CN113890069B - 基于可变均衡系数的级联型储能系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开是关于一种基于可变均衡系数的级联型储能系统控制方法。该方法包括：生成级联型储能系统基于各相的相间不均衡度、均衡系数的零序电压表达式；根据定调制比时，级联型储能系统各相的相间不均衡度，分别计算所述级联型储能系统达到均衡状态时的均衡系数，并拟合生成各相的相间不均衡度与均衡系数的函数关系式，进而生成可变均衡系数的零序电压表达式，实现对级联型储能系统的基于可变均衡系数零序电压注入的相间均衡控制。本公开实现了对级联型储能系统的基于可变均衡系数零序电压注入的相间均衡控制，大幅提升了级联型储能功率变换系统的相间均衡速率。

Description

基于可变均衡系数的级联型储能系统控制方法

技术领域

本公开涉及储能领域，具体而言，涉及一种基于可变均衡系数的级联型储能系统控制方法。

背景技术

储能技术因能提高新能源发电利用率、平滑有功功率波动、对电力系统起到削峰填谷等作用而受到广泛应用。其中，级联型储能功率变换系统(Power Conversion System，PCS)具有模块化结构、安全性高等优点，在高压大容量场合受到广泛关注，其控制策略的好坏直接影响到储能系统的性能和可靠性。

级联型储能功率变换系统在充/放电过程中由于电池生产工艺差别和自放电等原因导致电池可用容量与最大容量的比值SOC不均衡，系统需进行相间与相内均衡控制，在相间均衡控制中，当系统相间SOC不均衡度较大时，现有技术的零序电压注入策略会出现均衡速度较慢的问题。

因此，需要一种或多种方法解决上述问题。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种基于可变均衡系数的级联型储能系统控制方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本公开的一个方面，提供一种基于可变均衡系数的级联型储能系统控制方法，包括：

根据级联型储能系统控制模型，采用基于零序电压注入的相间均衡控制策略，生成基于各相的相间不均衡度、平衡系数的零序电压表达式；

根据定调制比时，级联型储能系统的各相的相间不均衡度，分别计算所述级联型储能系统达到均衡状态时的均衡系数，生成各相的相间不均衡度与平衡系数对应的离散点集合；

将所述各相的相间不均衡度与平衡系数对应的离散点集合拟合生成各相的相间不均衡度与平衡系数的函数关系式；

将所述各相的相间不均衡度与平衡系数的函数关系式代入至所述零序电压表达式中，生成可变均衡系数的零序电压表达式，并通过所述可变均衡系数的零序电压表达式实现对级联型储能系统的基于可变均衡系数零序电压注入的相间均衡控制。

在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：

根据级联型储能系统控制模型，采用基于零序电压注入的相间均衡控制策略，生成基于各相的相间不均衡度、平衡系数的零序电压表达式为

其中，u₀为零序电压，Λ为平衡系数，ΔSOC_g为各相的相间不均衡度，ω＝2πf为角频率，

为零序电压初始相角。

在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：

根据级联型储能系统的级联数目与调制比关系，取每次注入零序电压后系统最大调制比m'＝0.9，a相的电池可用容量与最大容量的比值SOC为20％，分别模拟b相与c相初始SOC为25％且以不均衡度为5％递增至80％时，各相的相间不均衡度ΔSOC_g、平衡系数Λ的取值，生成各相的相间不均衡度与平衡系数对应的离散点集合。

在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：

基于仿真软件，将所述各相的相间不均衡度与平衡系数对应的离散点集合拟合生成各相的相间不均衡度与平衡系数的函数关系式

在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：

将所述各相的相间不均衡度与平衡系数的函数关系式

代入至所述零序电压表达式中，生成可变均衡系数的零序电压表达式

并通过所述可变均衡系数的零序电压表达式实现对级联型储能系统的基于可变均衡系数零序电压注入的相间均衡控制。

本公开的示例性实施例中的基于可变均衡系数的级联型储能系统控制方法，生成级联型储能系统基于各相的相间不均衡度、平衡系数的零序电压表达式；根据定调制比时，级联型储能系统的各相的相间不均衡度，分别计算所述级联型储能系统达到均衡状态时的均衡系数，并拟合生成各相的相间不均衡度与平衡系数的函数关系式，进而生成可变均衡系数的零序电压表达式，实现对级联型储能系统的基于可变均衡系数零序电压注入的相间均衡控制。本公开通过建立并拟合级联型储能系统中各相的相间不均衡度、平衡系数的函数关系，实现了对级联型储能系统的基于可变均衡系数零序电压注入的相间均衡控制，大幅提升了级联型储能功率变换系统的相间均衡速率。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

