CN112564218A - 采用交流环流控制实现级联电池储能系统离线均衡的方法 - Google Patents

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CN112564218A CN202011392501.0A CN202011392501A CN112564218A CN 112564218 A CN112564218 A CN 112564218A CN 202011392501 A CN202011392501 A CN 202011392501A CN 112564218 A CN112564218 A CN 112564218A
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Abstract

本发明提供了一种采用交流环流控制实现级联电池储能系统离线均衡的方法，包括：改接级联电池储能系统为角形拓扑；获取级联H桥式储能系统各个子模块电池电压、SOC、SOH、SOF、额定容量信息；计算各个子模块的可充电能量和可放电能量；计算各相的可充电能量、可放电能量和三相平均可放电能量；计算各相可放电能量与三相平均可放电能量的误差；三相放电功率分配；相编号再分配；计算三相电压幅值和电流相角；子模块交流电压分配；相电流控制产生均衡电流；判断离线均衡的结束条件。本发明可以更加便捷安全地实现系统运行前电池能量的离线均衡，大大减小电池储能系统运行前电池均衡维护的工作量。

Description

采用交流环流控制实现级联电池储能系统离线均衡的方法
技术领域
本发明涉及电池储能系统领域，更具体地，涉及一种采用交流环流控制实现级联H桥电池储能系统离线均衡的方法。
背景技术
级联H桥式电池储能系统因其等效开关频率高、输出电压谐波特性好、模块化设计易于扩展和便于进行故障冗余控制等特点，适合应用于高压大功率的储能场合。级联H桥式电池储能系统在运行前，需要对各子模块电池电量进行均衡，以使系统正常运行，避免因电池荷电状态过度不均导致系统运行边界缩小甚至启动失败的情况。目前，电池储能系统运行前的电池均衡工作多以单个模块为单元，进行人工充放电从而均衡系统电池模块。关于级联H桥式电池储能系统的自动离线均衡方法的研究还未见报道。
经检索，现有技术有不少电池均衡技术，比如申请号：201810264044.3、申请日：2018-03-28的发明专利申请，其公开了一种考虑电池寿命的电池组均衡系统及控制方法，包括采样模块、均衡模块、电池寿命预测模块和控制模块，电池寿命预测模块接收采样模块采集的电池信息预测电池寿命；控制模块用于电池组进入充放电状态时，接收采样模块采集的电池组电池信息及电池寿命预测模块得到的电池寿命信息，计算相邻单体电池的电压差并判断是否达到预设值，确定需均衡的相邻单体电池及均衡所需时间，控制均衡模块执行。利用电池寿命预测模块提供的电池寿命信息修正相邻单体电池的电压差，有效考虑了不同单体电池寿命衰减程度不同造成电池开路电压不一致的情况，可以避免过均衡造成的能量浪费，提高均衡效率、减少均衡时间、有效提高电池寿命。
但是，截止目前，关于级联H桥式电池储能系统的自动离线均衡技术的研究还未见报道。
发明内容
本发明针对现有技术存在的空白，提出一种采用角形连接在正交坐标系下实现级联H桥式电池储能系统离线均衡的方法。
本发明的第一方面，提供一种采用交流环流控制实现级联电池储能系统离线均衡的方法，包括：
S1：改接级联H桥式电池储能系统为三角形拓扑；
S2：获取级联H桥式电池储能系统各个子模块电池电压、SOC、SOH、SOF、额定容量信息；
S3：根据S2获取的各个子模块电池SOC、SOH以及电池额定容量信息，计算出各个子模块电池的可充电能量和可放电能量，进而计算所有子模块可放电能量的与其平均值的误差最大绝对值；
S4：对S3得到的子模块可充电能量和可放电能量求和，得到各相的可充电能量、可放电能量和三相平均可放电能量；
S5：对S4得到的各相可放电能量和平均可放电能量做差，得到各相可放电能量误差，同时求得误差的最大绝对值；
S6：将各相的放电功率按照与相可放电电量误差成正比的原则分配，相放电功率的绝对值不得超过相额定容量，实现三相放电功率分配；
S7：根据S6各相分配得到的功率值，调整各相的编号，使得处于放电状态且放电功率最大的那相为A相，相角为0°；处于放电状态且放电功率大于或等于0的那相为C相，相角为-90°；若无法满足上述C相条件，则指定剩余两相为B相和C相，相角均为90°；
S8：在S7基础上，指定电流的幅值为额定值，求解系统有功和无功方程组，解得三相电压的幅值和电流相角；
S9：在S8基础上，按照与模块可放电能量误差成正比的原则分配子模块均衡电压，按照平均分配原则分配相电压到各子模块，子模块电压相角与相电压相同，实现子模块交流电压分配；
S10：控制相电流产生均衡电流，通过电流闭环控制使环路电流幅值达到额定值，相角达到S8计算得到的电流相角值；
S111：通过子模块可放电能量误差的最大绝对值与子模块平均可放电电量的比值，判断离线均衡是否结束，当此比值小在设定范围内，则认为离线均衡完成。
