CN109728369B - 基于动力电池的链式储能系统的自适应控制方法及系统 - Google Patents

基于动力电池的链式储能系统的自适应控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于动力电池的链式储能系统的自适应控制方法及系统，根据链式储能系统中电池组的剩余容量或开路电压‑荷电状态曲线得到电池组瞬时荷电状态；根据电池组瞬时荷电状态和有效量得到链式储能系统中各个功率模块的功率分配系数，及各个功率模块在充放电过程中需要承担的功率；采用链式变换器整体功率‑电流双闭环控制系统进行链式变换器的上层整体控制；在链式储能系统中各相第2～n个功率模块中引入n‑1个功率闭环控制模块功率，第2～n个功率模块调制波相位与各相参考电压相同，各相第1个功率模块的调制波由总调制波减去第2～n个功率模块调制波之和得到。在电池组参数差异较大的情况下仍能使各电池组同时达到设定的充放电截止状态，各功率模块实现独立的控制。

Description

基于动力电池的链式储能系统的自适应控制方法及系统
技术领域
本发明涉及电气自动化设备技术领域，具体地，涉及基于动力电池的链式储能系统的自适应控制方法及系统。
背景技术
电池成本高是制约电池储能在电网中规模化应用的重要因素之一。然而近年来随着国内外电动汽车的推广和应用，未来几年将有大批车用动力电池达到使用寿命而退役，退役动力电池的荷电能力一般为原始容量的80％左右，仍具有可观的利用价值。
研究如何于储能系统对退役动力电池进行再利用，即能延长电池的全周期寿命，缓解大量退役动力电池回收处理的压力；也有助于降低电池储能系统的初始成本，对于推动电池储能系统在电力系统领域的大规模应用具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于动力电池的链式储能系统的自适应控制方法及系统。
根据本发明提供的一种基于动力电池的链式储能系统的自适应控制方法，包括：
动力电池组参数在线估计步骤：根据链式储能系统中电池组的剩余容量或开路电压-荷电状态曲线得到电池组瞬时荷电状态；
分布式功率分配步骤：根据电池组瞬时荷电状态和有效容量得到链式储能系统中各个功率模块的功率分配系数，及各个功率模块在充放电过程中需要承担的功率；
上层整体控制步骤：采用链式变换器整体功率-电流双闭环控制系统进行链式变换器的上层整体控制；
底层功率模块功率闭环控制步骤：在链式储能系统中各相第2～n个功率模块中引入n-1个功率闭环控制模块功率，第2～n个功率模块调制波相位与各相参考电压相同，各相第1个功率模块的调制波由总调制波减去第2～n个功率模块调制波之和得到。
较佳的，所述链式储能系统包括a、b、c三相，每一相由n个功率模块级联而成，每个所述功率模块包括H桥功率器件。
较佳的，所述功率模块的直流侧通过电缆与动力电池进行连接，交流侧通过滤波电感、交流熔断器直接接入电网。
较佳的，所述电池组瞬时荷电状态包括：
Figure BDA0001916173650000021
其中，SOC为电池组瞬时荷电状态，Qe为有效容量，Qr为剩余容量。
较佳的，所述功率分配系数包括：
Figure BDA0001916173650000022
其中，ωkj为第k相第j个功率模块的功率分配系数(k＝a,b,c；j＝1,2,…n)。SOCkj和Qekj分别为第k相第j个功率模块的荷电状态和有效容量。
根据本发明提供的一种基于动力电池的链式储能系统的自适应控制系统，包括：
动力电池组参数在线估计模块：根据链式储能系统中电池组的剩余容量或开路电压-荷电状态曲线得到电池组瞬时荷电状态；
分布式功率分配模块：根据电池组瞬时荷电状态和有效容量得到链式储能系统中各个功率模块的功率分配系数，及各个功率模块在充放电过程中需要承担的功率；
上层整体控制模块：采用链式变换器整体功率-电流双闭环控制系统进行链式变换器的上层整体控制；
底层功率模块功率闭环控制模块：在链式储能系统中各相第2～n个功率模块中引入n-1个功率闭环控制模块功率，第2～n个功率模块调制波相位与各相参考电压相同，各相第1个功率模块的调制波由总调制波减去第2～n个功率模块调制波之和得到。
较佳的，所述链式储能系统包括a、b、c三相，每一相由n个功率模块级联而成，每个所述功率模块包括H桥功率器件。
较佳的，所述功率模块的直流侧通过电缆与动力电池进行连接，交流侧通过滤波电感、交流熔断器直接接入电网。
较佳的，所述电池组瞬时荷电状态包括：
Figure BDA0001916173650000031
其中，SOC为电池组瞬时荷电状态，Qe为有效容量，Qr为剩余容量。
较佳的，所述功率分配系数包括：
Figure BDA0001916173650000032
其中，ωkj为第k相第j个功率模块的功率分配系数(k＝a，b,c；j＝1,2,…n)。SOCkj和Qekj分别为第k相第j个功率模块的荷电状态和有效容量。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
在动力电池组初始状态及有效容量等参数差异较大的情况下仍能使各电池组同时达到设定的充电或放电截止状态，各功率模块之间能够实现独立的功率控制，避免过充过放现象的发生，使各电池组容量能够得到充分利用。此外此控制策略能够根据实时监测得到的电池组参数做出相应调整，对电池组参数变化及动态运行工况的适应性更强。本发明可选择外观完好、没有破损、各功能元件有效的退役动力电池模组将其直接接入级联H桥直流侧，不仅避免了复杂的筛选重组过程，而且对各模组电压要求不高，模组内要求串联的电池单元数量少，可极大提高各级联功率单元的可靠性。
