CN104810843A - 基于电池荷电状态的mw级电池储能系统有功功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于电池荷电状态的MW级电池储能系统有功功率控制方法，所述方法如下：首先采集公共母线电压和电流，计算出有功功率、无功功率和电压幅值，通过基于电池荷电状态的有功功率下垂控制来获得给定电压幅值，再由给定电压幅值与实际测量的电压幅值之差经比例-积分控调节器后得到PWM发生器的调制比，最后由PWM发生器产生开关驱动信号来控制功率转换系统的开关状态，实现对MW级电池储能系统有功功率输出的有效控制。本发明能使MW级电池储能系统有效分配负荷有功功率及控制其有功功率的输出，保证公共母线电压幅值和频率稳定在其额定值附近。同时实现MW级电池储能系统中各模块化电池储能子系统间的荷电状态均衡控制。

Description

基于电池荷电状态的MW级电池储能系统有功功率控制方法

技术领域

本发明属于智能电网中MW级电池储能系统控制技术领域，涉及一种基于电池荷电状态的MW级电池储能系统有功功率控制方法。

背景技术

风能及太阳能等分布式电源的开发与利用为解决当前世界各国面临的能源危机、环境恶化等问题提供了一种有效的途径，但分布式电源具有波动大、受地理及气候影响等特性，严重制约了其接入大电网及大规模应用。电池储能系统能有效地解决这些分布式电源并网时对电网的冲击作用，且能为电网提供有功功率及无功功率支撑以实现系统电压幅值和频率的稳定控制。与此同时，由于风电、光伏发电等分布式电源的开发规模与系统负荷容量的不断扩大，由多个模块化电池储能系统并联而成的大容量电池储能系统也应运而成。

在传输线路阻抗为电阻性的WM级电池储能系统中，对于各模块化电池储能系统的并联协调控制，一般采用传统下垂控制进行负荷有功功率及无功功率分配。由于电池充放电过程一种复杂的电化学反应过程，各模块化电池储能子系统经过一段时间充放电后，其电池系统的荷电状态并不一致，若采用传统下垂控制技术时，将导致有功功率分配不合理，即荷电状态初值低(可用电量少)的模块化电池储能子系统提前放电结束，易产生电池寿命缩短、系统不稳定等问题。

发明内容

本发明解决的问题是在于提供基于电池荷电状态的MW级电池储能系统有功功率控制方法，解决由N个模块化电池储能子系统并联而成的MW级电池储能系统有功功率控制中因电池荷电状态不一致所带来的负荷有功功率分配不合理、系统不稳定的问题，达到有效分配负荷有功功率、维持公共母线电压幅值和频率稳定的目的，实现各模块化电池储能子系统间电池荷电状态的均衡控制。

本发明目的是通过以下技术方案来实现：

一种基于电池荷电状态的MW级电池储能系统有功功率控制方法，所述的MW级电池储能系统由N个模块化电池储能子系统并联而成，各电池储能子系统间无信号互联线，其中N为大于1的自然数；

所述方法包括以下步骤：

在传输线路阻抗为电阻性的WM级电池储能系统中，首先利用电压传感器和电流传感器检测出各模块化电池储能子系统当地公共母线的3相相电流i_a、i_b、i_c与2路线电压u_ab、u_bc，并分别计算出公共母线电压幅值U_m、有功功率P及无功功率Q；

然后将有功功率P、无功功率Q与电池系统荷电状态初值SOC_b0、给定的公共母线电压幅值U₀及频率ω₀共同作为下垂控制的输入量，来获得各模块化电池储能子系统的给定电压幅值U^*及其角频率ω^*；

将获得的给定电压幅值U^*与实际测量获得的公共母线电压幅值U_m作差得到电压幅值差，再将所述电压幅值差经比例-积分调节器后得到调制比m；将所述给定角频率ω^*经积分后得到相位角δ；将调制比m配合相位角δ，合成调制信号，用调制信号进行脉冲宽度调制，产生6路功率转换系统的开关通断状态信号，控制功率转换系统中电力电子器件开关管的导通与关断，实现对MW级电池储能系统中各模块化电池储能子系统输出有功功率大小及方向的控制，使公共母线电压幅值U_p等于公共母线电压幅值给定U₀、频率ω_p等于公共母线电压频率给定ω₀。

