CN111817327A - 一种h桥级联型并网储能系统soc均衡控制方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及一种H桥级联型并网储能系统SOC均衡控制方法。
背景技术
目前,大多数电池储能系统都是基于低压电网设计的,尤其是针对低功率储 能系统。对于高压大功率应用,级联H桥拓扑是一种有前途的解决方案,本发 明介绍了一种H桥级联型并网储能系统,该系统可以轻松满足高电压和高功率 的要求,并具有便于模块化、扩展性良好等其他优点。
在电池储能系统中,电池荷电状态(State of Charge SOC)不均衡,将缩短储能系统使用寿命和降低使用效率。由于电池在整个系统的总成本中所占的比例很大, 因此电池的使用寿命对于储能系统的前景至关重要。在系统的实际操作中,造成 SOC不平衡的原因之一便是电池组本身之间的差异引起的初始SOC不平衡,通 过控制策略平衡电池的SOC,对电池寿命和提高系统供电可靠性至关重要。
现有H桥级联型储能系统的OC均衡方法之一,是基于P-f下垂控制方案, 但是现有的控制方案在SOC方面还不理想。因此,有必要设计一种新的SOC均 衡控制方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种H桥级联型并网储能系统SOC均衡控 制方法,该H桥级联型并网储能系统SOC均衡控制方法具有良好的SOC均衡效果。
发明的技术解决方案如下:
一种H桥级联型并网储能系统SOC均衡控制方法,H桥级联型并网储能 系统中,N个电池储能单元对应连接至N个H桥逆变器,N个H桥逆变器级联 后连接至交流电网;
对每一个H桥逆变器均基于以下公式实现SOC均衡控制:
式中:
ωi与Vi分别是第i个H桥子模块的频率与电压幅值参考;ω*为电网角频率 的标称值;P*为输入电网的标称额定功率;Vg为电网电压;Pi是第i个H桥子 模块的输出有功功率;N是级联H桥子模块的个数;mi是下垂控制系数,为保 证SOC均衡,设置各mi均相同,即mi=m,m为常数;
ΔSOCi为第i个H桥子模块荷电状态SOC与SOCave的差值;SOCave为N个 H桥子模块实际SOCi的平均值;
(1+k·ΔSOCi)为分配修正项,k为分配修正系数;k用于修正各H桥子模块根据 ΔSOCi分配输入至电网的功率和电网电压,实现SOC大的电池储能模块多分配 参考电压和参考有功功率,SOC小的电池储能模块少分配参考电压和参考有功 功率。
对分配修正系数k进行自适应配置,即k=k0·(1-SOCave)。当SOCave为0时,分 配修正系数k最大,且等于k0,同时考虑到分配修正系数k是一个大于等于0的数,因此可 得到分配修正系数k的取值范围为0≤k≤k0。
k0为分配修正项系数参考值,是一个大于0的常值。
为保证系统正常运行,k0的值应该同时满足以下条件:
式中,ΔSOC0i为第i个电池储能单元SOC初始值与系统初始 荷电状态平均值SOC0ave的差值,即ΔSOC0i=SOC0i-SOC0ave;Pi_max和Vi_max分别为第i个H桥逆变器所能输出的最大功率以及最大输 出电压。
电压外环和电流内环的控制策略;
电压外环的传递函数为:
电流内环的传递函数为:
式中,kvp和kvr分别为电压环的比例和谐振系数;kip和kir分别为电流环的比 例和谐振系数;ω0为谐振频率;ωvc和ωic分别为电压环和电流环的截止频率;s 为控制系统中的复变量。
式中Δω是系统所允许的最大频率偏差;Pi_max为第i个H桥逆变器所能输出 最大功率。
技术步骤:
1、SOC估计模块利用安时积分法实时估计各个H桥子模块电池储能单元的 SOC信息,并将SOC信息传给数据处理模块;
2、根据各H桥子模块电池储能单元的SOC信息得到整个H桥级联型并网储 能系统SOC的平均值SOCave;
