CN114899899A - 一种链式储能系统相内soc均衡控制方法与系统 - Google Patents

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Abstract

一种链式储能系统相内SOC均衡控制方法和系统，其中，所述链式储能系统包括A、B与C三相电路，每一相电路上串联多个功率子模块，所述方法包括如下步骤：采集单相中所有功率子模块内电池的SOC与电压，并根据SOC与电压判断是否启动相内SOC均衡控制方法；若启动相内SOC均衡控制方法，根据桥臂电流方向与调制波方向判断桥臂的充放电状态；对功率子模块按照电池的SOC从小到大进行排序，并计算所有功率子模块内电池的SOC的均值；当桥臂处于放电状态时，将kN个SOC最大的模块与(1‑k)N个最接近SOC的均值的功率子模块投入。本发明在相内均衡的过程中可以兼顾调制波质量与均衡速度。

Description

一种链式储能系统相内SOC均衡控制方法与系统
技术领域
本发明属于电化学储能及电力电子领域，更具体的，涉及一种基于NLM(NearestLevel modulation，近电平逼近调制)调制方式的链式储能系统相内SOC(State OfCharge，剩余电荷可用状态)均衡控制方法。
背景技术
随着新能源发电技术的进步与推广，新能源在传统电网中所占的比例越来越大，但其发电的波动性与随机性的特点也对电网安全运行带来了巨大的挑战，新能源储能场站作为稳定电网运行的重要部分，其灵活的充放电能力，快速的响应速度等特点对新能源发电的不稳定有很好的平衡作用。近年来电力电子技术的进步让模块化多电平储能技术在新能源储存上扮演了重要角色。
基于功率子模块级联的拓扑结构的储能系统能够通过多级子模块的级联保证输出电压等级，甚至达到10kV、35kV，满足直挂入网的电压要求，且模块化的结构的优势让每个模块内电池组能够相对独立的控制，同时模块化的设计也易于系统扩容，这让链式储能系统在新能源并网上有很大优势。同时NLM调制因为不需要使用载波，通过直接计算开关器件需要的占空比对功率子模块进行直接控制，且在超多链接装置中也易于灵活且数字化实现，在模链式储能技术中也得到了广泛的应用。
但是在工程实践中，因为电池本身制造过程的工艺、工作环境等因素，在链式储能装置运行过程中，同相内不同模块内电池SOC有可能不同，若不加以控制，将导致相内各模块电池SOC偏差逐渐增大，减少储能系统正常充放电运行时间，降低电池利用率与装置整体使用寿命。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，相内各模块电池SOC偏差逐渐增大的问题进而提出一种链式储能系统相内SOC均衡控制方法。
本发明采用如下的技术方案。
一种链式储能系统相内SOC均衡控制方法，其中，所述链式储能系统包括A、B与C三相电路，每一相电路上串联多个功率子模块，该方法包括如下步骤：
步骤1，采集链式储能系统单相电路中所有功率子模块内电池的SOC与电压，并根据SOC与电压判断是否启动相内SOC均衡控制方法，其中，所述单相是A、B或C三相中任意一个；
步骤2，若启动相内SOC均衡控制方法，根据桥臂电流方向与调制波方向判断桥臂的充放电状态，所述桥臂为每相功率子模块通过电抗器与电网相连的部分；
步骤3，对功率子模块按照电池的SOC从小到大进行排序，并计算所有功率子模块内电池的SOC的均值；
步骤4，当桥臂处于放电状态时，将kN个SOC最大的功率子模块与N-kN个最接近SOC的均值的功率子模块投入，其中，k为预设值，N为根据调制波大小确定NLM调制方法下投入充放电的功率子模块数量；
步骤5，当桥臂处于充电状态时，将kN个SOC最大的模块与N-kN个最接近平均SOC的功率子模块投入。
进一步的，步骤1还包括：
