CN115001082B - 一种混合储能逆变器并机系统的充放电功率平衡分配控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于混合储能逆变器控制技术领域，公开了一种混合储能逆变器并机系统的充放电功率平衡分配控制方法，包括，设置系统其中一台机器为主机，其他机器为从机；采集并机系统并网口功率、市电电压和逆变器输出电流，计算逆变器输出功率；设置并网口功率限制，通过控制环路①、控制环路②、控制环路③、控制环路④得到开关管S2和S3的开关控制信号，通过控制开关管S2和S3的开通与关断，达到控制电池充放电电流的目标；本发明能够实现并机系统内的光伏组件输出能量的最优使用，避免了能源浪费。

Description

一种混合储能逆变器并机系统的充放电功率平衡分配控制 方法

技术领域

本发明属于混合储能逆变器控制技术领域，尤其涉及一种混合储能逆变器并机系统的充放电功率平衡分配控制方法。

背景技术

基于光伏和锂电池的混合储能逆变器在光伏能量充足的同时可以满足用户负载的使用，多余的能量又可以存储在电池以备光伏组件能量弱的时候使用，实现自发自用的目的，降低用户家庭负荷对电网能量的消耗，减小用户电费开销，因此混合储能逆变器受到很多用户的欢迎，但是对于家用负荷重的用户，功率低的混合逆变器已经不能满足要求，因此混合储能逆变器的并机系统成为一种很好解决方案。

对于混合储能逆变器的并机系统，假如并机系统内的每台混合储能逆变器配的电池剩余电量不均衡，有的电池电量提前用光，当用户负荷很大的时候，因为并机系统内有的电池已经没有放电能力，那么并机系统就不能提供足够的能量来供给负载，多余的能量需要从市电取电，给用户造成损失。

对于混合储能逆变器的并机系统，假如并机系统内的每台混合储能逆变器配光伏组件能量不均衡，有的光伏组件输出功率大，有的光伏组件输出功率小，当用户负荷很小，光伏组件能力充足，光伏组件能量优先供给负载，多余能量给电池充电，但是当光伏组件输出功率大的机器电池充电受限，则该光伏组件的输出功率会受限，而同时光伏组件输出功率低的机器电池充电不足，这样就会造成光伏组件能量的浪费。

发明内容

本发明目的在于提供一种混混合储能逆变器并机系统的充放电功率平衡分配控制方法，以解决上述的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的一种混合储能逆变器并机系统的充放电功率平衡分配控制方法的具体技术方案如下：

一种混合储能逆变器并机系统的充放电功率平衡分配控制方法，包括如下步骤：

步骤1：设置混合储能逆变器并机系统其中一台机器为主机，其他机器为从机；

步骤2：采集并机系统并网口功率、市电电压和逆变器输出电流，计算逆变器输出功率；

步骤3：设置并网口功率限制，设计控制环路①，通过控制环路①输出充放电电流百分比；

步骤4：并机系统内各台机器接收到充放电电流百分比信号后,根据各自电池容量计算权重系数；

步骤5：判断充放电电流百分比信号的正负，根据充放电电流百分比信号的正负设置权重系数k；

步骤6：设置第一电池电流参考值Iref1、设计控制环路②和控制环路③，通过控制环路②、控制环路③得到第二电池电流参考值Iref2、第三电池电流参考值Iref3，根据第一电池电流参考值Iref1、第二电池电流参考值Iref2、第三电池电流参考值Iref3计算得到电池电流参考值Iref；

步骤7：设计控制环路④，根据控制环路④得到开关管S2和S3的开关控制信号，通过控制开关管S2和S3的开通与关断，达到控制电池充放电电流的目标；

步骤8：混合储能逆变器并机系统内的所有机器，在接收到主机发送充放电电流百分比信号后，都按照步骤4~7操作。

进一步地，所述步骤2包括如下具体步骤：

主机通过CT或者电表采集并机系统并网口功率为Pexport，主机和从机通过DSP采样市电电压和逆变器输出电流，计算出逆变器输出功率Pac。

进一步地，所述步骤3包括如下具体步骤：

用户设置并网口功率限制为PexportLimit，自发自用模式时，PexportLimit设置为零，主机得到PexportLimit和并网口功率Pexport，根据控制环路①PexportLimit与Pexport的差值，经过PI控制器，输出充放电电流百分比Iratio，正值表示电池充电，负值表示电池放电，主机把充放电电流百分比Iratio传给所有并机系统内机器；