所述定电压幅值U^*的获得方法如下：

利用各模块化电池储能子系统中电池荷电状态初值SOC_b0进行以下计算：k_v1SOC_b1＝k_v2SOC_b2＝…＝k_viSOC_bi＝ΔU_max，确定各模块化电池储能子系统的电压幅值下垂系数k_vi，其中i表示第i个模块化电池储能子系统，ΔU_max为功率转换系统可允许的最大电压幅值误差；再利用电压幅值下垂系数k_vi、公共母线电压幅值U₀、检测的有功功率P进行以下计算：从而获得各模块化电池储能子系统的给定电压幅值U^*，其中i为自然数。

所述获得给定电压角频率ω^*的方法如下：

利用各模块化电池储能子系统各功率转换系统无功功率额定值Q_N进行以下计算：k_f1Q_N1＝k_f2Q_N2＝…＝k_fiQ_Ni＝Δω_max，确定各模块化电池储能子系统的角频率下垂系数k_fi，其中i表示第i个模块化电池储能子系统，Δω_max为功率转换系统可允许的最大角频率误差；再利用角频率下垂系数k_fi、公共母线电压角频率ω₀、检测的无功功率Q进行以下计算：从而获得各模块化电池储能子系统的给定电压角频率ω^*，其中i为自然数。

检测当地公共母线的三相相电流i_a、i_b、i_c与2路线电压u_ab、u_bc。

所述模块化N个电池储能子系统并联时，采用相同的有功功率控制方法。

与现有控制技术相比，本发明具有如下有益的控制效果：

本发明所提供的基于电池荷电状态的MW级电池储能系统有功功率控制方法，利用各模块化电池储能子系统中电池荷电状态初值确定各模块化电池储能子系统的电压幅值下垂系数，再利用电压幅值下垂系数、公共母线电压幅值、及检测的有功功率来获得各模块化电池储能子系统的给定电压幅值。由于电压幅值下垂系数跟随电池荷电状态变化，因此各模块化电池储能子系统可根据其电池荷电状态对负荷有功功率进行有效分配，从而达到合理控制有功功率输出、维持公共母线电压幅值和频率稳定的目的，并实现各模块化电池储能子系统间电池荷电状态的均衡控制。

附图说明

图1为MW级电池储能系统孤网供电结构示意图；

图2为模块化电池储能子系统与公共母线相连的简化运行原理图；

图3-1为有功-电压幅值下垂控制，图3-2为无功-频率下垂控制；

图4为改进的基于电池荷电状态的有功功率-电压幅值下垂控制示意图；

图5为改进的基于电池荷电状态的下垂控制总体框图；

图6-1～6-6为采用基于电池荷电状态的下垂控制时的控制效果图。

具体实施方式

下面结合具体的实例对本发明作进一步的详细说明，所述为对本发明的解释而不是限定。

本发明一种基于电池荷电状态的MW级电池储能系统有功功率控制方法，所述的MW级电池储能系统由N个模块化电池储能子系统并联而成，每个模块化电池储能系统是由电池系统、功率转换系统组成。各电池储能子系统间无信号互联线，其中N为大于1的自然数。

所述方法包括以下步骤：

在传输线路阻抗为电阻性的WM级电池储能系统中，首先利用电压传感器和电流传感器检测出各模块化电池储能子系统当地公共母线的3相相电流i_a、i_b、i_c与2路线电压u_ab、u_bc，利用线路中三相线电压之和为0与线路功率计算公式并分别计算出公共母线电压幅值U_m、有功功率P及无功功率Q，具体计算如下：P＝u_bci_c-u_abi_a， $Q=-\frac{u_{\mathrm{bc}}({2i}_a+i_b)+u_{\mathrm{ca}}({2i}_b+i_a)}{\sqrt{3}},U_m=\sqrt{\frac{2}{9}(u_{\mathrm{ab}}^2+u_{\mathrm{bc}}^2+{(-u_{\mathrm{ab}}-u_{\mathrm{bc}})}^2)}.$

然后将有功功率P、无功功率Q与电池系统荷电状态初值SOC_b0、给定的公共母线电压幅值U₀及频率ω₀共同作为下垂控制的输入量，来获得各模块化电池储能子系统的给定电压幅值U^*及其角频率ω^*；

