CN116404725B - 储能系统分布式调压逆变控制方法及系统、设备、介质 - Google Patents

储能系统分布式调压逆变控制方法及系统、设备、介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及储能系统分布式调压逆变控制方法及系统、设备、介质，该方法包括步骤：判断储能系统充放电状态；若为充电状态，则实时检测输入电压，根据输入电压确定需要充电的单体，调整电芯组串状态；若为放电状态，则判断系统运行状态；若为离网状态，则实时计算当前输出的电压，根据MPPT结果限流定压输出或调整电芯组串状态，调节直流母线电压，控制全桥电路输出换向跟随原波形；若为并网状态，则实时监测公网状态，解耦信号角度、相位、频率，输出电压，通过锁相环进行相位跟随。本发明通过调整在线电芯的组串方式，实现直流母线的调压，实现跟随逆变输出的需求，省略高压斩波部分电路，降低系统功耗，减少输出谐波。

Description

储能系统分布式调压逆变控制方法及系统、设备、介质
技术领域
本发明涉及储能逆变技术领域，特别涉及储能系统分布式调压逆变控制方法及系统、设备、介质。
背景技术
当前常规方案中，锂电池组串持续在线，始终以最高组串电压对PCS（储能变流器）输出电压，对不均衡状态的电芯进行能量转移，包括耗电均衡和主动转移；采用逆变全桥高频（20~50Khz）斩波，SPWM（正弦脉冲宽度调制）调整输出滤波得到交流电压，对用户或电网提供能量。
目前的方案存在以下技术缺陷：在电芯不均衡的状态下，持续在线的电芯中会出现部分电芯提前充满或者提前放空的情况，导致系统实际可用能量大打折扣，并且传统均衡方案的电流太小，相较于储能系统的输入输出电流无法及时响应解决问题；电子开关在高压大电流状态下高速切换，开关损耗严重，并且斩波输出电压波动大，需要较大的输出滤波器，或导致严重的电网谐波。
发明内容
为了实现本发明的上述目的和其他优点，本发明的第一目的是提供储能系统分布式调压逆变控制方法，包括以下步骤：
判断储能系统充放电状态；
若为充电状态，则监测外部输入状态；
若外部输入为光伏输入，则检测输入电压，调整光伏MPPT(最大功率点跟踪)控制单元的输出，调整电芯组串状态，启动充电开关，检测光伏接入的电压和电流并计算功率，通过MPPT算法实时调整电芯组串状态，实现光伏的最大功率输入；
若外部输入为电网输入，则实时检测输入电压，根据输入电压确定需要充电的单体，调整电芯组串状态；
若为放电状态，则判断系统运行状态；
若为离网状态，则实时计算当前输出的电压，根据MPPT结果限流定压输出或调整电芯组串状态，调节直流母线电压，控制全桥电路输出换向跟随原波形，所述原波形为交流电输出波形；
若为并网状态，则实时监测公网状态，解耦信号角度、相位、频率，输出电压，通过锁相环进行相位跟随，并跳转至所述实时计算当前输出的电压步骤。
进一步地，所述调整电芯组串状态包括以下步骤：
通过通讯总线唤醒电芯采集控制单元的控制器；
判断等待本地指令是否超时；
是则进入休眠状态；
否则判断指令是否有效；
若指令无效，则回复主控制器指令无效，并跳转至所述等待本地指令是否超时步骤；
若指令有效，则根据输入电压确认需要充电的单体电芯，或根据输出电压确认需要放电的单体电芯，控制单体电芯对应的MOS管驱动器控制MOS管导通，回复主控制器执行情况，确认主控制器是否接收到数据，是则待机，等待主控制器的指令，否则跳转至回复主控制器执行情况步骤。
进一步地，所述调整电芯组串状态还包括以下步骤：
若指令有效，则判断指令的需求；
若需求为数据采集，则发送采集到的数据至主控制器，确认主控制器是否接收到数据，是则待机，等待主控制器的指令，否则跳转至所述发送采集到的数据至主控制器步骤；
若需求为电芯控制，则跳转至所述根据输入电压确认需要充电的单体电芯，或根据输出电压确认需要放电的单体电芯步骤。
进一步地，在所述根据MPPT结果限流定压输出或调整电芯组串状态之后还包括根据需要输出的电压，增加预设数量的单体电芯在线输出。
进一步地，所述根据输入电压确认需要充电的单体电芯包括以下步骤：