本发明的第二方面，提供一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时用于执行所述的采用交流环流控制实现级联H桥式电池储能系统离线均衡的方法。
本发明以在级联H桥电池储能系统中实现电池离线均衡为目标，利用交流功率控制实现对初始电量不同的电池模块进行均衡，在考虑系统安全运行边界的同时，以便捷的方式实现电池离线均衡的目的。该方法只需将级联H桥电池储能系统以角形拓扑连接，在正交坐标系下通过对各模块的输出电压以及环路电流的控制，就可以利用电池储能系统初始电量便捷地实现的离线均衡，省去了传统对电池模块单独预充放电过程繁重的工作量。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果是：
本发明提供了一种快捷的级联H桥电池储能系统的离线均衡方法，采用角形连接在正交坐标系下通过交流功率控制实现级联H桥电池储能系统的离线均衡，为电池储能系统的离线均衡提供了快捷的方法。同时，本发明方法考虑了系统的安全运行边界，使系统均衡电压电流都在额定值以下。最终达到在级联H桥式电池储能系统中快捷、安全地实现离线均衡的目的。
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为本发明一较优实施例中采用交流环流控制字实现级联H桥电池储能系统离线均衡的方法的流程图；
图2本发明一较优实施例中级联H桥电池储能系统离线均衡示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。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，这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明一较优实施例中采用交流环流控制实现级联H桥电池储能系统离线均衡的方法的流程图。参照图1所示，本实施例中的采用交流环流控制实现级联H桥电池储能系统离线均衡的方法，可以按照以下步骤进行：
S1：改接级联H桥式电池储能系统为角形拓扑，如图2所示；
S2：获取级联H桥式电池储能系统各个子模块电池电压、SOC(state of charge，电池剩余电量百分比)、SOH(state of health，电池健康度)、SOF(state of function，电池的功能状态)、额定容量信息；级联H桥式电池储能系统中，每个子模块包括电池单元和功率单元，电池单元由电池管理系统(Battery Management System，BMS)管理，功率单元作为功率转换系统(Power Conversion System，PCS)的一部分由PCS控制器控制，PCS控制器定时从BMS获取各个功率单元对应的电池单元的SOC状态和SOH状态；
S3：计算各个子模块的可充电能量和可放电能量：根据步骤S2获取的子模块电池SOC、SOH以及电池额定容量信息，可计算出各个子模块电池的可充电能量和可放电能量，进而计算所有子模块可放电能量的与其平均值的最大误差绝对值；
S4：计算各相的可充电能量、可放电能量和三相平均可放电能量：根据步骤S2得到的子模块可充/放电能量，对相内子模块求和可得到各相的可充/放电能量，从而可求得三相平均可放电能量；
S5：计算各相可放电能量与平均可放电能量的误差，并求得误差的最大绝对值；
S6：三相放电功率分配：各相的放电功率按照与相可放电电量误差成正比的原则分配，放电功率为负则代表该相处于充电状态，放电功率为正则代表该相处于放电状态；
S7：相编号再分配：根据各相分配得到的放电功率值，调整各相的编号，使得处于放电状态且放电功率最大的那相为A相，相角为0°；处于放电状态且放电功率大于或等于0的那相为C相，相角为-90°；若无法满足上述C相条件，则任意指定剩余两相为B相和C相，相角均为90°；
S8：计算三相电压幅值和电流相角：指定电流的幅值为额定值，求解系统有功和无功方程组，解得三相电压的幅值和电流相角；
S9：子模块交流电压分配：按照与子模块的可放电能量误差成正比例的原则分配子模块均衡电压，按照平均分配原则将相电压分配到各子模块，子模块电压的相角与相电压相角相同；
S10：控制相电流产生均衡电流：通过电流闭环控制使环路电流幅值和相角稳定到S7的计算结果；
S11：判断离线均衡的结束条件：通过子模块可放电能量误差的最大绝对值与子模块平均可放电电量的比值，判断离线均衡是否结束，当此比值小到一定范围，则可认为离线均衡完成。
本实施例以实现采用角形连接的级联H桥电池储能系统离线均衡为目标，可以更加便捷安全地实现系统运行前电池能量的离线均衡，大大减小电池储能系统运行前电池均衡维护的工作量。
在其中一个实施例中，步骤S1中，改接级联H桥式电池储能系统为角形拓扑。
在其中一个实施例中，步骤S2中，PCS控制器定时从BMS获取各个功率单元对应的电池单元的SOC状态和SOH状态，时间间隔根据电池储能系统的状态刷新速率确定，取0.1s-1min。获取方式通常通讯，具体由PCS和BMS之间的接口规范和协议确定。
在其中一个实施例中，步骤S3中，计算各个子模块的可充电能量和可放电能量，具体方法为：