将获得的给定电压幅值U^*与实际测量获得的公共母线电压幅值U_m作差得到电压幅值差，再将所述电压幅值差经比例-积分调节器后得到调制比m；将所述给定角频率ω^*经积分后得到相位角δ；将调制比m配合相位角δ，合成调制信号，用调制信号进行脉冲宽度调制，产生6路功率转换系统的开关通断状态信号，控制功率转换系统中电力电子器件开关管的导通与关断，实现对MW级电池储能系统中各模块化电池储能子系统输出有功功率大小及方向的控制，使公共母线电压幅值U_p等于公共母线电压幅值给定U₀、频率ω_p等于公共母线电压频率给定ω₀。

1、MW级电池储能系统孤网供电及下垂控制

孤网供电系统为MW级电池储能系统经传输线，接公共母线，向多种负载(如大电动机、阴抗负载)供电，其中MW级电池储能系统是由N个模块化电池储能子系统并联而成，各模块化电池储能子系统是由功率转换系统PCS、电池系统BS组成；功率转换系统PCS主要由基于IGBT的三相桥式电压源变换器及滤波器构成；每个电池系统BS是由多个电池单体经串并而成，接于PCS直流母线侧。图1为MW级电池储能系统孤网供电结构示意图。

当WM级电池储能系统孤网供电时，系统的功率传输特性可简化为单相运行的电池储能子系统与公共母线相连的功率传输特性，如图2所示，其中δ为电池储能子系统输出电压U_b与公共母线电压U_g的相角差，Z为传输线路阻抗，θ为阻抗角。

电池储能子系统注入公共母线的有功功率P、无功功率Q分别为：

$P=(\frac{U_b{U}_g}{Z}\cos \mathrm{\δ}-\frac{U_g^2}{Z})\cos \mathrm{\θ}-\frac{U_b{U}_g}{Z}\sin \mathrm{\δ}\sin \mathrm{\θ}---(1-1)$

$Q=(\frac{U_b{U}_g}{Z}\cos \mathrm{\δ}-\frac{U_g^2}{Z})\sin \mathrm{\θ}-\frac{U_b{U}_g}{Z}\sin \mathrm{\δ}\cos \mathrm{\θ}---(1-2)$

当传输线路阻抗为电阻性时，即Z≈R、θ≈0⁰，电池储能子系统注入公共母线的有功功率P、无功功率Q可进一步分别表示为：

$P=\frac{U_P(U_b-U_g)}{R}---(2-1)$

$Q=-\frac{U_b{U}_g}{R}\mathrm{\δ}---(2-2)$

由式(2-1、2-2)可知，在低压配电网中，线路传输的有功功率主要取决于电池储能子系统与公共母线间的电压差U_b-U_g，而无功功率则主要取决于电池储能子系统与公共母线间的电压相位差δ。

对于任意一个模块化电池储能子系统而言，其输出的功率与公共母线电压构成的下垂控制特性如图3所示，其中图3-1为有功-电压幅值下垂控制，横坐标表示第n个模块化电池储能子系统的输出有功功率，纵坐标表示第i个模块化电池储能子系统输出电压幅值给定值。图3-2为无功-频率下垂控制，橫坐标表示第i个模块化电池储能子系统的输出无功功率，纵坐标表示第i个模块化电池储能子系统的输出电压频率给定值。

由图3可以得到：

$U_i^{*}=U_0-k_{\mathrm{vi}}^{\′}{P}_i---(3-1)$

${\mathrm{\ω}}_i^{*}={\mathrm{\ω}}_0-k_{\mathrm{fi}}{Q}_i---(3-2)$

其中，分别表示第i个模块化电池储能子系统的指令电压幅值和角频率值，k′_vi、k_fi分别表示第i个模块化电池储能子系统的有功功率与无功功率下垂系数。

在传统电力系统中，一般将模块化电池储能子系统中PCS额定容量看作其额定容量，k′_vi和k_fi的大小分别由各PCS的有功、无功功率额定值来决定：

k′_v1P_N1＝k′_v2P_N2＝…＝k′_viP_Ni＝ΔU_max    (4-1)

k_f1Q_N1＝k_f2Q_N2＝…＝k_fiQ_Ni＝Δω_max    (4-2)

