CN110994659A - 一种储能系统串联下垂控制方法及系统 - Google Patents

一种储能系统串联下垂控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种储能系统串联下垂控制方法及系统，本发明包括以下步骤：根据每个电池功率模块的荷电状态以及储能系统给定的基准电流IH得到每个电池功率模块的基准电流IHi；根据每个电池功率模块的下垂系数ki和基准电流IHi，计算得到电池功率模块的输电电压占空比，改变电池功率模块输出电压；将每个电池功率模块的输出电压叠加形成串联总电压，并输出实际基准电流IHr。本发明实施例通过借助电力电子装置实现电池间接成组，将经典的并联下垂控制方案引入串联系统，通过无主从式串联下垂控制方法，实现单个电池功率模块独立充放电控制，降低了对退役电池利用的一致性要求以及提高了对于其剩余容量的利用率，充分发挥退运电池的剩余价值。

Description

一种储能系统串联下垂控制方法及系统
技术领域
本发明涉及锂电池储能技术领域，尤其涉及一种储能系统串联下垂控制方法及系统。
背景技术
电动汽车作为我国战略性新兴产业之一，对于缓解能源与环境压力具有十分重要的意义，是未来汽车工业发展的重要方向以及驱动技术的重大转型，针对能源安全、持续发展和产业结构升级问题的重要突破。为此，世界各国政府都对电动汽车发展给予重大支持，并制定了相关发展计划，其中动力电池是电动汽车的关键核心部件。随着电动汽车的大规模商业推广，大量的动力电池被淘汰而造成的资源浪费，让人们不得不给予高度重视。
虽然被淘汰的电池已经不能满足汽车的使用条件，但是仍然拥有一定的余能，其寿命并未完全终止，仍剩余较大的可用容量，可以参与平抑新能源发电波动、电网调峰调频、用户侧储能等，从而充分发挥其剩余价值，实现循环经济利益的最大化。
然而，在现有技术中，对退运电池梯次利用存在着电池一致性较差的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种储能系统串联下垂控制方法及系统，解决了目前对退运电池梯次利用存在着电池一致性较差的技术问题。
本发明提供的一种储能系统串联下垂控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：将至少两个电池功率模块和电抗器串联连接组成电池组，将至少两个电池组安装至储能系统之中；
步骤S2：根据每个电池功率模块的荷电状态以及储能系统给定的基准电流IH得到每个电池功率模块的基准电流IHi；
步骤S3：根据每个电池功率模块的下垂系数ki和基准电流IHi，计算得到电池功率模块的输电电压占空比，改变电池功率模块输出电压；
步骤S4：将每个电池功率模块的输出电压叠加形成串联总电压，并输出实际基准电流IHr。
优选的，在步骤S3中，通过下垂算法和电流闭环控制得到输出电压占空比。
优选的，下垂算法的计算过程如下：
Figure BDA0002342001150000021
其中Uoi表示第i个电池功率模块等效输出电压，ki为第i个电池功率模块的下垂系数，IHi为第i个电池功率模块基准电流，i＝1,2，……，N，N为自然数。
优选的，所述储能系统根据每个电池功率模块的荷电状态的不同，分配不同的基准电流IHi。
一种储能系统串联下垂控制系统，包括若干个电池功率模块、若干个电抗器以及组串控制器，所述若干个电池功率模块中的N个电池功率模块和若干个电抗器中的一个电抗器串联连接为一组电池组，系统包括有多组电池组，所述组串控制器的一端与每一组电池组的电池功率模块的一端相连接，组串控制器的另一端与每一组电池组的电抗器的一端相连接形成一个串联回路。
优选的，所述电池功率模块包括若干个电池单元以及若干个DC/DC变换器，每个电池单元的输出端与每个DC/DC变换器的输入端相连接，若干个DC/DC变换器的输出端相互串联连接后与电抗器相连接，每个电池单元的负极与组串控制器的一端相连接。
