CN108599216A - 链式电池储能系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种链式电池储能系统及其工作方法，A相功率组件，A相功率组件与三相电源的A相连接，A相功率组件包括多个连接的A相功率单元；B相功率组件，B相功率组件与三相电源的B相连接，B相功率组件包括多个连接的B相功率单元；C相功率组件，C相功率组件与三相电源的C相连接，C相功率组件包括多个连接的C相功率单元；其中A相功率单元、B相功率单元及C相功率单元相互连接。本发明的有益效果如下：将零序电压注入均衡法和负序电压注入均衡法相结合，此种发明方法不仅荷电状态均衡能力强，而且均衡过程能够平滑过渡，对系统造成的扰动小，很好的兼顾了储能系统的输出性能和相间荷电状态均衡能力，对电能质量造成的影响较小。

Description

链式电池储能系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及电气自动化设备技术领域，具体地，本发明涉及一种链式电池储能系统及其复合荷电状态均衡的控制方法。

背景技术

随着智能电网的发展，储能技术已经成为其发展过程中的重要环节。在各类储能技术中，电池储能系统(Battery Energy Storage System，BESS)因具有功率密度高、响应速度快、占地面积小、对安装地点无特殊要求等优点而得到优先发展。储能变换器是储能系统中的关键部件，由于储能功率双向循环要求，转换效率成为变换器的技术关键。链式变换器(Cascaded H-bridge Converter，CHBC)将电池单元分散接入各级联H桥模块的直流侧，不但提升了电池系统的容量，而且解决了电池单元间的环流问题。链式变换器本身可以直接接入中高压电网，省去了工频变压器，转换效率高，尤其适用于大容量应用场合，已引起广泛关注。

链式BESS各个储能单元具有独立的直流母线，由于各级联H桥模块直流侧等效并联损耗的不同、储能电池组初始荷电状态存在差异、各储能单元驱动脉冲存在细微差异、电网的不对称故障等因素容易引起储能电池组荷电状态的不均衡，荷电状态不均衡将导致储能电池容量不能得到充分利用，在某些电池组出现过充或过放现象后，系统将退出运行，影响储能系统的可靠性和电池使用寿命。传统的基于零序电压注入的相间荷电状态均衡方法受限于H桥直流侧电池组电压，在荷电状态不均衡程度较大时各模块输出电压将出现超调，荷电状态均衡能力较弱；而传统的基于负序电压或者负序电流注入的均衡方法对储能系统输出性能及电能质量影响较大。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提出了一种有利于提升储能系统的荷电状态均衡能力，同时兼顾储能系统的输出性能和电能质量的链式电池储能系统及其工作方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种链式电池储能系统，包括：A相功率组件，A相功率组件与三相电源的A相连接，A相功率组件包括多个连接的A相功率单元；