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为本发明的链式储能系统结构图；
图2为本发明的流程图；
图3为本发明的整体控制框图。
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。
如图1所示，本发明一实施例中基于动力电池的链式电池储能系统拓扑结构图，每一相由n个功率模块级联而成，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。在功率模块直流侧通过高压电缆与电池模块进行连接。交流侧通过滤波电感Ls、交流熔断器直接接入中高压电网。图中vsa、vsb、vsc为三相电网电压，va、vb、vc为链式变换器输出电压，ia、ib、ic为变换器输出电流。vkj、vbkj、idkj、ickj、ibkj分别为第k相第j个功率单元的交流侧输出电压、电池模块电压、直流侧电流、电容电流及电池模块电流(k＝a，b,c；j＝1,2,…n)。
如图2和图3所示，本发明提供的一种基于动力电池的链式储能系统的自适应控制方法，包括四个部分。动力电池组参数在线估计、分布式功率分配、上层整体控制和底层功率模块功率闭环控制。
动力电池组参数在线估计步骤：根据链式储能系统中电池组的剩余容量或开路电压-荷电状态曲线得到电池组瞬时荷电状态；
分布式功率分配步骤：根据电池组瞬时荷电状态和有效容量得到链式储能系统中各个功率模块的功率分配系数，及各个功率模块在充放电过程中需要承担的功率；
上层整体控制步骤：采用链式变换器整体功率-电流双闭环控制系统进行链式变换器的上层整体控制；
底层功率模块功率闭环控制步骤：在链式储能系统中各相第2～n个功率模块中引入n-1个功率闭环控制模块功率，第2～n个功率模块调制波相位与各相参考电压相同，各相第1个功率模块的调制波由总调制波减去第2～n个功率模块调制波之和得到。
动力电池组参数在线估计包括电池组的内阻Z、开路电压(OpenCircuitvoltage,OCV)、有效容量Qe、荷电状态(State of Charge，SOC)等。电池组SOC根据有效容量重新定义得到，而非通常的根据额电池组定容量定义得到的SOC。重新定义后的SOC如式(1)所示，其中Qr为电池组剩余容量。OCV-SOC曲线中对应的SOC也为重新定义后的SOC。
Figure BDA0001916173650000041
基于在线估计得到的电池组有效容量或根据OCV-SOC曲线估计得到的重新定义的电池组瞬时SOC信息可以得到链式储能系统中第k相第j个功率单元的功率分配系数ωkj，如式(2)所示
Figure BDA0001916173650000051
其中，SOCkj和Qekj分别为第k相第j个功率模块的荷电状态和有效容量。
则各功率单元在充放电过程中需要承担的功率
Figure BDA0001916173650000053
如式(3)所示，其中P*为链式SPBESS三相总参考有功功率。
Figure BDA0001916173650000052
链式变换器的上层整体控制通过功率-电流双闭环控制系统实现，能够精准控制整个系统的充放电功率。控制系统外环为功率环，内环为电流环，外环功率环的给定值为链式SPBESS三相总参考有功功率P*与无功功率Q*，外环功率环调节器输出为内环电流环的给定值
Figure BDA0001916173650000054
在dq同步旋转坐标系下通过对交流电流dq轴分量id、iq的解耦控制产生变换器各相交流侧输出电压的参考量vk，除以各相电池组的平均电压
Figure BDA0001916173650000055
得到各相总的调制波Stotalk。以上为链式变换器的上层总体控制，可控制系统的充放电状态及功率。而退役动力电池组有效容量等参数差异较大且在使用过程中受各种因素的影响，导致容量衰退轨迹不一致，各功率模块需要承担的功率不同，为实现对各功率模块充放电功率的差异化控制，在各相第2～n个功率模块中引入n-1个功率闭环控制模块功率，各功率闭环控制器输出为功率模块的调制波幅值
Figure BDA0001916173650000056
为防止超调，其取值范围为[-1,1]，由积分限幅器来保证调制信号不出现超调。模块调制波相位与各相参考电压相同。各相第一个模块的调制波由总调制波减去第2～n个模块调制波之和得到，以上为链式变换器的底层功率单元功率闭环控制。此自适应控制策略不仅能够实现各相内H桥功率单元的独立功率控制，不会引发系统的稳定性问题，且能够快速跟随电池参数变化而对控制策略做出调整，适应性强。
在上述一种基于动力电池的链式储能系统的自适应控制方法的基础上，本发明还提供一种基于动力电池的链式储能系统的自适应控制系统，包括：
动力电池组参数在线估计模块：根据链式储能系统中电池组的剩余容量或开路电压-荷电状态曲线得到电池组瞬时荷电状态；
分布式功率分配模块：根据电池组瞬时荷电状态和有效容量得到链式储能系统中各个功率模块的功率分配系数，及各个功率模块在充放电过程中需要承担的功率；
上层整体控制模块：采用链式变换器整体功率-电流双闭环控制系统进行链式变换器的上层整体控制；
底层功率模块功率闭环控制模块：在链式储能系统中各相第2～n个功率模块中引入n-1个功率闭环控制模块功率，第2～n个功率模块调制波相位与各相参考电压相同，各相第1个功率模块的调制波由总调制波减去第2～n个功率模块调制波之和得到。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
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)