优选的，所述电池单元由电池PACK串并联组成。
优选的，所述DC/DC变换器上设置有电流/电压采样模块、电流/电压保护模块、通信模块以及控制模块，所述电流/电压采样模块、电流/电压保护模块、通信模块分别与控制模块相连接。
优选的，所述组串控制器为DC/AC双向变流器。
优选的，所述组串控制器与各个DC/DC变换器具有通讯连线。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明实施例通过借助电力电子装置实现电池间接成组，将经典的并联下垂控制方案引入串联系统，通过无主从式串联下垂控制方法，实现单个电池功率模块独立电流控制，降低了对退役电池利用的一致性要求。
本发明另一个实施例具有以下优点：
本发明实施例通过串联下垂实现了不同电池单元之间的独立功率控制，提升了退运电池的剩余容量的利用率，充分发挥退运电池的剩余价值，实现循环经济利益的最大化；并且能够简易实现退运电池模组级应用，降低退运电池梯次利用前期再成组成本，有利于进行工程化实现及推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种储能系统串联下垂控制方法及系统的方法流程图。
图2为本发明实施例提供的一种储能系统串联下垂控制方法及系统的系统框架图。
图3为本发明实施例提供的一种储能系统串联下垂控制方法及系统的控制框图。
图4为本发明实施例提供的一种储能系统串联下垂控制方法及系统的串联回路功率控制效果图。
图5为本发明实施例提供的一种储能系统串联下垂控制方法及系统的串联回路内电池功率模块独立控制效果图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种储能系统串联下垂控制方法及系统，解决了目前对退运电池梯次利用存在着电池一致性较差的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种储能系统串联下垂控制方法。
步骤S1：将至少两个电池功率模块和电抗器串联连接组成电池组，将至少两个电池组安装至储能系统之中；
步骤S2：根据每个电池功率模块的荷电状态以及储能系统给定的基准电流IH得到每个电池功率模块的基准电流IHi；
步骤S3：根据每个电池功率模块的下垂系数ki和基准电流IHi，计算得到电池功率模块的输电电压占空比，改变电池功率模块输出电压；
步骤S4：将每个电池功率模块的输出电压叠加形成串联总电压，并输出实际基准电流IHr。
作为一个优选的实施例，在步骤S3中，通过下垂算法和电流闭环控制得到输出电压占空比。
作为一个优选的实施例，下垂算法的计算过程如下：
Figure BDA0002342001150000041
其中Uoi表示第i个电池功率模块等效输出电压，ki为第i个电池功率模块的下垂系数，IHi为第i个电池功率模块基准电流，i＝1,2，……，N，N为自然数。
作为一个优选的实施例，所述储能系统根据每个电池功率模块的荷电状态的不同，分配不同的基准电流IHi。
如图2所示，一种储能系统串联下垂控制系统，包括若干个电池功率模块、若干个电抗器以及组串控制器，所述若干个电池功率模块中的N个电池功率模块和若干个电抗器中的一个电抗器串联连接为一组电池组，系统包括有多组电池组，所述组串控制器的一端与每一组电池组的电池功率模块的一端相连接，组串控制器的另一端与每一组电池组的电抗器的一端相连接形成一个串联回路。
作为一个优选的实施例，所述电池功率模块包括若干个电池单元以及若干个DC/DC变换器，每个电池单元的输出端与每个DC/DC变换器的输入端相连接，若干个DC/DC变换器的输出端相互串联连接后与电抗器相连接，每个电池单元的负极与组串控制器的一端相连接。
作为一个优选的实施例，所述电池单元由电池PACK串并联组成，每个PACK具备完备的电池采集或管理功能，可直接使用电动汽车退运电池PACK。