其中，P_Ni、Q_Ni分别表示第i个PCS有功及无功功率的额定值，ΔU_max、Δω_max分别表示可允许的最大电压幅值误差、角频率误差

因电池的充放电过程是一种复杂的电化学反应过程，电池单体在充放电过程中其性能参数变化不完全相同，使得系统在实际运行中其内部各个SOC_b并不一致。由式(4-1、4-2)可知，由于任一模块化电池储能子系统中其PCS额定容量一般是定值，表明k′_vi和k_fi值也将恒定。然而实际运行中电池系统SOC_b与负荷的变化是动态的，若仍利用恒定的k′_vi和k_fi值来控制各模块化电池储能子系统所承担的负荷大小，必会使电池储能系统中SOC_b初始值小的模块化电池储能子系统先完全放电完毕，导致系统的不稳定及其电池受损等后果。

2、基于电池荷电状态的下垂控制对传统下垂控制的改进

2.1有功功率-电压幅值下垂控制的改进

在传输线路阻抗为电阻性的WM级电池储能系统孤网供电时，各模块化电池储能子系统充放的电流大小与电池荷电状态SOC_b成正比，在一定的充放电时间内，模块化电池储能子系统对外实际输出有功功率的多少也与电池荷电状态SOC_b成正比，因此，当满足P_i≤P_Ni条件时式(4-1)可改进为：

k_v1SOC_b1＝k_v2SOC_b2＝…＝k_viSOC_bi＝ΔU_max    (5)

即为基于电池荷电状态的有功功率下垂系数关系式。将新的下垂系数k_vi代入式(3-1)后得新的有功功率-电压幅值下垂控制策略为：

$U_i^{*}-U_0-k_{\mathrm{vi}}{P}_i---\left(6\right)$

其控制特性如图4所示。由式(5、6)可知，在保证PCS安全稳定运行的前提下，各模块化电池储能子系统中SOC_b的比值决定其分配系统中负荷有功功率的多少，并随之变化。SOC_b值大的模块化电池储能子系统将承担更多的有功负荷，反之，将承担较少的有功负荷。

2.2由改进的有功功率-电压幅值下垂控制得到电池储能子系统的PWM调制信号

实际上，电池储能子系统并联控制时，通过控制调制比m和相位角δ来控制PWM调信号，进而控制电池储能子系统输出有功功率大小和方向。由改进的有功功率-电压幅值下垂控制得到电池储能子系统的PWM调制信号流程图如图5所示。

由电压、电流传感器检测出的当地公共母线的三相相电流i_a、i_b、i_c和二相线电压u_ab、u_bc，分别计算出公共母线电压幅值有功功率P＝u_bci_c-u_abi_a、无功功率 $Q=-\frac{u_{\mathrm{bc}}({2i}_a+i_b)+u_{\mathrm{ca}}({2i}_b+i_a)}{\sqrt{3}}.$

将有功功率P、电池系统荷电状态SOC_b、给定的公共母线电压幅值U₀作为新的有功功率-电压幅值控制特性的输入量，根据图4所示改进有功功率-电压幅值下垂控制得到模块化电池储能子系统给定电压幅值U^*；将无功功率Q、频率ω₀共同作为无功功率-频率下垂控制特性的输入量，根据图3-2所示传统无功功率-频率下垂控制得到模块化电池储能子系统角频率ω^*。再将获得的给定电压幅值U^*与实际测量获得的公共母线电压幅值U_m作差，其差值经比例-积分调节器后得到调制比m；而获得的给定角频率ω^*经积分后得到相位角δ。最后将调制比m配合相位角δ，合成PWM调制信号。