进一步地，所述步骤4包括如下具体步骤：

并机系统内各台机器接收到Iratio信号后，首先根据各自电池容量soc计算权重系数k；

定义充电时权重系数为k_charge，放电时权重系数为k_discharge；

则充电权重系数k_charge和放电权重系数k_discharge的计算方法如下：

soc小于20%时，k_charge = 0.7；soc大于90%时，k_charge = 0.3；其他k_charge= 0.7 - (soc - 20%)*（0.7-0.3）/（90%-20%）；

k_discharge = 1 - k_charge；

权重系数的最小值为0.3，Iratio的限值为-100%/0.3~+100%/0.3。

进一步地，所述步骤5包括如下具体步骤：

判断Iratio的正负，当Iratio大于零，表示系统并网口功率超出限制，电池需要充电，则权重系数k等于k_charge；当Iratio小于零，负载从市电取电，电池需要放电，则权重系数k等于k_discharge；当Iratio等于零时，表示电池不充不放。

进一步地，所述步骤6包括如下具体步骤：

步骤6.1：Iratio乘以权重系数，然后再乘以机器允许最大充放电电流值Imax得到第一电池电流参考值Iref1；

步骤6.2：控制环路②，PacRef为单台机器的输出功率限值，定义PacRef大于零表示往市电放电，PacRef小于零表示从市电取电，当需要从市电给电池充电时，PacRef为给电池充电的功率参考值，其他PacRef为单台机器最大输出功率限值；Pac为单台机器的AC输出功率；根据控制环路②PacRef与Pac的差值，经过PI控制器，输出第二电池电流参考值Iref2；

步骤6.3：控制环路③，BusRef表示AC母线电压参考值，BusRef的计算公式如下：

BusRef = Urms*1.414 + 30, 其中 Urms表示市电电压有效值，

Ubus表示AC母线电压采样值，根据控制环路③，BusRef与Ubus的差值，经过PI控制器，输出第三电池电流参考值Iref3；

步骤6.4：IchargeLimit表示机器根据规格定义，电池BMS充电电流限值，机器因过温充电电流限值得到的最大允许充电电流限值；IdischargeLimit表示机器根据规格定义，电池BMS放电电流限值，机器因过温放电电流限值得到的最大允许放电电流限值；

步骤6.5：Iref1和Iref2取大值之后，再与Iref3和Ichargelimit取小值，最后与IdischargeLimit取大值，最终得到电池电流参考值Iref。

进一步地，所述步骤7包括如下具体步骤：

根据控制环路④，电池电流参考值Iref与电池电流采样值Ibat的差值，经过PI控制器，输出电池侧DC/DC变换器的开关调制调制信号duty，然后duty经过PWM变换，得到开关管S2和S3的开关控制信号，通过控制开关管S2和S3的开通与关断，达到控制电池充放电电流的目标。

本发明的一种混合储能逆变器并机系统的充放电功率平衡分配控制方法具有以下优点：

1. 可以实现不同功率机型之间的并网并机，不受并机台数限制。

2. 对于混合储能逆变器并机系统，根据并机系统内每台单机电池剩余容量，调节每台单机电池充放电电流，达到容量高的电池多放电，少充电，容量低的电池少放电，多充电，最终达到电池容量均衡；

3. 对于不同功率机型的并机，可以实现按照电池最大充放电电流来分配系统充放电电流，即最大充放电电流大的机器多充电或者多放电，做到并机系统内每台机器热均衡条件最优；

4. 当混合储能逆变器并机系统发生并网口限功率时，如果此时有的单台混合储能机接光伏组件功率充足，可以实现多余的光伏组件功率给并机系统内所有电池充电，使光伏组件的能量得到最优使用，避免了能源浪费；