B相功率组件，B相功率组件与三相电源的B相连接，B相功率组件包括多个连接的B相功率单元；

C相功率组件，C相功率组件与三相电源的C相连接，C相功率组件包括多个连接的C相功率单元；其中

A相功率单元、B相功率单元及C相功率单元相互连接。

优选地，A相功率单元包括相互连接的A相功率模块及A相电池模块，多个A相功率模块级联；

B相功率单元包括相互连接的B相功率模块及B相电池模块，多个B相功率模级联；

C相功率单元包括相互连接的C相功率模块及C相电池模块，多个C相功率模块级联；其中

A相功率模块、B相功率模块及C相功率模块相同，A相电池模块、B相电池模块及C相电池模块相同。

优选地，A相功率组件中末端的A相功率单元的A相功率模块、B相功率组件中末端的B相功率单元的B相功率模块与C相功率组件中末端的C相功率单元的C相功率模块相互连接。

优选地，A相功率组件中首端的A相功率单元的A相功率模块通过A相滤波电感、A相预充电装置及A相交流熔断器与三相电源的A相连接；

B相功率组件中首端的B相功率单元的B相功率模块通过B相滤波电感、B相预充电装置及B相交流熔断器与三相电源的B相连接；

C相功率组件中首端的C相功率单元的C相功率模块通过C相滤波电感、C相预充电装置及C相交流熔断器与三相电源的C相连接；

优选地，A相功率模块包括A相H桥功率器件、A相驱动电路、A相母线电容、A相直流熔断器及A相电池侧预充电装置；

B相功率模块包括B相H桥功率器件、B相驱动电路、B相母线电容、B相直流熔断器及B相电池侧预充电装置；

C相功率模块包括C相H桥功率器件、C相驱动电路、C相母线电容、C相直流熔断器及C相电池侧预充电装置。

一种链式电池储能系统的工作方法，包括如下步骤：

步骤1，进行复合荷电状态均衡控制；

步骤2，对正序电流进行解耦控制。

优选地，步骤1包括：

步骤1.1，获得零序电压的有效值U₀及相位θ₀和负序电压的有效值U_n及相位θ_n；

步骤1.2，获得零序电压注入系数m和负序电压注入系数n。

优选地，步骤1.1中，零序电压的有效值U₀及相位θ₀满足：

负序电压的有效值U_n及相位θ_n满足：

其中，ΔP_a为复合荷电状态均衡控制在A相上均衡的功率，ΔP_b为复合荷电状态均衡控制在B相上均衡的功率，ΔP_c为复合荷电状态均衡控制在C相上均衡的功率，ΔSOC_a为A相荷电状态的不均衡程度，ΔSOC_b为B相荷电状态的不均衡程度，ΔSOC_c为C相荷电状态的不均衡程度，λ为相间荷电状态的均衡系数，P_nom为链式电池储能系统的额定功率，I_p为变换器输出正序基波电流的有效值，为变换器输出正序基波电流的相位，U_p为变换器输出正序电压的有效值，L_s为滤波电感和电网内部电感之和，ω为电网角频率。

优选地，步骤1.2中，0≤m且n≤1且m+n＝1且0≤mn≤0.25。

优选地，步骤2中，若U₀满足U₀＜U_0max，则m＝1且n＝0；

若U₀满足U₀＞U_0max，则

其中，U_0max为保证链式变换器不出现超调的情况下所允许注入的零序电压有效值的最大值，U_0max满足：

其中，E为A相电池模块或B相电池模块或C相电池模块的电压，为电网A相电压相角，为电网B相电压相角，为电网C相电压相角，U_sa为电网A相电压的有效值，U_sb为电网B相电压的有效值，U_sc为电网C相电压的有效值，θ₀为零序电压的相位，N为级联模块个数。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：将零序电压注入均衡法和负序电压注入均衡法相结合，此种发明方法不仅荷电状态均衡能力强，而且均衡过程能够平滑过渡，对系统造成的扰动小，很好的兼顾了储能系统的输出性能和相间荷电状态均衡能力，对电能质量造成的影响较小。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。

图1为本发明一实施例中链式电池储能系统结构图；

图2为本发明链式电池储能系统复合荷电状态均衡控制策略下系统的整体控制框图。

图中：

1-三相电源 2-A相功率模块 3-A相电池模块

4-B相功率模块 5-B相电池模块 6-C相功率模块

7-C相电池模块 8-A相滤波电感 9-A相预充电装置

10-A相交流熔断器 11-B相滤波电感 12-B相预充电装置

13-B相交流熔断器 14-C相滤波电感 15-C相预充电装置

16-C相交流熔断器

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1，为本发明一实施例中链式电池储能系统拓扑结构图，每一相由N个功率单元(A相功率单元、B相功率单元及C相功率单元)级联而成，每个功率模块主要由H桥功率器件及其驱动电路、母线电容、直流熔断器、电池侧预充电装置组成，在H桥功率模块直流侧通过高压电缆与电池模块进行连接，即，A相功率模块2包括A相H桥功率器件、A相驱动电路、A相母线电容、A相直流熔断器及A相电池侧预充电装置，每个A相功率模块2都连接一个A相电池模块3；B相功率模块4包括B相H桥功率器件、B相驱动电路、B相母线电容、B相直流熔断器及B相电池侧预充电装置，每个B相功率模块4都连接一个B相电池模块5；C相功率模块6包括C相H桥功率器件、C相驱动电路、C相母线电容、C相直流熔断器及C相电池侧预充电装置，每个C相功率模块6都连接一个C相电池模块7。链式变换器在交流侧通过滤波电感(A相滤波电感8、B相滤波电感11及C相滤波电感14)、预充电装置(A相预充电装置9、B相预充电装置12及C相预充电装置15)以及交流熔断器(A相交流熔断器10、B相交流熔断器13及C相交流熔断器16)直接接入中高压三相电源1。图中v_sa、v_sb、v_sc为三相电源1的电压，v_a、v_b、v_c为链式变换器输出电压，i_a、i_b、i_c为变换器输出电流。

