CN113595111B - 一种级联式电能质量治理装置储能电池的充放电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种级联式电能质量治理装置储能电池的充放电控制方法，属于电力电子装置的控制技术领域。本发明通过实时采集级联式电能质量综合治理装置内各储能电池SOC状态、储能电池充放电电流、电网侧输入电流谐波含量，动态调节储能电池均衡控制比例调节系数，从而在实现装置内各储能电池SOC状态均衡的同时，保证电网侧输入电流的谐波含量一直处于标准要求范围内。本发明方法基于SOC均衡外环和电流内环的软件控制实现、控制逻辑简单、效果明显，有利于工程应用。

Description

一种级联式电能质量治理装置储能电池的充放电控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子装置的控制技术领域，具体是一种级联式电能质量治理装置储能电池的充放电控制方法。

背景技术

随着我国制造业的产业升级，一批以精密加工、芯片电子制造、数据中心等为代表的高新技术产业得到快速发展。考虑到高新技术产业中的高精尖设备对电压暂降、谐波、三相不平衡等电能质量的要求高，这使得电能质量问题越来越突出，因此保证负载的高质量供电成为亟需解决的问题之一。

基于现代电力电子技术和现代控制理论，级联式电能质量综合治理装置可以解决三相不平衡、电流谐波和电压波动等全电能质量问题，因此得到了广泛应用。一般的，为了更好的解决电能质量当中的电压暂降问题，级联式电能质量综合治理装置会在其基本功率单元中增加储能电池，以便于对负载进行连续、安全、稳定的供电。但是，增加储能电池后的级联式电能质量综合治理装置，由于电池特性参数不一致、电池老化等原因会导致装置内各储能电池出现荷电状态(State of Charge,SOC)不均衡的问题，进而造成装置储能容量减额和安全稳定运行。此外，当对装置内各储能电池进行均衡控制时，各电池单元充放电电流会出现一定的差异，这种差异化的电流会造成移相变压器二次侧电流不平衡，从而促使电网侧输入电流的谐波含量增大。因此，如何均衡级联式电能质量综合治理装置中各电池单元的荷电状态，同时保证均衡过程中各储能电池充放电电流的差异，不会对电网侧输入电流造成谐波污染，已引起了国内外研究学者的广泛关注。

发明内容

本发明的目的是提出一种级联式电能质量治理装置储能电池的充放电控制方法，以实现装置内各储能电池SOC状态的均衡，同时保证电网侧输入电流的谐波含量处于标准要求范围内。

本发明提出的一种级联式电能质量治理装置储能电池的充放电控制方法，包括如下步骤：

步骤一、获取级联式电能质量综合治理装置每一相中各储能电池的SOC状态值以及电网侧输入电流谐波含量THD_a，并设定谐波含量调节阈值A；

步骤二、根据级联式电能质量综合治理装置每一相中各储能电池的SOC状态值计算各储能电池的SOC状态平均值以及总的储能电池 SOC状态平均值；

步骤三、计算各储能电池单元SOC状态值与总的储能电池SOC 状态平均值的差值ΔSOC_dai；

步骤四、结合装置各储能电池实际充放电电流和SOC实时状态，定义装置内各储能系统双向DC/DC变换器均衡控制外环反馈指令I_dai ^*计算表达式如下：

式中，P为储能电池均衡控制比例调节系数，取值为K_A或者K_B；

步骤五、将电网侧输入电流谐波含量THD_a和装置谐波含量调节阈值A进行比较，若THD_a≤A，储能电池均衡控制比例调节系数P＝K_A，否则P＝K_B；

步骤六、所述储能电池均衡控制外环反馈指令I_dai ^*求解成功后，装置进入电流内环控制环节，将I_dai ^*与装置给定充放电电流指令值I_dc之和作为储能电池的实际充放电电流指令值，所述储能电池的实际充放电电流指令值与反馈电流指令值之差经PI调节器实现无差控制，产生双向DC/DC变换器的调制信号，双向DC/DC变换器将根据调制信号对储能电池进行充放电控制。

进一步的，步骤一具体为：

通过电池组的电源管理系统，获取级联式电能质量综合治理装置每一相中各储能电池的SOC状态，分别记为：

SOC_du1,SOC_du2,…SOC_dui…,SOC_dun、

SOC_dv1,SOC_dv2,…SOC_dvi…,SOC_dvn、

SOC_dw1,SOC_dw2,…SOC_dwi…,SOC_dwn，

其中：SOC_dui表示装置u相中第i个储能电池单元的SOC值，SOC_dvi表示装置v相中第i个储能电池单元的SOC值，SOC_dwi表示装置w相中第i个储能电池单元的SOC值；

