CN116191629A - 用于级联h桥储能系统的相间soc均衡控制方法及系统 - Google Patents

用于级联h桥储能系统的相间soc均衡控制方法及系统 Download PDF

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CN116191629A CN202310450503.8A CN202310450503A CN116191629A CN 116191629 A CN116191629 A CN 116191629A CN 202310450503 A CN202310450503 A CN 202310450503A CN 116191629 A CN116191629 A CN 116191629A
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Abstract

本发明涉及储能控制技术领域，具体涉及一种用于级联H桥储能系统的相间SOC均衡控制方法及系统；包括如下方法：获取并网点三相电网的相角；根据设置值或者用户上位机下发给储能系统的有功功率和无功功率指令值和并网点三相电网的相角，得到三相电网各相的原始电流幅值指令，以及三相各自的电流相角指令；通过电池管理系统获取储能系统中三相中每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息值，基于每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息值获取每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息均值；本发明通过调节额外附加电流的幅值大小以及正负，使每相储存或消耗的电量不相等进而实现相间SOC均衡，提升了整个储能系统的综合效率和在线时长。

Description

用于级联H桥储能系统的相间SOC均衡控制方法及系统
技术领域
本发明涉及储能控制技术领域，具体涉及一种用于级联H桥储能系统的相间SOC均衡控制方法及系统。
背景技术
由于三相储能电池本身的差异以及可能出现的维护、更新等原因，三相储能电池的荷电状态SOC并不相同。为了最大限度利用储能系统的电池容量和保证电池寿命，需要对三相之间储能电池的SOC进行均衡控制，否则会因某相过充或过放导致整个储能系统停运，而现有技术的零序电压注入策略存在计算复杂且均衡速度较慢的问题。
发明内容
为了解决上述背景技术所存在技术问题，本发明提供了一种用于级联H桥储能系统的相间SOC均衡控制方法及系统。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
第一方面，本发明提供了一种用于级联H桥储能系统的相间SOC均衡控制方法，包括如下方法：获取并网点三相电网的相角；
根据设置值或者用户上位机下发给储能系统的有功功率和无功功率指令值和并网点三相电网的相角，得到三相电网各相的原始电流幅值指令，以及三相各自的电流相角指令；
通过电池管理系统获取储能系统中三相中每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息值，基于每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息值获取每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息均值；
基于每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息均值来判断三相相间SOC信息值是否处于均衡状态，若处于均衡状态，将三相各自的电流相角指令转换为各自相的交流指令信号，基于各自相的交流指令信号与各自相实际采集的交流电流信号进行误差消除形成各自相修正电流指令信号，将各自相修正电流指令信号作为PR控制器的输入形成无静态误差跟踪电流指令，基于无静态误差跟踪电流指令结合电网前馈输出形成调制电流指令，将调制电流指令信号转化为驱动调制信号，其中驱动调制信号为驱动储能逆变器的控制信号；
若处于不均衡状态，计算每相SOC信息偏离量，控制系统基于每相SOC信息偏离量来设定每相调节系数和调节指令，通过调节指令控制储能系统对每相按照设定调节系数进行充/放电，以实现三相相间SOC信息值处于均衡状态。
优选的，并网点三相电网的相角通过如下方法获得：
通过采样系统采集并网点三相电压和电流完成系统初始基本量的计算，并经过锁相环的作用获取到三相电网的相角。
优选的，每相SOC信息偏离量通过如下方法获得：
基于每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息值获取每相SOC信息总值；
将三相中每相SOC信息总值获取每相SOC信息均值；
基于每相SOC信息总值和每相SOC信息均值的差值来获取每相SOC信息偏离量。
优选的，所述每相调节系数不同，且每相调节系数按照设定规则进行设定。
优选的，所述设定规则同时满足如下两个条件：
①：按照存储系统的第一状态来确定每相调节系数的正负；