参照图2，为本发明一实施例中链式电池储能系统复合相间荷电状态均衡控制策略下系统的整体控制框图。整体控制策略主要包含两大部分，一是正序电流解耦控制，二是复合荷电状态均衡控制策略。图中θ为锁相环输出角度，P₀,Q₀为系统有功功率及无功功率给定值，和分别为系统输出三相电流正序分量和负序分量在dq旋转坐标系下的分解值，v_sd,v_sq为电网电压在dq旋转坐标系下的分解值，为在dq旋转坐标系下电流正序分量给定参考值，SOC_BESS为链式储能系统三相间荷电状态的平均值，SOC_j(j＝a,b,c)为各相荷电状态平均值,P_nom为链式储能系统的额定功率，λ为相间荷电状态均衡系数，ΔP_j为复合电荷状态均衡控制策略需要在各相上均衡的功率，I_p、为变换器输出正序基波电流有效值及相位，U_p为变换器输出正序电压有效值，E、V_sj分别为电池模块电压、电网电压相角和电网电压有效值，U₀、θ₀为根据式(1)计算所得零序电压有效值及相位，U_n、θ_n为根据式(2)计算所得负序电压有效值及相位。其中ΔSOC_j为各相荷电状态不均衡程度，式(2)中L_s为滤波电感和电网内部电感之和，ω为电网角频率。

此控制策略包括以下步骤：

步骤一：零序电压和负序电压计算

通过各相功率差值ΔP_j来分别计算均衡相间荷电状态所需的零序电压和负序电压，因此零序电压和负序电压的计算相互独立，可同时计算。

步骤二：注入系数确定

引入零序电压注入系数m和负序电压注入系数n，将计算后的零序电压和负序电压分别与各自注入系数相乘后同时注入，叠加在正序电流解耦控制策略所产生的参考电压上。为了能够保证在同时注入零序电压和负序电压以后链式BESS输出电压和电流仍在合理范围之内，m,n的取值范围应该满足0≤m,n≤1，另外为保证所提复合荷电状态均衡控制策略与单独注入零序电压或者负序电压所产生的功率波动值ΔP_j相同，则注入系数应满足m+n＝1，则0≤mn≤0.25，因此零序电压和负序电流耦合产生的功率可忽略不计。

在此复合控制策略中，注入系数的取值由相间荷电状态不均衡程度大小决定。由于零序电压注入法调节能力较弱，但不会对电能质量和装置输出性能产生任何影响，因此在相间荷电状态不均衡程度较小时，若此时计算所得零序电压有效值U₀若满足U₀＜U_0max，则在零序电压均衡能力范围之内，为了不影响装置的输出性能和电能质量，则可选择只注入零序电压进行均衡，此时注入系数m＝1,n＝0。其中U_0max为保证链式变换器不出现超调的情况下所允许注入的零序电压有效值的最大值,其计算方法如式(3)所示，E、U_sj分别为电池模块电压、电网电压相角和电网电压有效值，θ₀为计算所得零序电压相位，N为级联模块个数。

在相间荷电状态不均衡程度较大时，若计算所得零序电压有效值U₀＞U_0max，此时为了可以充分利用零序电压进行均衡，则可以注入能够允许注入的最大零序电压，显然如果只注入零序电压，此时零序电压幅值受到限制，均衡能力较弱，满足不了系统要求，则可以通过配合注入负序电压来增强相间电荷状态均衡能力。此时均衡系数的选取原则如式(4)所示

步骤三：复合均衡实现

注入系数确定后，应验证由注入负序电压所产生的负序电流值是否在合理范围内，产生负序电流后要使系统能够正常工作，则要保证系统输出最大电流小于装置的额定电流；另一方面由于电网阻抗的存在，负序电流引入电网会在电网中产生负序电压，引起电网电压不平衡，国家标准规定，电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过2％。若负序电流值在合理范围内，则将计算后的零序电压和负序电压分别与各自注入系数相乘后同时注入，叠加在正序电流解耦控制策略所产生的参考电压上。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种链式电池储能系统，其特征在于，包括：