1.一种基于动力电池的链式储能系统的自适应控制方法，其特征在于，包括：
动力电池组参数在线估计步骤：根据链式储能系统中电池组的剩余容量或开路电压-荷电状态曲线得到电池组瞬时荷电状态；
分布式功率分配步骤：根据电池组瞬时荷电状态和有效容量得到链式储能系统中各个功率模块的功率分配系数，及各个功率模块在充放电过程中需要承担的功率；
上层整体控制步骤：采用链式变换器整体功率-电流双闭环控制系统进行链式变换器的上层整体控制；
底层功率模块功率闭环控制步骤：在链式储能系统中各相第2～n个功率模块中引入n-1个功率闭环控制模块功率，第2～n个功率模块调制波相位与各相参考电压相同，各相第1个功率模块的调制波由总调制波减去第2～n个功率模块调制波之和得到。
2.根据权利要求1所述的基于动力电池的链式储能系统的自适应控制方法，其特征在于，所述链式储能系统包括a、b、c三相，每一相由n个功率模块级联而成，每个所述功率模块包括H桥功率器件。
3.根据权利要求2所述的基于动力电池的链式储能系统的自适应控制方法，其特征在于，所述功率模块的直流侧通过电缆与动力电池进行连接，交流侧通过滤波电感、交流熔断器直接接入电网。
4.根据权利要求2所述的基于动力电池的链式储能系统的自适应控制方法，其特征在于，所述电池组瞬时荷电状态包括：
Figure FDA0002550558260000011
其中，SOC为电池组瞬时荷电状态，Qe为有效容量，Qr为剩余容量。
5.根据权利要求4所述的基于动力电池的链式储能系统的自适应控制方法，其特征在于，所述功率分配系数包括：
Figure FDA0002550558260000012
其中，ωkj为第k相第j个功率模块的功率分配系数，k＝a,b,c；j＝1,2,…n，SOCkj和Qekj分别为第k相第j个功率模块的荷电状态和有效容量。
6.一种基于动力电池的链式储能系统的自适应控制系统，其特征在于，包括：
动力电池组参数在线估计模块：根据链式储能系统中电池组的剩余容量或开路电压-荷电状态曲线得到电池组瞬时荷电状态；
分布式功率分配模块：根据电池组瞬时荷电状态和有效容量得到链式储能系统中各个功率模块的功率分配系数，及各个功率模块在充放电过程中需要承担的功率；
上层整体控制模块：采用链式变换器整体功率-电流双闭环控制系统进行链式变换器的上层整体控制；
底层功率模块功率闭环控制模块：在链式储能系统中各相第2～n个功率模块中引入n-1个功率闭环控制模块功率，第2～n个功率模块调制波相位与各相参考电压相同，各相第1个功率模块的调制波由总调制波减去第2～n个功率模块调制波之和得到。
7.根据权利要求6所述的基于动力电池的链式储能系统的自适应控制系统，其特征在于，所述链式储能系统包括a、b、c三相，每一相由n个功率模块级联而成，每个所述功率模块包括H桥功率器件。
8.根据权利要求7所述的基于动力电池的链式储能系统的自适应控制系统，其特征在于，所述功率模块的直流侧通过电缆与动力电池进行连接，交流侧通过滤波电感、交流熔断器直接接入电网。
9.根据权利要求7所述的基于动力电池的链式储能系统的自适应控制系统，其特征在于，所述电池组瞬时荷电状态包括：
Figure FDA0002550558260000021
其中，SOC为电池组瞬时荷电状态，Qe为有效容量，Qr为剩余容量。
10.根据权利要求9所述的基于动力电池的链式储能系统的自适应控制系统，其特征在于，所述功率分配系数包括：
Figure FDA0002550558260000022
其中，ωkj为第k相第j个功率模块的功率分配系数，k＝a,b,c；j＝1,2,…n，SOCkj和Qekj分别为第k相第j个功率模块的荷电状态和有效容量。
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Assignee: Shanghai Zhonglv New Energy Technology Co.,Ltd.

Assignor: SHANGHAI JIAO TONG University

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Denomination of invention: Adaptive Control Method and System of Chain Energy Storage System Based on Power Battery

Granted publication date: 20200904

License type: Common License

Record date: 20240401

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Assignor: SHANGHAI JIAO TONG University

Contract record no.: X2025980001087

Denomination of invention: Adaptive Control Method and System for Chain Energy Storage System Based on Power Battery

Granted publication date: 20200904

License type: Common License

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