CN103986219A - 一种基于两级式拓扑储能型变流器的电池soc均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

一种两级式拓扑储能型变流器电池荷电状态SOC均衡控制方法。本控制方法基于两级式拓扑的储能变流器，其中的DC/AC变流器负责控制直流母线电压稳定以及满足DC/DC变流器电流需求；其中的DC/DC变流器负责控制每一路电池柜充放电电流大小，可以对每一路电池柜实现准确充放电控制，动态响应迅速。根据电池管理系统BMS传来的各个分BMS柜的SOC，算出各个电池柜给定充放电电流。使用该控制方法，可以使各个分电池柜SOC均衡，避免了电池柜长期不均衡充放电容易形成的SOC差异过大情况的出现，同时也避免了BMS在SOC差异过大情况下保护动作对系统运行造成不便。该方法减少了储能系统维护人员的工作量，提高了储能系统的自动化运行水平。

Description

一种基于两级式拓扑储能型变流器的电池SOC均衡控制方法

技术领域

本发明属于电力控制技术领域，尤其属于一种储能变流控制技术领域。 

背景技术

作为我国可再生能源的重要组成部分，风电近年来得到迅速发展。但是由于风电本身的出力波动，给电网带来不利影响。储能变流器装置的使用，将有效地改善风机对电网的不良影响，提高电网对风机并网的允许接入率，进一步实现平滑风电出力、实现削峰填谷、跟踪计划发电等功能。 

储能型变流器装置也可以称作功率变换系统(power converting system，以下简称PCS)，其连接着电网和储能电池。作为沟通电网和储能电池之间的桥梁，储能PCS在风电场发电功率过剩时将该过剩功率所发电能转换为储能电池能量，此过程中PCS为储能电池充电；而在风电场发电功率不足时储能PCS将储能电池能量回馈到电网上，弥补风机发电功率不足，此过程中储能电池通过储能PCS向电网放电；同时还可根据电网要求下，PCS发出无功功率，实现电力系统有功/无功功率统一调度功能。 

储能系统中的电池很重要，当风电场发电功率过剩时，它将用来存储过剩电量，而当风电场发电功率不足时，它将把自身存储的能量回馈到电网上，所以储能电池将频繁的工作在充电、放电的循环过程中。而实际上，储能电池有它的充放电循环次数限制，当电池达到了其充放电循环次数，电池也到达其使用寿命作为电池重要参数的荷电状态SOC和电池的状态关系密切。当电池满充满放时，即SOC从0％充电到100％，然后再从100％放电到0％的过程中，由于SOC在0％和SOC在100％时电池处在电池电压平台区的转折点上，如果充放电控制不得当，容易对电池造成永久性损伤，所以一般在实际运行中对电池设定一个SOC的上下限制，比如SOC从10％到90％。但是电池长时间运行后，由于电池工况不同，各个电池柜的SOC会出现较大偏差，进而对储能系统的运行带来影响。为了减少SOC的偏差，需要对其进行校正。 

传统的SOC校正方法多是基于人工操作，对电池柜进行充放电，同时不断监视电池单体电压，必要时还要对SOC进行强制人工校正。 

人工校正过程费时费力，过程较慢。本发明针对此问题，提出一个新的解决方案，即采用SOC均衡算法来解决此问题。 

发明内容

为克服现有电池荷电状态SOC均衡方法中存在的以上问题，本发明提出了一个新的解决方案。本方案基于两级式变流器结构，同时基于工业实时以太网实施。本申请中模块SOC均衡控制单元根据电池管理系统BMS传输来的SOC等运行数据，实时控制各个储能电池柜充放电电流值，实现电池SOC的均衡控制。 

本发明具体采用以下技术方案： 

一种基于两级式拓扑储能型变流器的电池SOC均衡控制方法，由储能DC/AC变流器、多个储能DC/DC变流器和多个储能电池柜组成两级式拓扑储能型变流器，所述储能DC/AC变流器两端分别连接电网和每一个储能DC/DC变流器的一端，所述每一个储能DC/DC变流器对应连接一个储能电池柜；其特征在于，所述控制方法包括以下步骤： 