若SOC最大偏差大于预设的SOCERRSTART且电压最大偏差大于预设的VERRSTART，则启动相内SOC均衡控制方法；否则不启动相内SOC均衡控制方法；所述SOC最大偏差为功率子模块中SOC的最大值与SOC的最小值之差，所述电压最大偏差为功率子模块中电压的最大值与电压的最小值之差，SOCERRSTART与VERRSTART为预设值。
进一步的，该方法还包括：
步骤6，若SOC最大偏差小于预设SOCERREND，且电压最大偏差小于预设的VERREND，则认为相内SOC已经均衡，结束SOC均衡程序；否则，重新采集所有功率子模块的SOC，并跳转至步骤2，其中，SOCERREND与VERREND均为预设值，且满足SOCERREND＜SOCERRSTART，VERREND＜VERRSTART。
进一步的，SOCERRSTART与VERRSTART根据电池管理系统精度与工程精度的需要设置。
进一步的，该方法还包括：
步骤7，间隔时间T后，返回并执行步骤1，其中，T为预设的值。
进一步的，T根据工程精度的需要设置。
进一步的，N＝NLM调制波幅度/功率子模块平均电压，N向上取整。
一种链式储能系统相内SOC均衡控制系统，包括：电池管理模块与逻辑判断模块；
所述电池管理模块用于采集单相中所有功率子模块内电池的SOC与电压；
所述逻辑判断模块用于判断是否启动相内SOC均衡控制方法，以及判断判断桥臂的充放电状态；
所述储能系统通过改变模块内IGBT的触发脉冲，将kN个SOC最大的模块与(1-k)N个最接近SOC的均值的功率子模块投入。
进一步的，逻辑判断模块还用于根据SOC均衡效果和输出电流质量的要求，对k进行调节。
进一步的，系统还包括定时器，用于间隔时间T后，自动返回并执行权利要求1中的步骤1。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)一般的SOC均衡算法中，选择SOC偏大或偏小的子模块参与充放电虽然也能起到均衡作用，但是SOC偏差同样会导致电压的偏差，这些SOC偏差较大的子模块生成的调制波相比指令值会存在较大的畸变，不能保证调制波的质量，本专利提出的SOC均衡方法在选择功率子模块生成调制波的过程中，将功率子模块根据与平均SOC值的差距进行排序，通过设置参数k选择参与投入的功率子模块中SOC偏差较大子模块的比例，使得相内均衡的过程中可以兼顾调制波质量与均衡速度。
(2)设计SOC检测间隔时间，减少子模块频繁排序。
(3)通过设定不同的启动与终止条件引入滞回，防止SOC相内均衡程序频繁启动。
附图说明
图1为本公开实施例的储能系统的拓扑结构。
图2为本公开实施例的功率子模块的拓扑结构。
图3为本公开实施例的一种链式储能系统相内SOC均衡控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
针对链式储能系统相内子模块电池SOC不均衡的问题，本发明利用模块化拓扑结构相对独立的特点，对功率子模块工作状态进行控制，使得电池SOC不同子模块在充放电过程中接入桥臂时间不同，以此达到均衡相内子模块电池SOC的目的，具体步骤如下：
步骤1，通过电池管理系统采集单相中所有功率子模块内电池的SOC与电压，其中，该单相可以是A、B或C三相中任意一个；
优选的，步骤1结束后可以判断是否启用相内SOC均衡控制：若SOC最大偏差大于设定的SOCERRSTART且电压最大偏差大于VERRSTART，则启动SOC均衡控制并进入步骤3；否则不启用相内SOC均衡控制并结束。其中，SOC最大偏差为功率子模块中SOC的最大值与SOC的最小值之差，电压最大偏差为功率子模块中电压的最大值与电压的最小值之差，SOCERRSTART与VERRSTART为综合电池管理系统精度与工程精度的需要而预设的阈值。
步骤2，根据桥臂电流方向与调制波方向判断该桥臂的充放电状态，其中，桥臂为每相功率子模块通过电抗器与电网相连的部分；
步骤3，对功率子模块按照电池的SOC从小到大进行排序。