②：按照每相SOC信息偏离量来确定每相调节系数的大小；或根据实际需要实现三相相间SOC信息值处于均衡状态的效率来确定每相调节系数的大小。
优选的，所述存储系统的第一状态包括充电状态或放电状态；
在放电状态下，每相调节系数为正；
在充电状态下，每相调节系数为负。
另一方面，本发明还提供了一种用于级联H桥储能系统的相间SOC均衡控制系统，包括：
采集系统，用于采集并网点三相电压和电流完成系统初始基本量的计算，并经过锁相环的作用获取到三相电网的相角；
电流相角指令获取模块，用于根据设置值或者用户上位机下发给储能系统的有功功率和无功功率指令值和并网点三相电网的相角，得到三相电网各相的原始电流幅值指令，以及三相各自的电流相角指令；
判断模块，用于判断三相相间SOC信息值是否处于均衡状态；
修正模块，用于当三相相间SOC信息值处于不均衡状态时，基于三相各自的电流相角指令进行转化并结合各自相实际采集的交流电流信号进行误差消除形成各自相修正电流指令信号；
驱动调制信号生成模块，用于将各自相修正电流指令信号作为PR控制器的输入形成无静态误差跟踪电流指令，基于无静态误差跟踪电流指令结合电网前馈输出形成调制电流指令，将调制电流指令信号转化为驱动调制信号；
控制系统，用于当三相相间SOC信息值处于不均衡状态时，计算每相SOC信息偏离量，基于每相SOC信息偏离量来设定每相调节系数和调节指令，通过所述调节指令控制储能系统对每相按照设定调节系数进行充/放电，以实现三相相间SOC信息值处于均衡状态。
优选的，所述判断模块按照如下的方法来判断三相相间SOC信息值是否处于均衡状态：
通过电池管理系统获取储能系统中三相中每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息值，基于每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息值获取每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息均值；
基于每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息均值来判断三相相间SOC信息值是否处于均衡状态。
优选的，三相各自的所述电流相角指令转换为各自相的交流指令信号，基于各自相的交流指令信号与各自相实际采集的交流电流信号进行误差消除形成各自相修正电流指令信号。
优选的，所述调节系数通过存储系统的第一状态来确定每相调节系数的正负，同时按照每相SOC信息偏离量来确定每相调节系数的大小，或根据实际需要实现三相相间SOC信息值处于均衡状态的效率来确定每相调节系数的大小；
其中，第一状态包括充电状态或放电状态；
在放电状态下，每相调节系数为正；
在充电状态下，每相调节系数为负。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明通过功率指令的设置值及电网角度计算得到三相各自的原始电流幅值指令，再根据三相各自电池组的SOC值，计算生成各相针对SOC均衡对应的额外电流指令幅值，将三相的原始电流指令叠加各自SOC均衡生成的额外电流指令，之后结合锁相得到的电网角度以及功率指令计算得到的电流相角，将叠加之后的电流幅值指令转化为交流指令信号，后与实际电流的误差经过PR控制器并结合电网电压前馈输出最终的电流指令，将最终的电流指令信号转化为开关调制信号驱动储能逆变器，实现相间SOC值的均衡；通过调节额外附加电流的幅值大小以及正负，使每相储存或消耗的电量不相等进而实现相间SOC均衡，提升了整个储能系统的综合效率和在线时长。
基于上述，本发明还具有如下优势，对H桥级联的储能系统进行单相采样，单相独立控制；综合各H桥储能单元链节的SOC值，并计算出各相系统的SOC总和；根据总和计算系统平均
Figure SMS_1
，并计算各相/>
Figure SMS_2
,/>
Figure SMS_3
,/>
Figure SMS_4
；设定/>
Figure SMS_5
误差死区，当其落入死区范围外进行控制调节，死区内不调节；每相SOC误差调节增量乘上调节系数/>
Figure SMS_6
，叠加到电流控制器的输入，通过内环调节器加快调节均衡速度。
附图说明
图1为实施例中方法流程图；
图2为实施例中系统的框架原理示意图；
图3为实施例中提供的控制原理的实例图；
图4为实施例中四线制级联式PCS系统的拓扑结构图；
图5为实施例中图4的L处放大图。
实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
参阅图1-图5所示，本发明通过功率指令的设置值及电网角度计算得到三相各自的原始电流幅值指令，再根据三相各自电池组的SOC值，计算生成各相针对SOC均衡对应的额外电流指令幅值，将三相的原始电流指令叠加各自SOC均衡生成的额外电流指令，之后结合锁相得到的电网角度以及功率指令计算得到的电流相角，将叠加之后的电流幅值指令转化为交流指令信号，后与实际电流的误差经过PR控制器并结合电网电压前馈输出最终的电流指令，将最终的电流指令信号转化为开关调制信号驱动储能逆变器，实现相间SOC值的均衡；通过调节额外附加电流的幅值大小以及正负，使每相储存或消耗的电量不相等进而实现相间SOC均衡，提升了整个储能系统的综合效率和在线时长。