A相功率组件，A相功率组件与三相电源的A相连接，A相功率组件包括多个连接的A相功率单元；

B相功率组件，B相功率组件与三相电源的B相连接，B相功率组件包括多个连接的B相功率单元；

C相功率组件，C相功率组件与三相电源的C相连接，C相功率组件包括多个连接的C相功率单元；其中

A相功率单元、B相功率单元及C相功率单元相互连接。

2.根据权利要求1所述的链式电池储能系统，其特征在于，A相功率单元包括相互连接的A相功率模块及A相电池模块，多个A相功率模块级联；

B相功率单元包括相互连接的B相功率模块及B相电池模块，多个B相功率模级联；

C相功率单元包括相互连接的C相功率模块及C相电池模块，多个C相功率模块级联；其中

A相功率模块、B相功率模块及C相功率模块相同，A相电池模块、B相电池模块及C相电池模块相同。

3.根据权利要求2所述的链式电池储能系统，其特征在于，A相功率组件中末端的A相功率单元的A相功率模块、B相功率组件中末端的B相功率单元的B相功率模块与C相功率组件中末端的C相功率单元的C相功率模块相互连接。

4.根据权利要求3所述的链式电池储能系统，其特征在于，A相功率组件中首端的A相功率单元的A相功率模块通过A相滤波电感、A相预充电装置及A相交流熔断器与三相电源的A相连接；

B相功率组件中首端的B相功率单元的B相功率模块通过B相滤波电感、B相预充电装置及B相交流熔断器与三相电源的B相连接；

C相功率组件中首端的C相功率单元的C相功率模块通过C相滤波电感、C相预充电装置及C相交流熔断器与三相电源的C相连接。

5.根据权利要求4所述的链式电池储能系统，其特征在于，A相功率模块包括A相H桥功率器件、A相驱动电路、A相母线电容、A相直流熔断器及A相电池侧预充电装置；

B相功率模块包括B相H桥功率器件、B相驱动电路、B相母线电容、B相直流熔断器及B相电池侧预充电装置；

C相功率模块包括C相H桥功率器件、C相驱动电路、C相母线电容、C相直流熔断器及C相电池侧预充电装置。

6.一种链式电池储能系统的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，进行复合荷电状态均衡控制；

步骤2，对正序电流进行解耦控制。

7.根据权利要求6所述的链式电池储能系统的工作方法，其特征在于，步骤1包括：

步骤1.1，获得零序电压的有效值U₀及相位θ₀和负序电压的有效值U_n及相位θ_n；

步骤1.2，获得零序电压注入系数m和负序电压注入系数n。

8.根据权利要求7所述的链式电池储能系统的工作方法，其特征在于，步骤1.1中，零序电压的有效值U₀及相位θ₀满足：

负序电压的有效值U_n及相位θ_n满足：

其中，ΔP_a为复合荷电状态均衡控制在A相上均衡的功率，ΔP_b为复合荷电状态均衡控制在B相上均衡的功率，ΔP_c为复合荷电状态均衡控制在C相上均衡的功率，ΔSOC_a为A相荷电状态的不均衡程度，ΔSOC_b为B相荷电状态的不均衡程度，ΔSOC_c为C相荷电状态的不均衡程度，λ为相间荷电状态的均衡系数，P_nom为链式电池储能系统的额定功率，I_p为变换器输出正序基波电流的有效值，为变换器输出正序基波电流的相位，U_p为变换器输出正序电压的有效值，L_s为滤波电感和电网内部电感之和，ω为电网角频率。

9.根据权利要求8所述的链式电池储能系统的工作方法，其特征在于，步骤1.2中，0≤m且n≤1且m+n＝1且0≤mn≤0.25。

10.根据权利要求9所述的链式电池储能系统的工作方法，其特征在于，步骤2中，若U₀满足U₀＜U_0max，则m＝1且n＝0；

若U₀满足U₀＞U_0max，则

其中，U_0max为保证链式变换器不出现超调的情况下所允许注入的零序电压有效值的最大值，U_0max满足：

其中，E为A相电池模块或B相电池模块或C相电池模块的电压，为电网A相电压相角，为电网B相电压相角，为电网C相电压相角，U_sa为电网A相电压的有效值，U_sb为电网B相电压的有效值，U_sc为电网C相电压的有效值，θ₀为零序电压的相位，N为级联模块个数。