CN111244931B - 一种多储能模块并联运行的soc自均衡控制方法 - Google Patents

一种多储能模块并联运行的soc自均衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多储能模块并联运行的SOC自均衡控制方法，构建多台分布式储能模块并联的直流微电网系统；由BMS获取各个锂电池储能模块输出电流平均值及其各个模块SOC相对平均值的差值；模块并联所需要的下垂控制策略，保证模块能顺利实现多模块的并网控制；各个并联模块之间输出功率的平衡控制环，改善并网储能模块输出功率不均衡的现象；同时，加入SOC均衡控制，保证各个储能模块电量基本一致。本发明所提出的算法既保证了各个锂电池储能模块顺利并网，同时也兼具动态和稳态条件下，各个模块安全、可靠、均衡地输出功率。

Description

一种多储能模块并联运行的SOC自均衡控制方法
技术领域
本发明涉及多储能模块并联运行的SOC自均衡控制方法，是一种根据各个储能模块当前的实际电量进行均衡控制放电的算法。
背景技术
随着电储能式技术在近些年的大力发展，其形式越来越多样，如超导磁储能、超级电容储能、锂电池等。直流变换器并网技术的发展对电储能发展有着重要意义。
传统的大功率充电装置一般采用两电平拓扑结构，它在直流微电网中应用前景广泛，是目前船舶低压直流微网的主流电路结构。但是由于各个储能模块是独立存在，采样上存在着一定的误差，导致并联稳压运行时，低功率运行存在环流问题，大功率时存在输出电流不均衡的问题。
在学术领域，学者们已经提出把交流领域中的下垂控制理论应用到直流变换器领域；但是传统的下垂控制只能保证正常的并网，无法保证各个储能模块正常的均流控制；这就无法兼顾储能介质的放电均衡度，最终导致储能模块随着放电时间变长，其剩余电量的差别越大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种多储能模块并联运行的SOC自均衡控制方法，不但具备一般双向充放电技术的功能，而且更符合于直流微网中对储能介质并网的要求。
本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多储能模块并联运行的SOC自均衡控制方法，包括如下步骤：
步骤1，构建多台分布式储能模块并联的直流微电网系统：选取若干个双向DC/DC变换器将其高压侧并联到公共直流母线，在其低压侧连接储能模块；所述的双向DC/DC变换器由反向并联二极管的开关管T1和开关管T2连接而成，开关管T1的集电极和开关管T2的发射极并联电容后分别连接高压侧的正负极，开关管T1的发射极与开关管T2的集电极的连接点串接电感L，电感L的另一端与开关管T2的发射极分别连接低压侧的正负极；
步骤2，通过电池管理系统BMS获取各储能模块当前时刻的输出电流的平均值及其储能模块剩余电量SOC平均值与当前模块SOC之差ΔSOC，并将获得的数据回传到各个储能模块的DC/DC斩波控制系统中；
步骤3，通过公式Δimodule＝imodule_ave+kSOC*ΔSOC-imodule，计算储能模块电流误差值Δimodule；并进行适当调节imodule_ave做一定的下垂调节控制，使得储能模块SOC达到平衡的作用；
步骤4，通过储能模块电流误差值Δimodule的积分控制得到一个输出功率的平衡控制量；并通过其大小给电压参考值一个合适调节量；与此同时，由于各个储能模块对电网是独立采样，各自之间存在着些许误差，为了保证正常并网，需要通过下垂控制策略找到各个储能模块的共同静态工作电压参考值uref；故其电压外环的电网电压参考值
Figure BDA0002373938490000021
表达式可以写成：
Figure BDA0002373938490000031
式中，kdroop为下垂系数，kbalance为电流平衡系数。
步骤5，由计算所得到的电网电压参考值
Figure BDA0002373938490000032
对其进行PI闭环调节控制，得到总电流参考值
Figure BDA0002373938490000033
步骤6，由计算所得到的模块总电流参考值
Figure BDA0002373938490000034
同样对其进行PI闭环调节控制，得到最终开关管T1的占空比Dref。
进一步，所述的储能模块可为超级电容、超导磁储能线圈、锂电池或飞轮等储能介质。
进一步，所述的下垂控制策略由采样得到储能模块的输出总电流ibridge与下垂系数kdroop的乘积作为下垂调节量反馈给直流母线参考值uref；保证了在不同储能模块之间存在直流母线电压采样误差的情况下，一样可以正常进行并联运行，同时，动态性能也相应的提高。
进一步，所述的储能模块功率均衡控制策略由采样得到储能模块的输出总电流ibridge上传到电池管理系统，再由电池管理系统计算所有模块的电流平均值ibridge_ave与输出总电流ibridge作差，即可得到当前储能模块输出功率均衡与否，如若存在一定的误差，则可以通过累计调节误差值对直流母线参考值uref进行适当的调节，直到各个模块输出功率均衡。