根据输入电压和电芯单体电压计算需要充电的电芯数量；
将按照电芯的能量从小到大的顺序，选择计算出的需要充电的电芯数量的电芯进行充电。
进一步地，所述根据输出电压确认需要放电的单体电芯包括以下步骤：
根据输出电压和电芯单体电压计算需要放电的电芯数量；
将按照电芯的能量从大到小的顺序，选择计算出的需要放电的电芯数量的电芯进行放电。
进一步地，所述控制全桥电路输出换向跟随原波形包括在直流母线电压信号中每个周期结束时，控制全桥电路输出换向；所述直流母线电压信号由电芯组串中在线电芯的电压经LC滤波后的半波波形周期叠加形成。
本发明的第二目的是提供一种电子设备，包括：存储器，其上存储有程序代码；处理器，其与所述存储器联接，并且当所述程序代码被所述处理器执行时，实现上述方法。
本发明的第三目的是提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序指令，所述程序指令被执行时实现上述方法。
本发明的第四目的是提供实现上述方法的储能系统分布式调压逆变控制系统，包括主控制器、电芯组串形成的电池包、若干电芯采集控制单元、LC滤波器、充放电控制电路、全桥电路、继电器、光伏MPPT控制单元，所述电芯采集控制单元与所述电池包中的电芯对应，所述电芯采集控制单元用于对电芯数据进行采集，执行所述主控制器的指令控制电芯充放电，所述LC滤波器用于对电池包输出信号进行滤波，所述充放电控制电路用于对电池包充放电进行保护，所述光伏MPPT控制单元用于根据光伏电池的功率变化调整工作点的电压以获得最大功率，所述全桥电路用于对直流母线电压信号进行换向动作，实现交流输出，所述继电器用于执行并离网动作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供储能系统分布式调压逆变控制方法及系统、设备、介质，通过调整在线电芯的组串方式，实现直流母线的调压，实现跟随逆变输出的需求，省略高压斩波部分电路，降低系统功耗，减少输出谐波；通过控制各个电芯的能量状态分时利用，解决了电芯后期以及梯次电芯的不平衡问题，实现电芯容量的最大化利用。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为实施例1的储能系统分布式调压逆变控制系统示意图；
图2为实施例1的储能系统分布式调压逆变控制系统局部示意图；
图3为实施例1的电芯采集控制单元示意图；
图4为实施例1的半波示意图；
图5为实施例1的直流母线电压信号和交流信号示意图；
图6为实施例1的24VAC输出对应电芯单体电压为2.5V时电池包输出的阶梯变化直流电压示意图；
图7为实施例1的24VAC输出对应电芯单体电压为4.25V时电池包输出的阶梯变化直流电压示意图；
图8为实施例2的储能系统分布式调压逆变控制方法流程图；
图9为实施例2的调整电芯组串状态流程图；
图10为实施例2的系统输入分配流程图；
图11为实施例3的电子设备原理图；
图12为实施例4的计算机存储介质原理图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
实施例1
储能系统分布式调压逆变控制系统，如图1、图2所示，包括主控制器、电芯组串形成的电池包、若干电芯采集控制单元、LC滤波器、充放电控制电路、全桥电路、继电器、光伏MPPT控制单元，主控制器用于所有资源的调配、采集、计算，如根据运行状态与外部需求，调整系统电芯的在线状态，在几个周期内，使所有电芯的输出能量一致；若有电芯处于能量偏高的状态，则通过控制对应电芯，在线放电时间延长，增加能量的释放，或减少充电能量；若有电芯处于能量偏低的状态，则通过控制对应电芯，在线放电时间缩短，减少能量的上升，或增加充电能量；还能够调整直流母线电压，根据需要输出的电压，适当多一颗电芯在线输出（增加2~5V）。电芯采集控制单元与电池包中的电芯对应，电芯采集控制单元用于对电芯数据进行采集，执行主控制器的指令控制电芯充放电，LC滤波器用于对电池包输出信号进行滤波，充放电控制电路用于对电池包充电、放电进行保护，光伏MPPT控制单元用于光伏最大功率点追踪MPPT，根据光伏电池的功率变化调整工作点的电压以获得最大功率，光伏最大功率点追踪MPPT；全桥电路用于对直流母线电压信号进行换向动作，实现交流输出，整体切换频率为工频电压的两倍90-130HZ，在每个正弦半波切换一次，并且输出换向时，电压电流接近0，开关损耗几乎为0。继电器用于根据实时采集的信息，执行并离网动作。