步骤4，当桥臂处于放电状态时，将kN个SOC最大的模块与(1-k)N个最接近平均SOC的功率子模块投入。优选的，N＝NLM调制波幅度/功率子模块平均电压，N向上取整。需要说明的是，k为预设值，k取值范围为1≥k＞0，k越大，SOC均衡的速度越快，但输出的波形与指令值差别越大，k越小SOC均衡速度越慢，但输出的波形与指令值差别越小。可以动态调整k值以满足SOC均衡效果和输出电流质量的要求。
步骤5，当桥臂处于充电状态时，将kN个SOC最大的模块与(1-k)N个最接近平均SOC的功率子模块投入；
步骤6，间隔时间T后，返回步骤1。其中，T为根据工程精度的需要而预设的值。优选的，当执行完步骤5后，若SOC最大偏差小于预设SOCERREND(SOCERREND＜SOCERRSTART)且电压最大偏差小于预设的VERREND(VERREND＜VERRSTART)，则认为相内SOC已经均衡，结束SOC均衡程序；否则跳转至步骤2，继续执行相内均衡。需要说明的是，通过设置滞回，使得要求启动的条件比终止的条件宽松，即SOCERRSTART＞SOCERREND，VERRSTART＞VERREND，通过设置滞回可以让循环结束后SOC状态标准高于启动SOC均衡的条件，这可以防止刚刚均衡结束，很快又触发了均衡启动导致均衡程序的频繁启动。
为了执行上述方法，本发明还公开了一种链式储能系统相内SOC均衡控制系统，包括：电池管理模块与逻辑判断模块；
电池管理模块用于采集单相中所有功率子模块内电池的SOC与电压；
逻辑判断模块用于判断是否启动相内SOC均衡控制方法，以及判断判断桥臂的充放电状态；
此外，储能系统通过改变模块内IGBT的触发脉冲，将kN个SOC最大的模块与(1-k)N个最接近SOC的均值的功率子模块投入。
下面结合具体的实施例对上述步骤进一步的解释。
实施的储能系统拓扑结构如图1所示，储能系统采用链式星形连接，包含三相，每相包括20个功率子模块，功率子模块的电池组电压700V～800V,功率子模块通过级联提高输出电压等级，每相通过滤波器后可直接接入10kV电压等级电网，或再通过变压器接入其他电压等级电网。
功率子模块如图2所示。一个功率子模块可以包括：H桥电路、预充回路与储能电池组。
结合图1中的场景中储能系统的参数与电池管理系统精度，相内SOC均衡控制方法的具体参数可以设置为表1所示：
表1：案列参数
Figure BDA0003604507040000051
Figure BDA0003604507040000061
图2功率子模块的各个工作状态
表2：子模块运行状态表
Figure BDA0003604507040000062
在系统正常运行中，子模块的工作状态只在正向投入，反向投入与旁路中切换，闭锁状态只出现于故障穿越与子模块预启动充电时。
根据参数设置，如图3所示，本案例SOC相内均衡控制步骤如下：
步骤1，通过电池管理系统获得某单相内全部20个功率子模块SOC与电压状态，判断SOC最大与最小的子模块之间SOC差值是否大于5％且电压差值是否大于10V；若同时满足SOC与电压阈值要求则启动控制；
步骤2，计算子模块平均电压与各个模块SOC与子模块平均SOC差值。
步骤3，根据NLM调制，求出需要投入的子模块数量N。
步骤4，检查桥臂电流与子模块电压方向，确定子模块的充放电状态，如果处于放电状态，将0.2N个SOC最大的子模块与0.8N个最接近子模块SOC平均值的子模块投入放电，剩余(20-N)个子模块旁路；若处于充电状态，则将0.2N个SOC最小的子模块与0.8N个最接近子模块SOC平均值的子模块投入，剩余(20-N)个子模块旁路；之后返回步骤3。