3、根据各H桥子模块电池储能单元的SOC信息和储能系统SOC的平均值 SOCave,可得到各H桥子模块荷电状态SOC与SOCave的差值ΔSOCi;
4、根据储能系统SOC的平均值SOCave计算分配修正系数k;
k=k0·(1-SOCave)
k0为分配修正项系数参考值,是一个大于0的常值。
5、根据各H桥子模块荷电状态SOC与SOCave的差值ΔSOCi以及分配修 正系数k来计算分配修正项(1+k·ΔSOCi);
6、根据计算分配修正项(1+k·ΔSOCi)来修正各H桥子模块输入到电网的功 率和电网电压,实现SOC大的多分配参考电压和参考有功功率,SOC小的少分 配参考电压和参考有功功率。
有益效果:
本发明的H桥级联型并网储能系统SOC均衡控制方法,是在P-f下垂控制方 案基础之上,提出的一种新型电池储能单元SOC均衡控制方法,通过在下垂控 制方程中,增加一项分配修正项,使各电池储能单元的SOC与平均值SOCave的 差值ΔSOC,配合实际有功功率P和实际电压V调节各储能单元的SOC不均衡 度,最终实现SOC均衡。同时考虑对分配修正系数进行自适应配置,用以改善 SOC均衡速度,SOC均衡效果也更好。
附图说明
图1为H桥级联型并网储能系统拓扑图;
图2为对k进行自适应配置,新型SOC均衡控制策略的性能曲线:图2(a) 为SOC曲线;图2(b)为有功功率曲线;图2(c)为频率曲线;
图3为不对k进行自适应配置,新型SOC均衡控制策略的性能曲线:图3(a) 为SOC曲线;图3(b)为有功功率曲线;图3(c)为频率曲线。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明:
实施例1:
H桥级联型并网储能系统功率传输特性
H桥级联型并网储能系统拓扑结构如图1所示。该系统将每个电池储能单元 连接至H桥逆变器,多逆变器级联后连接至交流电网。
由图1可知,第i个H桥子模块输出视在功率Si可以表示为
式中,|Zline|和θline是电网馈线阻抗幅值和角度。
一般地,电网馈线阻抗主要是感性,即θline≈π/2。根据公式(1)和公式(2) 可知,第i个H桥子模块输出有功功率Pi和无功功率Qi可以表示为
对式(3)和式(4)进行小扰动分析,则有
式中:θis、θjs代表第i、j个CVS的稳态相角,θis-θjs=0;θgs代表电网的稳态 相角,δ=θis-θgs代表第i个CVS与电网的功角,为一常值;Δ代表在平衡点附近 的一个小扰动。
由上分析,则式(5)和式(6)可表示如下:
3、电池储能单元SOC信息估计
要实现电池组SOC的均衡,得到精确的SOC信息十分重要。但考虑到本发 明的重点在于设计电池组SOC均衡控制策略。因此,为简便分析,采用安时积 分法进行SOC的估计,同时假设电池组内部的电池单体之间已经实现了SOC的 均衡。
根据安时积分法,第i个电池储能单元SOCi可表示为
为简便计算,忽略运行过程中H桥逆变器功率损耗,第i个电池储能单元的 SOCi和H桥子模块输出有功功率Pi的关系可以表示为
式中,SOC0i和Cei分别为第i个电池储能单元SOC初始值和容量;Pin_i和Pi分别是第i个H桥子模块的输入和输出有功功率;UDCi为第i个电池储能单元 输出的直流电压,根据电池储能系统特性,SOC变化缓慢且当SOC在安全运行 范围之内,电池储能单元输出直流电压可以认为是一个常值,即VDC1=… =VDCn=VDC。
针对如图1所示的H桥级联型并网储能系统,在系统运行过程中,利用安时 积分法实时估计各个H桥子模块电池储能单元的荷电状态SOCi,则整个H桥级 联型并网储能系统SOC的平均值SOCave可以表示为
各H桥子模块荷电状态SOC与SOCave的差值ΔSOCi可以表示为
4、新型SOC均衡控制策略
