CN110854947B - 混合储能型模块化多电平变换器电池荷电状态均衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种混合储能型模块化多电平变换器电池荷电状态均衡方法，根据储能型模块化多电平变换器中每个类全桥储能子模块电池的荷电状态与所有类全桥储能子模块电池的平均荷电状态相减，产生荷电状态控制信号，乘上比例系数后再与电池充电电流给定值和实际值的差叠加作为PI控制器的输入，PI控制器的输出作为调制信号修正值，叠加到类全桥储能子模块与电池相连半桥的调制信号的基准值上，其中调制信号基准值为电池电压与电容平均电压的比值，使每个类全桥储能子模块电池的荷电状态趋于一致。本发明能对类全桥储能子模块电池的荷电状态进行均衡控制，提高电池容量利用率，延长系统的使用寿命。

Description

混合储能型模块化多电平变换器电池荷电状态均衡方法
技术领域
本发明涉及电气自动化设备技术领域，具体地，涉及一种混合储能型模块化多电平变换器电池荷电状态均衡方法。
背景技术
在现有的技术中，具有储能功能的子模块将电池直接并联在子模块电容旁，使得电池承受一倍工频和二倍工频的脉动电流，对电池的高效运行和全寿命周期成本不利；同时，实际工况中子模块电容电压一般大于1500V电压等级，以锂离子电池为代表的高倍率电池，基于电池荷电状态均衡和故障保护的原因，从成本和安全考虑，很难达到如此高的串联电压。
公开号为106877713A的中国发明专利申请《一种具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑》，公开了一种具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑，其桥臂由半桥子模块与类全桥储能子模块串联而成。其具备直流侧故障穿越能力，在直流侧故障时仍然能够储能。
在混合储能型模块化多电平变换器中，由于电池特性不可避免地存在一些差异，导致各电池模组荷电状态不一致。混合储能型模块化多电平变换器的电池容量利用率受电池荷电状态最低的子模块的限制，保持各模块间荷电状态一致可以提高电池容量利用率。当各功率模块中电池模组的荷电状态不一致时，需要对各电池模组的荷电状态均衡控制。现有的荷电状态均衡控制方法通过改变差分电流的直流分量、改变差分电流的基频分量、在各模块参考电压中叠加单独的交流和直流电压分量的三级控制策略实现各电池模组的荷电状态均衡控制，仅适用于将电池直接并联在子模块电容旁的拓扑，对混合储能型模块化多电平变换器不适用。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种混合储能型模块化多电平变换器电池荷电状态均衡方法，是一种电池荷电状态均衡控制方法，该方法根据每个类全桥储能子模块电池的荷电状态与所有类全桥储能子模块电池的平均荷电状态相减，产生荷电状态控制信号，乘上比例系数后再与电池充电电流给定值和实际值的差叠加作为PI控制器的输入，PI控制器的输出叠加到类全桥储能子模块与电池相连半桥的调制信号上，使每个类全桥储能子模块电池(电池模组)的荷电状态趋于一致。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种混合储能型模块化多电平变换器电池荷电状态方法，包括：
将储能型模块化多电平变换器中每个类全桥储能子模块电池的荷电状态与所有类全桥储能子模块电池的平均荷电状态相减，得到的结果作为荷电状态控制信号；
获取电池充电电流给定值和实际值的差，将所述荷电状态控制信号乘上比例系数，再与所述电池充电电流给定值和实际值的差叠加，该叠加结果作为PI控制器的输入，PI控制器的输出作为调制信号修正值；
