CN104901381A - H桥级联储能系统的均衡电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种H桥级联储能系统的均衡电流控制方法，属于电池储能技术领域。H桥级联储能系统采用载波移相调制，所有子模块使用依次移相后的三角载波以及各自独立的调制波。根据电池管理系统(BMS)测得的电池的SOC状态量得到电池的最佳充电给定电流，进而得到各自的给定功率指令，最后根据这些功率指令占总功率指令的比例来分配各子模块的给定调制波幅值，从而均衡控制电池组的电流。本发明能避免电池组的过充过放问题，提高电池的利用率和使用寿命。

Description

H桥级联储能系统的均衡电流控制方法

技术领域

本发明属于电池储能技术领域，特别一种H桥级联储能系统的均衡电流控制方法。

背景技术

随着智能电网的发展，大量的可再生能源并入到了电网当中。然而，由于可再生能源的随机性和不稳定性，在交流电网或直流电网系统中常加入一定容量的储能装置以达到平抑可再生能源接入电网所带来的功率波动，提高供电可靠性，改善电能质量的目的。电池储能系统一般由储能电池和大功率的储能功率转换系统(PCS)两部分组成。传统的电池模块一般将电池单体直接进行串并联，再加入简单的均衡和保护电路，在过充或过放的时候将电池模块切除。因此这种方案对电池的一致性要求较高，增加了电池生产成本。基于H桥级联变流器的PCS，每相由多个相同的子模块级联而成，每个子模块将DC/AC变流器与电池组集成在了一起，这样通过增加子模块的数量，避免了大量的单体电池直接串并联，所需要的电池组的电压等级和容量等级都比传统储能形式的要小，就降低了对单体电池一致性的要求，间接降低了电池生产成本。而且，这种电路结构可以采用耐压等级较低的功率开关器件，来实现较高的额定电压。同时，由于输出电平数较多，等效开关频率高，从而输出电压谐波含量较小。

电池本身具有复杂、时变的物理特性。由于单体电池间的差异性，电池组间的荷电状态(SOC)不可能一样，一般SOC大的电池在充电时容易出现过充，而SOC小的电池容易在防电的时候出现过放，严重时不得不将子模块切除，这不仅降低了系统的稳定性，也降低了电池的利用率，损害了电池使用寿命。因此，根据各电池组的充放电状态的不同，实现对电池组的均衡电流控制，避免对电池的过充电、过放电显得尤为重要。根据电池SOC状态量的不同而独立控制电池电流，可以使电池工作在最优状态，提高电池的利用率，延长电池的使用寿命。

发明内容

针对电池储能系统中存在的电池组利用率和寿命受单体电池间差异性制约的问题，本发明的目的是提供一种H桥级联储能系统的均衡电流控制方法，通过在H桥级联储能系统中按比例分配各子模块的调制波的幅值来均衡控制储能电池的充放电电流，以提高电池的利用率和使用寿命。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种H桥级联储能系统的均衡电流控制方法，根据电池管理系统(BMS)测得的电池的SOC状态量得到电池的最佳充电给定电流，进而得到各自的给定功率指令，最后根据这些功率指令占总功率指令的比例来分配各子模块的给定调制波幅值，从而均衡控制电池组的电流，具体步骤如下：

(1)各子模块的电池管理系统采集各自电池组的SOC信息，并据此得到每个电池组的充放电给定电流，储能系统正常工作时由于电池单体间的差异，电池组的荷电状态(SOC)并不一致，这对于每个子模块的电池组所需要的最佳充放电给定电流是不同的。以A相为例，A相含有n个子模块，设第i个子模块电池组的最佳充放电电流为

(2)将各电池组充放电给定电流乘以自身电压，得到各电池组的给定充放电功率，将乘以电池电压V_Ai，即得到电池的给定充放电功率

(3)将每相的各电池组给定充放电功率作和，得到每相总有功功率给定值

$P_A^{*}=P_{A1}^{*}+P_{A2}^{*}+\mathrm{...}+P_{An}^{*}$

$P_B^{*}=P_{B1}^{*}+P_{B2}^{*}+\mathrm{...}+P_{Bn}^{*}$

$P_C^{*}=P_{C1}^{*}+P_{C2}^{*}+\mathrm{...}+P_{Cn}^{*}$

再把三相总有功功率给定值相加，得到储能系统总有功功率给定值经过坐标变换将三相静止坐标系中变量变换到两相同步旋转坐标系，实现有功功率与无功功率的解耦控制，将P^*作为系统的给定有功功率，最终可以得到A、B、C三相各自的总调制波

(5)将电池组给定充放电功率除以对应相总有功功率给定值功率指令，得到一比值，再将此比值乘以各自相的总调制波，得到每个子模块的调制波，以A相为例，第i个子模块的调制波可以按下式得到

$V_{Ai}^{*}=\frac{P_{Ai}^{*}}{P_A^{*}}\·V_A^{*}$

(6)将各子模块调制波送入到载波移相调制模块，与各自经过依次移相后的三角载波进行比较得到每个子模块功率开关的脉冲。

进一步地，所述子模块由储能电池、吸收电容和一个H桥逆变器组成。

进一步地，所述子模块的末端采用星形连接，每一相通过连接电感挂在三相工频电网。

通过上述方法，根据这些功率指令占总功率指令的比例来分配各子模块的给定调制波幅值，即可分配各子模块的输出功率。通过载波移相调制方式(CPS-SPWM)对H桥级联储能系统进行调制，当各子模块电池给定电流不同时，对应的电池的给定充放电功率就会不同，最终的电池充放电功率也就不同，实现了对各子模块电池组的电流均衡控制。