针对H桥级联型并网储能系统的特性,通过每一个H桥子模块的电流是一 样的,当每个模块输出电压也一样时,则每个模块的视在功率相同。只要有功功 率均分,无功功率自动实现均分。针对H桥级联型并网储能系统,为实现各H 桥子模块和电网的同步以及各H桥子模块的输出功率的均衡,基于下垂的功率 均分策略如下所示:
式中:ωi与分别是第i个H桥子模块的频率与电压幅值参考;ω*为电网角频 率的标称值;P*为输入电网的标称额定功率;Vg为电网电压;Pi是第i个H桥子 模块的输出有功功率;N是级联H桥子模块的个数,本发明假设电池储能单元 的容量一样;mi是下垂控制系数,为保证SOC均衡,这里设置mi=…=mn=m。
利用传统下垂控制策略虽然可以实现各H桥子模块的功率均分,但在实际系 统中,各H桥子模块的电池储能单元特性差异大,实际SOC存在不同,无法满 足在功率均分的同时,各储能单元的SOC实现均衡。这将导致个别电池过充和 过放,影响系统使用寿命和效率。
根据公式(10)可知,级联H桥子模块输出有功功率是SOC的斜率,因此准确 均分有功功率是SOC均衡的前提。为最终实现系统SOC的均衡,本发明提出考 虑电池储能单元SOC均衡控制方法,该方法通过改造传统下垂控制曲线,增加 一项分配修正项,考虑各电池储能单元的实际SOCi与系统荷电状态平均值 SOCave的差值ΔSOCi,配合实际有功功率Pi和实际电压Vi调节各储能单元的SOC 不均衡度,实现电池储能单元SOC大的,多输出功率;储能单元SOC小的,少 输出功率。避免个别电池组过放,提高电池的使用寿命和系统效率。
根据这个思路,为实现各H桥子模块功率均分和储能单元SOC均衡,通过 H桥级联型并网储能系统的SOC均衡控制策略可以表达为:
式中:ΔSOCi为各H桥子模块荷电状态SOC与SOCave的差值;(1+k·ΔSOCi) 为分配修正项,k为分配修正系数,用于修正各H桥子模块根据ΔSOCi分配输入 至电网的功率和电网电压,实现SOC大的多分配参考电压和参考有功功率,SOC 小的少分配参考电压和参考有功功率。
为简便分析,假设H桥级联型并网储能系统的模块数N=3,各电池储能单 元容量相同,但SOC初始值不同。因此SOCave为三模块实际SOCi的平均值, 即SOCave=(SOC1+SOC2+SOC3)/3,则各模块实际SOCi与平均值SOCave的差值为 ΔSOCi=(SOCi-SOCave),因此ΔSOC1+ΔSOC2+ΔSOC3=0。根据式(10)可知,由于k 值一样,则各个H桥子模块的分配修正项相加为3,即保证 了系统根据ΔSOCi分配输入至电网的功率和电网电压。在系统达到稳态之后, ΔSOCi=0,输入至电网的功率根据H桥子模块数量来分配,且各子模块输出电压 一致,因此各子模块输出有功有功均分,无功功率也实现均分,SOC均衡实现。
当系统持续放电,采用新型SOC均衡控制策略时,SOC的不均衡度将降低, ΔSOCi变小,分配修正项(1+k.ΔSOCi)为减小,各H桥子模块的电压和功率分配 量之间的差异变小,导致各子模块输出功率差异变小,SOC均衡速度变慢。即 随着SOC的均衡不断进行,各H桥子模块输出功率差异越来越小,SOC均衡速 度越来越慢。
保证SOC均衡的速度,对分配修正系数k进行自适应配置,如下所示:
k=k0·(1-SOCave) (15)
式中:SOCave为整个H桥级联型并网储能系统SOC的平均值;k0为分配修 正项系数参考值,是一个大于0的常值。在系统持续发放电时,SOCave将减小, k将变大。当k0取值合理时,将在一定程度上保证各H桥子模块的电压和功率 分配量之间的差异适中,各子模块输出功率差异合理,从而保证SOC均衡速度。
5、双环控制策略
系统采用组网控制模式,各H桥子模块控制成受控电压源。为保证更好的和 更快的追踪性能,采用电压外环和电流内环的控制策略。由于改进下垂SOC平 衡控制策略得出的电压参考量是j基频为50Hz的交流量,相比于比例积分PI对 正弦量的跟踪效果,比例谐振PR的跟踪效果更好。虽然PR控制器在基波频率 处可以实现无静差跟踪和抗电网电压扰动,但其在非基波频率处增益很小,如果 电网频率发生偏移,增益将明显下降,且不能有效地抑制电网谐波。因此,本发 明采用一种容易实现的准PR控制器,既能保持PR控制高增益的优点,又增大 了带宽,减小由电网频率偏移带来的影响。