将所述调制信号修正值叠加到类全桥储能子模块与电池相连半桥的调制信号的基准值上，使每个类全桥储能子模块电池的荷电状态趋于一致，其中，所述调制信号基准值为电池电压与电容平均电压的比值。
优选地，所述混合储能型模块化多电平变换器包括三个相单元，每个相单元均包括上桥臂、下桥臂、上桥臂电感和下桥臂电感；其中：
所述上桥臂的正极端作为相单元的直流出线正极端；所述上桥臂的负极端与所述上桥臂电感的一端相连；所述上桥臂电感的另一端与所述下桥臂电感的一端相连后作为相单元的交流出线端，连接到电网；所述下桥臂电感的另一端与所述下桥臂的正极端相连；所述下桥臂的负极端作为相单元的直流出线负极端；
三个相单元中的所述上桥臂和所述下桥臂均由半桥子模块和类全桥储能子模块混合串联而成；
优选地，所述的半桥子模块，包括：第一直流电容器、第一可控开关器件、第二可控开关器件、第一续流二极管、第二续流二极管；其中：
所述第一可控开关器件、所述第二可控开关器件的集电极分别与所述第一续流二极管、所述第二续流二极管的阴极相连；所述第一可控开关器件、所述第二可控开关器件的发射极分别与所述第一续流二极管、所述第二续流二极管的阳极相连；所述第一可控开关器件的集电极与所述第一直流电容器的阳极相连；所述第二可控开关器件的发射极与所述第一直流电容器的阴极相连；所述第一可控器件，第二可控器件的栅极均与控制电路相连。
优选地，所述的类全桥储能子模块，包括：第二直流电容器，电池，电池电感，第三可控开关器件、第四可控开关器件、第五可控开关器件、第六可控开关器件，以及第三续流二极管、第四续流二极管、第五续流二极管、第六续流二极管；其中：
所述第三可控开关器件、所述第四可控开关器件、所述第五可控开关器件、所述第六可控开关器件的集电极分别与所述第三续流二极管、所述第四续流二极管、所述第五续流二极管、所述第六续流二极管的阴极相连；所述第三可控开关器件、所述第四可控开关器件、所述第五可控开关器件、所述第六可控开关器件的发射极分别与所述第三续流二极管、所述第四续流二极管、所述第五续流二极管、所述第六续流二极管的阳极相连；所述第三可控开关器件的集电极与所述第二直流电容器的阳极相连；所述第四可控开关器件的发射极与所述第二直流电容器、所述电池的阴极相连；所述第三可控开关器件的发射极作为类全桥储能子模块的正极端；所述第五可控开关器件的发射极与所述电池电感的一端相连并作为类全桥储能子模块的负极端；所述电池电感的另一端与所述电池的阳极相连；所述第三可控开关器件、所述第四可控开关器件、所述第五可控开关器件、所述第六可控开关器件的栅极均与控制电路相连。
优选地，所述第五可控开关器件和第六可控开关器件所在的半桥为类全桥储能子模块与电池相连半桥，所述第五可控开关器件和第六可控开关器件所在桥臂的调制信号为调制信号基准值与调制信号修正值的和。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种混合储能型模块化多电平变换器电池荷电状态均衡方法，可以为新能源系统增加惯性，并且储能所用的电池充放电电流平滑，电压等级较低，保障了电池的高效运行和安全性，通过改变与电池相连的半桥的调制信号，直接对类全桥储能子模块电池的荷电状态进行均衡控制，提高电池容量利用率，延长系统的使用寿命。
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提供的混合储能型模块化多电平变换器电路拓扑图；
图2为本发明一实施例中提供的半桥子模块电路图；
图3为本发明一实施例中提供的类全桥储能子模块电路图；
图4为本发明一实施例中提供的类全桥储能子模块电池荷电状态均衡闭环控制框图；
图5为本发明一实施例中提供的直流电网功率指令值；
图6为本发明一实施例中提供的交流电网功率指令值；