5. 并机系统工作过程中，如果有从机因故障退出并机系统，或者故障清除重新加入并机系统，不影响系统并网口功率控制效果；并网端口功率控制效果不受新加入并机系统或者脱离并机系统机器的影响。

附图说明

图1为本发明的混合储能逆变器并机系统电路原理图；

图2为本发明的混合储能逆变器并机系统的充放电功率平衡分配的控制框图。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种混合储能逆变器并机系统的充放电功率平衡分配控制方法做进一步详细的描述。

如图1所示为混合储能逆变器并机系统电路原理图，如图2所示，本发明的混合储能逆变器并机系统的充放电功率平衡分配控制方法，包括如下步骤：

步骤1：设置混合储能逆变器并机系统电路其中一台机器为主机，其他机器为从机。

步骤2：采集并机系统并网口功率、市电电压和逆变器输出电流，计算逆变器输出功率；

主机通过CT或者电表采集并机系统并网口功率为Pexport，主机和从机通过DSP采样市电电压和逆变器输出电流，计算出逆变器输出功率Pac。

步骤3：设置并网口功率限制，设计控制环路①，通过控制环路①输出充放电电流百分比；

用户设置并网口功率限制为PexportLimit，自发自用模式时，PexportLimit设置为零，主机得到PexportLimit和并网口功率Pexport，根据控制环路①PexportLimit与Pexport的差值，经过PI控制器，输出充放电电流百分比Iratio，正值表示电池充电，负值表示电池放电，主机把充放电电流百分比Iratio传给所有并机系统内机器；

步骤4：并机系统内各台机器接收到充放电电流百分比信号后,根据各自电池容量计算权重系数；

并机系统内各台机器接收到Iratio信号后，首先根据各自电池容量soc计算权重系数k；

因为当电池充电时，希望电池容量低的机器多充电，当电池需要放电时，需要电池容量低的机器少放电，因此对于电池充电和放电，权重系数不同，这里定义充电时权重系数为k_charge，放电时权重系数为k_discharge；

则充电权重系数k_charge和放电权重系数k_discharge的计算方法如下：

soc小于20%时，k_charge = 0.7；soc大于90%时，k_charge = 0.3；其他k_charge= 0.7 - (soc - 20%)*（0.7-0.3）/（90%-20%）；

k_discharge = 1 - k_charge；

这里可以知道权重系数的最小值为0.3，因此为了实现高soc电池和低soc电池在需要满电流放电和满电流充电时，都具备100%满充或满放的能力，Iratio的限值应该为-100%/0.3~+100%/0.3,实际应用中取-334%~+334%。

步骤5：判断充放电电流百分比信号的正负，根据充放电电流百分比信号的正负设置权重系数k；

判断Iratio的正负，当Iratio大于零，表示系统并网口功率超出限制，电池需要充电，则权重系数k等于k_charge；当Iratio小于零，负载从市电取电，电池需要放电，则权重系数k等于k_discharge；当Iratio等于零时，表示电池不充不放。

步骤6：设置第一电池电流参考值Iref1、设计控制环路②和控制环路③，通过控制环路②、控制环路③得到第二电池电流参考值Iref2、第三电池电流参考值Iref3，根据第一电池电流参考值Iref1、第二电池电流参考值Iref2、第三电池电流参考值Iref3计算得到电池电流参考值Iref；

步骤6.1：Iratio乘以权重系数，然后再乘以机器允许最大充放电电流值Imax得到第一电池电流参考值Iref1；

步骤6.2：控制环路②， PacRef为单台机器的输出功率限值，这里定义PacRef大于零表示往市电放电，PacRef小于零表示从市电取电，当需要从市电给电池充电时，PacRef为给电池充电的功率参考值，其他PacRef为单台机器最大输出功率限值；Pac为单台机器的AC输出功率；根据控制环路②PacRef与Pac的差值，经过PI控制器，输出第二电池电流参考值Iref2；