通过电流传感器获取并计算级联式电能质量综合治理装置电网侧输入电流谐波含量THD_a，其中a＝u、v、w，表示级联式电能质量综合治理装置的三相；

阈值A根据电网的输入谐波含量要求确定，一般是4％。

进一步的，步骤二具体为：

利用公式求出级联式电能质量综合治理装置每一相中各储能电池的SOC状态平均值，然后利用公式/>求解级联式电能质量综合治理装置中总的储能电池SOC状态平均值，记为SOC_d。

进一步的，步骤三具体为：

定义ΔSOC_dai为各储能电池单元SOC状态值与装置中总的储能电池SOC状态平均值SOC_d的差值，其计算公式为：ΔSOC_dai＝SOC_dai-SOC_d，其中a＝u、v、w，表示级联式电能质量综合治理装置的每一相。

本发明提出的一种级联式电能质量治理装置储能电池的充放电控制方法，与现有技术相比，其优点在于：

1、本发明提出的储能电池充放电控制方法，会根据储能电池SOC 实时状态、储能电池充放电电流、电网侧输入电流谐波含量，动态调节储能电池均衡控制比例调节系数，在保证电网侧输入电流谐波含量不超过标准值时，实现装置内各储能电池SOC状态的均衡。

2、本发明提出的一种级联式电能质量治理装置储能电池的充放电控制方法，能够提高储能电池的充放电效率，延长其使用寿命。

3、本发明提出的储能电池充放电控制方法，是基于SOC均衡外环和电流内环的双环控制，具有控制精度高、响应速度快、稳定性好的优点，同时控制过程只依靠软件实现，不增加外围硬件电路。

附图说明

图1是本发明方法的流程框图；

图2是本发明方法的控制框图；

图3是含储能电池的级联式电能质量综合治理装置功率单元模块拓扑结构；

图4是级联式电能质量综合治理装置拓扑结构；

图5是不采用本发明方法对储能电池进行充放电后的电池SOC 状态和输入侧电流谐波含量；

图6是采用本发明方法对储能电池进行充放电后的电池SOC状态和输入侧电流谐波含量。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面以具体实例说明本发明中一种级联式电能质量治理装置储能电池的充放电控制方法。为了说明方便，以图3、图4所示的电路结构为例，图4为级联式电能质量综合治理装置拓扑结构，装置主要包括：过电压保护装置、输入开关柜、10kV/380V降压变压器、软充电装置、移相变压器、功率单元模块、接地电阻、旁通开关柜、输出开关柜组成等。

图3为含储能电池的级联式电能质量综合治理装置功率单元模块拓扑结构，功率单元主要包括：三相不控整流桥、直流电容、放电电阻、H桥逆变单元、双向DC/DC变换器、功率二极管、直流熔断器及储能电池组成等。

图2是一种用于级联式电能质量综合治理装置储能电池的充放电控制框图，由图2中可知，本发明提供的储能电池充放电控制方法主要由均衡控制外环和电流内环两部分组成，经两个环节的算法处理后，得到双向DCDC变换器的调制信号，进而实现储能电池的充放电控制。

图5是不采用本发明方法(即不进行本发明的控制，直接对储能电池进行充放电，充放电过程不采用任何控制算法)对储能电池进行充放电后的电池SOC状态和输入侧电流谐波含量，图中可以看出充放电结束后，各储能电池SOC状态的没有均衡，同时输入侧电流谐波含量为7.36％，远超过国网4％的标准要求。

为进一步说明本方法的实际效果，结合图1所示流程框图对级联式电能质量综合治理装置储能电池的充放电控制方法的工作过程进行详细说明，所述方法包括如下步骤：

1、本实施例中级联数n＝3，谐波含量调节阈值A＝4％，获取到的级联式电能质量综合治理装置每一相中各储能电池的SOC状态为： 80.6％_du1,80.5％_du2,80.4％_du3、80.1％_dv1,80％_dv2,79.9％_dv3、 79.6％_dw1,79.5％_dw2,79.4％_dw3；

2、利用公式求出级联式电能质量综合治理装置每一相中各储能电池的SOC状态平均值。进一步的，利用公式/>求解级联式电能质量综合治理装置中总的储能电池SOC状态平均值，记为SOC_d。

3、定义ΔSOC_dai为各储能电池单元SOC状态值与装置中总的储能电池SOC状态平均值SOC_d的差值，其计算公式为：ΔSOC_dai＝SOC_dai-SOC_d，其中a＝u、v、w，表示级联式电能质量综合治理装置的每一相。