(1)SOC均衡控制单元采集每一个储能电池柜中各储能电池的荷电状态SOC； 

(2)计算所有储能电池的SOC平均值； 

(3)根据SOC平均值与设定的滞环宽度计算每一电池柜的充放电电流给定值； 

(4)当完成所有电池给定电流的计算后，由SOC均衡控制单元通过对应的储能DC/DC变流器来控制每一个电池柜的充放电电流； 

(5)SOC均衡控制单元根据实时采集的每一个储能电池柜中各储能电池的SOC，实时计算SOC的均衡效果，判断是否达到SOC均衡效果要求条件，如果没有，返回更改控制滞环宽度，返回步骤(3)，如果满足SOC均衡效果要求条件，则结束充放电电流均衡控制。 

本发明还进一步优选以下技术方案。 

在步骤(3)中，每一电池柜的充放电电流给定值由两部分组成：一部分是用储能系统总功率除以柜子数量然后再除以每个电池柜的电压得到该电池柜的充放电电流基本分量；另一部分是SOC均衡补偿分量，SOC均衡补偿分量的作用是实现SOC均衡，该分量是使用滞环控制方法和PI调节器得到的。 

在步骤(5)中，所述SOC的均衡效果的判断条件为比较每个储能电池柜自身SOC与SOC平均值之间的差值，如果差值小于设定值，即认为满足SOC均衡效果条件。 

所述储能DC/AC变流器连接电网和所述储能DC/DC变流器，既可以实现PWM整流功能，又可以实现逆变功能，其主要功能是维持直流母线电压稳定，为DC/DC变流器提供工作条件； 

所述储能DC/DC变流器相互独立，每个DC/DC变流器连接一个储能电池柜，DC/DC变流器可以控制其连接的电池柜充放电电流大小。DC/DC变流器对每一路电池柜充放电电流 控制准确，充放电动态响应迅速。 

所述SOC均衡控制单元为该技术方案的核心部分，储能电池SOC均衡控制算法即在SOC均衡控制单元中实施。 

SOC均衡控制单元根据各个储能电池管理系统BMS传来的各个分电池柜的SOC，按照均衡各个电池柜SOC的控制目标，实时计算各个电池柜的给定充放电电流，下发到相应的DC/DC储能变流器，DC/DC储能变流器根据SOC均衡控制单元给定的电流对储能电池进行充放电，最终实现SOC均衡的功能。 

所述SOC均衡控制算法基于工业实时以太网实施，最小运行周期可达到0.25ms。工业实时以太网的运用使SOC均衡控制算法的实时性和快速性得到保证，也使对各个储能分电池柜电池的荷电状态SOC的精准控制得到保证，各个分电池柜SOC均衡差值可小于0.1％。 

传统的SOC校正方法多是基于人工操作，校正过程费时费力，过程慢、时间长，而且在SOC校正时，储能系统需要进入检修停运模式。本发明提出的SOC均衡算法，在储能系统正常运行下即可自动实施，不影响储能系统正常运行，明显提高了SOC校正的效率，为储能系统全自动化运行提供了重要保证。 

附图说明

图1为本发明基于两级式拓扑储能型变流器的SOC均衡控制方法流程图； 

图2为单个电池柜充放电电流给定计算方法框图； 

图3为SOC均衡补偿分量生成框图； 

图4为本发明两级式拓扑储能型变流器SOC均衡控制系统框图。 

具体实施方式

下面根据说明书附图，结合优选实施例对本发明的技术方案进一步详细说明。 

如图1所示为本发明基于两级式拓扑储能型变流器的SOC均衡控制方法流程图。 

其中，本发明两级式拓扑储能型变流器SOC均衡控制系统框图如图4所示，两级式拓扑储能型变流器SOC均衡控制系统由DC/AC变流器、多个DC/DC变流器和多个储能电池柜、SOC均衡控制单元和储能电池柜组成。SOC均衡控制单元接收各个储能电池柜发送来的运行数据，计算SOC均值，根据SOC均衡控制算法，计算各个电池柜的充放电设定电流值，发送给DC/DC变流器，DC/DC变流器根据SOC均衡控制单元发送来的设定电流值，对其连接的储能电池柜进行独立充放电控制，互相不受影响。 