作为一个优选的实施例，所述DC/DC变换器上设置有电流/电压采样模块、电流/电压保护模块、通信模块以及控制模块，所述电流/电压采样模块、电流/电压保护模块、通信模块分别与控制模块相连接。通过在DC/DC变换器上设置电流/电压采样、保护、通信电路和控制芯片，使得DC/DC变换器能够读取电池PACK传回的电池单体电压及模组温度数据，集成实现电池管理功能，如单体电池电压过/欠压保护、过温保护、电池单元总电压过/欠压保护、过流保护等，并可计算电池单元容量及荷电状态SOC。
作为一个优选的实施例，所述组串控制器为DC/AC双向变流器，即常规储能变流器，DC/AC双向变流器可建立直流母线，并实现直流电能与交流电能的双向转换。
作为一个优选的实施例，所述组串控制器与各个DC/DC变换器具有通讯连线，通过通讯连线，DC/DC变换器可控制各个DC/DC变换器启停、紧急停止等动作。
如图3所示，图3为本发明实施例提供的一种储能系统串联下垂控制方法及系统的控制框图。
在实际工作中，上级控制器首先启上级控制器，上级控制器按照上级控制器指令建立直流母线电压(如600V直流电压)并稳定直流电压。
在组串控制层，上级控制器根据功率需要，向组串控制器下发所需功率(电流)指令IH；IH即该组串需输出的目标功率(电流)。同时，组串控制层的主动均衡算法根据该串内各个DC/DC变换器上传的各电池单元SOC，差异化的下发各模块的基准电流IHn，n＝1,2…，n为模块数。同时，组串控制层向各个模块下发下垂系数ki,i＝1,2…n，n为模块数。k的取值取决于Δi/Δu的结果，即模块输出电流与组串基准电流的差值及模块实际输出电压与基准电压(基准电压为直流母线电压/模块个数)的差值，这个值一般是确定的，实际试验中，一般取额定电流的5％，输出电压的10％。
在模块控制层，DC/DC变换器得到基准电流及下垂系数，可根据内部的串联下垂控制环运行。下垂控制表达式见式(1)，其中Uoi表示第i个模块等效输出电压，ki为相应下垂比例系数，IHi为相应基准电流，i＝1,2…n，n为模块数。改变某模块的给定基准电流IH，如式(1)所示，即可改变该模块输出电压，进而改变该模块输出功率，因此，通过不同的IH值，可实现各模块的独立功率控制，适用于不同SOC或不同容量的电池模组的串联应用。
Figure BDA0002342001150000061
经串联下垂控制环输出，得到目标电流Iref。各个电池功率模块的Iref均相同，控制目标均为组串控制层下发的IH。该值经限幅环节后，与实际串联回路电流采集值IL经DC/DC变换器内部电流PI(比例积分)闭环调节后，得到DC/DC变换器占空比dn，n＝1,2…n，n为模块数，DC/DC变换器输出电压Uoi能够等效为电池单元电压UBn(n＝1,2…n，n为模块数)与占空比dn的乘积代替，差值是开关器件的压降，由于通态电阻较小，控制精度能够得到保证。
在硬件电路层，各个DC/DC变换器输出电压存在以下关系：总输出电压等于Uo1+Uo2+…+Uon，该总输出电压与储能变流器建立的直流母线电压Uo之间的差值，在电抗器上形成电流，即通过调节各个DC/DC变换器的输出电压，改变总输出电压，进而改变串联回路输出电流，达到目标电流值Iref，实现对整个串联回路的功率(电流)控制。
为验证控制功能，使用MATLAB搭建仿真系统，验证该控制方法可行性，如下：
验证组串功率指令控制效果
实验条件：
(a)单个组串15模块，电池电压50V，母线电压600V，功率平均分配；
(b)功率指令控制，即电流指令变化，选择0A->20A->(-20A)->0A，指令间隔时间0.05s。
功率指令控制仿真参数表如表1所示：
Figure BDA0002342001150000062
Figure BDA0002342001150000071
表1功率指令控制仿真参数表
控制效果如图4所示制效果
实验条件：串联侧输出功率能够稳定跟随功率指令实时变化，控制误差小于1A。
验证组串内各个电池功率模块功率分配控
