率指令为600kW放电时，根据三相的可充电电量分配功率如下：

Pa=68.4/212.76*600kW=192.89kW

Pb=71.64/212.76*600kW=202.03kW

Pc=72.72/212.76*600kW=205.08kW

三相电流Ia=Ib=Ic=600kW/10kV/1.732=34.6A，相位与相电压正序同相反。忽略并网电抗电阻，电抗上工频压降为108.6V，相位超前对应相电压90度电角度。

三相功率与三相功率平均值的偏差：

△Pa=Pa-Psum/3=192.89kW-200kW=-7.11kW

△Pb=Pb-Psum/3=202.03kW-200kW=2.03kW

△Pc=Pc-Psum/3=205.08kW-200kW=5.08kW

三相功率的偏差通过注入零序电压的方式来实现。

注入的零序电压的相对A相正序电流相位为（以A相电压相位为参考）：

零序电压的大小为：

$\begin{array}{c}=\frac{-7.11}{34.6\&times;0.9706}V\\ =-211.7V\end{array}$

由零序电压的符号确定，零序电压相位为166.1°，大小为211.7V。

A相正序电流的相位通过对电网电压锁相得到。

三相电压为：

第五步：链节功率的分配与控制

在各相功率确定的基础上分配各个链节的功率，按照各链节的可充/放电电量的比例分配链节电压即可实现按此比例分配功率。

放电时三相各个链节电压：

Uf,a=[464.1,464.1,464.1,464.1,464.1,464.1,464.1,464.1,464.1,464.1,464.1,464.1]V

Uf,b=[392.3,490.4,539.4,490.4,490.4,490.4,490.4,490.4,490.4,490.4,490.4,490.4]V

Uf,c=[478.3,430.5,478.3,621.8,478.3,478.3,478.3,478.3,478.3,478.3,478.3,478.3]V

充电时三相各个链节电压：

Uc,a=[486.7,486.7,486.7,486.7,486.7,486.7,486.7,486.7,486.7,486.7,486.7,486.7]V

Uc,b=[507.6,475.9,460.0,475.9,475.9,475.9,475.9,475.9,475.9,475.9,475.9,475.9]V

Uc,c=[479.8,495.8,479.8,431.9,479.8,479.8,479.8,479.8,479.8,479.8,479.8,479.8]V

控制各个链节的电压比例即控制了各个链节的充放电功率比例。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (3)

1.一种星形连接级联储能系统两级均衡控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

第一步：获取链式储能系统各个链节的SOC、SOH信息；

第二步：根据第一步获取的SOC、SOH信息以及电池单元的额定容量，分别计算出各个链节的可充电电量和可放电电量；

可放电电量：

Q_f(x，n)＝(SOC_x，n-SOC_down)×SOH_x，n×C_N

可充电电量：

Q_c(x，n)＝(SOC_up-SOC_x，n)×SOH_x，n×C_N

式中，SOC_up和SOC_down分别代表电池运行的SOC上下边界，0≤SOC_down＜SOC_up≤1，下标f表示放电，c表示充电，x表示a、b、c三相之一，n表示某一相中的链节编号，C_N为电池额定容量；