如图3所示，电芯采集控制单元包括调压电路、电压监测单元、温度监测单元、MOS管、MOS管驱动器、MCU和隔离通讯模块；其中，调压电路为适配不同的输入电压做出相应的设计调整，输出供电到内部需求端；电压监测单元用于实现电芯单体电压的采集，为满足系统高压采集的隔离需求调整，包括但不限于电压模块、定压模块、分立元件搭建；温度监测单元用于实现电芯单体温度的采集，以及板载器件温度的监控；MOS管驱动器和MOS管用于电芯单体在线、离线执行；隔离通讯模块用于与系统主控制器通讯；MCU定制功能Asic，执行采集功能、储能单体能量、控制电芯在线状态。
调整电芯在线的串数如图4中曲线下方的白色区域所示，结合后级LC滤波器，得到波形为图4中白色区域上方的半波波形，多个半波波形周期叠加，实现如图5所示的VBUS信号，也就是直流母线电压信号。在VBUS信号每个半波周期结束时，确认下一时刻进入工作状态的电芯数量和顺序，全桥电路执行换向操作，输出如图5所示的交流信号VAC。
当需要输出24VAC 50HZ，峰值电压为34V时，假设电芯欠压保护为2.5V，电芯过压保护为4.25V，那么需要最少14串电芯，整个正弦波周期=VBUS信号调整输出2次半波100HZ。如图6所示，电芯单体电压为2.5V，需要全部14颗电芯加入工作，图6中所有电芯单体电压形成的白色区域为电池包输出的阶梯变化直流电压，每一次爬升一个单体的幅度，图6中的曲线为电池包输出的阶梯电压经过LC滤波器滤波后的波形。如图7所示，电芯单体电压为4.25V，那么仅仅需要其中的8颗电芯参与工作，图7中所有电芯单体电压形成的白色区域为电池组输出的阶梯变化直流电压，每一次爬升一个单体的幅度，图7中的曲线为电池包输出的阶梯电压经过LC滤波器滤波后的波形。每个电芯在一个周期内的工作时间/能量变化是不同的，但是可以控制在多个周期过程内，各自的能量变化相同，不会给电芯引入不均衡问题。
本发明通过调整在线电芯的组串方式，实现直流母线的调压，跟随逆变输出的需求，省略高压斩波部分电路，降低系统功耗，减少输出谐波；通过控制各个电芯的能量状态分时利用，完美解决电芯后期以及梯次电芯的不平衡问题，实现电芯容量的最大化利用。
实施例2
储能系统分布式调压逆变控制系统的控制方法，如图8所示，包括以下步骤：
判断储能系统充放电状态；
若为充电状态，则监测外部输入状态；
若外部输入为光伏输入，则检测输入电压，调整光伏MPPT控制单元的输出，调整电芯组串状态，启动充电开关，检测光伏接入的电压和电流并计算功率，对比数据，通过MPPT算法实时调整电芯组串状态，实现光伏的最大功率输入；
若外部输入为电网输入，则实时检测输入电压，根据输入电压确定需要充电的单体，调整电芯组串状态；
上述根据输入电压确认需要充电的单体电芯包括以下步骤：
根据输入电压和电芯单体电压计算需要充电的电芯数量；
将按照电芯的能量从小到大的顺序，选择计算出的需要充电的电芯数量的电芯进行充电。如需要输入电压为300V，电芯单体电压为3V，那么就需要对100串电芯进行充电，此时选择能量最低的100串电芯去补电，通过调整系统电芯的在线状态，实现在几个周期内，使所有电芯的输出能量一致的目的。
若为放电状态，则判断系统运行状态；
若为离网状态，则实时计算当前输出的电压，根据MPPT结果限流定压输出或调整电芯组串状态，调节直流母线电压，控制全桥电路输出换向跟随原波形，原波形为交流电输出波形，持续运行；本实施例中，控制全桥电路输出换向跟随原波形包括在直流母线电压信号中每个周期结束时，控制全桥电路输出换向，如图5所示；直流母线电压信号由电芯组串中在线电芯的电压经LC滤波后的半波波形周期叠加形成，如图4、图5所示。