可充电能量：
SOCE(x，n)＝[(SOCup-SOCx，n)×SOHx，n×CN]×VN
可放电能量：
SODE(x，n)＝[(SOCx，n-SOCdown)×SOHx，n×CN]×VN
式中，SOCup和SOCdown分别代表电池运行的SOC上下边界，0≤SOCdown≤SOCup≤1，x表示a、b、c三相之一，n表示该相中的子模块编号，CN为电池额定容量，VN为电池标称电压。
计算子模块可放电能量的平均值，然后计算各子模块的可电能量与平均值的最大误差绝对值。
子模块可放电能量的平均值：
Figure BDA0002811377850000051
子模块可放电能量误差绝对值的最大值：
ΔSODEsub_max＝max(|SODE(x，n)-SODEavg|)
在其中一个实施例中，步骤S4中，计算各相的可充电能量和可放电能量，具体方法为：
计算各相的可充电能量：
Figure BDA0002811377850000061
计算各相的可放电能量：
Figure BDA0002811377850000062
式中，下标x表示a、b、c三相之一，n表示该相中的子模块编号，N为每相的子模块数；
计算三相的平均可放电能量：
Figure BDA0002811377850000063
在其中一个实施例中，步骤S5中，计算各相可放电能量和平均可放电能量的误差并计算出误差最大值的绝对值，具体包括：
计算各相可放电电量和平均可放电能量的误差：
ΔSODEa＝SODEa-SODE
ΔSODEb＝SODEb-SODE
ΔSODEc＝SODEc-SODE
式中，ΔSODEa，ΔSODEb，ΔSODEc分别表示a、b、c三相的可放电能量误差，下标a、b、c表示abc三相。
计算各相可放电能量误差绝对值的最大值：
ΔSODEmax＝max(|ΔSODEa|，|ΔSODEb|，|ΔSODEc|)
在其中一个实施例中，步骤6中，三相放电功率分配，具体包括：
系统额定相电流幅值为IN，计算放电功率基准值：
Figure BDA0002811377850000064
其中，Pbase为放电功率的基准值，ω为电网角频率，L为各相并网电感值。
abc三相分配的放电功率分别为：
Figure BDA0002811377850000065
Figure BDA0002811377850000066
Figure BDA0002811377850000071
式中，Pa，Pb，Pc分别表示a、b、c三相分配的放电功率，下标a、b、c表示abc三相。
在其中一个实施例中，步骤S7中，相编号再分配，具体方法为：
1)找出三相中，放电功率最大的那相，指定为A相，相角为
Figure BDA0002811377850000072
2)找出剩余两相中，放电功率为正的那相，指定为C相，相角为
Figure BDA0002811377850000073
若无则进入下一步，若有则跳转到第5)步；
3)找出剩余两相中，放电功率为0的那相，指定为C相，其相电压幅值则为0。若无则进入下一步，若有则跳转到第6)步；
4)此时剩余两相放电功率均为负，任意指定该两相为B相和C相，相角均为
Figure BDA0002811377850000074
5)此时已知两相放电功率为正，则必然剩一相放电功率为负，且绝对值大于另外两相，指定该相为B相，其相角为
Figure BDA0002811377850000075
6)此时已知A相放电功率为正，C相放电功率为0，则剩余那相放电功率必然为负且绝对值等于A相放电功率。将此相指定为B相，相角为
Figure BDA0002811377850000076
在其中一个实施例中，步骤S8中，计算三相电压幅值和电流相角，具体方法为：
指定电流幅值为额定值：
I＝IN
计算A相电压幅值：
Figure BDA0002811377850000077
式中，
Figure BDA0002811377850000078
基于S6中放电功率基准值的选取，Ua至少存在一个实数解。当Ua存在两个实数解时，取满足条件0＜Ua＜UN的解；若两解都满足，选接近UN的解作为A相电压幅值。
计算B相电压幅值：
Figure BDA0002811377850000081
计算C相电压幅值：
Figure BDA0002811377850000082
计算电流相角：
Figure BDA0002811377850000083
在其中一个实施例中，步骤S9中，子模块交流电压分配，具体方法为：
计算各相相内子模块可放电能量与平均值的误差：
Figure BDA0002811377850000084
计算各相上述误差的最大值绝对值：
ΔSODEx，max＝max(|ΔSODEx，n|)
相内各子模块按照与可放电能量误差成正比的原则分配子模块均衡电压，按照平均分配的原则分配各相电压到子模块，各相相内子模块电压幅值如下：
Figure BDA0002811377850000085
Figure BDA0002811377850000086
Figure BDA0002811377850000087
各子模块电压的相角等于相电压的相角：
Figure BDA0002811377850000088