步骤6.3：控制环路③，BusRef表示AC母线电压参考值，BusRef的计算公式如下：

BusRef = Urms*1.414 + 30, 其中 Urms表示市电电压有效值，

Ubus表示AC母线电压采样值，根据控制环路③，BusRef与Ubus的差值，经过PI控制器，输出第三电池电流参考值Iref3；

步骤6.4：IchargeLimit表示机器根据规格定义，电池BMS充电电流限值，机器因过温充电电流限值得到的最大允许充电电流限值；IdischargeLimit表示机器根据规格定义，电池BMS放电电流限值，机器因过温放电电流限值得到的最大允许放电电流限值；

步骤6.5：Iref1和Iref2取大值之后，再与Iref3和Ichargelimit取小值，最后与IdischargeLimit取大值，最终得到电池电流参考值Iref。

步骤7：设计控制环路④，根据控制环路④得到开关管S2和S3的开关控制信号，通过控制开关管S2和S3的开通与关断，达到控制电池充放电电流的目标；

根据控制环路④，电池电流参考值Iref与电池电流采样值Ibat的差值，经过PI控制器，输出电池侧DC/DC变换器的开关调制调制信号duty，然后duty经过PWM变换，得到开关管S2和S3的开关控制信号，通过控制开关管S2和S3的开通与关断，达到控制电池充放电电流的目标。

步骤8：混合储能逆变器并机系统内的所有机器，在接收到主机发送充放电电流百分比Iratio信号后，都按照步骤4~7操作。

实施例：

当PexportLimit设置为零时，表示系统并机并网功率零输出控制，根据图2所示为混合储能逆变器并机系统控制框图，主机通过CT或者电表得到并网口功率Pexport，根据控制环路①，PexportLimit和Pexport的差值经过PI控制器，输出充放电电流百分比Iratio，当光伏组件能量充足时，则光伏组件能量供给负载，多余的能量给电池充电，则Iratio大于零，如果此时，只有第一台机器的光伏组件光照条件好，能量充足，其他机器的光伏组件光照条件差，能量少，那么在这种情况下，第一台机器的光伏组件输出能量供给负载，多余的能量可以通过主机计算的Iratio指令，让并机系统内所有机器给电池充电，这就实现了第一台机器的光伏组件能量可以给其他机器的电池充电，使光伏组件的能量得到最优的使用，避免浪费。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种混合储能逆变器并机系统的充放电功率平衡分配控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：设置混合储能逆变器并机系统其中一台机器为主机，其他机器为从机；

步骤2：采集并机系统并网口功率、市电电压和逆变器输出电流，计算逆变器输出功率；

步骤3：设置并网口功率限制，设计控制环路①，通过控制环路①输出充放电电流百分比；

用户设置并网口功率限制为PexportLimit，自发自用模式时，PexportLimit设置为零，主机得到PexportLimit和并网口功率Pexport，根据控制环路①PexportLimit与Pexport的差值，经过PI控制器，输出充放电电流百分比Iratio，正值表示电池充电，负值表示电池放电，主机把充放电电流百分比Iratio传给所有并机系统内机器；

步骤4：并机系统内各台机器接收到充放电电流百分比信号后,根据各自电池容量计算权重系数k；

步骤5：判断充放电电流百分比信号的正负，根据充放电电流百分比信号的正负设置权重系数k；

步骤6：设置第一电池电流参考值Iref1、设计控制环路②和控制环路③，通过控制环路②、控制环路③得到第二电池电流参考值Iref2、第三电池电流参考值Iref3，根据第一电池电流参考值Iref1、第二电池电流参考值Iref2、第三电池电流参考值Iref3计算得到电池电流参考值Iref；

控制环路②，PacRef为单台机器的输出功率限值，定义PacRef大于零表示往市电放电，PacRef小于零表示从市电取电，当需要从市电给电池充电时，PacRef为给电池充电的功率参考值，其他PacRef为单台机器最大输出功率限值；Pac为单台机器的AC输出功率；根据控制环路②PacRef与Pac的差值，经过PI控制器，输出第二电池电流参考值Iref2；