若为并网状态，则实时监测公网状态，解耦信号角度、相位、频率，输出电压，通过锁相环进行相位跟随，并跳转至实时计算当前输出的电压步骤。
上述根据输出电压确认需要放电的单体电芯包括以下步骤：
根据输出电压和电芯单体电压计算需要放电的电芯数量；
将按照电芯的能量从大到小的顺序，选择计算出的需要放电的电芯数量的电芯进行放电。如需要输出电压为400V，电芯单体电压为4V，那么就需要对100串电芯进行放电，此时选择能量最高的100串电芯去放电，通过调整系统电芯的在线状态，实现在几个周期内，使所有电芯的输出能量一致的目的。
如图9所示，调整电芯组串状态包括以下步骤：
电芯采集控制单元的控制器休眠状态下，通过通讯总线唤醒电芯采集控制单元的控制器；
判断等待本地指令是否超时；
是则进入休眠状态；
否则判断指令是否有效；
若指令无效，则回复主控制器指令无效，并跳转至等待本地指令是否超时步骤；
若指令有效，根据输入电压确认需要充电的单体电芯，或根据输出电压确认需要放电的单体电芯，控制单体电芯对应的MOS管驱动器控制MOS管导通，回复主控制器执行情况，确认主控制器是否接收到数据，是则待机，等待主控制器的指令，否则跳转回复主控制器执行情况步骤。
为了根据电芯的实际数据进行电芯组串状态调整，调整电芯组串状态还包括以下步骤：
若指令有效，则判断指令的需求；
若需求为数据采集，则发送采集到的数据至主控制器，确认主控制器是否接收到数据，是则待机，等待主控制器的指令，否则跳转至发送采集到的数据至主控制器步骤；
若需求为电芯控制，则跳转至根据输入电压确认需要充电的单体电芯，或根据输出电压确认需要放电的单体电芯步骤。
本实施例中，在根据MPPT结果限流定压输出或调整电芯组串状态之后，直流母线电压调整还包括根据需要输出的电压，增加预设数量的单体电芯在线输出，如适当多一颗电芯在线输出（增加2~5V）。
结合峰谷时段合理利用储能系统和光伏系统，可有效减少实际用电费用。如图10所示，先检测当前状态，包括充放电状态及并离网状态，以及用户设定的信息，然后联网检查次日天气状态，检测用户前日用电习惯，决定电池包在电网峰谷区间充电量，在白天可以优先使用光伏系统输出电，当光伏能力不足时，通过电池包补充输出电；当有对于光伏能量时，通过光伏系统对电池包进行充电。在白天，若用户超额使用电量，无光伏补充能量，则在白天电价谷区对电池包充电，以应对下一个高峰。在夜间，在电价低谷区对电池包适量充电。
本发明能提升电芯利用率，电动车市场后续替换下来的梯次电芯存量庞大，本发明能适应一致性差异程度较大的电池组，提升电池的利用程度，减少污染；提升系统安全性，对于系统中状态异常的电芯，及从电池串中剔除，防止危险情况的发生；提升系统效率，相比传统高压（300V以上）大电流SPWM斩波（20KHZ），本发明使用直流母线调压（跟随交流电输出需求）的方式，开关器件的开关电压为电芯电压:2.5-4.5V，假设总体切换频率一致，开关损耗降低90%以上；提升系统普及率，本发明的调整方式无高电压切换，使用滤波器、系统散热装置等相关外围，同时电芯的一致性要求相对降低，系统成本预计降低40%。
实施例3
一种电子设备，如图11所示，包括：存储器，其上存储有程序代码；处理器，其与存储器联接，并且当程序代码被处理器执行时，实现上述方法。关于方法的详细描述，可以参照上述方法实施例中的对应描述，在此不再赘述。
实施例4
一种计算机可读存储介质，如图12所示，其上存储有程序指令，程序指令被执行时实现上述方法。关于方法的详细描述，可以参照上述方法实施例中的对应描述，在此不再赘述。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本说明书实施例而已，并不用于限制本说明书一个或多个实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书一个或多个实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.储能系统分布式调压逆变控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