Figure BDA0002811377850000089
Figure BDA00028113778500000810
其中，Ua，n，Ub，n，Uc，n表示a，b，c相的第n个子模块的电压幅值，
Figure BDA00028113778500000811
表示a，b，c相的第n个子模块的电压相角，下标a，b，c表示abc三相，n表示该相中子模块的编号。
在其中一个实施例中，步骤S10中，控制相电流产生均衡电流，具体方法为：
通过电流闭环控制，使得三角形连接的系统相电流的幅值和相角稳定到S8的计算结果，以满足离线均衡的需要。
在其中一个实施例中，步骤S11中，判断离线均衡的结束条件，具体方法为：
计算子模块可放电能量误差绝对值的最大值与子模块平均可放电能量的比值：
Figure BDA0002811377850000091
离线均衡的结束条件：
K<Kover
若满足上述结束条件，则设定各子模块直流电压为0，均衡电流为0，系统离线均衡结束；若不满足上述条件，则跳转到步骤S3进行循环。
在本发明另一实施例中，还提供一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时用于执行还是上述的采用交流环流控制实现级联H桥式电池储能系统离线均衡的方法。
为了更好说明和理解上述的技术，以下结合具体的应用实例来进行说明，但是本发明并不局限于以下具体应用实例。
如图2所示，本实施例为5MW电池储能系统，额定电压为10kV，额定相电流为288A，电池簇标称电压768V，每相有N＝20个子模块，整个系统共60个子模块。交流并网电抗6mH。
本实施例中，子模块电池为由16节3.2V/100Ah磷酸铁锂电池单体串联组成标称电压51.2V，最大充放电倍率4C，标称容量100Ah的储能电池模块，每个子模块电池簇由15块电池模块串联而成。电池SOC的运行上限均设为0.9，运行下限均设为0.1。
参照图1所示的流程，本实施例具体实施过程如下：
S1：改接级联H桥式电池储能系统为角形拓扑，如图2所示
S2：获取模块化多电平储能系统各个子模块电池簇标称电压、SOC、SOH、SOF、额定容量信息
能量转换系统通过通讯方式定时每1s从电池管理系统获取三相共60个子模块电池簇的信息。设置SOC运行上下限分别为0.9和0.1。获取的信息如下：
A相信息：
荷电状态SOCa＝[0.71,0.66,0.73,0.70,0.67,0.71,0.72,0.72,0.70,0.65,0.78,0.66,0.67,0.70,0.69,0.74,0.64,0.66,0.72,0.75]
健康状态SOHa＝[0.90,0.91,0.91,0.92,0.93,0.92,0.91,0.95,0.91,0.92,0.95,0.90,0.93,0.94,0.91,0.92,0.92,0.91,0.91,0.93]
电池簇标称电压UN＝[768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768]，单位V；
电池簇标称容量CN＝[100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100]，单位Ah；
可放电电流Idchg＝[400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400]，单位A；
可充电电流Ichg＝[400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400]，单位A。
B相信息：
荷电状态SOCb＝[0.55,0.54,0.53,0.57,0.56,0.60,0.56,0.58,0.56,0.64,0.54,0.59,0.47,0.51,0.60,0.59,0.59,0.53,0.51,0.49]
健康状态SOHb＝[0.94,0.92,0.95,0.90,0.94,0.90,0.92,0.94,0.91,0.93,0.95,0.94,0.90,0.94,0.90,0.93,0.91,0.92,0.95,0.90]
电池簇标称电压UN＝[768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768]，单位V；
电池簇标称容量CN＝[100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100]，单位Ah；
可放电电流Idchg＝[400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400]，单位A；
可充电电流Ichg＝[400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400]，单位A。
C相信息：
荷电状态SOCc＝[0.53,0.53,0.50,0.51,0.55,0.53,0.50,0.53,0.51,0.59,0.55,0.52,0.47,0.46,0.45,0.54,0.56,0.53,0.49,0.51]