本发明和现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明通过在H桥级联储能系统中按比例分配各子模块的调制波的幅值来均衡控制储能电池的充放电电流，能避免电池组的过充过放问题，提高电池的利用率和使用寿命。同时，本方案使用的控制方法比较比较简单，易于实现。

附图说明

图1是三相H桥级联储能系统拓扑图

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1，该电路拓扑每相由n个相同的子模块级联而成，每个子模块由储能电池、吸收电容和一个H桥逆变器组成。末端采用星形连接，每一相通过连接电感挂在三相工频电网。

在本发明中，H桥级联电池储能系统采用载波移相调制策略进行SPWM控制。载波移相调制法的基本思想是n个串联的逆变器单元均采用低开关频率的SPWM，具有相同的频率调制比k和相同的幅度调制比m，并采用共同的正弦调制波信号，而各个逆变器单元的三角载波的相位依次相差3600/(n·k)，利用SPWM调制的波形生成方式和多重化技术中的波形叠加结构产生载波移相SPWM波形。在本例中，每个子模块使用各自的调制波，各调制波的相位相同，但幅值根据各自的需要而给定，分别为 对于n个子模块级联而成的变流器，其输出电压可达(2n+1)个电平。

通过线性分配各子模块的调制波的幅值大小，即可分配各子模块的输出功率。

各子模块的电池管理系统采集各自电池组的SOC信息，并据此得到电池组的充放电给定电流譬如在充电状态若此电池组的SOC较小，则其幅值应较大，即多充电，若其SOC较大，则其幅值应较小，即少充电。通过这个给定电流调节各个电池组之间的充放电电流，使之达到均衡。

利用计算出A相各个子模块的给定功率大小，其中V_BAi是电池组电压。

再利用

$P_A^{*}=P_{A1}^{*}+P_{A2}^{*}+\mathrm{...}+P_{An}^{*}{n}^{*}$

算出A相的总的给定功率大小。同理，可以计算出计算储能系统总有功功率经过坐标变换将三相静止坐标系中变量变换到两相同步旋转坐标系，实现有功功率与无功功率的解耦控制，将P^*作为系统的给定有功功率，最终可以得到A、B、C三相各自的总调制波

根据子模块给定功率占总功率的比例来决定各个子模块功率开关的调制波比例。

由于此电池储能系统三相对称，以A相为例，对每个子模块而言，输出有功功率

$P_{AI}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{V}_A^{*}{i}_{A}dt=\frac{V_{Ai}^{*}{I}_{m}cos\mathrm{\δ}}{2}$

同理，A相总有功功率

$P_A=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{V}_{Ai}^{*}{i}_{A}dt=\frac{V_A^{*}{I}_{m}cos\mathrm{\δ}}{2}$

其中相电流幅值，δ为功率因数角。从上面两个式子可得：

$\frac{V_{Ai}^{*}}{V_A^{*}}=\frac{P_{AI}}{P_A}$

因此，子模块给定功率大的，相应的，其调制波也要更大；反之，则更小。将得到的各个子模块的调制波分别作为载波移相调制技术中各子模块的调制波，得到相应的输出电压和输出功率，再经过闭环控制即可跟踪控制电池组充放电电流。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.H桥级联储能系统的均衡电流控制方法，其特征在于，根据电池管理系统（BMS）测得的电池的SOC状态量得到电池的最佳充电给定电流，进而得到各自的给定功率指令，最后根据这些功率指令占总功率指令的比例来分配各子模块的给定调制波幅值，从而均衡控制电池组的电流，具体步骤如下：

（1）各子模块的电池管理系统采集各自电池组的SOC信息，并据此得到每个电池组的充放电给定电流，A相含有n个子模块，设第i个子模块电池组的最佳充放电电流为

（2）将各电池组充放电给定电流乘以自身电压，得到各电池组的给定充放电功率，将乘以电池电压V_Ai，即得到电池的给定充放电功率

（3）将每相的各电池组给定充放电功率作和，得到每相总有功功率给定值，

$P_A^{*}=P_{A1}^{*}+P_{A2}^{*}+...+P_{An}^{*}$

$P_B^{*}=P_{B1}^{*}+P_{B2}^{*}+...+P_{Bn}^{*}$

$P_C^{*}=P_{C1}^{*}+P_{C2}^{*}+...+P_{Cn}^{*}$

再把三相总有功功率给定值相加，得到储能系统总有功功率给定值，

$P*=P_A^{*}+P_B^{*}+P_C^{*}$

经过闭环控制得到A、B、C三相各自的总调制波

（4）将电池组给定充放电功率除以对应相总有功功率给定值功率指令，得到一比值，再将此比值乘以各自相的总调制波，得到每个子模块的调制波，第i个子模块的调制波可以按下式得到

$V_{Ai}^{*}=\frac{P_{Ai}^{*}}{P_A^{*}}\·V_A^{*};$

（4）将各子模块调制波送入到载波移相调制模块，与各自经过依次移相后的三角载波进行比较得到每个子模块功率开关的脉冲。

2.根据权利要求1所述的H桥级联储能系统的均衡电流控制方法，其特征在于，所述子模块由储能电池、吸收电容和一个H桥逆变器组成。

3.根据权利要求1所述的H桥级联储能系统的均衡电流控制方法，其特征在于，所述子模块的末端采用星形连接，每一相通过连接电感挂在三相工频电网。