本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种用于级联H桥储能系统的相间SOC均衡控制方法，包括如下方法：获取并网点三相电网的相角；
根据设置值或者用户上位机下发给储能系统的有功功率和无功功率指令值和并网点三相电网的相角，得到三相电网各相的原始电流幅值指令，以及三相各自的电流相角指令；
通过电池管理系统获取储能系统中三相中每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息值，基于每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息值获取每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息均值；
基于每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息均值来判断三相相间SOC信息值是否处于均衡状态，若处于均衡状态，将三相各自的电流相角指令转换为各自相的交流指令信号，基于各自相的交流指令信号与各自相实际采集的交流电流信号进行误差消除形成各自相修正电流指令信号，将各自相修正电流指令信号作为PR控制器的输入形成无静态误差跟踪电流指令，基于无静态误差跟踪电流指令结合电网前馈输出形成调制电流指令，将调制电流指令信号转化为驱动调制信号，其中驱动调制信号为驱动储能逆变器的控制信号；
若处于不均衡状态，计算每相SOC信息偏离量，控制系统基于每相SOC信息偏离量来设定每相调节系数和调节指令，通过所述调节指令控制储能系统对每相按照设定调节系数进行充/放电，以实现三相相间SOC信息值处于均衡状态。
优选的，并网点三相电网的相角通过如下方法获得：
通过采样系统采集并网点三相电压和电流完成系统初始基本量的计算，并经过锁相环的作用获取到三相电网的相角。
优选的，每相SOC信息偏离量通过如下方法获得：
基于每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息值获取每相SOC信息总值；
将三相中每相SOC信息总值获取每相SOC信息均值；
基于每相SOC信息总值和每相SOC信息均值的差值来获取每相SOC信息偏离量。
优选的，所述每相调节系数不同，且每相调节系数按照设定规则进行设定。
优选的，所述设定规则同时满足如下两个条件：
①：按照存储系统的第一状态来确定每相调节系数的正负；
②：按照每相SOC信息偏离量来确定每相调节系数的大小；或根据实际需要实现三相相间SOC信息值处于均衡状态的效率来确定每相调节系数的大小。
优选的，所述存储系统的第一状态包括充电状态或放电状态；
在放电状态下，每相调节系数为正；
在充电状态下，每相调节系数为负。
另一方面，本发明还提供了一种用于级联H桥储能系统的相间SOC均衡控制系统，包括：
采集系统，用于采集并网点三相电压和电流完成系统初始基本量的计算，并经过锁相环的作用获取到三相电网的相角；
电流相角指令获取模块，用于根据设置值或者用户上位机下发给储能系统的有功功率和无功功率指令值和并网点三相电网的相角，得到三相电网各相的原始电流幅值指令，以及三相各自的电流相角指令；
判断模块，用于判断三相相间SOC信息值是否处于均衡状态；
修正模块，用于当三相相间SOC信息值处于不均衡状态时，基于三相各自的电流相角指令进行转化并结合各自相实际采集的交流电流信号进行误差消除形成各自相修正电流指令信号；
驱动调制信号生成模块，用于将各自相修正电流指令信号作为PR控制器的输入形成无静态误差跟踪电流指令，基于无静态误差跟踪电流指令结合电网前馈输出形成调制电流指令，将调制电流指令信号转化为驱动调制信号；
控制系统，用于当三相相间SOC信息值处于不均衡状态时，计算每相SOC信息偏离量，基于每相SOC信息偏离量来设定每相调节系数和调节指令，通过所述调节指令控制储能系统对每相按照设定调节系数进行充/放电，以实现三相相间SOC信息值处于均衡状态。
优选的，所述判断模块按照如下的方法来判断三相相间SOC信息值是否处于均衡状态：
通过电池管理系统获取储能系统中三相中每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息值，基于每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息值获取每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息均值；
基于每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息均值来判断三相相间SOC信息值是否处于均衡状态。
优选的，三相各自的所述电流相角指令转换为各自相的交流指令信号，基于各自相的交流指令信号与各自相实际采集的交流电流信号进行误差消除形成各自相修正电流指令信号。
优选的，所述调节系数通过存储系统的第一状态来确定每相调节系数的正负，同时按照每相SOC信息偏离量来确定每相调节系数的大小，或根据实际需要实现三相相间SOC信息值处于均衡状态的效率来确定每相调节系数的大小；
