CN106058339A - 一种含辅助功率环的储能系统soc均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含辅助功率环的储能系统SOC均衡控制方法，含辅助功率环的储能系统SOC均衡控制包括单相SOC均衡控制及三相SOC均衡控制。单相SOC均衡控制首先测量并采集一相内所有电池的SOC值；对所有SOC值进行排序并确定能量输出源、能量目的、平衡电池，若SOC_ES‑SOC_ED>ΔSOC_r，则进行相内均衡控制，否则不启动均衡控制。三相SOC均衡控制首先测量并采集三相所有电池的SOC值，若ΔSOC>max(ΔSOC_u,ΔSOC_v,ΔSOC_w)，则先进行相间均衡控制，再进行相内均衡控制，否则先进行相内均衡控制，再进行相间均衡控。本发明解决了蓄电池电压不均衡的问题，可以实现单相的SOC均衡控制，也可以实现三相的均衡控制。

Description

一种含辅助功率环的储能系统SOC均衡控制方法

技术领域

本发明涉及储能技术领域，尤其涉及一种含辅助功率环的储能系统SOC(State ofCharge，荷电状态)均衡控制方法。

背景技术

链式储能系统中常见的均衡控制方法有零序电流注入法、零序电压注入法、电压排序法等。零序电流注入法是通过各个电池的SOC值、系统各单元和各相的等效SOC值计算得到系统相间均衡所需的零序电流参考值；由系统级控制得到的电流参考值再经过直接电流控制器后，计算得到系统输出电压参考值，然后经过单元间均衡控制得到各个单元的电压调制波，最后通过脉冲发生器得到系统各相的控制脉冲。零序电压注入法是将一零序电压分别与三相交流电压进行叠加。这使得每相在不引入负序电流的情况下既能吸收也能释放不平衡有功功率。由于零序电压注入法并不会引起线电压的变化，因而该SOC均衡控制方法并不会影响三相线电流和总的输出功率。电压排序法是先按照各个蓄电池电压的大小对其进行排序，然后根据各个蓄电池电压的大小，来控制各个开关器件的角度，使得电压高的蓄电池的放电速率大于电压低的蓄电池，从而达到蓄电池电压均衡的目的。这些均衡控制方法能够有效地均衡能量存储系统中相互串联的蓄电池输出电压或者超级电容器的荷电状态(SOC)。

目前大多数的直流侧均衡控制方法都是通过对各个开关器件的开关模式进行小的变化来调节各个储能元件之间的有功功率。由于上述各方法中调节幅度往往有限，因而整个直流侧均衡时间将不可预计，且整个方法的有效性依赖于变换器的电流幅值。不仅如此，设计和实现多个平衡控制回路将会相当复杂，特别是当它与基波功率出现耦合时。为了解决上述不足，急切的需要一种能够独立控制，且与各个H桥模块基频功率解耦的直流侧均衡控制方法。

发明内容

发明目的：针对含辅助功率环的储能系统蓄电池电压不均衡的问题，提出了一种含辅助功率环的储能系统SOC均衡控制方法。

技术方案：一种含辅助功率环的储能系统SOC均衡控制方法，该方法用于单相SOC均衡控制，所述单相为u相，所述储能系统包括多个模块，每个模块包括一个电池，该方法包括以下步骤：

(1)测量并采集所有模块电池的SOC值；

(2)对SOC值进行排序，设最小的SOC值为SOC_ED，所述SOC_ED为吸收交换功率模块的SOC值，设最大的SOC值为SOC_ES，所述SOC_ES为提供功率模块的SOC值；

(3)设定SOC差值的阈值为ΔSOC_r；

(4)设ΔSOC_u＝SOC_ES-SOC_ED，若ΔSOC_u>ΔSOC_r，则进行相内均衡控制，若ΔSOC_u≤ΔSOC_r，则不启动均衡控制。

有益效果：相比较现有技术，本发明提供的一种含辅助功率环的储能系统SOC均衡控制方法解决了蓄电池电压不均衡的问题，可以实现单相的SOC均衡控制，也可以实现三相的均衡控制；通过分析三相级联多电平储能系统，确定相间和相内SOC均衡的顺序，更好的解决三相储能系统蓄电池电压不均衡的问题。

附图说明

图1是单相SOC均衡控制流程图；

图2是基于相位的单相SOC均衡控制系统框图；

图3是三相SOC均衡控制流程图；

图4是9个蓄电池系统的SOC均衡控制图；

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明。

该储能系统包括n个模块，n个模块中每个模块直流侧包括一个蓄电池，即有n个电池。令n个模块中负责提供功率的模块为能量输出源，用ES(Energy Source)表示，而令吸收交换功率的模块为能量目的，用ED(Energy Destination)表示，令不提供也不吸收功率的模块为平衡电池，用BC(Balance Cell)表示。