图7为本发明一实施例中提供的类全桥储能子模块电池荷电状态随时间变化的曲线。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明进行详细的说明。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，还可以做出若干变形和改进，这都属于本发明的保护范围。
本发明实施例所提供的一种混合储能型模块化多电平变换器电池荷电状态均衡方法，根据储能型模块化多电平变换器中每个类全桥储能子模块电池的荷电状态与所有类全桥储能子模块电池的平均荷电状态相减，产生荷电状态控制信号，乘上比例系数后再与电池充电电流给定值和实际值的差叠加作为PI控制器的输入，PI控制器的输出作为调制信号修正值，叠加到类全桥储能子模块与电池相连半桥的调制信号的基准值上，其中调制信号基准值为电池电压与电容平均电压的比值，使每个类全桥储能子模块电池(电池模组)的荷电状态趋于一致。
其中，所述比例系数通过以下方式确定：
将均衡系数乘上储能型模块化多电平变换器额定有功功率Pnom再除以类全桥储能子模块电池电压Vbat，其中均衡系数根据储能型模块化多电平变换器的实际情况确定。
进一步地，所述储能型模块化多电平变换器包括三个相单元，每个相单元均包括上桥臂、下桥臂、上桥臂电感、下桥臂电感；所述上桥臂的正极端作为相单元的直流出线正极端；所述上桥臂的负极端与所述上桥臂电感的一端相连；所述上桥臂电感的另一端与所述下桥臂电感的一端相连，作为相单元的交流出线端，连接到交流电网；所述下桥臂电感的另一端与所述下桥臂的正极端相连；所述下桥臂的负极端作为相单元的直流出线负极端；三个相单元中的所述上桥臂、所述下桥臂均由半桥子模块和类全桥储能子模块混合串联而成；
进一步地，所述的半桥子模块，包括：第一直流电容器、第一可控开关器件、第二可控开关器件、第一续流二极管、第二续流二极管；其中：
所述第一可控开关器件、所述第二可控开关器件的集电极分别与所述第一续流二极管、所述第二续流二极管的阴极相连；所述第一可控开关器件、所述第二可控开关器件的发射极分别与所述第一续流二极管、所述第二续流二极管的阳极相连；所述第一可控开关器件的集电极与所述第一直流电容器的阳极相连；所述第二可控开关器件的发射极与所述第一直流电容器的阴极相连；所述第一可控器件，第二可控器件的栅极均与控制电路相连。
进一步地，所述的类全桥储能子模块，包括：第二直流电容器，电池，电池电感，第三可控开关器件、第四可控开关器件、第五可控开关器件、第六可控开关器件，以及第三续流二极管、第四续流二极管、第五续流二极管、第六续流二极管；其中：
所述第三可控开关器件、所述第四可控开关器件、所述第五可控开关器件、所述第六可控开关器件的集电极分别与所述第三续流二极管、所述第四续流二极管、所述第五续流二极管、所述第六续流二极管的阴极相连；所述第三可控开关器件、所述第四可控开关器件、所述第五可控开关器件、所述第六可控开关器件的发射极分别与所述第三续流二极管、所述第四续流二极管、所述第五续流二极管、所述第六续流二极管的阳极相连；所述第三可控开关器件的集电极与所述第二直流电容器的阳极相连；所述第四可控开关器件的发射极与所述第二直流电容器、所述电池的阴极相连；所述第三可控开关器件的发射极作为类全桥储能子模块的正极端；所述第五可控开关器件的发射极与所述电池电感的一端相连并作为类全桥储能子模块的负极端；所述电池电感的另一端与所述电池的阳极相连；所述第三可控开关器件、所述第四可控开关器件、所述第五可控开关器件、所述第六可控开关器件的栅极均与控制电路相连。
进一步地，所述第五可控开关器件、第六可控开关器件所在的半桥为类全桥储能子模块与电池相连半桥，所述第五可控开关器件、第六可控开关器件所在桥臂的调制信号为调制信号基准值与调制信号修正值的和。