在DC/DC变流器对储能电池充电时，电池从电网吸收能量，DC/AC变流器将电网交流电整流为直流电；当电池向电网馈送电能时，DC/AC变流器将电池直流电逆变为电网侧要求的交流电。DC/AC变流器连接电网和各个DC/DC变流器，实现交直流转换功能，满足DC/DC变流器的工作要求。 

本发明公开的基于两级式拓扑储能型变流器的电池SOC均衡控制方法包括以下步骤： 

(1)SOC均衡控制单元采集每一个储能电池柜中各储能电池的荷电状态SOC。 

(2)SOC均衡控制单元根据采样的各个储能柜子的SOC计算SOC平均值，该SOC平均值也是所有储能电池SOC均衡的基准值。 

(3)计算每一储能电池柜的给定充放电电流。单个电池柜给定充放电电流的具体生成计算方法如图2所示。由图2得知，电池充放电电流给定值由充放电基本分量和SOC均衡补偿分量构成。其中，充放电电流基本分量是由储能系统总功率除以电池柜数量得到每个柜子分担的功率，然后用该功率再除以电池柜电压得到。充放电电流基本分量是每个电池柜对系统充放电功率的平均分配部分。 

SOC均衡补偿分量是通过使用滞环控制方法和PI控制器得到的。SOC均衡补偿分量得出的具体过程为：电池柜电池SOC均衡目标值与储能柜每一个单体电池SOC反馈值进入滞环控制器得到调节量然后送到PI调节器，接着PI调节器的输出经过一个限幅环节，最后得到充放电电流补偿分量。 

得出SOC均衡补偿分量的基本原理如图3所示。 

a输入电池柜单体电池SOC反馈值(图3中的SOC_feed)、所有储能电池的SOC平均值(图3中的SOC_set)、滞环控制器输入宽度SOC_b以及滞环控制器输出高度SOC_h，同时初始化电池充放电补偿分量为零； 

b依据电池柜单体电池SOC反馈值即SOC_feed、所有储能电池的SOC平均值即SOC_set、滞环控制器输入宽度SOC_b，根据滞环控制基本原理，采用条件判断的方法得出滞环控制器输出调节量。该调节量只有两种输出可能性，一种是输出正值，一种是输出负值，正值与负值大小相等，等于SOC_h的一半，而符号相反，分别代表充电和放电两种不同状态。 

c滞环控制器输出数值的物理意义实际上是电池充放电补偿分量的微分值，也即SOC均衡补偿分量的变化速率，所以需要将滞环控制器输出调节量送入PI调节器得到SOC均衡补偿分量。PI调节器得到SOC均衡补偿分量的计算公式为：u(k)＝Kp*e(k)+∑Ki*Tsam*e(k)。其中Kp为PI调节器的比例系数，Ki为PI调节器的积分系数，Tsam为数字采样周期，在本实施例中为0.25ms，e(k)为PI调节器的输入，也是滞环控制器输出调节量，u(k)为PI调节器本次采样计算输出值。Kp*e(k)为PI调节器比例部分，∑ Ki*Tsam*e(k)为PI调节器积分部分，∑为求和符号，起积分作用。 

考虑到系统非无限大，最后加上一个限幅环节，将SOC均衡补偿分量限制在一个合理区间内。 

d完成SOC均衡补偿分量计算。 

关于SOC均衡补偿分量计算的具体方法，以下是一个实例。 

假设一共有3个储能电池柜，标记为1号储能柜、2号储能柜、3号储能柜，其中各储能柜中单体电池SOC分别为45％，52％，41％，则SOC均值为46％。设定SOC_b为1％，SOC_h为0.2。设定PI调节器参数Kp＝0.01，Ki＝40，Tsam＝0.00025，限幅环节为+-20。 