步骤5，每隔1分钟检测检测当前所以子模块SOC状态，如果满足SOC最大最小模块间SOC差值小于3％且电压差值小于5V，则认为当前相内子模块SOC已经均衡，结束均衡程序。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种链式储能系统相内SOC均衡控制方法，其中，所述链式储能系统包括A、B与C三相电路，每一相电路上串联多个功率子模块，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1，采集链式储能系统单相电路中所有功率子模块内电池的SOC与电压，并根据SOC与电压判断是否启动相内SOC均衡控制方法，其中，所述单相是A、B或C三相中任意一个；
步骤2，若启动相内SOC均衡控制方法，根据桥臂电流方向与调制波方向判断桥臂的充放电状态，所述桥臂为每相功率子模块通过电抗器与电网相连的部分；
步骤3，对功率子模块按照电池的SOC从小到大进行排序，并计算所有功率子模块内电池的SOC的均值；
步骤4，当桥臂处于放电状态时，将kN个SOC最大的功率子模块与N-kN个最接近SOC的均值的功率子模块投入，其中，k为预设值，N为根据调制波大小确定NLM调制方法下投入充放电的功率子模块数量；
步骤5，当桥臂处于充电状态时，将kN个SOC最大的模块与N-kN个最接近平均SOC的功率子模块投入。
2.根据权利要求1所述的一种链式储能系统相内SOC均衡控制方法，其特征在于，所述步骤1还包括：
若SOC最大偏差大于预设的SOCERRSTART且电压最大偏差大于预设的VERRSTART，则启动相内SOC均衡控制方法；否则不启动相内SOC均衡控制方法；所述SOC最大偏差为功率子模块中SOC的最大值与SOC的最小值之差，所述电压最大偏差为功率子模块中电压的最大值与电压的最小值之差，SOCERRSTART与VERRSTART为预设值。
3.根据权利要求2所述的一种链式储能系统相内SOC均衡控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
步骤6，若SOC最大偏差小于预设SOCERREND，且电压最大偏差小于预设的VERREND，则认为相内SOC已经均衡，结束SOC均衡程序；否则，重新采集所有功率子模块的SOC，并跳转至步骤2，其中，SOCERREND与VERREND均为预设值，且满足SOCERREND＜SOCERRSTART，VERREND＜VERRSTART。
4.根据权利要求2所述的一种链式储能系统相内SOC均衡控制方法，其特征在于，所述SOCERRSTART与VERRSTART根据电池管理系统精度与工程精度的需要设置。
5.根据权利要求1所述的一种链式储能系统相内SOC均衡控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
步骤7，间隔时间T后，返回并执行步骤1，其中，T为预设的值。
6.根据权利要求5所述的一种链式储能系统相内SOC均衡控制方法，其特征在于，所述T根据工程精度的需要设置。
7.根据权利要求1所述的一种链式储能系统相内SOC均衡控制方法，其特征在于，N＝NLM调制波幅度/功率子模块平均电压，N向上取整。
8.一种链式储能系统相内SOC均衡控制系统，用于执行权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统包括：电池管理模块与逻辑判断模块；
所述电池管理模块用于采集单相中所有功率子模块内电池的SOC与电压；
所述逻辑判断模块用于判断是否启动相内SOC均衡控制方法，以及判断判断桥臂的充放电状态；
所述储能系统通过改变模块内IGBT的触发脉冲，将kN个SOC最大的模块与(1-k)N个最接近SOC的均值的功率子模块投入。
9.根据权利要求8所述的一种链式储能系统相内SOC均衡控制系统，其特征在于，所述逻辑判断模块还用于根据SOC均衡效果和输出电流质量的要求，对k进行调节。
10.根据权利要求8所述的一种链式储能系统相内SOC均衡控制系统，其特征在于，所述系统还包括定时器，用于间隔时间T后，自动返回并执行权利要求1中的步骤1。
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