CN108092352B - 一种适用于多模块电池模组荷电状态均衡的调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适于多模块电池模组荷电状态均衡的调制方法，包括：(1)在一个计算周期开始采集子模块电池模组的SOC以及电压、电流信息；(2)由电压信息及控制输出参考电压信号确定投入的模块数目；(3)对储能系统各电池模组SOC进行降序排序，根据系统运行状态以及SOC均衡关系，确定投入模块的编号及投入状态。与现有调制方法相比，本发明提出的调制方法降低储能系统开关损耗，保证储能系统输出电压、电流的THD满足要求，可运用于单相和三相系统中；同时在调制过程中本发明调制方法可实现模块电池模组SOC的自动均衡，控制系统的复杂度降低，且SOC均衡控制与功率控制不存在耦合。
Description
技术领域
本发明属于电平调制技术领域，具体涉及一种适用于多模块电池模组荷电状态均衡的调制方法。
背景技术
新能源发电场、微电网的规模扩大以及城市电网调峰调频需求能力增加，分布式储能容量小、电压等级也较低，电池储能系统向大容量化、高接入电压方向发展。基于级联多电平拓扑的储能系统由于具有模块化特点，通过级联级数的增加，在增大储能系统单机容量的同时可实现系统直接接入电网，在大规模储能系统中逐渐得到认可和应用。
在采用级联型拓扑的储能系统中，储能电池置于各子模块的直流侧，在系统运行过程中，储能电池自身的不一致性将导致各电池模块SOC(State of Charge，荷电状态，也叫剩余电量，代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态容量的比值，常用百分数表示，其取值范围为0～1，当SOC＝0时表示电池放电完全，当SOC＝1时表示电池完全充满)失去平衡。在无任何SOC均衡处理时，SOC的失衡将进一步造成电池模组不同程度的过充与过放，严重影响储能系统整体的寿命。同时SOC不均衡导致的过充与过放会造成电池过热，降低储能系统的安全性、可靠性。因此，电池模组的SOC均衡处理对级联型储能系统至关重要。
现有级联型储能系统的电池SOC均衡处理方法主要是在系统的控制部分叠加反映电池模组SOC偏差的信号，但该种处理方法会导致控制调制信号的畸变，尤其是在电池模块SOC偏差较大的情况下，叠加的偏差信号有可能造成子模块输出电压/电流过高。
载波移相脉冲宽度调制方法(CPS-PWM)通过各子模块输出波形的移相叠加，其等效开关频率高、谐波含量少，在级联型多电平拓扑的调制中的到广泛应用。现有级联型储能系统多采用CPS-PWM作为系统主电路的调制方法，其所需调制波数量较多，占用较多的软硬件资源，尤其是在储能系统电压等级较高情况下，即所需级联模块数较多时，CPS-PWM调制方法存在移相角较小、精度要求实现困难的问题。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种适用于多模块电池模组荷电状态均衡的调制方法，其能够在级联型储能系统调制过程中实现各电池模块SOC的均衡处理，且在满足低谐波含量的同时降低系统的整体开关频率，实现储能系统高效率、高安全性运行。
一种适用于多模块电池模组荷电状态均衡的调制方法，包括如下步骤：
(1)采集储能系统中各电池模块的SOC以及直流侧电压；
(2)对各电池模块按SOC进行降序排列；
(3)基于各电池模块的直流侧电压，确定当前控制周期内系统应投入的电池模块数量n；
(4)根据系统当前的充放电状态、应投入的电池模块数量n以及电池模块的降序队列，确定当前控制周期系统中具体所要投入的电池模块并对其进行调制。
进一步地，所述步骤(3)的具体实现方法为：首先，计算电池模块的直流侧电压平均值E；然后，根据以下算式计算确定当前控制周期内系统应投入的电池模块数量n：
其中：floor()表示向下取整函数，uref为系统前级控制输出的参考电压信号。
进一步地，所述步骤(4)的具体实现方法如下：
当前控制周期Ts内，若系统处于放电状态，取降序队列中前n个电池模块投入并使其输出电压极性与参考电压信号uref极性一致，相应地对降序队列中第n+1个电池模块进行脉冲宽度调制；若系统处于充电状态，取降序队列中后n个电池模块投入并使其输出电压极性与参考电压信号uref极性一致，相应地对降序队列中第N-n个电池模块进行脉冲宽度调制；
所述脉冲宽度调制过程中相应电池模块在当前控制周期Ts内的低电平作用时长t1和高电平作用时长t2满足以下关系式：
其中：vnH和v(n+1)H分别为储能系统投入n个电池模块和投入n+1个电池模块时的输出电压，vm为当前控制周期Ts内参考电压信号uref的信号值。
进一步地，所述步骤(2)中每隔若干控制周期对各电池模块按SOC进行降序排列一次，具体参考设定的SOC不均衡度阈值以及储能系统的功率等级确定定时排序的间隔时长。
本发明调制方法可实现级联型储能系统中各子模块电池模组间的均衡处理，确保运行过程中的储能系统各子模块电池模组SOC的偏差满足系统要求；同时本发明通过SOC偏差判断各子模块SOC情况，将SOC偏差较大的子模块反向投入，实现快速均衡，同时利用一个或多个模块进行脉冲宽度调制，降低输出谐波含量。由此，本发明具有以下有益技术效果：