本发明实施例所提供的混合储能型模块化多电平变换器电池荷电状态均衡方法，根据储能型模块化多电平变换器中每个类全桥储能子模块电池的荷电状态与所有类全桥储能子模块电池的平均荷电状态相减，产生荷电状态控制信号，乘上比例系数后再与电池充电电流给定值和实际值的差叠加作为PI控制器的输入，PI控制器的输出叠加到类全桥储能子模块与电池相连半桥的调制信号上。其中，类全桥储能子模块的第五可控开关器件、第六可控开关器件所在桥臂的调制信号为调制信号基准值与调制信号修正值的和。其中调制信号基准值为电池电压与电容平均电压的比值，调制信号修正值为PI控制器的输出。
在本发明实施例中，PI控制器是实现整个均衡方法的控制方案的一部分，控制电路是用于实现控制方案的硬件电路。
下面结合附图，对本发明实施例所提供的技术方案进一步详细描述。
如图1所示，为本发明一优选实施例所提供的混合储能型模块化多电平变换器电路拓扑图；所述混合储能型模块化多电平变换器包括三个相单元，每个相单元x(x＝a，b，c)均包括上桥臂、下桥臂、上桥臂电感Lxp、下桥臂电感Lxn；所述上桥臂的正极端作为相单元的直流出线正极端；所述上桥臂的负极端与所述上桥臂电感Lxp的一端相连；所述上桥臂电感Lxp的另一端与所述下桥臂电感Lxn的一端相连，作为相单元的交流出线端Vx，连接到电网；所述下桥臂电感的另一端与所述下桥臂的正极端相连；所述下桥臂Lxn的负极端作为相单元的直流出线负极端；三个相单元中的所述上桥臂、所述下桥臂均由半桥子模块和类全桥储能子模块混合串联而成。子模块xyi(x＝a，b，c，y＝p，n，i＝1，2……N；其中p代表上，n代表下)代表x相y桥臂的第i个子模块，ix指x相交流侧电流，ixy指x相y桥臂的电流，Vxy指x相y桥臂所有子模块输出的电压和，Id指直流侧电流，Vdc指直流侧电压。
如图2所示，为本发明一优选实施例所提供的半桥子模块电路图；所述的半桥子模块，包括：第一直流电容器C1，第一可控开关器件S1、第二可控开关器件S2，以及第一续流二极管D1、第二续流二极管D2；其中：
所述第一可控开关器件S1的集电极、所述第二可控开关器件S2的集电极分别与所述第一续流二极管D1的阴极、所述第二续流二极管D2的阴极相连；所述第一可控开关器件S1的发射极、所述第二可控开关器件S2的发射极分别与所述第一续流二极管D1的阳极、所述第二续流二极管D2的阳极相连；所述第一可控开关器件S1的集电极还与所述第一直流电容器C1的阳极相连；所述第二可控开关器件S1的发射极还与所述第一直流电容器C1的阴极相连；所述第一可控开关器件S1的栅极、第二可控开关器件S2的栅极均与控制电路相连。
如图3所示，为本发明一优选实施例所提供的类全桥储能子模块电路图；所述的类全桥储能子模块，包括：第二直流电容器C2，电池，电池电感L，第三可控开关器件S3、第四可控开关器件S4、第五可控开关器件S5、第六可控开关器件S6，以及第三续流二极管D3、第四续流二极管D4、第五续流二极管D5、第六续流二极管D6；其中：
所述第三可控开关器件S3的集电极、所述第四可控开关器件S4的集电极、所述第五可控开关器件S5的集电极、所述第六可控开关器件S6的集电极分别与所述第三续流二极管D3的阴极、所述第四续流二极管D4的阴极、所述第五续流二极管D5的阴极、所述第六续流二极管D6的阴极相连；所述第三可控开关器件S3的发射极、所述第四可控开关器件S4的发射极、所述第五可控开关器件S5的发射极、所述第六可控开关器件S6的发射极分别与所述第三续流二极管D3的阳极、所述第四续流二极管D4的阳极、所述第五续流二极管D5的阳极、所述第六续流二极管D6的阳极相连；所述第三可控开关器件S3的集电极还与所述第二直流电容器C2的阳极相连；所述第四可控开关器件S4的发射极还与所述第二直流电容器C2的阴极、所述电池的阴极相连；所述第三可控开关器件S3的发射极还作为所述类全桥储能子模块的正极端；所述第五可控开关器件S5的发射极还与所述电池电感L的一端相连并作为所述类全桥储能子模块的负极端；所述电池电感L的另一端与所述电池的阳极相连；所述第三可控开关器件S3的栅极、所述第四可控开关器件S4的栅极、所述第五可控开关器件S5的栅极、所述第六可控开关器件S6的栅极均与控制电路相连。