电压外环和电流内环分别被设计为
式中,kvp和kvr分别为电压环的比例和谐振系数;kip和kir分别为电流环的比 例和谐振系数;ω0为谐振频率;ωvc(ωic)为电压环(电流环)截止频率。
3、参数设计:
在参数设计时,下垂系数mi和分配修正系数k应选取合理,以减小下垂控制 造成的频率跌落。若下垂系数mi和分配修正系数k较大容易造成过较大频率偏 差,而下垂系数mi和分配修正系数k较小会导致各个单元的功率调节和SOC收 敛速度变慢。同时,需将SOC控制在一定范围内,取值不能很小。因此,控制 器参数mi和k的选择需要在系统稳定、频率偏差与SOC收敛速度折中考虑。
下垂系数mi设计:
在H桥级联型并网储能系统中,下垂控制原理是通过改变频率来改变逆变 器的输出有功功率,为了保证频率偏差在系统允许的范围内,可以将下垂系数 mi设计为:
式中Δω是系统所允许的最大频率偏差;Pi_max为第i个H桥逆变器所能输出 最大功率。
分配修正系数k设计:
新型SOC均衡控制策略根据ΔSOCi分配输入至电网的功率和电网电压,最 终实现SOC均衡。因此在设计分配修正系数k时需要考虑各H桥逆变器所能输 出的最大功率Pi_max以及最大输出电压Vi_max,同时还需要考虑各储能单元荷电 状态初始值SOC0i。在考虑保证SOC均衡的速度,需要分配修正系数k进行自适 应配置,根据式(16)可知,当SOCave为0时,分配修正系数k最大,且等于k0。 因此设计分配修正系数k,就是设计分配修正项系数参考值k0。
为保证系统正常运行,k0的值应该同时满足以下:
式中,ΔSOC0i为储能单元SOC初始值与系统初始荷电状态平均值SOC0ave的差值,即ΔSOC0i=SOC0i-SOC0ave;Pi_max和Vi_max分别为第i个H桥逆变器所 能输出的最大功率以及最大输出电压。
7、仿真分析
为了验证新型OC均衡控制策略的可行性以及理论的正确性,基于 Matlab/Simulink仿真平台对所提出的均衡方法进行仿真验证。仿真时参数设置如 表1所示:
表1:H桥级联型并网储能系统仿真参数
H桥级联型并网储能系统仿真参数如表1所示,新型SOC均衡控制策略实 际结果如图2和图3所示。为验证自适应配置分配修正项系数k时,SOC均衡 速度的效果,本发明做了对比仿真。引入对k的自适应配置,实际仿真结果如图 2所示。未引入对k的自适应配置,实际仿真结果如图3所示。
Claims (5)
1.一种H桥级联型并网储能系统SOC均衡控制方法,其特征在于,H桥级联型并网储能系统中,N个电池储能单元对应连接至N个H桥逆变器,N个H桥逆变器级联后连接至交流电网;
对每一个H桥逆变器均基于以下公式实现SOC均衡控制:
式中:
ωi与Vi分别是第i个H桥子模块的频率与电压幅值参考;ω*为电网角频率的标称值;P*为输入电网的标称额定功率;Vg为电网电压;Pi是第i个H桥子模块的输出有功功率;N是级联H桥子模块的个数;mi是下垂控制系数,为保证SOC均衡,设置各mi均相同,即mi=m,m为常数;
ΔSOCi为第i个H桥子模块荷电状态SOC与SOCave的差值;SOCave为N个H桥子模块实际SOCi的平均值;
(1+k·ΔSOCi)为分配修正项,k为分配修正系数。
2.根据权利要求1所述的H桥级联型并网储能系统SOC均衡控制方法,其特征在于,对分配修正系数k进行自适应配置,即k=k0·(1-SOCave);
k0为分配修正项系数参考值,是一个大于0的常值。
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