(1)本发明兼顾级联型储能系统的调制与各子模块电池模组SOC的均衡处理，无需在控制系统中叠加反映SOC偏差的信号，系统控制精度提高。
(2)本发明控制系统无需子模块数量的调制波，软硬件资源占用量降低，且算法简单。
(3)本发明结合脉冲宽度调制方法，改善了传统阶梯波调制时系统输出的谐波特性。
(4)本发明可实现均衡处理的调制方法适用于单相与三相的级联型模块化系统，均衡处理简单、谐波特性良好。
附图说明
图1为本发明电池模组均衡调制方法的流程示意图。
图2为原始阶梯波调制的波形示意图。
图3为脉冲宽度调制波形示意图。
图4为在本发明调制方法作用下级联型储能系统的输出电压波形示意图。
图5为在本发明调制方法作用下级联型储能系统的输出电流波形示意图。
图6为在本发明调制方法作用下子模块电池模组的SOC均衡过程示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明应用于级联型储能系统子模块电池模组SOC均衡的调制方法，具体实现方式包括如下步骤：
(1)采集储能系统各模块电池模组的SOC、直流侧电压和电流数据信息。
(2)求取采集的各子模块电池模组SOC平均值，得出即：
其中：N为级联拓扑的子模块数目，SOCi为第i个子模块电池模组的SOC。
(3)将各子模块电池模组按SOC进行排序处理。
(4)计算各子模块电池模组SOC与平均值的偏差ΔSOCi。
(5)由采集得到各子模块的直流侧电压vdc_i，求取电压平均值E，即：
(6)根据系统前级控制输出的参考电压uref以及子模块直流侧电压平均值E确定NLM调制应投入的模块数目n，即：
其中：floor()表示向下取整函数。
(7)判断储能系统当前的运行状态：放电运行或充电运行；
(8)若储能系统正处于放电运行状态，则所投入子模块的状态进一步确定为：取SOC排序中前n个子模块输出与参考信号极性一致的电平，而相应的第n+1个子模块进行脉冲宽度调制。电池模组SOC短时间变化很较小，为优化计算时间，根据储能系统功率以及SOC不均衡度阈值进行定时排序，调制的具体信号波形示意如图2和图3所示。
由图3所示，根据伏秒等效原理脉冲宽度调制子模块的高、低电平作用时间满足：
v(i+1)H×t2+viH×t1＝vs×Ts
结合t1+t2＝Ts，计算得Ts时间内相邻的低电平和高电平作用时间分别为：
(9)若储能系统正处于充电运行状态，则所投入子模块的状态进一步确定为：取SOC排序中后n个子模块输出与参考信号极性一致的电平，而相应的第N-n个模块进行脉冲宽度调制。电池模组SOC短时间变化很较小，为优化计算时间，根据储能系统功率以及SOC不均衡度阈值进行定时排序。具体调制方法如步骤(8)中所述。
从图4可以看出，采用本发明电池SOC均衡调制方法的级联型储能系统仍具有多电平特征，且波形良好。从图5可以看出在本发明调制方法作用下，系统输出电流波形几乎无畸变，谐波特性满足要求。
如图6所示，储能系统运行过程中0～4s放电运行、4～8s充电运行、8～12s放电运行、12～16s充电运行，在整个放-充-放-充电运行过程中，各子模块电池模组的SOC逐渐趋于一致，达到均衡处理效果。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种适用于多模块电池模组荷电状态均衡的调制方法，包括如下步骤：
(1)采集储能系统中各电池模块的SOC以及直流侧电压；
(2)对各电池模块按SOC进行降序排列；
(3)基于各电池模块的直流侧电压，确定当前控制周期内系统应投入的电池模块数量n，具体实现方法为：首先，计算电池模块的直流侧电压平均值E；然后，根据以下算式计算确定当前控制周期内系统应投入的电池模块数量n：
其中：floor()表示向下取整函数，uref为系统前级控制输出的参考电压信号；
(4)根据系统当前的充放电状态、应投入的电池模块数量n以及电池模块的降序队列，确定当前控制周期系统中具体所要投入的电池模块并对其进行调制，具体实现方法为：
当前控制周期Ts内，若系统处于放电状态，取降序队列中前n个电池模块投入并使其输出电压极性与参考电压信号uref极性一致，相应地对降序队列中第n+1个电池模块进行脉冲宽度调制；若系统处于充电状态，取降序队列中后n个电池模块投入并使其输出电压极性与参考电压信号uref极性一致，相应地对降序队列中第N-n个电池模块进行脉冲宽度调制；
所述脉冲宽度调制过程中相应电池模块在当前控制周期Ts内的低电平作用时长t1和高电平作用时长t2满足以下关系式：
其中：vnH和v(n+1)H分别为储能系统投入n个电池模块和投入n+1个电池模块时的输出电压，vm为当前控制周期Ts内参考电压信号uref的信号值。
2.根据权利要求1所述的调制方法，其特征在于：所述步骤(2)中每隔若干控制周期对各电池模块按SOC进行降序排列一次，具体参考设定的SOC不均衡度阈值以及储能系统的功率等级确定定时排序的间隔时长。
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