如图4所示，为本发明一优选实施例所提供的类全桥储能子模块电池荷电状态均衡闭环控制框图；根据每个类全桥储能子模块电池的荷电状态SOCi与所有类全桥储能子模块电池的平均荷电状态
Figure BDA0002255338150000081
相减，产生荷电状态控制信号，乘上比例系数后得到
Figure BDA0002255338150000082
再与电池充电电流给定值
Figure BDA0002255338150000083
和实际值Ibati的差叠加作为PI控制器的输入，PI控制器的输出Δmbi叠加到类全桥储能子模块与电池相连半桥的调制信号mb *上。第五、第六可控开关器件所在桥臂的调制信号mbi为调制信号基准值mb *与调制信号修正值Δmbi的和。其中调制信号基准值mb *为电池电压与电容平均电压的比值，调制信号修正值Δmbi为PI控制器的输出。
如图5所示，为本发明一优选实施例所提供的直流电网功率指令值Pdc_ref；在T0时刻至中间某一时刻，直流电网的功率指令值Pdc_ref为负，表示直流电网吸收功率，在中间某一时刻至T1时刻，直流电网的功率指令值Pdc_ref为正，表示直流电网发出功率。
如图6所示，为本发明一优选实施例所提供的交流电网功率指令值Pac_ref；交流电网的功率指令值Pac_ref为正，表示交流电网发出有功功率。
如图7所示，为本发明一优选实施例所提供的类全桥储能子模块电池荷电状态随时间变化的曲线；由直流电网功率指令值Pdc_ref和交流电网功率指令值Pac_ref，可得每个电池模组的充电电流给定值
Figure BDA0002255338150000084
Figure BDA0002255338150000085
其中Nf为每个桥臂类全桥储能子模块，Vbat为电池模组电压。
根据每个类全桥储能子模块电池荷电状态SOCi和所有类全桥储能子模块电池的平均荷电状态
Figure BDA0002255338150000086
可得每个电池模组的充电电流给定值的修正值
Figure BDA0002255338150000087
Figure BDA0002255338150000088
其中γ为均衡系数，Pnom为储能型模块化多电平变换器额定有功功率。
对电池充电电流给定值进行修正可以使需要多储能或多放能的电池的电流给定值高于需要少储能或少放能的电池。选取适当的均衡系数γ，即可使荷电状态高的电池在充电过程中少充电，在放电过程中多放电；使荷电状态低的电池在充电过程中多充电，在放电过程中少放电，使每个电池模组的荷电状态趋于一致。
本发明上述实施例所提供的混合储能型模块化多电平变换器电池荷电状态均衡方法。所述模块化多电平变换器包括三个相单元，每个相单元包括上桥臂、下桥臂、上桥臂电感、下桥臂电感，上、下桥臂均由半桥子模块和类全桥储能子模块混合串联而成。所述方法根据每个类全桥储能子模块电池的荷电状态与所有类全桥储能子模块电池的平均荷电状态相减，产生荷电状态控制信号，乘上比例系数后再与电池充电电流给定值和实际值的差叠加作为PI控制器的输入，PI控制器的输出叠加到类全桥储能子模块与电池相连半桥的调制信号上，使每个类全桥储能子模块电池的荷电状态趋于一致。上述混合储能型模块化多电平变换器可以为新能源系统增加惯性，并且储能所用的电池充放电电流平滑，电压等级较低，保障了电池的高效运行和安全性。本发明所提供的方法能对类全桥储能子模块电池的荷电状态进行均衡控制，提高电池容量利用率，延长系统的使用寿命。
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形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种混合储能型模块化多电平变换器电池荷电状态均衡方法，其特征在于：包括：
