CN118157260A - 一种级联pcs的电池荷电状态相内主动动态均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子技术及储能技术，旨在提供一种级联PCS的电池荷电状态相内主动动态均衡控制方法。该方法是通过检测级联H桥储能变换器各模块电池的荷电状态，并在每个控制周期内根据电池不均衡度动态改变SOC控制参数；基于SOC控制参数生成具有SOC均衡能力的调制波，从而完成电池SOC均衡。本发明通过动态改变SOC控制参数，为级联H桥储能变换器中的电池SOC均衡提供可靠支持；该解决方案计算简单、均衡效果好，能够确保系统在SOC均衡条件下安全稳定运行。

Description

一种级联PCS的电池荷电状态相内主动动态均衡控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术及储能技术领域，具体涉及一种级联PCS的电池荷电状态相内主动动态均衡控制方法。

背景技术

在过去的几十年里，电力电子技术和能量储存系统得到了显著的发展。随着太阳能和风能等可再生能源的大规模集成，电力系统面临不断变化的电源输出，对电力系统的运营和稳定性提出了挑战，储能技术因此变得至关重要。

级联H桥储能变换器因其灵活性、高效性和可控性而备受关注，被认为是应对这一需求的潜在解决方案。级联H桥结构通过将电池分散放入子模块中，允许多个电平的输出电压，提供更高的电压分辨率，降低了谐波含量，且具备更好的功率质量。

然而，尽管级联H桥储能系统避免了大量电池的直接串联，但由于电池分散配置在数量众多的模块中，对功率变换系统提出了更高的电池管理要求。在系统正常运行的过程中，充放电状态的改变会引起模块中电池状态的改变。因此，引入电池荷电状态(State ofCharge,SOC)来表述每个电池的电量情况。保持电池SOC尽量一致，不仅能够解决电池模块过充或过放问题，还能避免电池没放完电或没充满电的情况。因此如何保持每个模块间的SOC均衡，是提高电池的能量利用率、电池使用寿命以及确保储能系统安全稳定运行的关键。

现有技术中，对于保持级联H桥储能系统中相内电池SOC均衡的做法通常是采用固定参数闭环调节的方法。但这样的处理方法由于需要在模块调制波上叠加均衡控制分量，当参数设计不当时，容易引起模块过调制、过流或均衡效果差等问题。

因此，有必要提出新的解决方案去保证相内SOC均衡过程中的系统安全运行。针对上述问题，本发明提出一种级联PCS的电池荷电状态相内主动动态均衡控制方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种级联PCS的电池荷电状态相内主动动态均衡控制方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种级联PCS的电池荷电状态相内主动动态均衡控制方法，该方法是通过检测级联H桥储能变换器各模块电池的荷电状态，并在每个控制周期内根据电池不均衡度动态改变SOC控制参数；基于SOC控制参数生成具有SOC均衡能力的调制波，从而完成电池SOC均衡；具体包括以下步骤：

(1)监测级联H桥储能变换器的各模块中电池的荷电状态SOC_xi，计算每一相所有电池模块的SOC均值SOC_x；

(2)基于每一相电池模块的SOC均值，分别计算每个子模块电池的SOC的不均衡度ΔSOC_xi；

(3)根据每个电池的SOC的不均衡度，以及电池的充放电状态，动态选择合适的SOC控制参数K；

(4)基于SOC控制参数K和SOC的不均衡度，得到每个模块的具有均衡能力的新的调制波n_i，且经载波移相调制后再下发至各模块；同时监测各模块的模块功率以及载波移相调制比，确保模块功率和调制比不会超过最大阈值；

(5)在每个控制周期监测每一相所有电池模块的SOC相内最大差值，若超过设定阈值，则按照步骤(1)至(4)重新进行SOC均衡；如未超过，则保持调制波不变。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过动态改变SOC控制参数，为级联H桥储能变换器中的电池SOC均衡提供可靠支持。