第三步：根据第二步获得的各个链节的可充电电量和可放电电量，计算各相和整个系统总的可充电电量和可放电电量；

计算每相的可放电电量：

$Q_{f,x}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{Q}_{f(x,n)}$

式中，下标x表示a、b、c三相之一，下标f表示放电，n表示该相的第n个链节，N为每相的链节数；

计算三相总的可放电电量：

Q_f，sum＝Q_f，a+Q_f，b+Q_f，c

计算每相的充电电量：

$Q_{c,x}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{Q}_{c(x,n)}$

式中，下标x表示a、b、c三相之一，下标c表示充电，n表示该相的第n个链节，N为每相的链节数；

计算三相总的可充电电量：

Q_c，sum＝Q_c，a+Q_c，b+Q_c，c

第四步：各相充放电功率的分配与控制

按照各相的可放/充电电量Q_f，a，Q_f，b，Q_f，c的比例，根据总功率指令Psum，分配功率如下：

放电时，abc三相的放电功率指令分别为：

$p_a=\frac{Q_{f,a}}{Q_{f,a}+Q_{f,b}+Q_{f,c}}\&times;p_{sum}$

$p_b=\frac{Q_{f,b}}{Q_{f,a}+Q_{f,b}+Q_{f,c}}\&times;P_{sum}$

$p_c=\frac{Q_{f,c}}{Q_{f,a}+Q_{f,b}+Q_{f,c}}\&times;p_{sum}$

充电时，abc三相的充电功率指令分别为：

$p_a=\frac{Q_{c,a}}{Q_{c,a}+Q_{c,b}+Q_{c,c}}\&times;p_{sum}$

$P_b=\frac{Q_{c,b}}{Q_{c,a}+Q_{c,b}+Q_{c,c}}\&times;P_{sum}$

$p_c=\frac{Q_{f,c}}{Q_{c,a}+Q_{c,b}+Q_{c,c}}\&times;p_{sum}$

abc三相的功率与平均值的偏差为：

${\mathrm{\&Delta;P}}_a=P_a-\frac{1}{3}{P}_{sum}$

${\mathrm{\&Delta;P}}_b=P_b-\frac{1}{3}{P}_{sum}$

${\mathrm{\&Delta;P}}_c=P_c-\frac{1}{3}{P}_{sum}$

三相功率的偏差通过注入零序电压的方式来实现；

注入的零序电压的相对于A相正序电流相位为：

零序电压的大小为：

A相正序电流的相位通过对电网电压锁相得到；

a、b、c三相电压相量分别为：

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_a={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{a1}+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0$

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_b={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{b1}+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0$

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_c={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{c1}+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0$

三相电流相量及大小分别为：

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_a={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{a1}$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_b={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{b1}$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_c={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{c1}$

$\left|I_a\right|=\left|I_b\right|=\left|I_c\right|=\frac{P_{sum}}{\sqrt{3}{U}_s}$

式中，U_s为电网系统电压有效值；

第五步：链节功率的分配与控制

在各相功率确定的基础上分配各个链节的功率，同相各个链节电压相位相同，按照各链节的可充/放电电量的比例分配电压，即控制了功率。

2.根据权利要求1所述的星形连接级联储能系统两级均衡控制方法，其特征在于，所述第一步中，链式储能系统中，每个链节由电池单元和功率单元组成，电池单元由电池管理系统管理，功率单元作为功率转换系统的一部分由功率转换系统控制器控制，功率转换系统控制器定时从电池管理系统获取各个功率单元对应的电池单元的SOC状态和SOH状态，时间间隔从0.1s-10min。

3.根据权利要求1所述的星形连接级联储能系统两级均衡控制方法，其特征在于，所述第五步中，按照各链节的可充/放电电量的比例分配电压，具体为：

充电时，abc三相各个链节电压分配如下：

$U_{a,n}=\frac{Q_{c(a,n)}}{N\&times;Q_{c,a}}\&times;U_a$

$U_{b,n}=\frac{Q_{c(b,n)}}{N\&times;Q_{c,b}}\&times;U_b$

$U_{c,n}=\frac{Q_{c(c,n)}}{N\&times;Q_{c,c}}\&times;U_c$

放电时，abc三相各个链节电压分配如下：

$U_{a,n}=\frac{Q_{f(a,n)}}{N\&times;Q_{f,a}}\&times;U_a$

$U_{b,n}=\frac{Q_{f(b,n)}}{N\&times;Q_{f,b}}\&times;U_b$

$U_{c,n}=\frac{Q_{f(c,n)}}{N\&times;Q_{f,c}}\&times;U_c$

式中，U_a，n，U_b，n，U_c，n分别表示a、b、c三相的第n个链节的交流侧电压；下标a、b、c表示abc三相，f表示放电，c表示充电，n表示链节的编号，N表示每相的链节数；

控制各个链节的电压即控制了各个链节的功率。