通过参照附图来详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1示出了根据本公开一示例性实施例的基于可变均衡系数的级联型储能系统控制方法的流程图；

图2A-2B示出了根据本公开一示例性实施例的级联型储能PCS电路图；

图3示出了根据本公开一示例性实施例的基于可变均衡系数的级联型储能系统控制方法的ΔSOC_g与均衡系数Λ的曲线关系图；

图4示出了根据本公开一示例性实施例的基于可变均衡系数的零序电压注入控制策略仿真模型。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作以避免模糊本公开的各方面。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个软件硬化的模块中实现这些功能实体或功能实体的一部分，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

在本示例实施例中，首先提供了一种基于可变均衡系数的级联型储能系统控制方法；参考图1中所示，该基于可变均衡系数的级联型储能系统控制方法可以包括以下步骤：

步骤S110，根据级联型储能系统控制模型，采用基于零序电压注入的相间均衡控制策略，生成基于各相的相间不均衡度、平衡系数的零序电压表达式；

步骤S120，根据定调制比时，级联型储能系统的各相的相间不均衡度，分别计算所述级联型储能系统达到均衡状态时的均衡系数，生成各相的相间不均衡度与平衡系数对应的离散点集合；

步骤S130，将所述各相的相间不均衡度与平衡系数对应的离散点集合拟合生成各相的相间不均衡度与平衡系数的函数关系式；

步骤S140，将所述各相的相间不均衡度与平衡系数的函数关系式代入至所述零序电压表达式中，生成可变均衡系数的零序电压表达式，并通过所述可变均衡系数的零序电压表达式实现对级联型储能系统的基于可变均衡系数零序电压注入的相间均衡控制。

本公开的示例性实施例中的基于可变均衡系数的级联型储能系统控制方法，生成级联型储能系统基于各相的相间不均衡度、平衡系数的零序电压表达式；根据定调制比时，级联型储能系统的各相的相间不均衡度，分别计算所述级联型储能系统达到均衡状态时的均衡系数，并拟合生成各相的相间不均衡度与平衡系数的函数关系式，进而生成可变均衡系数的零序电压表达式，实现对级联型储能系统的基于可变均衡系数零序电压注入的相间均衡控制。本公开通过建立并拟合级联型储能系统中各相的相间不均衡度、平衡系数的函数关系，实现了对级联型储能系统的基于可变均衡系数零序电压注入的相间均衡控制，大幅提升了级联型储能功率变换系统的相间均衡速率。

下面，将对本示例实施例中的基于可变均衡系数的级联型储能系统控制方法进行进一步的说明。

在步骤S110中，可以根据级联型储能系统控制模型，采用基于零序电压注入的相间均衡控制策略，生成基于各相的相间不均衡度、平衡系数的零序电压表达式。

在本示例的实施例中，如图2A为级联型储能PCS拓扑结构示意图，根据图2A，将各相电网均通过电感与交流侧连接，得到级联型储能PCS等效电路如图2B所示。

在本示例的实施例中，级联型储能PCS以锂电池作为储能介质，系统各锂电池的SOC是否均衡是提高电池使用寿命的关键因素。由于各电池生产工艺差别和使用等原因会导致电池间SOC产生差异，随着时间的推移，差异可能被放大，且系统采用级联结构，在充/放电过程中，流过各功率模块电流相等，各模块的功率相等，电池吸收或释放的电能相同，若系统处于充电状态，在相同时间内，SOC大的电池充满时，SOC小的电池还未充满，若继续充电，会导致SOC大的电池出现过充；若系统处于放电状态，在相同时间内，SOC大的电池未放完电时，SOC小的电池已经放完，若继续放电，会导致SOC小的电池出现过放，影响电池的使用寿命和系统可靠性，因此需要进行均衡控制。