将储能型模块化多电平变换器中每个类全桥储能子模块电池的荷电状态与所有类全桥储能子模块电池的平均荷电状态相减，得到的结果作为荷电状态控制信号；
获取电池充电电流给定值和实际值的差，将所述荷电状态控制信号乘上比例系数，再与所述电池充电电流给定值和实际值的差叠加，该叠加结果作为PI控制器的输入，PI控制器的输出作为调制信号修正值；
将所述调制信号修正值叠加到类全桥储能子模块与电池相连半桥的调制信号的基准值上，使每个类全桥储能子模块电池的荷电状态趋于一致，其中，所述调制信号基准值为电池电压与电容平均电压的比值。
2.根据权利要求1所述的混合储能型模块化多电平变换器电池荷电状态均衡方法，其特征在于：所述储能型模块化多电平变换器包括三个相单元，其中每个相单元均包括：上桥臂、下桥臂、上桥臂电感和下桥臂电感；所述上桥臂的正极端作为相单元的直流出线正极端；所述上桥臂的负极端与所述上桥臂电感的一端相连；所述上桥臂电感的另一端与所述下桥臂电感的一端相连后作为相单元的交流出线端，连接到交流电网；所述下桥臂电感的另一端与所述下桥臂的正极端相连；所述下桥臂的负极端作为相单元的直流出线负极端；
三个相单元中的所述上桥臂和所述下桥臂均由半桥子模块和类全桥储能子模块混合串联而成。
3.根据权利要求2所述的混合储能型模块化多电平变换器电池荷电状态均衡方法，其特征在于：所述半桥子模块，包括：第一直流电容器、第一可控开关器件、第二可控开关器件、第一续流二极管和第二续流二极管；其中：
所述第一可控开关器件和所述第二可控开关器件的集电极分别与所述第一续流二极管和所述第二续流二极管的阴极相连；所述第一可控开关器件和所述第二可控开关器件的发射极分别与所述第一续流二极管和所述第二续流二极管的阳极相连；所述第一可控开关器件的集电极与所述第一直流电容器的阳极相连；所述第二可控开关器件的发射极与所述第一直流电容器的阴极相连；所述第一可控开关器件和第二可控开关器件的栅极均与控制电路相连。
4.根据权利要求1或2所述的混合储能型模块化多电平变换器电池荷电状态均衡方法，其特征在于：所述类全桥储能子模块，包括：第二直流电容器、电池、电池电感、第三可控开关器件、第四可控开关器件、第五可控开关器件、第六可控开关器件以及第三续流二极管、第四续流二极管、第五续流二极管和第六续流二极管；其中：
所述第三可控开关器件、所述第四可控开关器件、所述第五可控开关器件和所述第六可控开关器件的集电极分别与所述第三续流二极管、所述第四续流二极管、所述第五续流二极管和所述第六续流二极管的阴极相连；所述第三可控开关器件、所述第四可控开关器件、所述第五可控开关器件和所述第六可控开关器件的发射极分别与所述第三续流二极管、所述第四续流二极管、所述第五续流二极管和所述第六续流二极管的阳极相连；所述第三可控开关器件的集电极与所述第二直流电容器的阳极相连；所述第四可控开关器件的发射极与所述第二直流电容器和所述电池的阴极相连；所述第三可控开关器件的发射极作为类全桥储能子模块的正极端；所述第五可控开关器件的发射极与所述电池电感的一端相连并作为类全桥储能子模块的负极端；所述电池电感的另一端与所述电池的阳极相连；所述第三可控开关器件、所述第四可控开关器件、所述第五可控开关器件和所述第六可控开关器件的栅极均与控制电路相连。
5.根据权利要求4所述的混合储能型模块化多电平变换器电池荷电状态均衡方法，其特征在于：
所述第五可控开关器件和第六可控开关器件所在的半桥为类全桥储能子模块与电池相连半桥，所述第五可控开关器件和第六可控开关器件所在桥臂的调制信号为调制信号基准值与调制信号修正值的和。
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