健康状态SOHc＝[0.92,0.93,0.95,0.91,0.92,0.95,0.93,0.90,0.95,0.94,0.94,0.92,0.93,0.90,0.93,0.94,0.92,0.95,0.93,0.92]
电池簇标称电压UN＝[768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768]，单位V；
电池簇标称容量CN＝[100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100]，单位Ah；
可放电电流Idchg＝[400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400]，单位A；
可充电电流Ichg＝[400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400]，单位A。
S3：计算各个子模块的可放电能量
根据步骤一获取的信息，分别计算出各个子模块的可充/放电能量。
A相：
可充电能量SOCE＝[13.13,16.77,11.88,14.13,16.43,13.42,12.58,13.13,13.98,17.66,8.76,16.59,16.43,14.44,14.68,11.30,18.37,16.77,12.58,10.71]，单位kWh；
可放电能量SODE＝[42.16,39.14,44.03,42.39,40.71,43.10,43.33,45.24,41.93,38.86,49.61,38.71,40.71,43.32,41.23,45.22,38.15,39.14,43.33,46.43]，单位kWh。
B相：
可充电能量SOCE＝[25.27,25.44,27.00,22.81,24.55,20.74,24.02,23.10,23.76,18.57,26.27,22.38,29.72,28.15,20.74,22.14,21.67,26.14,28.45,28.34]，单位kWh；
可放电能量SODE＝[32.49,31.09,31.37,32.49,33.21,34.56,32.50,34.65,32.15,38.57,32.10,35.37,25.57,29.60,34.56,35.00,34.25,30.38,29.91,26.96]，单位kWh。
C相：
可充电能量SOCE＝[26.14,26.43,29.18,27.26,24.73,27.00,28.57,25.57,28.45,22.38,25.27,26.85,30.71,30.41,32.14,25.99,24.02,27.00,29.28,27.56]，单位kWh；
可放电能量SODE＝[30.38,30.71,29.18,28.65,31.80,31.37,28.57,29.72,29.91,35.37,32.49,29.68,26.43,24.88,25.00,31.76,32.50,31.37,27.86,28.97]，单位kWh。
进而计算子模块可放电能量的平均值以及各子模块可放电能量与平均值的误差绝对值的最大值。
系统子模块可放电能量平均值SODEavg＝34.84kWh；
系统子模块可放电能量误差绝对值的最大值ΔSODEsubmax＝14.78kWh。
S4：计算各相的可放电电量和三相的平均可放电电量
根据各个子模块充放电能量，求和得到：
A相总的可充电能量SOCE＝283.75kWh；
A相总的可放电能量SODE＝846.74kWh；
B相总的可充电能量SOCE＝489.25kWh；
B相总的可放电能量SODE＝646.78kWh；
C相总的可充电能量SOCE＝544.941kWh；
C相总的可放电能量SODE＝596.61kWh；
三相平均可放电能量SODE＝696.71kWh。
S5：计算各相可放电电量与平均可放电电量的误差
根据S3的结果可得：
A相的可放电能量误差ΔSODE＝150.03kWh；
B相的可放电能量误差ΔSODE＝-49.93kWh；
C相的可放电能量误差ΔSODE＝-100.10kWh。
从而可得误差的最大绝对值为ΔSODEmax＝150.03kWh。
S6：三相放电功率分配：
计算放电功率基准值：Pbase＝235.62kW；
按照相可放电能量误差与最大误差绝对值的比例分配各相放电功率如下：
A相放电功率：
Figure BDA0002811377850000121
B相放电功率：
Figure BDA0002811377850000122
C相放电功率：
Figure BDA0002811377850000131
S7：相编号再分配：
找到放电功率最大的相为A相，则无需更换A相编号，指定A相电压相角为0°；
剩余两相的放电功率均为负，则可任意指定为B，C相，此处可维持其编号不变，指定B，C相的电压相角均为90°。
S8：计算三相电压幅值和电流相角：
设定相均衡电流为额定相电流，即：
I＝IN＝288A
计算参数
Figure BDA0002811377850000132
故A相电压幅值有且仅有一个实数解；