进一步，当储能模块剩余电量SOC不一致时，ΔSOC就不为0，此时适当调节imodule_ave做一定的下垂调节控制，使得储能模块剩余电量SOC达到平衡的作用。
本发明具有以下技术效果：
本发明通过对传统交流领域下垂控制策略的移植，保证各个模块能够在电网电压采样存在误差的情况下依然能够很好地实现并网控制，也保证在功率动态变化时，各个模块具有静态工作点。但是同时也带来了各个模块输出电流不均衡的问题。
本发明提出采用模块电流平均值来控制各个模块的均衡问题，保证了下静态工作条件下，各个储能模块拥有均衡输出电流的作用。
附图说明
图1为本发明的系统原理图；
图2为本发明双向DC/DC变换器的结构示意图；
图3为本发明控制系统原理图；
图4为不加入均衡控制时，直流电网电压及各个并联储能模块输出电流波形图；
图5加入均衡控制后，直流电网电压及各个并联储能模块输出电流波形图；
图6为基于本发明新型控制算法，直流电网电压及各个并联储能模块输出电流波形图；
图7是在新型多直流储能变换器并联控制算法下，直流电网电压及各个并联储能模块输出电流动态波形图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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他的实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种多直流储能模块/变换器并联运行的SOC自均衡控制方法，为实现上述发明目的，本发明的控制算法以传统交流领域逆变器并联下垂控制算法为基础，通过增加各个模块SOC及输出功率均衡控制环路，实现多直流储能并联均衡输出功率的目的。
本发明整个系统控制算法主要包括以下四部分：电压外环、电流内环、下垂控制算法及均衡控制算法。为实现上述直流模块均衡并网目的，采用了以下技术方案。
所述的直流微电网系统如图1所示，若干个双向DC/DC变换器在高压侧并联到公共直流母线；其低压侧可以根据实际需求用不同的储能模块，所述的储能模块为超级电容、超导磁储能线圈、锂电池、飞轮等储能介质。
下面结合附图为本发明的具体实行步骤进一步详述。一种多储能模块并联运行的SOC自均衡控制方法，步骤如下。
步骤1，构建多台分布式储能模块并联的直流微电网系统，整体控制框图如附图1所示。
本发明的双向DC/DC变换器如图2所示，由反向并联二极管的开关管T1和开关管T2连接而成，开关管T1的集电极和开关管T2的发射极并联电容后分别连接高压侧的正负极，开关管T1的发射极与开关管T2的集电极的连接点串接电感L，电感L的另一端与开关管T2的发射极分别连接低压侧的正负极。
步骤2，BMS系统根据CAN通信接口获取各储能模块当前时刻输出电流的平均值，以及储能模块SOC平均值与当前储能模块SOC的差ΔSOC，并将获得的数据回传到各个储能模块的DC/DC斩波控制系统中。
步骤3，通过公式Δimodule＝imodule_ave+kSOC*ΔSOC-imodule，计算模块电流误差值即储能模块电流相对电流均衡误差Δimodule，式中imodule为储能模块输出总电流，imodule_ave为储能模块电流平均值，kSOC为电池SOC均衡控制系数。
步骤4，通过当前储能模块输出总电流与CAN通信接口接收到的储能模块电流平均值之差的正负，判断当前储能模块输出功率的调节方向，通过储能模块电流误差值Δimodule的积分控制得到一个输出功率的平衡控制量；并通过其大小给电压参考值一个合适调节量；与此同时，由于各个储能模块对电网是独立采样，各自之间存在着些许误差，为了保证正常并网，需要通过下垂控制策略找到各个储能模块的共同静态工作电压参考值uref。
故其电压外环的电网电压参考值
Figure BDA0002373938490000061
表达式可以写成：
Figure BDA0002373938490000062
式中kdroop为下垂系数，kbalance为电流平衡系数。
步骤5，由计算所得到的电网电压参考值
Figure BDA0002373938490000071
对其进行PI闭环调节控制，得到总电流参考值
Figure BDA0002373938490000072
步骤6，由计算所得到的模块总电流参考值
Figure BDA0002373938490000073
同样对其进行PI闭环调节控制，得到最终开关管T1的占空比Dref。
本专利以三台锂电池储能模块并联的直流微电网系统作为例子，结合附图为本发明的具体实行步骤进一步详述。
所述的下垂控制策略如图3所示，由采样得到储能介质的输出总电流ibridge与下垂系数kdroop的乘积作为下垂调节量反馈给直流母线参考值uref；保证了在不同储能模块之间存在直流母线电压采样误差的情况下，一样可以正常进行并联运行，同时，动态性能也相应的提高。