(a)单个组串15模块，电池电压50V，母线电压600V，功率平均分配；
(b)模块间功率分配，即给定电流参数调整，选择前三个电池功率模块功率分配，由1:1:1转换为11:10:9，再恢复为1:1:1。
时刻 前三个模块功率分配指令
0s 1:1:1
0.05s 11:10:9
0.1s 1:1:1
表2电池功率模块间功率分配仿真参数表
控制效果如图5所示。仿真中前三个电池功率模块在1:1:1功率分配下工作，功率均为800W，在0.1s时刻调整为11:10:9后，功率调整为880W、800W、720W，功率分配指令恢复为1:1:1后，三个电池功率模块功率相等，均为800W。
综上所述，本发明实施例提出的一种储能系统串联下垂控制方法以及系统能够实现单个电池功率模块独立电流控制，提升了退运电池的剩余容量的利用率。采用此方案，可较为简易的实现退运电池模组级应用，降低退运电池梯次利用前期再成组成本，且模块化设计，易于工程化实现及推广。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种储能系统串联下垂控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将至少两个电池功率模块和电抗器串联连接组成电池组，将至少两个电池组安装至储能系统之中；
步骤S2：根据每个电池功率模块的荷电状态以及储能系统给定的基准电流IH得到每个电池功率模块的基准电流IHi；
步骤S3：根据每个电池功率模块的下垂系数ki和基准电流IHi，计算得到电池功率模块的输电电压占空比，改变电池功率模块输出电压；
步骤S4：将每个电池功率模块的输出电压叠加形成串联总电压，并输出实际基准电流IHr。
2.根据权利要求1所述的一种储能系统串联下垂控制方法，其特征在于，在步骤S3中，通过下垂算法和电流闭环控制得到输出电压占空比。
3.根据权利要求2所述的一种储能系统串联下垂控制方法，其特征在于，下垂算法的计算过程如下：
Figure FDA0002342001140000011
其中Uoi表示第i个电池功率模块等效输出电压，ki为第i个电池功率模块的下垂系数，IHi为第i个电池功率模块基准电流，i＝1,2，……，N。
4.根据权利要求1所述的一种储能系统串联下垂控制方法，其特征在于，所述储能系统根据每个电池功率模块的荷电状态的不同，分配不同的基准电流IHi。
5.一种储能系统串联下垂控制系统，其特征在于，包括若干个电池功率模块、若干个电抗器以及组串控制器，所述若干个电池功率模块中的N个电池功率模块和若干个电抗器中的一个电抗器串联连接为一组电池组，系统包括有多组电池组，所述组串控制器的一端与每一组电池组的电池功率模块的一端相连接，组串控制器的另一端与每一组电池组的电抗器的一端相连接形成一个串联回路。
6.根据权利要求5所述的一种储能系统串联下垂控制系统，其特征在于，所述电池功率模块包括若干个电池单元以及若干个DC/DC变换器，每个电池单元的输出端与每个DC/DC变换器的输入端相连接，若干个DC/DC变换器的输出端相互串联连接后与电抗器相连接，每个电池单元的负极与组串控制器的一端相连接。
7.根据权利要求6所述的一种储能系统串联下垂控制系统，其特征在于，所述电池单元由电池PACK串并联组成。
8.根据权利要求7所述的一种储能系统串联下垂控制系统，其特征在于，所述DC/DC变换器上设置有电流/电压采样模块、电流/电压保护模块、通信模块以及控制模块，所述电流/电压采样模块、电流/电压保护模块、通信模块分别与控制模块相连接。
9.根据权利要求8所述的一种储能系统串联下垂控制系统，其特征在于，所述组串控制器为DC/AC双向变流器。
10.根据权利要求8所述的一种储能系统串联下垂控制系统，其特征在于，所述组串控制器与各个DC/DC变换器具有通讯连线。
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