在本示例的实施例中，当系统三相SOC均值存在差异，即系统相间不均衡时，由于级联型储能PCS无中性线，输出线电压和相电压中均不包含零序分量，采用零序电压注入策略可在不产生零序电流、不改变系统总功率、不影响系统性能的条件下，通过改变系统各相输出电压的大小，改变各相调制比，从而改变系统各相输出功率的大小，当系统放电时，使SOC均值较大的相多放电，SOC均值较小的相少放电，达到三相SOC均衡的目的。

SOC是指电池在一定放电倍率下，电池可用容量与最大容量的比值，即

在本示例的实施例中，若将各相的相间不均衡度ΔSOC_i用一个通用矢量ΔSOC_g表示，根据级联型储能系统控制模型，采用基于零序电压注入的相间均衡控制策略，生成基于各相的相间不均衡度、平衡系数的零序电压表达式为

其中，u₀为零序电压，Λ为平衡系数，ΔSOC_g为各相的相间不均衡度，ω＝2πf为角频率，

为零序电压初始相角。

在步骤S120中，可以根据定调制比时，级联型储能系统的各相的相间不均衡度，分别计算所述级联型储能系统达到均衡状态时的均衡系数，生成各相的相间不均衡度与平衡系数对应的离散点集合。

在本示例的实施例中，根据级联型储能系统的级联数目与调制比关系，取每次注入零序电压后系统最大调制比m'＝0.9，a相的电池可用容量与最大容量的比值SOC为20％，分别模拟b相与c相初始SOC为25％且以不均衡度为5％递增至80％时，各相的相间不均衡度ΔSOC_g、平衡系数Λ的取值，生成各相的相间不均衡度与平衡系数对应的离散点集合。

在本示例的实施例中，根据级联数目与调制比之间关系的分析可知，若系统处于均衡状态且稳定运行，课题取调制比m＝0.8；假设a相SOC为20％且不变，b相与c相初始SOC为25％且以不均衡度为5％递增至80％，在12种相间不均衡状态的条件下，分别注入传统零序电压并进行仿真研究。由于系统注入零序电压后，调制比随输出电压的改变而发生变化，为使系统不发生过调制，取每次注入零序电压后系统最大调制比m'＝0.9，此时均衡系数Λ、ΔSOC_g、均衡时间t之间的变化如表1所列。

表1

由表1可见，当采用传统零序电压注入法注入零序电压时，若在每一次均衡时均保持最大调制比m'＝0.9不变，随着ΔSOC_a、ΔSOC_b与ΔSOC_c逐渐增大，ΔSOC_g增加，均衡系数Λ减小，均衡时间t变长，均衡速度减慢，当处于极端不均衡条件下时(SOC_a＝20％、SOC_b＝SOC_c＝80％)，其均衡时间为较小不均衡条件下(SOC_a＝20％、SOC_b＝SOC_c＝25％)的十倍。为提高在不均衡度较大情况下系统的均衡速度，缩短均衡时间，避免因不均衡度较大导致的系统过充过放，维持系统稳定运行，基于可变均衡系数的零序电压注入法，令均衡系数Λ为一与ΔSOC_g相关的变量，随着ΔSOC_g的变化而实时调节均衡系数Λ，达到缩短均衡时间的目的。

当仅考虑ΔSOC_g和均衡系数Λ的关系，根据表1所列数据可以得到二者之间的曲线关系如图3所示，可见二者呈一类似反比例函数的关系。

在步骤S130中，可以将所述各相的相间不均衡度与平衡系数对应的离散点集合拟合生成各相的相间不均衡度与平衡系数的函数关系式。

在本示例的实施例中，基于仿真软件，将所述各相的相间不均衡度与平衡系数对应的离散点集合拟合生成各相的相间不均衡度与平衡系数的函数关系式

在本示例的实施例中，为得到ΔSOC_g与均衡系数Λ的函数关系式，在MATLAB软件中输入二者数据并对曲线进行拟合，由于拟合次数不宜过大，否则会导致函数曲线失真，因此选择拟合次数为1次至3次，忽略所得函数中的小常数量，所得拟合函数及其方差、相关系数如表2所列。