2、本发明的解决方案计算简单、均衡效果好，能够确保系统在SOC均衡条件下安全稳定运行。

附图说明

图1是本发明实施例中级联H桥储能变换器主电路拓扑结构示意图；

图2是本发明实施例中电池SOC相内动态均衡控制流程图；

图3是本发明实施例中级联H桥储能变换器相内各模块电池的SOC变化情况。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1中所示为本发明所述级联H桥储能变换器主电路拓扑结构示意图。其中级联H桥储能变换器由三相(a,b,c)构成，三相之间采用星型的连接方式，每相包含N个结构相同的子模块，子模块由开关S₁,S₂,S₃,S₄电容C和电池组构成。

在此基础上，本发明的技术方案，提供了一种级联PCS的电池荷电状态相内主动动态均衡控制方法。该方法是通过检测级联H桥储能变换器各模块电池的荷电状态，并在每个控制周期内根据电池不均衡度动态改变SOC控制参数；基于SOC控制参数生成具有SOC均衡能力的调制波，从而完成电池SOC均衡。

为便于理解，以一个控制周期为例进行说明，电池SOC相内均衡控制流程图如图2所示，其具体实现步骤如下：

步骤1：监测级联H桥储能变换器各模块电池的荷电状态SOC_xi(x＝a,b,c,i＝1,2,…,N)，计算每一相所有电池模块的SOC均值SOC_x(x＝a,b,c)。

步骤2：基于每一相电池模块的SOC均值，根据公式(1)分别计算每个子模块电池的SOC的不均衡度ΔSOC_xi：

ΔSOC_xi＝SOC_x-SOC_xi (1)

式中，SOC_x为每一相所有电池模块的SOC均值；SOC_xi为各模块电池的荷电状态，x＝a,b,c,即模块电池所处相位；i＝1,2,…,N，N为每一相中电池模块的序号。

步骤3：根据每个电池的SOC的不均衡度，以及电池的充放电状态，动态选择合适的SOC控制参数K。所述动态选择合适的SOC控制参数K，是指根据步骤(4)中对调制波n_i载波移相调制的结果来确认选择是否合适；如果调制波n_i经载波移相处理后发生了过调制，则说明SOC控制参数K不合适，需要重新选择。

步骤4：基于SOC控制参数和SOC的不均衡度，得到每个模块的具有均衡能力的新的调制波n_i，且经载波移相调制后再下发至各模块；同时监测各模块的模块功率以及载波移相调制比，确保模块功率和调制比不会超过最大阈值。如果某模块的模块功率大于额定功率或调制比超过最大阈值，则返回步骤(3)，重新选择合适的SOC控制参数K。

SOC控制参数K在每个控制周期内根据调制比和电池电流约束发生动态变化，并根据公式(2)生成具有均衡能力的调制波n_i：

n_i＝ΔSOC_xi*K*m_x (2)

其中，ΔSOC_xi为每个子模块电池的SOC的不均衡度；K为SOC控制参数；m_x是指由系统功率控制生成的每一相调制波。

SOC控制参数K具体是由下列约束条件计算得到：

(1)约束条件1：保证相内均衡控制生成的调制波不会造成模块过调制，即：

其中，△m_x,i-1表示基于约束条件1计算得到的x相第i个模块的调制波调节量，x＝a,b,c,即模块电池所处相位；M_xref表示功率控制生成的x相第i个模块的调制波，表示调制比上限，其具体大小与调制方法相关；

(2)约束条件2：保证增加相内均衡控制后的模块功率小于额定功率，即：

其中，△m_x,i-2表示基于约束条件2计算的调制波调节量；N表示模块数量，P_m,rated表示模块额定功率，P_x表示x相总功率；

(3)根据以上两个约束条件中得到的调制波调整量，可以计算得到SOC控制参数K：

其中，SOC_x,i表示x相第i个模块的SOC值，SOC_x,AVG表示x相SOC均值，max[SOC_x,i-SOC_x,AVG]表示模块的最大SOC差值。

步骤5：在每个控制周期监测每一相所有电池模块的SOC相内最大差值，若超过设定阈值，则按照步骤1至步骤4重新进行SOC均衡；如未超过，则保持调制波不变。

为便于理解，本实施例中，对三相五电平CHB-BESS进行了仿真，采用上述级联PCS的电池荷电状态相内主动动态均衡控制方法对三相五电平CHB-BESS的A相实现电池相内SOC均衡。