所述的模块功率均衡控制策略如图3所示，由采样得到储能介质的输出总电流ibridge上传到电池管理系统，再由电池管理系统计算所有模块的电流平均值ibridge_ave与输出总电流ibridge作差，即可得到当前储能模块输出功率均衡与否，如若存在一定的误差，则可以通过累计调节误差值对直流母线参考值uref进行适当的调节，直到各个模块输出功率均衡。
所述的储能模块剩余电量SOC均衡控制，当储能模块剩余电量SOC不一致时，ΔSOC就不为0，此时适当调节imodule_ave做一定的下垂调节控制，使得储能模块剩余电量SOC达到平衡的作用。
下面对本发明的有效性进行验证。
根据图3的控制原理框图搭建直流系统仿真系统，其参数如下：系统直流母线侧电压640V。电池侧电压530V；均衡控制周期以250ms调整一次；电压下垂控制及电流电压内环周期为16kHz；下垂系数kdroop为0.1；系统中模块之间的采样误差选取±2V。
图4为不加入均衡控制时，直流电网电压、各个并联储能模块输出电流及电池电压稳态波形图。可以看到稳态情况下存在电流不均衡，且放电电流越大，其电池电压也相对下降的快些。
图5为加入电流均衡控制后，直流电网电压、各个并联储能模块输出电流及电池电压稳态波形图。可以看到稳态情况下存在电流保持均衡且电池电压也基本保持一致。
图6为基于本发明新型控制算法下，直流电网电压、各个并联储能模块输出电流及电池电压稳态波形图。此时储能模块之间的SOC差别为90±2％；可以看到稳态情况下电池电压越高(即SOC相对较高的储能模块)的储能模块其放电电流越大，以此控制SOC的均衡问题。
图7为系统在新型多直流储能变换器并联控制算法下，直流电网电压、各个并联储能模块输出电流及电池电压动态波形图。可以看到最终各个储能模块的输出电流基本上实现均衡控制。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何本领域技术人员在本发明的启示下都可以得出其它变形及改进的产品，但不论在其形状或结构上做任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多储能模块并联运行的SOC自均衡控制方法，其特征在于：包括如下步骤
步骤1，构建多台分布式储能模块并联的直流微电网系统：选取若干个双向DC/DC变换器将其高压侧并联到公共直流母线，在其低压侧连接储能模块；
所述的双向DC/DC变换器由反向并联二极管的开关管T1和开关管T2连接而成，开关管T1的集电极和开关管T2的发射极并联电容后分别连接高压侧的正负极，开关管T1的发射极与开关管T2的集电极的连接点串接电感L，电感L的另一端与开关管T2的发射极分别连接低压侧的正负极；
步骤2，通过BMS系统获取各储能模块当前时刻的输出电流的平均值及其储能模块SOC平均值与当前模块SOC之差ΔSOC；
步骤3，通过公式Δimodule＝imodule_ave+kSOC*ΔSOC-imodule计算储能模块电流误差值Δimodule，式中imodule为储能模块输出总电流，imodule_ave为储能模块电流平均值，kSOC为电池SOC均衡控制系数；
步骤4，通过Δimodule的积分控制得到一个输出功率的平衡控制量，通过下垂控制找到各个储能模块的共同静态工作电压参考值uref，根据以下公式得到其电压外环的电网电压参考值
Figure FDA0002373938480000011
Figure FDA0002373938480000012
式中，kdroop为下垂系数，kbalance为电流平衡系数；
步骤5，由电网电压参考值
Figure FDA0002373938480000013
对其进行PI闭环调节控制，得到储能模块总电流参考值
Figure FDA0002373938480000021
步骤6，由储能模块总电流参考值
Figure FDA0002373938480000022
对其进行PI闭环调节控制，最终得到开关管T1的占空比Dref。
2.根据权利要求1所述的一种多储能模块并联运行的SOC自均衡控制方法，其特征在于，所述的储能模块为超级电容、超导磁储能线圈、锂电池或飞轮。
3.根据权利要求1或2所述的一种多储能模块并联运行的SOC自均衡控制方法，其特征在于，所述的下垂控制由采样得到储能模块输出总电流ibridge与下垂系数kdroop的乘积作为下垂调节量反馈给直流母线参考值uref。
4.根据权利要求3所述的一种多储能模块并联运行的SOC自均衡控制方法，其特征在于，电池管理系统计算所有储能模块电流平均值ibridge_ave与输出总电流ibridge作差，得到当前储能模块输出功率均衡与否，如若存在一定的误差，则通过累计调节误差值对直流母线参考值uref进行适当的调节，直到各个储能模块输出功率均衡。
5.根据权利要求4所述的一种多储能模块并联运行的SOC自均衡控制方法，其特征在于，当储能模块SOC不一致时，调节imodule_ave做下垂控制，使得储能模块SOC达到平衡。
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