4、结合装置各储能电池实际充放电电流和SOC实时状态，定义装置内各储能系统双向DC/DC变换器均衡控制外环反馈指令I_dai ^*计算表达式如下：

式中，P为储能电池均衡控制比例调节系数，取值为K_A或者K_B，本实施例中K_A＝2、K_B＝0.5，由电网侧输入电流的谐波含量THD_a决定， a＝u、v、w，表示级联式电能质量综合治理装置的每一相。

5、将电网侧输入电流谐波含量THD_a和装置谐波含量调节阈值A 进行比较，若THD_a≤A，储能电池均衡控制比例调节系数P＝K_A，否则 P＝K_B。

6、所述储能电池均衡控制外环反馈指令I_dai ^*求解成功后，装置进入电流内环控制环节，将I_dai ^*与装置给定充放电电流指令值I_dc之和作为储能电池的实际充放电电流指令值，所述储能电池的实际充放电电流指令值与反馈电流指令值之差经PI调节器实现无差控制，产生双向DC/DC变换器的调制信号，双向DC/DC变换器将根据调制信号对储能电池进行充放电控制。

图6就是采用本发明方法对储能电池进行充放电后的电池SOC 状态和输入侧电流谐波含量，与图5相比，采用本方法后，各电池的 SOC状态得到均衡，同时输入侧电流谐波含量由7.36％降低到了标准范围之内的2.95％。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种级联式电能质量治理装置储能电池的充放电控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、获取级联式电能质量综合治理装置每一相中各储能电池的SOC状态值以及电网侧输入电流谐波含量THD_a，并设定谐波含量调节阈值A；

步骤二、根据级联式电能质量综合治理装置每一相中各储能电池的SOC状态值计算各储能电池的SOC状态平均值以及总的储能电池SOC状态平均值；

步骤三、计算各储能电池单元SOC状态值与总的储能电池SOC状态平均值的差值ΔSOC_dai；

步骤四、结合装置各储能电池实际充放电电流和SOC实时状态，定义装置内各储能系统双向DC/DC变换器均衡控制外环反馈指令I_dai ^*计算表达式如下：

式中，P为储能电池均衡控制比例调节系数，取值为K_A或者K_B；

步骤五、将电网侧输入电流谐波含量THD_a和装置谐波含量调节阈值A进行比较，若THD_a≤A，储能电池均衡控制比例调节系数P＝K_A，否则P＝K_B；

步骤六、所述储能电池均衡控制外环反馈指令I_dai ^*求解成功后，装置进入电流内环控制环节，将I_dai ^*与装置给定充放电电流指令值I_dc之和作为储能电池的实际充放电电流指令值，所述储能电池的实际充放电电流指令值与反馈电流指令值之差经PI调节器实现无差控制，产生双向DC/DC变换器的调制信号，双向DC/DC变换器将根据调制信号对储能电池进行充放电控制。

2.如权利要求1所述的级联式电能质量治理装置储能电池的充放电控制方法，其特征在于：步骤一具体为：

通过电池组的电源管理系统，获取级联式电能质量综合治理装置每一相中各储能电池的SOC状态，分别记为：SOC_du1,SOC_du2,…SOC_dui…,SOC_dun、SOC_dv1,SOC_dv2,…SOC_dvi…,SOC_dvn、SOC_dw1,SOC_dw2,…SOC_dwi…,SOC_dwn，

其中：SOC_dui表示装置u相中第i个储能电池单元的SOC值，SOC_dvi表示装置v相中第i个储能电池单元的SOC值，SOC_dwi表示装置w相中第i个储能电池单元的SOC值；

通过电流传感器获取并计算级联式电能质量综合治理装置电网侧输入电流谐波含量THD_a，其中a＝u、v、w，表示级联式电能质量综合治理装置的三相；

阈值A根据电网的输入谐波含量要求确定，一般是4％。

3.如权利要求2所述的级联式电能质量治理装置储能电池的充放电控制方法，其特征在于：步骤二具体为：

利用公式求出级联式电能质量综合治理装置每一相中各储能电池的SOC状态平均值，然后利用公式/>求解级联式电能质量综合治理装置中总的储能电池SOC状态平均值，记为SOC_d。

4.如权利要求3所述的级联式电能质量治理装置储能电池的充放电控制方法，其特征在于：步骤三具体为：

定义ΔSOC_dai为各储能电池单元SOC状态值与装置中总的储能电池SOC状态平均值SOC_d的差值，其计算公式为：ΔSOC_dai＝SOC_dai-SOC_d，其中a＝u、v、w，表示级联式电能质量综合治理装置的每一相。