计算各相电压如下：
A相电压幅值：
Figure BDA0002811377850000133
A相电压相角：
Figure BDA0002811377850000134
计算B相电压幅值：
Figure BDA0002811377850000135
B相电压相角：
Figure BDA0002811377850000136
计算C相电压幅值：
Figure BDA0002811377850000137
C相电压相角：
Figure BDA0002811377850000138
计算电流相角：
Figure BDA0002811377850000139
电流幅值：I＝288A。
S9：子模块交流电压分配：
计算各相相内子模块可放电能量与平均值的误差：
A相子模块可放电能量与A相平均值的误差：ΔSODE＝[-0.17,-3.20,1.69,0.06,-1.63,0.76,0.99,2.90,-0.40,-3.48,7.28,-3.63,-1.63,0.98,-1.10,2.88,-4.18,-3.20,0.99,4.09]，单位kWh；
B相子模块可放电能量与B相平均值的误差：ΔSODE＝[0.15,-1.25,-0.97,0.15,0.87,2.22,0.16,2.31,-0.19,6.23,-0.24,3.04,-6.76,-2.74,2.22,2.66,1.91,-1.96,-2.43,-5.38]，单位kWh；
C相子模块可放电能量与C相平均值的误差：ΔSODE＝[0.55,0.88,-0.65,-1.18,1.96,1.54,-1.26,-0.11,0.08,5.54,2.66,-0.16,-3.40,-4.95,-4.83,1.93,2.67,1.54,-1.98,-0.86]，单位kWh；
从而可得各相子模块可放电能量与相平均值的误差的最大绝对值：
ΔSODEa,max＝7.28kWh；
ΔSODEb,max＝6.76kWh；
ΔSODEc,max＝5.54kWh；
按照S9中子模块电压幅值分配原则，可得各相子模块电压幅值如下：
A相：
子模块电压Uan＝[50.81,-69.25,124.86,59.95,-6.78,87.99,97.13,172.70,41.67,-80.22,346.39,-86.31,-6.78,96.52,13.94,172.09,-108.25,-69.25,97.13,219.93]，单位V；
B相：
子模块电压Ubn＝[25.50,-34.15,-22.02,25.50,56.31,113.99,26.16,117.92,11.08,285.07,9.11,148.73,-269.47,-97.73,113.99,132.67,100.55,-64.30,-84.29,-210.47]，单位V；
C相：
子模块电压Ucn＝[67.22,84.42,4.83,-22.76,140.81,118.81,-27.16,32.83,42.83,327.18,176.80,30.43,-138.75,-219.13,-213.13,139.21,177.60,118.81,-64.36,-6.37]，单位V；
各相子模块的电压相角与该相相电压的相角一致，则有：
A相子模块的电压相角
Figure BDA0002811377850000141
B相子模块的电压相角
Figure BDA0002811377850000151
C相子模块的电压相角
Figure BDA0002811377850000152
S10：控制相电流产生均衡电流：
通过电流闭环控制，使得相电流的幅值稳定到额定值288A，相角稳定到-45°；
S11：判断离线均衡的结束条件：
在本实施例中，考虑到系统容量和子模块SOC控制精度，设定离线均衡结束的判据参数Kover＝5％。
计算可放电量误差绝对值的最大值与平均可放电电量的比值：K＝42.42％；
不满足离线均衡的结束条件K<Kover，则跳转到步骤S2，循环进行离线均衡，直到满足离线均衡的结束条件后，结束离线均衡。
本发明以实现采用角形连接的级联H桥电池储能系统离线均衡为目标，同时考虑到系统运行边界，相比于传统对单个电池模块的均衡维护工作，可以更加便捷安全地实现级联H桥式电池储能系统运行前电池能量的离线均衡，大大减小电池储能系统运行前电池均衡维护的工作量。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。本发明上述各优选实施例中的特征，在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。

Claims (12)

1.一种采用交流环流控制实现级联电池储能系统离线均衡的方法，其特征在于，包括：
S1：改接级联H桥式电池储能系统为角形拓扑；
S2：获取S1改接后的级联H桥式电池储能系统各个子模块电池电压、SOC、SOH、SOF、额定容量信息；
S3：根据S2获取的各个子模块电池SOC、SOH以及电池额定容量信息，计算出各个子模块电池的可充电能量和可放电能量，进而计算所有子模块可放电能量的与其平均值的误差最大绝对值；
