CN111817327B - 一种h桥级联型并网储能系统soc均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种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：其中(1+k·△SOC_i)为分配修正项，k为分配修正系数。采用这种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，且能改善SOC均衡速度。

Description

一种H桥级联型并网储能系统SOC均衡控制方法

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V_i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m_i均相同，即m_i＝m，m为常数；

ΔSOC_i为第i个H桥子模块荷电状态SOC与SOC_ave的差值；SOC_ave为N个H桥子模块实际SOC_i的平均值；

(1+k·ΔSOC_i)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ΔSOC_i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-SOC_ave)。当SOC_ave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，ΔSOC_0i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SOC_0ave的差值，即ΔSOC_0i＝SOC_0i－SOC_0ave；P_{i_max}和V_{i_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，k_vp和k_vr分别为电压环的比例和谐振系数；k_ip和k_ir分别为电流环的比例和谐振系数；ω₀为谐振频率；ω_vc和ω_ic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；P_{i_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SOC_ave；

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SOC_ave，可得到各H桥子模块荷电状态SOC与SOC_ave的差值ΔSOC_i；

4、根据储能系统SOC的平均值SOC_ave计算分配修正系数k；

k＝k₀·(1-SOC_ave)

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SOC_ave的差值ΔSOC_i以及分配修正系数k来计算分配修正项(1+k·ΔSOC_i)；

6、根据计算分配修正项(1+k·ΔSOC_i)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SOC_ave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。

通常每个H桥逆变器被设计成受控电压源(CVS)，其中第i个H桥子模块输出电压为公共耦合点(PCC)电压为/>由于H桥逆变器是级联结构，各个H桥子模块输出电压矢量和等于PCC点处电压，则有

由图1可知，第i个H桥子模块输出视在功率S_i可以表示为

式中，|Z_line|和θ_line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θ_line≈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P_i和无功功率Q_i可以表示为

对式(3)和式(4)进行小扰动分析，则有

式中：θ_is、θ_js代表第i、j个CVS的稳态相角，θ_is-θ_js＝0；θ_gs代表电网的稳态相角，δ＝θ_is-θ_gs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SOC_i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SOC_i和H桥子模块输出有功功率P_i的关系可以表示为

式中，SOC_0i和Ce_i分别为第i个电池储能单元SOC初始值和容量；P_{in_i}和P_i分别是第i个H桥子模块的输入和输出有功功率；U_DCi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V_DC1＝…＝V_DCn＝V_DC。

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SOC_i，则整个H桥级联型并网储能系统SOC的平均值SOC_ave可以表示为

各H桥子模块荷电状态SOC与SOC_ave的差值ΔSOC_i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：ω_i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；V_g为电网电压；P_i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；m_i是下垂控制系数，为保证SOC均衡，这里设置m_i＝L＝m_n＝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SOC_i与系统荷电状态平均值SOC_ave的差值ΔSOC_i，配合实际有功功率P_i和实际电压V_i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：ΔSOC_i为各H桥子模块荷电状态SOC与SOC_ave的差值；(1+k·ΔSOC_i)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ΔSOC_i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SOC_ave为三模块实际SOC_i的平均值，即SOC_ave＝(SOC₁+SOC₂+SOC₃)/3，则各模块实际SOC_i与平均值SOC_ave的差值为ΔSOC_i＝(SOC_i-SOC_ave)，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ΔSOC_i分配输入至电网的功率和电网电压。在系统达到稳态之后，ΔSOC_i＝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，ΔSOC_i变小，分配修正项(1+k·ΔSOC_i)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-SOC_ave) (15)

式中：SOC_ave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，SOC_ave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，k_vp和k_vr分别为电压环的比例和谐振系数；k_ip和k_ir分别为电流环的比例和谐振系数；ω₀为谐振频率；ω_vc(ω_ic)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m_i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m_i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m_i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m_i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m_i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m_i设计为：

式中Δω是系统所允许的最大频率偏差；P_{i_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ΔSOC_i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P_{i_max}以及最大输出电压V_{i_max}，同时还需要考虑各储能单元荷电状态初始值SOC_0i。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SOC_ave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，ΔSOC_0i为储能单元SOC初始值与系统初始荷电状态平均值SOC_0ave的差值，即ΔSOC_0i＝SOC_0i－SOC_0ave；P_{i_max}和V_{i_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V_i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m_i均相同，即m_i＝m，m为常数；

ΔSOC_i为第i个H桥子模块荷电状态SOC与SOC_ave的差值；SOC_ave为N个H桥子模块实际SOC的平均值；

(1+k·ΔSOC_i)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-SOC_ave)；

k₀为分配修正项系数参考值，是一个大于0的常值。

3.根据权利要求2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，为保证系统正常运行，k₀的值应该同时满足以下条件：

式中，ΔSOC_0i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SOC_0ave的差值，即ΔSOC_0i＝SOC_0i－SOC_0ave；P_{i_max}

和V_{i_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。

4.根据权利要求2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，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，k_vp和k_vr分别为电压环的比例和谐振系数；k_ip和k_ir分别为电流环的比例和谐振系数；ω₀为谐振频率；ω_vc和ω_ic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。

5.根据权利要求1-4任一项所述的H桥级联型并网储能系统SOC均衡控制方法，其特征在于，

式中Δω是系统所允许的最大频率偏差；P_{i_max}为第i个H桥逆变器所能输出最大功率。