含辅助功率环的储能系统SOC均衡控制包括单相SOC均衡控制及三相SOC均衡控制。

用于单相SOC均衡控制时，所述单相为u相，如图1所示，包括以下步骤：

(1)测量并采集所有模块电池的SOC值；

(2)对SOC值进行排序，设最小的SOC值为SOC_ED，所述SOC_ED为吸收交换功率模块的SOC值，设最大的SOC值为SOC_ES，所述SOC_ES为提供功率模块的SOC值，设中间的SOC值为SOC_BC，所述SOC_BC为既不提供也不吸收功率的平衡模块的SOC值；

定义蓄电池的序列为B＝{B₁,B₁₁…B_n}，对电池的SOC值进行从小到大排序得到一个新的序列，定义新序列为

(3)设定SOC差值的阈值为ΔSOC_r，即能接受的SOC差值；

(4)判断SOC_ES-SOC_ED>ΔSOC_r，若不等式成立则进行相内均衡控制，若不等式不成立则不启动均衡控制。

设所述吸收交换功率模块与提供功率模块的辅助频率调制比为N；所述提供功率模块的辅助频率调制波相位为π/2，所述平衡模块的辅助频率调制波相位为π，吸收交换功率模块的辅助频率调制波相位为同时设ΔSOC_u为u相内吸收交换功率模块与提供功率模块的两个电池的SOC差，即

ΔSOC_u＝SOC_ES-SOC_ED

则相位可以根据ΔSOC_u经过一个比例环节计算得到，该基于相位的单相SOC均衡控制系统如图2所示，其中u_uED,u_uES，u_uBC分别表示吸收交换功率模块、提供功率模块和平衡模块的电池所在模块的总的调制波，平衡模块辅助频率调制度为

用于三相SOC均衡控制时，所述三相包括u相、v相、w相，该方法包括以下步骤：

(1)测量并采集三相所有模块电池的SOC值；

(2)对SOC值进行排序，计算u相、v相、w相三相内SOC最大值与最小值之差，分别记为ΔSOC_u、ΔSOC_v和ΔSOC_w，计算公式为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔSOC}}_u\\ {\mathrm{\ΔSOC}}_v\\ {\mathrm{\ΔSOC}}_w\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{SOC}}_{u\max }-{\mathrm{SOC}}_{u\min }\\ {\mathrm{SOC}}_{v\max }-{\mathrm{SOC}}_{v\min }\\ {\mathrm{SOC}}_{w\max }-{\mathrm{SOC}}_{w\min }\end{array}\right]$

其中SOC_umax与SOC_umin分别为u相的SOC最大值和最小值；SOC_vmax与SOC_vmin分别为v相的SOC最大值和最小值；SOC_wmax与SOC_wmin分别为w相的SOC最大值和最小值；

(3)设定阈值为ΔSOC；

(4)判断ΔSOC>max(ΔSOC_u,ΔSOC_v,ΔSOC_w)，若等式成立则先进行相间均衡控制，再进行相内均衡控制，若不成立先进行相内均衡控制，再进行相间均衡控制，如图3所示。

对于一个基于辅助功率环的三相级联多电平储能系统而言，由于每相都是由多个H桥模块串联而成，由于系统SOC的均衡必须有辅助功率环的参与，且由于方法本身的限制，无法做到同时实现相间和相内的SOC均衡，所以在考虑整个系统的SOC均衡时，必须选择相内和相间SOC均衡的顺序。

设u相、v相、w相三相的相内所有电池的SOC值的平均值分别为SOC_u,SOC_v,SOC_w，并定义平均值矩阵为SOC₀；设SOC_u,SOC_v,SOC_w中的最大值为SOC_0max，最小值为SOC_0min，设最大值与最小值之差为ΔSOC₀，计算公式为：

${\mathrm{SOC}}_0=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{SOC}}_u\\ {\mathrm{SOC}}_v\\ {\mathrm{SOC}}_w\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{SOC}}_{u1}+{\mathrm{SOC}}_{u2}+{\mathrm{SOC}}_{u3}\\ {\mathrm{SOC}}_{v1}+{\mathrm{SOC}}_{v2}+{\mathrm{SOC}}_{v3}\\ {\mathrm{SOC}}_{w1}+{\mathrm{SOC}}_{w2}+{\mathrm{SOC}}_{w3}\end{array}\right]$

ΔSOC₀＝SOC_0max-SOC_0min

相间均衡控制与相内均衡控制类似，在对SOC_u,SOC_v,SOC_w的大小进行比较后，选定SOC均值最大即SOC_0max的那相整体作为提供功率相，而均值最小即SOC_0min的那相整体为吸收功率相，剩下的那相整体为平衡相。然后对三相使用基于相位的功率交换方法进行SOC均衡。其中需要注意的一点是，相内所有级联模块的辅助频率调制波的调制度和相位都是相同的。