S4：对S3得到的子模块可充电能量和可放电能量求和，得到各相的可充电能量、可放电能量和三相平均可放电能量；
S5：对S4得到的各相可放电能量和平均可放电能量做差，得到各相可放电能量误差，同时求得误差的最大绝对值；
S6：将各相的放电功率按照与相可放电电量误差成正比的原则分配，相放电功率的绝对值不得超过相额定容量，实现三相放电功率分配；
S7：根据S6各相分配得到的功率值，调整各相的编号，使得处于放电状态且放电功率最大的那相为A相，相角为0°；处于放电状态且放电功率大于或等于0的那相为C相，相角为-90°；若无法满足上述C相条件，则指定剩余两相为B相和C相，相角均为90°；
S8：在S7基础上，指定电流的幅值为额定值，求解系统有功和无功方程组，解得三相电压的幅值和电流相角；
S9：在S8基础上，按照与模块可放电能量误差成正比的原则分配子模块均衡电压，按照平均分配原则分配相电压到各子模块，子模块电压相角与相电压相同，实现子模块交流电压分配；
S10：控制相电流产生均衡电流，通过电流闭环控制使环路电流幅值达到额定值，相角达到S8计算得到的电流相角值；
S11：通过子模块可放电能量误差的最大绝对值与子模块平均可放电电量的比值，判断离线均衡是否结束，当此比值小在设定范围内，则认为离线均衡完成。
2.根据权利要求1所述的采用交流环流控制实现级联电池储能系统离线均衡的方法，其特征在于，S2中，级联H桥式电池储能系统中，每个子模块包括电池单元和功率单元，电池单元由电池管理系统管理，功率单元作为功率转换系统的一部分由PCS控制器控制，PCS控制器定时从BMS获取各个功率单元对应的电池单元的SOC状态和SOH状态；PCS控制器定时从BMS获取各个功率单元对应的电池单元的SOC状态和SOH状态，时间间隔根据电池储能系统的状态刷新速率确定，取0.1s-1min。
3.根据权利要求1所述的采用交流环流控制实现级联电池储能系统离线均衡的方法，其特征在于，步骤S3中，计算各个子模块的可充电能量和可放电能量，具体方法为：
各个子模块的可充电能量SOCE(x，n)：
SOCE(x，n)＝[(SOCup-SOCx，n)×SOHx，n×CN]×VN
各个子模块的可放电能量SODE(x，n)：
SODE(x，n)＝[(SOCx，n-SOCdown)×SOHx，n×CN]×VN
式中，SOCup和SOCdown分别代表电池运行的SOC上下边界，0≤SOCdown≤SOCup≤1，x表示a、b、c三相之一，n表示该相中的子模块编号，CN为电池额定容量，VN为电池标称电压；SOCx，n、SOHx，n分别表示x相第n个子模块电池的荷电状态和健康状态；
计算系统子模块的可放电能量的平均值，然后计算各子模块的可放电能量与平均值的误差的最大值；
子模块可放电能量的平均值SODEavg：
Figure FDA0002811377840000021
上式中，N为各相的子模块数；
子模块可放电能量误差绝对值的最大值ΔSODEsub_max：
ΔSODEsub_max＝max(|SODE(x，n)-SODEavg|)。
4.根据权利要求1所述的采用交流环流控制实现级联电池储能系统离线均衡的方法，其特征在于，S4中，计算各相的可充电能量、可放电能量和三相平均可放电能量，具体方法为：
计算各相的可充电能量SOCEx：
Figure FDA0002811377840000031
计算各相的可放电能量SODEx：
Figure FDA0002811377840000032
式中，下标x表示a、b、c三相之一，n表示该相中的子模块编号，N为各相的子模块数；SOCE(x，n)为各个子模块的可充电能量；SODE(x，n)为各个子模块的可放电能量；
计算三相平均可放电电量SODE：
Figure FDA0002811377840000033
式中，SODEa、SODEb、SODEc分别为a、b、c三相可放电电量。
5.根据权利要求1所述的采用交流环流控制实现级联电池储能系统离线均衡的方法，其特征在于，S5中，计算各相可放电能量和平均可放电能量的误差并计算出误差最大值的绝对值，具体包括：
计算各相可放电能量和平均可放电能量的误差：
ΔSODEa＝SODEa-SODE
ΔSODEb＝SODEb-SODE
ΔSODEc＝SODEc-SODE
式中，ΔSODEa，ΔSODEb，ΔSODEc分别表示a、b、c三相的可放电能量误差，下标a、b、c表示abc三相；SODEa、SODEb、SODEc分别为a、b、c三相可放电电量，SODE为计算三相平均可放电电量；
计算各相可放电能量误差绝对值的最大值ΔSODEmax：
ΔSODEmax＝max(|ΔSODEa|，|ΔSODEb|，|ΔSODEc|)。
6.根据权利要求1所述的采用交流环流控制实现级联电池储能系统离线均衡的方法，其特征在于，S6中，三相放电功率分配，具体包括：
系统额定相电流幅值为IN，计算放电功率基准值：
Figure FDA0002811377840000034
其中，Pbase为放电功率的基准值，ω为电网角频率，L为各相并网电感值；
abc三相分配的放电功率分别为：
Figure FDA0002811377840000041