设定A相电池初始SOC为：[47％，49％，51％，53％]。t＝0s时令系统处于额定功率放电工作；在t＝5s时切换为额定功率充电工作；在t＝10s时切换为额定功率放电工作。

仿真结果由图3所示，模块间最大SOC差值在t＝11.5s时降低至0.10％。在运行过程中，所有模块均未出现电池过流、过调制等问题。因此该方法能够在保证系统安全稳定运行的前提下，有效完成电池间的SOC均衡。

综上，本发明的技术方案，通过利用在级联H桥储能变换器中动态改变SOC控制参数，为级联H桥储能变换器中的电池SOC均衡提供可靠支持，能够确保系统在SOC均衡条件下安全稳定运行。

Claims (6)

1.一种级联PCS的电池荷电状态相内主动动态均衡控制方法，其特征在于，该方法是通过检测级联H桥储能变换器各模块电池的荷电状态，并在每个控制周期内根据电池不均衡度动态改变SOC控制参数；基于SOC控制参数生成具有SOC均衡能力的调制波，从而完成电池SOC均衡；具体包括以下步骤：

(1)监测级联H桥储能变换器的各模块中电池的荷电状态SOC_xi，计算每一相所有电池模块的SOC均值SOC_x；

(2)基于每一相电池模块的SOC均值，分别计算每个子模块电池的SOC的不均衡度ΔSOC_xi；

(3)根据每个电池的SOC的不均衡度，以及电池的充放电状态，动态选择合适的SOC控制参数K；

(4)基于SOC控制参数K和SOC的不均衡度，得到每个模块的具有均衡能力的新的调制波n_i，且经载波移相调制后再下发至各模块；同时监测各模块的模块功率以及载波移相调制比，确保模块功率和调制比不会超过最大阈值；

(5)在每个控制周期监测每一相所有电池模块的SOC相内最大差值，若超过设定阈值，则按照步骤(1)至(4)重新进行SOC均衡；如未超过，则保持调制波不变。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，根据下式计算不均衡度ΔSOC_xi：

ΔSOC_xi＝SOC_x-SOC_xi (1)

式中，SOC_x为每一相所有电池模块的SOC均值；SOC_xi为各模块电池的荷电状态，x＝a，b，c，即模块电池所处相位；i＝1，2，...，N，N为每一相中电池模块的序号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述动态选择合适的SOC控制参数K，是指：根据步骤(4)中对调制波n_i载波移相调制的结果来确认选择是否合适；如果调制波n_i经载波移相处理后发生了过调制，则说明SOC控制参数K不合适，需要重新选择。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，SOC控制参数K在每个控制周期内根据调制比和电池电流约束发生动态变化，并根据下式生成具有均衡能力的调制波n_i：

n_i＝ΔSOC_xi*K*m_x

其中，ΔSOC_xi为每个子模块电池的SOC的不均衡度；K为SOC控制参数；m_x是指由系统功率控制生成的每一相调制波。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，SOC控制参数K由以下两个约束条件计算得到：

(1)约束条件1：保证相内均衡控制生成的调制波不会造成模块过调制，即：

其中，△m_x,i-1表示基于约束条件1计算得到的x相第i个模块的调制波调节量，x＝a,b,c，即模块电池所处相位；M_xref表示功率控制生成的x相第i个模块的调制波，表示调制比上限，其具体大小与调制方法相关；

(2)约束条件2：保证增加相内均衡控制后的模块功率小于额定功率，即：

其中，△m_x,i-2表示基于约束条件2计算的调制波调节量；N表示模块数量，P_m,rated表示模块额定功率，P_x表示x相总功率；

(3)根据以上两个约束条件中得到的调制波调节量，计算得到SOC控制参数K：

其中，SOC_x,i表示x相第i个模块的SOC值，SOC_x,AVG表示x相SOC均值，max[SOC_x，i-SOC_x，AVG]表示模块的最大SOC差值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，如果某模块的模块功率大于额定功率或调制比超过最大阈值，则返回步骤(3)，重新选择合适的SOC控制参数K。