为了验证在多个蓄电池拓扑时的SOC均衡控制的有效性，建立了一个由9个H桥模块(即9个蓄电池)构成的级联多电平系统。这9个蓄电池的SOC均不相同，但都在60％上下，仿真结果如图4所示。图4(a)为系统对外放电时的均衡仿真图，此时，系统对负载R_L提供有功功率，而各个蓄电池在对外放电的同时，通过功率交换，各个蓄电池的SOC逐渐得到均衡。在SOC均衡工程中，SOC最大的蓄电池给SOC最小的蓄电池提供有功功率，直到所有的蓄电池SOC全部均衡为止。而在图4(b)中，系统不对负载供电，从图中可以看出，整个系统的SOC均衡控制依然是有效的。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和有益效果和实施方案。本发明是含辅助功率环的储能系统SOC均衡控制方法，对于其他类似SOC均衡控制方法也属于本发明保护范围。

Claims (8)

1.一种含辅助功率环的储能系统SOC均衡控制方法，该方法用于单相SOC均衡控制，所述单相为u相，所述储能系统包括多个模块，每个模块包括一个电池，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)测量并采集所有模块电池的SOC值；

(2)对SOC值进行排序，最小的SOC值记为SOC_ED，所述SOC_ED为吸收交换功率模块的SOC值，最大的SOC值记为SOC_ES，所述SOC_ES为提供功率模块的SOC值；

(3)设定SOC差值的阈值为ΔSOC_r；

(4)设ΔSOC_u＝SOC_ES-SOC_ED，若ΔSOC_u＞ΔSOC_r，则进行相内均衡控制，若ΔSOC_u≤ΔSOC_r，则不启动均衡控制。

2.根据权利要求1所述的含辅助功率环的储能系统SOC均衡控制方法，该方法用于三相SOC均衡控制，所述三相包括u相、v相、w相，其特征在于，包括以下步骤：

(1)测量并采集三相所有模块电池的SOC值；

(2)对每相SOC值进行排序，计算u相、v相、w相三相内SOC最大值与最小值之差，分别记为ΔSOC_u、ΔSOC_v和ΔSOC_w，计算公式为：

其中SOC_{u max}与SOC_{u min}分别为u相的SOC最大值和最小值；SOC_{v max}与SOC_{v min}分别为v相的SOC最大值和最小值；SOC_{w max}与SOC_{w min}分别为w相的SOC最大值和最小值；

(3)设定阈值为ΔSOC；

(4)判断ΔSOC＞max(ΔSOC_u,ΔSOC_v,ΔSOC_w)，若等式成立则先进行相间均衡控制，再进行相内均衡控制，若不成立先进行相内均衡控制，再进行相间均衡控制。

3.根据权利要求1或2所述的含辅助功率环的储能系统SOC均衡控制方法，其特征在于，该系统包括n个模块，每个模块直流侧包括一个蓄电池，定义蓄电池的序列为B＝{B₁,B₂…B_n}，对电池的SOC值进行从小到大排序得到一个新的序列，定义新序列为

4.根据权利要求3所述的含辅助功率环的储能系统SOC均衡控制方法，其特征在于，SOC值排在中间的模块为不提供也不吸收功率的平衡模块；设所述吸收交换功率模块与提供功率模块的辅助频率调制比为N；所述提供功率模块的 辅助频率调制波相位为π/2，所述平衡模块的辅助频率调制波相位为π，吸收交换功率模块的辅助频率调制波相位为设平衡模块的辅助频率调制度为N_BC，计算公式为

5.根据权利要求4所述的含辅助功率环的储能系统SOC均衡控制方法，其特征在于，通过ΔSOC_u经过一个比例环节得到。

6.根据权利要求2所述的含辅助功率环的储能系统SOC均衡控制方法，其特征在于，设u相、v相、w相三相的相内所有电池的SOC值的平均值分别为SOC_u,SOC_v,SOC_w，并定义平均值矩阵为SOC₀；设SOC_u,SOC_v,SOC_w中的最大值为SOC_0max，最小值为SOC_0min，设最大值与最小值之差为ΔSOC₀，计算公式为：

ΔSOC₀＝SOC_0max-SOC_0min。

7.根据权利要求6所述的含辅助功率环的储能系统SOC均衡控制方法，其特征在于，SOC_0max对应的相为提供功率相，SOC_0min对应的相为吸收功率相，除SOC_0max、SOC_0min以外的相为平衡相，对三相采用基于相位的功率交换方法进行平衡控制。

8.根据权利要求6或7所述的含辅助功率环的储能系统SOC均衡控制方法，其特征在于，相内所有级联模块的辅助频率调制波的调制度和相位都是相同的。