3、控制效果的验证。

图6为基于电池系统SOC_b初始值不等时(SOC_{b1_0}＝0.9、SOC_{b2_0}＝1)系统下垂控制效果。图6-1为负载的有功功率P_l及无功功率Q_l变化情况。图6-2为2个电池储能子系统输出有功功率P_l及P₂变化情况。图6-3为2个电池储能子系统输出电流I_b1及I_b2变化情况。由图6-2、6-3可知，电池荷电状态初值大SOC_{b2_0}的电池储能子系统在整个放电过程中输出的有功功率P₂也大，对应电池电流也大；反之，输出的有功功率P_l及电池电流I_b1亦小，这些结论与式(5、6)的分析相符。图6-4为2个电池储能子系统的SOC_b变化情况，可以看出，SOC_b2、SOC_b1变化情况分别为由初始值为1下降到0.62、0.9下降到0.56，且SOC_b1与SOC_b2之差逐渐变小，由初始差值的0.1缩小至0.06，从而表明采用所提控制方法有利于各模块化BESS间的SOC_b均衡控制。图6-5、图6-6分别为公共母线电压幅值及频率变化情况，由图6-5、6-6可知，u_g与f_g始终能稳定在其给定值附近。当负载变化时，u_g与f_g最大突变范围分别约为15％、8％，而当系统稳定后，u_g与f_g波动范围均小于0.1％，进一步表明所提出控制策略能维持系统u_g与f_g的稳定。

Claims (5)

1.一种基于电池荷电状态的MW级电池储能系统有功功率控制方法，其特征在于所述的MW级电池储能系统由N个模块化电池储能子系统并联而成，各电池储能子系统间无信号互联线，其中N为大于1的自然数；

所述方法包括以下步骤：

在传输线路阻抗为电阻性的WM级电池储能系统中，首先利用电压传感器和电流传感器检测出各模块化电池储能子系统当地公共母线的3相相电流i _a、i _b、i _c与2路线电压u _ab、u _bc，利用线路中三相线电压之和为0与线路功率计算公式分别计算出公共母线电压幅值U _m、有功功率P及无功功率Q；

然后将有功功率P、无功功率Q与电池系统荷电状态初值SOC_b0、给定的公共母线电压幅值U ₀及频率ω ₀共同作为下垂控制的输入量，来获得各模块化电池储能子系统的给定电压幅值U ^*及其角频率ω ^*；

将获得的给定电压幅值U ^*与实际测量获得的公共母线电压幅值U _m作差得到电压幅值差，再将所述电压幅值差经比例-积分调节器后得到调制比m；将所述给定角频率ω ^*经积分后得到相位角δ；将调制比m配合相位角δ，合成调制信号，用调制信号进行脉冲宽度调制，产生6路功率转换系统的开关通断状态信号，控制功率转换系统中电力电子器件开关管的导通与关断，实现对MW级电池储能系统中各模块化电池储能子系统输出有功功率大小及方向的控制，使公共母线电压幅值U _p等于公共母线电压幅值给定U ₀、频率ω _p等于公共母线电压频率给定ω ₀。

2.根据权利要求1所述的一种基于电池荷电状态的MW级电池储能系统有功功率控制方法，其特征在于所述定电压幅值U ^*的获得方法如下：

利用各模块化电池储能子系统中电池荷电状态初值SOC_b0进行以下计算：                                               ，确定各模块化电池储能子系统的电压幅值下垂系数，其中i表示第i个模块化电池储能子系统，为功率转换系统可允许的最大电压幅值误差；再利用电压幅值下垂系数、公共母线电压幅值U ₀、检测的有功功率P进行以下计算：，从而获得各模块化电池储能子系统的给定电压幅值U ^*,其中i为自然数。

3.根据权利要求1所述的一种基于电池荷电状态的MW级电池储能系统有功功率控制方法，其特征在于所述获得给定电压角频率ω ^*的方法如下：

利用各模块化电池储能子系统各功率转换系统无功功率额定值进行以下计算：，确定各模块化电池储能子系统的角频率下垂系数，其中i表示第i个模块化电池储能子系统，为功率转换系统可允许的最大角频率误差；再利用角频率下垂系数、公共母线电压   角频率、检测的无功功率Q进行以下计算：，从而获得各模块化电池储能子系统的给定电压角频率ω ^*，其中i为自然数。

4.根据权利要求1所述的一种基于电池荷电状态的MW级电池储能系统有功功率控制方法，其特征在于检测当地公共母线的三相相电流i _a、i _b、i _c与2路线电压u _ab、u _bc。

5.根据权利要求1所述的一种基于电池荷电状态的MW级电池储能系统有功功率控制方法，其特征在于所述模块化N个电池储能子系统并联时，采用相同的有功功率控制方法。