表2

由此可知，当拟合次数分别取1次至3次时，所得拟合曲线均与图3相符合，相关系数均为1；随着拟合次数的增加，系统方差略有降低，拟合精度增加，且由第二次拟合结果和第三次拟合结果可见，二者拟合函数结果相近，为在保证拟合精度的前提下尽量降低拟合次数，课题选择第二次拟合结果作为均衡系数Λ与ΔSOC_g之间的函数关系式，若仅保留小数点后一位，可得二者之间关系为

在步骤S140中，可以将所述各相的相间不均衡度与平衡系数的函数关系式代入至所述零序电压表达式中，生成可变均衡系数的零序电压表达式，并通过所述可变均衡系数的零序电压表达式实现对级联型储能系统的基于可变均衡系数零序电压注入的相间均衡控制。

在本示例的实施例中，将所述各相的相间不均衡度与平衡系数的函数关系式

代入至所述零序电压表达式中，生成可变均衡系数的零序电压表达式

并通过所述可变均衡系数的零序电压表达式实现对级联型储能系统的基于可变均衡系数零序电压注入的相间均衡控制。

在本示例的实施例中，在相间不均衡状态下，在功率控制的基础上，给系统三相输出电压分别加入所提策略的零序电压，设置与传统零序电压注入策略仿真相同的条件，分别对充电状态、放电状态和充放电切换状态下所提策略的相间均衡控制进行验证。图4所示为搭建的基于可变均衡系数的零序电压注入策略仿真模型。

在本示例的实施例中，令a相各电池模块初始值SOC_a＝20％，b相与c相各电池模块初始值SOC_b＝SOC_c＝25％，在SOC_a不变的条件下，使SOC_b和SOC_c以5％的不均衡度增加至80％，在相间不均衡度不同的情况下，采用所提基于可变均衡系数零序电压注入相间均衡策略，进行12次相间均衡仿真，列出采用所提策略12次仿真结果如表3所列，并与采用传统零序电压注入策略均衡时间进行对比。

表3

由表3可见，在12种相间不均衡度的条件下，采用所提基于可变均衡系数的零序电压注入相间均衡策略所需均衡时间小于传统零序电压注入相间均衡控制策略均衡时间，且随着相间不均衡度变大(ΔSOC_g≥12.3％)，前者的均衡时间约为后者的1/3，使系统相间不均衡度较大(ΔSOC_g≥12.3％)时，能在较短的时间达到相间均衡状态，验证了所提策略的有效性。

需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。

此外，上述附图仅是根据本发明示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。

Claims (3)

1.一种基于可变均衡系数的级联型储能系统控制方法，其特征在于，所述方法包括：

根据级联型储能系统控制模型，采用基于零序电压注入的相间均衡控制策略，生成基于各相的相间不均衡度、平衡系数的零序电压表达式；平衡系数的零序电压表达式为

其中，u₀为零序电压，Λ为平衡系数，ΔSOC_g为各相的相间不均衡度，ω＝2πf为角频率，

为零序电压初始相角；

根据定调制比时，级联型储能系统的各相的相间不均衡度，分别计算所述级联型储能系统达到均衡状态时的均衡系数，生成各相的相间不均衡度与平衡系数对应的离散点集合；

基于仿真软件，将所述各相的相间不均衡度与平衡系数对应的离散点集合拟合生成各相的相间不均衡度与平衡系数的函数关系式

将所述各相的相间不均衡度与平衡系数的函数关系式代入至所述零序电压表达式中，生成可变均衡系数的零序电压表达式，并通过所述可变均衡系数的零序电压表达式实现对级联型储能系统的基于可变均衡系数零序电压注入的相间均衡控制。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据级联型储能系统的级联数目与调制比关系，取每次注入零序电压后系统最大调制比m'＝0.9，a相的电池可用容量与最大容量的比值SOC为20％，分别模拟b相与c相初始SOC为25％且以不均衡度为5％递增至80％时，各相的相间不均衡度ΔSOC_g、平衡系数Λ的取值，生成各相的相间不均衡度与平衡系数对应的离散点集合。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将所述各相的相间不均衡度与平衡系数的函数关系式

代入至所述零序电压表达式中，生成可变均衡系数的零序电压表达式

并通过所述可变均衡系数的零序电压表达式实现对级联型储能系统的基于可变均衡系数零序电压注入的相间均衡控制。

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