控制环路③，BusRef表示AC母线电压参考值，BusRef的计算公式如下：

BusRef = Urms*1.414 + 30, 其中 Urms表示市电电压有效值，

Ubus表示AC母线电压采样值，根据控制环路③，BusRef与Ubus的差值，经过PI控制器，输出第三电池电流参考值Iref3；

步骤7：设计控制环路④，根据控制环路④得到开关管S2和S3的开关控制信号，通过控制开关管S2和S3的开通与关断，达到控制电池充放电电流的目标；

根据控制环路④，电池电流参考值Iref与电池电流采样值Ibat的差值，经过PI控制器，输出电池侧DC/DC变换器的开关调制信号duty，然后duty经过PWM变换，得到开关管S2和S3的开关控制信号，通过控制开关管S2和S3的开通与关断，达到控制电池充放电电流的目标；

步骤8：混合储能逆变器并机系统内的所有机器，在接收到主机发送充放电电流百分比信号后，都按照步骤4~7操作。

2.根据权利要求1所述的混合储能逆变器并机系统的充放电功率平衡分配控制方法，其特征在于，所述步骤2包括如下具体步骤：

主机通过CT或者电表采集并机系统并网口功率为Pexport，主机和从机通过DSP采样市电电压和逆变器输出电流，计算出逆变器输出功率Pac。

3.根据权利要求2所述的混合储能逆变器并机系统的充放电功率平衡分配控制方法，其特征在于，所述步骤4包括如下具体步骤：

并机系统内各台机器接收到Iratio信号后，首先根据各自电池容量soc计算权重系数k；

定义充电时权重系数为k_charge，放电时权重系数为k_discharge；

则充电权重系数k_charge和放电权重系数k_discharge的计算方法如下：

soc小于20%时，k_charge = 0.7；soc大于90%时，k_charge = 0.3；其他k_charge =0.7 - (soc - 20%)*（0.7-0.3）/（90%-20%）；

k_discharge = 1 - k_charge；

权重系数k的最小值为0.3，Iratio的限值为-100%/0.3~+100%/0.3。

4.根据权利要求3所述的混合储能逆变器并机系统的充放电功率平衡分配控制方法，其特征在于，所述步骤5包括如下具体步骤：

判断Iratio的正负，当Iratio大于零，表示系统并网口功率超出限制，电池需要充电，则权重系数k等于k_charge；当Iratio小于零，负载从市电取电，电池需要放电，则权重系数k等于k_discharge；当Iratio等于零时，表示电池不充不放。

5.根据权利要求4所述的混合储能逆变器并机系统的充放电功率平衡分配控制方法，其特征在于，所述步骤6包括如下具体步骤：

步骤6.1：Iratio乘以权重系数k，然后再乘以机器允许最大充放电电流值Imax得到第一电池电流参考值Iref1；

步骤6.2：控制环路②，PacRef为单台机器的输出功率限值，定义PacRef大于零表示往市电放电，PacRef小于零表示从市电取电，当需要从市电给电池充电时，PacRef为给电池充电的功率参考值，其他PacRef为单台机器最大输出功率限值；Pac为单台机器的AC输出功率；根据控制环路②PacRef与Pac的差值，经过PI控制器，输出第二电池电流参考值Iref2；

步骤6.3：控制环路③，BusRef表示AC母线电压参考值，BusRef的计算公式如下：

BusRef = Urms*1.414 + 30, 其中 Urms表示市电电压有效值，

Ubus表示AC母线电压采样值，根据控制环路③，BusRef与Ubus的差值，经过PI控制器，输出第三电池电流参考值Iref3；

步骤6.4：IchargeLimit表示机器根据规格定义，电池BMS充电电流限值，机器因过温充电电流限值得到的最大允许充电电流限值；IdischargeLimit表示机器根据规格定义，电池BMS放电电流限值，机器因过温放电电流限值得到的最大允许放电电流限值；

步骤6.5：Iref1和Iref2取大值之后，再与Iref3和Ichargelimit取小值，最后与IdischargeLimit取大值，最终得到电池电流参考值Iref。