Figure FDA0002811377840000042
Figure FDA0002811377840000043
式中，Pa，Pb，Pc分别表示a、b、c三相分配的放电功率，下标a、b、c表示abc三相；ΔSODEa，ΔSODEb，ΔSODEc分别表示a、b、c三相的可放电能量误差，ΔSODEmax为各相可放电能量误差绝对值的最大值。
7.根据权利要求1所述的采用交流环流控制实现级联电池储能系统离线均衡的方法，其特征在于，S7中，具体包括：
1)找出三相中，放电功率最大的那相，指定为A相，相角为
Figure FDA0002811377840000044
2)找出剩余两相中，放电功率为正的那相，指定为C相，相角为
Figure FDA0002811377840000045
若无则进入下一步，若有则跳转到第5)步；
3)找出剩余两相中，放电功率为0的那相，指定为C相，其相电压幅值则为0，若无则进入下一步，若有则跳转到第6)步；
4)此时剩余两相放电功率均为负，任意指定该两相为B相和C相，相角均为
Figure FDA0002811377840000046
5)此时已知两相放电功率为正，则必然剩一相放电功率为负，且绝对值大于另外两相，指定该相为B相，其相角为
Figure FDA0002811377840000047
6)此时已知A相放电功率为正，C相放电功率为0，则剩余那相放电功率必然为负且绝对值等于A相放电功率，将此相指定为B相，相角为
Figure FDA0002811377840000048
8.根据权利要求1所述的采用交流环流控制实现级联电池储能系统离线均衡的方法，其特征在于，S7中，计算三相电压幅值和电流相角，具体包括：
指定电流幅值为额定值：
I＝IN
计算A相电压幅值Ua：
Figure FDA0002811377840000051
式中，
Figure FDA0002811377840000052
ω为电网角频率，L为各相并网电感值；Pa为三相中a相分配的放电功率；
基于S6中放电功率基准值的选取，Ua至少存在一个实数解，当Ua存在两个实数解时，取满足条件0＜Ua＜UN的解；若两解都满足，选接近UN的解作为A相电压幅值；
计算B相电压幅值Ub：
Figure FDA0002811377840000053
计算C相电压幅值Uc：
Figure FDA0002811377840000054
计算电流相角
Figure FDA0002811377840000055
Figure FDA0002811377840000056
其中，Pb为三相中b相分配的放电功率；Pc为三相中c相分配的放电功率。
9.根据权利要求1所述的采用交流环流控制实现级联电池储能系统离线均衡的方法，其特征在于，S9中，具体包括：
计算各相相内子模块可放电能量与其平均值的误差ΔSODEx，n：
Figure FDA0002811377840000057
上式中，N为各相的子模块数；SODE(x，n)为各个子模块的可放电能量；SODEx为各相的可放电能量，x表示a、b、c三相之一；
计算上述误差的最大值绝对值ΔSODEx，max：
ΔSODEx，max＝max(|ΔSODEx，n|)
相内各子模块按照与可放电能量误差成正比的原则分配子模块均衡电压，按照平均分配的原则分配各相电压到子模块：
Figure FDA0002811377840000061
各子模块电压的相角等于相电压的相拜
Figure FDA0002811377840000062
Figure FDA0002811377840000063
其中，Ux，n表示x相的第n个子模块的电压幅值，
Figure FDA0002811377840000064
表示x相的第n个子模块的电压相角，下标x表示abc三相中任意一相，n表示某一相中的子模块编号，
Figure FDA0002811377840000065
表示x相电压的相角。
10.根据权利要求1所述的采用交流环流控制实现级联电池储能系统离线均衡的方法，其特征在于，S10中，具体包括：
通过电流闭环控制，使得三角形连接的系统相电流的幅值和相角稳定到S8的计算结果，以满足离线均衡的需要。
11.根据权利要求1所述的采用交流环流控制实现级联电池储能系统离线均衡的方法，其特征在于，S11中，具体包括：
计算子模块可放电能量误差绝对值的最大值与子模块平均可放电能量的比值K：
Figure FDA0002811377840000066
式中，ΔSODEsub_max为系统子模块可放电能量误差的最大绝对值，SODEavg为子模块可放电能量的平均值；
离线均衡的结束条件：
K＜Kover
式中，Kover为离线均衡结束的判据参数；
若满足上述结束条件，则设定各子模块直流电压为0，均衡电流为0，系统离线均衡结束；若不满足上述条件，则跳转到S3进行循环。
12.一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时用于执行权利要求1-11中任一项所述的采用交流环流控制实现级联电池储能系统离线均衡的方法。
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