其中，第一状态包括充电状态或放电状态；
在放电状态下，每相调节系数为正；
在充电状态下，每相调节系数为负。
结合图3和图4，本发明提供了一个实例，一种用于级联H桥储能系统的相间SOC均衡控制方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤1：采样系统采集并网点三相电压和电流完成系统初始基本量的计算，并经过锁相环的作用获取到三相电网的相角；
步骤2：根据设置值或者用户上位机下发给储能系统的有功功率和无功功率指令值，结合锁相获取到的电网相角，计算得到三相电网各相的原始电流幅值指令
Figure SMS_7
，以及三相各自的电流相角指令；
步骤3：通过电池管理系统获取每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息
Figure SMS_8
，计算每相中所有n个电池组的单相SOC平均值：
Figure SMS_9
；/>
其中n为每相中的H桥数量；
步骤4：当三相
Figure SMS_10
值出现不一致的情况时，需要计算三相SOC值的平均值/>
Figure SMS_11
，评估每相的SOC值偏离的方向及数值，
Figure SMS_12
；
步骤5：计算每相
Figure SMS_13
与三相平均值/>
Figure SMS_14
的差值/>
Figure SMS_15
，/>
Figure SMS_16
即为该相SOC偏离标准值的量，需要将此偏离量消除；
步骤6：将每相
Figure SMS_17
误差调节增量乘上调节系数α，根据充电与放电状态调节系数α的正负，SOC较高的相在充电时需要减小充电量即减小电流指令、而在放电时需要多放电即增大电流指令；
调节系数α的正负取决于此时系统处于放电状态还是充电状态，决定了额外电流指令在初始电流指令的基础上作用的方向，放电时，调节系数α为正，SOC较高的相需要出更大的功率，所以初始电流指令与额外电流指令叠加后获得更大的电流指令，反之充电时，调节系数α为负，SOC较高的相需要储存更小的功率，所以初始电流指令与额外电流指令叠加后获得更小的电流指令；
调节系数α的正负取决于此时系统处于放电状态还是充电状态，决定了额外电流指令在初始电流指令的基础上作用的方向，放电时，调节系数α为正，SOC较高的相需要出更大的功率，所以初始电流指令与额外电流指令叠加后获得更大的电流指令，反之充电时，调节系数α为负，SOC较高的相需要储存更小的功率，所以初始电流指令与额外电流指令叠加后获得更小的电流指令；
调节系数α的绝对值大小决定了系统实现均衡的速率。即在SOC比较高，且偏差平均值比较大时，通过增大α系数的绝对值，增大叠加在初始电流指令上的额外电流指令，从而增大额外电流指令的作用效果，使得放电时电池能够放出更大的电量，而在充电时电池却能储存更少的电量，使得SOC能够在比较短的时间内实现快速均衡；
若三相中各相的SOC一致或者误差不大时，可以认为此时三相的SOC值是一样的，不需要进行SOC均衡控制，所以需要设置额外附加电流作用的的死区区间。附加电流值处于死区之外时，说明此时各相SOC相差比较大，需要进行SOC均衡控制，开启SOC均衡控制功能，附加电流值处于死区之内时，认为此时各相SOC值一致，不需要进行调节，不启用SOC均衡功能，从而提高了系统的稳态时的稳定性。
步骤7：此时经过叠加后的电流指令仍然为一个直流量，结合步骤2中计算的电流相角，将三相电流指令转换为各自相的交流信号指令，并与实际的交流电流做差，作为PR控制器的输入，实现无静态误差跟踪电流指令，结合电网前馈输出系统的最终电流指令，再将电流指令信号转化为驱动调制信号驱动储能逆变器。
本发明中，对H桥级联的储能系统单相采样，单相独立控制；综合各H桥储能单元链节的SOC值，并计算出各相系统的SOC总和；根据总和计算系统平均
Figure SMS_18
，并计算各相
Figure SMS_19
,/>
Figure SMS_20
，/>
Figure SMS_21
；设定/>
Figure SMS_22
误差死区，当其落入死区范围外进行控制调节，死区内不调节；每相SOC误差调节增量乘上调节系数/>
Figure SMS_23
，叠加到电流控制器的输入，通过内环调节器加快调节均衡速度；调节系数/>
Figure SMS_24
可正可负，根据充放电方向调节系数方向。/>

Claims (10)

1.用于级联H桥储能系统的相间SOC均衡控制方法，其特征在于，包括如下方法：获取并网点三相电网的相角；
根据设置值或者用户上位机下发给储能系统的有功功率和无功功率指令值和并网点三相电网的相角，得到三相电网各相的原始电流幅值指令，以及三相各自的电流相角指令；
通过电池管理系统获取储能系统中三相中每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息值，基于每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息值获取每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息均值；