每个电池柜目标SOC均衡区间是以平均SOC为基础，上下波动SOC_b＝1％。在本例中SOC均值为46％，那么目标SOC均衡区间就是45％～47％。1号电池柜SOC为45％，处在目标SOC均衡区间内，所以1号SOC均衡补偿分量为零。2号电池柜SOC为52％，大于目标SOC均衡区间上限，所以需要减少SOC充电设定值，故2号滞环控制器输出调节量大小为SOC_h一半，符号为负，即为-0.1，该调节量送到2号PI调节器中。2号储能柜PI调节器比例部分为Kp*e(k)＝0.01*-0.1＝-0.001，2号储能柜PI调节器积分部分为∑Ki*Tsam*e(k)＝∑40*0.00025*-0.1＝∑-0.001，可见PI调节器最后输出值由于积分作用会不断减小，一直到限幅环节起作用，将2号PI调节器输出限制到-20，-20也就是2号储能电池柜的SOC均衡补偿分量。 

同理可以得到3号储能电池柜的SOC均衡补偿分量。 

滞环控制器的输出高度SOC_h可以设置，以满足具体SOC均衡要求。SOC_h的确定依据主要有SOC均衡速度和储能系统总功率控制精度两个限制条件。将SOC_h高度增大时，SOC均衡速度加快，同时储能系统总功率控制精度下降，而SOC_h高度减小时，SOC均衡速度减慢，同时储能系统总功率控制精度增加，所以SOC_h的设置应该满足SOC均衡速度和储能系统总功率控制精度两方面条件并且根据工程要求折衷选择。 

(4)当完成所有电池柜给定电流的计算后，该充放电电流值下发到储能DC/DC变流器，储能DC/DC变流器对储能电池进行充放电。 

(5)SOC均衡控制单元根据实时采集的每一个储能电池柜中各储能电池的SOC，实时计算SOC的均衡效果，判断是否达到SOC均衡效果要求条件，如果没有，返回更改控制滞环宽度SOC_b，返回步骤(3)，如果满足SOC均衡效果要求条件，则结束充放电电流均衡控制。所述SOC的均衡效果的判断条件为比较每个储能电池柜自身SOC与SOC平均值之间的差值，如果差值小于设定值，即认为满足SOC均衡效果条件。 

Claims (4)

1.一种基于两级式拓扑储能型变流器的电池SOC均衡控制方法，由储能DC/AC变流器、多个储能DC/DC变流器和多个储能电池柜组成两级式拓扑储能型变流器，所述储能DC/AC变流器两端分别连接电网和每一个储能DC/DC变流器的一端，所述每一个储能DC/DC变流器对应连接一个储能电池柜；其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

(1)SOC均衡控制单元采集每一个储能电池柜中各储能电池的荷电状态SOC；

(2)计算所有储能电池的SOC平均值；

(3)根据SOC平均值与设定的滞环宽度计算每一储能电池柜的充放电电流给定值；

(4)当完成所有储能电池给定电流的计算后，由SOC均衡控制单元通过对应的储能DC/DC变流器来控制每一个电池柜的充放电电流；

(5)SOC均衡控制单元根据实时采集的每一个储能电池柜中各储能电池的SOC，实时计算SOC的均衡效果，判断是否达到SOC均衡效果要求条件，如果没有，更改控制滞环宽度，返回步骤(3)，如果满足SOC均衡效果要求条件，则结束充放电电流均衡控制。

2.根据权利要求1所述的电池SOC均衡控制方法，其特征在于：

在步骤(3)中，每一电池柜的充放电电流给定值由两部分组成：一部分是用储能系统总功率除以柜子数量然后再除以每个电池柜的电压得到该电池柜的充放电电流基本分量；另一部分是SOC均衡补偿分量，该分量是使用滞环控制方法和PI调节器得到的。

3.根据权利要求1所述的电池SOC均衡控制方法，其特征在于：

在步骤(5)中，所述SOC的均衡效果的判断条件为比较每个储能电池柜自身SOC与SOC平均值之间的差值，如果差值小于设定值，即认为满足SOC均衡效果条件。

4.根据权利要求1所述的电池SOC均衡控制方法，其特征在于：

所述SOC均衡控制方法基于工业实时以太网实施，最高运行周期可达到0.25ms。