判断储能系统充放电状态；
若为充电状态，则监测外部输入状态；
若外部输入为光伏输入，则检测输入电压，调整光伏MPPT控制单元的输出，调整电芯组串状态，启动充电开关，检测光伏接入的电压和电流并计算功率，通过MPPT算法实时调整电芯组串状态，实现光伏的最大功率输入；
若外部输入为电网输入，则实时检测输入电压，根据输入电压确定需要充电的单体电芯，调整电芯组串状态；
若为放电状态，则判断系统运行状态；
若为离网状态，则实时计算当前输出的电压，根据MPPT结果限流定压输出或调整电芯组串状态，调节直流母线电压，控制全桥电路输出换向跟随原波形，所述原波形为交流电输出波形；
若为并网状态，则实时监测公网状态，解耦信号角度、相位、频率、输出电压，通过锁相环进行相位跟随，并跳转至所述实时计算当前输出的电压步骤；
所述调整电芯组串状态包括以下步骤：
通过通讯总线唤醒电芯采集控制单元的控制器；
判断等待本地指令是否超时；
是则进入休眠状态；
否则判断指令是否有效；
若指令无效，则回复主控制器指令无效，并跳转至所述判断等待本地指令是否超时步骤；
若指令有效，则根据输入电压确认需要充电的单体电芯，或根据输出电压确认需要放电的单体电芯，控制单体电芯对应的MOS管驱动器控制MOS管导通，回复主控制器执行情况，确认主控制器是否接收到数据，是则待机，等待主控制器的指令，否则跳转至回复主控制器执行情况步骤；
所述调整电芯组串状态还包括以下步骤：
若指令有效，则判断指令的需求；
若需求为数据采集，则发送采集到的数据至主控制器，确认主控制器是否接收到数据，是则待机，等待主控制器的指令，否则跳转至所述发送采集到的数据至主控制器步骤；
若需求为电芯控制，则跳转至所述根据输入电压确认需要充电的单体电芯，或根据输出电压确认需要放电的单体电芯步骤；
所述根据输出电压确认需要放电的单体电芯包括以下步骤：
根据输出电压和单体电芯电压计算需要放电的电芯数量；
将按照电芯的能量从大到小的顺序，选择计算出的需要放电的电芯数量的电芯进行放电；
所述控制全桥电路输出换向跟随原波形包括在直流母线电压信号中每个周期结束时，确认下一时刻进入工作状态的电芯数量和顺序，控制全桥电路输出换向；所述直流母线电压信号由电芯组串中在线电芯的电压经LC滤波后的半波波形周期叠加形成。
2.如权利要求1所述的储能系统分布式调压逆变控制方法，其特征在于：在所述根据MPPT结果限流定压输出或调整电芯组串状态之后还包括根据需要输出的电压，增加预设数量的单体电芯在线输出。
3.如权利要求2所述的储能系统分布式调压逆变控制方法，其特征在于：所述根据输入电压确认需要充电的单体电芯包括以下步骤：
根据输入电压和单体电芯电压计算需要充电的电芯数量；
将按照电芯的能量从小到大的顺序，选择计算出的需要充电的电芯数量的电芯进行充电。
4.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器，其上存储有程序代码；处理器，其与所述存储器连接，并且当所述程序代码被所述处理器执行时，实现如权利要求1-3任一项所述的方法。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有程序指令，所述程序指令被执行时实现如权利要求1-3任一项所述的方法。
6.实现权利要求1-3任一项所述方法的储能系统分布式调压逆变控制系统，其特征在于：包括主控制器、电芯组串形成的电池包、若干电芯采集控制单元、LC滤波器、充放电控制电路、全桥电路、继电器、光伏MPPT控制单元，所述电芯采集控制单元与所述电池包中的电芯对应，所述电芯采集控制单元用于对电芯数据进行采集，执行所述主控制器的指令控制电芯充放电，所述LC滤波器用于对电池包输出信号进行滤波，所述充放电控制电路用于对电池包充放电进行保护，所述光伏MPPT控制单元用于根据光伏电池的功率变化调整工作点的电压以获得最大功率，所述全桥电路用于对直流母线电压信号进行换向动作，实现交流输出，所述继电器用于执行并离网动作。
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