基于每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息均值来判断三相相间SOC信息值是否处于均衡状态，若处于均衡状态，将三相各自的电流相角指令转换为各自相的交流指令信号，基于各自相的交流指令信号与各自相实际采集的交流电流信号进行误差消除形成各自相修正电流指令信号，将各自相修正电流指令信号作为PR控制器的输入形成无静态误差跟踪电流指令，基于无静态误差跟踪电流指令结合电网前馈输出形成调制电流指令，将调制电流指令信号转化为驱动调制信号，其中驱动调制信号为驱动储能逆变器的控制信号；
若处于不均衡状态，计算每相SOC信息偏离量，控制系统基于每相SOC信息偏离量来设定每相调节系数和调节指令，通过调节指令控制储能系统对每相按照设定调节系数进行充/放电，以实现三相相间SOC信息值处于均衡状态。
2.根据权利要求1所述的用于级联H桥储能系统的相间SOC均衡控制方法，其特征在于，并网点三相电网的相角通过如下方法获得：
通过采样系统采集并网点三相电压和电流完成系统初始基本量的计算，并经过锁相环的作用获取到三相电网的相角。
3.根据权利要求1所述的用于级联H桥储能系统的相间SOC均衡控制方法，其特征在于，每相SOC信息偏离量通过如下方法获得：
基于每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息值获取每相SOC信息总值；
将三相中每相SOC信息总值获取每相SOC信息均值；
基于每相SOC信息总值和每相SOC信息均值的差值来获取每相SOC信息偏离量。
4.根据权利要求1所述的用于级联H桥储能系统的相间SOC均衡控制方法，其特征在于，所述每相调节系数不同，且每相调节系数按照设定规则进行设定。
5.根据权利要求4所述的用于级联H桥储能系统的相间SOC均衡控制方法，其特征在于，所述设定规则同时满足如下两个条件：
①：按照存储系统的第一状态来确定每相调节系数的正负；
②：按照每相SOC信息偏离量来确定每相调节系数的大小；或根据实际需要实现三相相间SOC信息值处于均衡状态的效率来确定每相调节系数的大小。
6.根据权利要求5所述的用于级联H桥储能系统的相间SOC均衡控制方法，其特征在于：所述存储系统的第一状态包括充电状态或放电状态；
在放电状态下，每相调节系数为正；
在充电状态下，每相调节系数为负。
7.用于级联H桥储能系统的相间SOC均衡控制系统，其特征在于，包括：
采集系统，用于采集并网点三相电压和电流完成系统初始基本量的计算，并经过锁相环的作用获取到三相电网的相角；
电流相角指令获取模块，用于根据设置值或者用户上位机下发给储能系统的有功功率和无功功率指令值和并网点三相电网的相角，得到三相电网各相的原始电流幅值指令，以及三相各自的电流相角指令；
判断模块，用于判断三相相间SOC信息值是否处于均衡状态；
修正模块，用于当三相相间SOC信息值处于不均衡状态时，基于三相各自的电流相角指令进行转化，并结合各自相实际采集的交流电流信号进行误差消除形成各自相修正电流指令信号；
驱动调制信号生成模块，用于将各自相修正电流指令信号作为PR控制器的输入形成无静态误差跟踪电流指令，基于无静态误差跟踪电流指令结合电网前馈输出形成调制电流指令，将调制电流指令信号转化为驱动调制信号；
控制系统，用于当三相相间SOC信息值处于不均衡状态时，计算每相SOC信息偏离量，基于每相SOC信息偏离量来设定每相调节系数和调节指令，通过所述调节指令控制储能系统对每相按照设定调节系数进行充/放电，以实现三相相间SOC信息值处于均衡状态。
8.根据权利要求7所述的用于级联H桥储能系统的相间SOC均衡控制系统，其特征在于，所述判断模块按照如下的方法来判断三相相间SOC信息值是否处于均衡状态：
通过电池管理系统获取储能系统中三相中每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息值，基于每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息值获取每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息均值；
基于每相各H桥功率单元中储能电池的SOC信息均值来判断三相相间SOC信息值是否处于均衡状态。
9.根据权利要求7所述的用于级联H桥储能系统的相间SOC均衡控制系统，其特征在于：三相各自的所述电流相角指令转换为各自相的交流指令信号，基于各自相的交流指令信号与各自相实际采集的交流电流信号进行误差消除形成各自相修正电流指令信号。
10.根据权利要求7所述的用于级联H桥储能系统的相间SOC均衡控制系统，其特征在于：所述调节系数通过存储系统的第一状态来确定每相调节系数的正负，同时按照每相SOC信息偏离量来确定每相调节系数的大小，或根据实际需要实现三相相间SOC信息值处于均衡状态的效率来确定每相调节系数的大小；
其中，第一状态包括充电状态或放电状态；
在放电状态下，每相调节系数为正；
在充电状态下，每相调节系数为负。
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