一種基於兩級式拓撲儲能型變流器的電池soc均衡控制方法
2023-05-06 19:03:51
一種基於兩級式拓撲儲能型變流器的電池soc均衡控制方法
【專利摘要】一種兩級式拓撲儲能型變流器電池荷電狀態SOC均衡控制方法。本控制方法基於兩級式拓撲的儲能變流器，其中的DC/AC變流器負責控制直流母線電壓穩定以及滿足DC/DC變流器電流需求；其中的DC/DC變流器負責控制每一路電池櫃充放電電流大小，可以對每一路電池櫃實現準確充放電控制，動態響應迅速。根據電池管理系統BMS傳來的各個分BMS櫃的SOC，算出各個電池櫃給定充放電電流。使用該控制方法，可以使各個分電池櫃SOC均衡，避免了電池櫃長期不均衡充放電容易形成的SOC差異過大情況的出現，同時也避免了BMS在SOC差異過大情況下保護動作對系統運行造成不便。該方法減少了儲能系統維護人員的工作量，提高了儲能系統的自動化運行水平。
【專利說明】—種基於兩級式拓撲儲能型變流器的電池SOC均衡控制方
法【技術領域】
[0001]本發明屬於電力控制【技術領域】，尤其屬於一種儲能變流控制【技術領域】。
【背景技術】
[0002]作為我國可再生能源的重要組成部分，風電近年來得到迅速發展。但是由於風電本身的出力波動，給電網帶來不利影響。儲能變流器裝置的使用，將有效地改善風機對電網的不良影響，提高電網對風機併網的允許接入率，進一步實現平滑風電出力、實現削峰填谷、跟蹤計劃發電等功能。
[0003]儲能型變流器裝置也可以稱作功率變換系統(power converting system,以下簡稱PCS)，其連接著電網和儲能電池。作為溝通電網和儲能電池之間的橋梁，儲能PCS在風電場發電功率過剩時將該過剩功率所發電能轉換為儲能電池能量，此過程中PCS為儲能電池充電；而在風電場發電功率不足時儲能PCS將儲能電池能量回饋到電網上，彌補風機發電功率不足，此過程中儲能電池通過儲能PCS向電網放電；同時還可根據電網要求下，PCS發出無功功率，實現電力系統有功/無功功率統一調度功能。
[0004]儲能系統中的電池很重要，當風電場發電功率過剩時，它將用來存儲過剩電量，而當風電場發電功率不足時，它將把自身存儲的能量回饋到電網上，所以儲能電池將頻繁的工作在充電、放電的循環過程中。而實際上，儲能電池有它的充放電循環次數限制，當電池達到了其充放電循環次數，電池也到達其使用壽命作為電池重要參數的荷電狀態SOC和電池的狀態關係密切。當電池滿充滿放時，即SOC從O %充電到100%，然後再從100%放電到O %的過程中，由於SOC在O %和SOC在100 %時電池處在電池電壓平臺區的轉折點上，如果充放電控制不得當，容易對電池造成永久性損傷，所以一般在實際運行中對電池設定一個SOC的上下限制，比如SOC從10%到90%。但是電池長時間運行後，由於電池工況不同，各個電池櫃的SOC會出現較大偏差，進而對儲能系統的運行帶來影響。為了減少SOC的偏差，需要對其進行校正。
[0005]傳統的SOC校正方法多是基於人工操作，對電池櫃進行充放電，同時不斷監視電池單體電壓，必要時還要對SOC進行強制人工校正。
[0006]人工校正過程費時費力，過程較慢。本發明針對此問題，提出一個新的解決方案，即採用SOC均衡算法來解決此問題。
【發明內容】
[0007]為克服現有電池荷電狀態SOC均衡方法中存在的以上問題，本發明提出了一個新的解決方案。本方案基於兩級式變流器結構，同時基於工業實時乙太網實施。本申請中模塊SOC均衡控制單元根據電池管理系統BMS傳輸來的SOC等運行數據，實時控制各個儲能電池櫃充放電電流值，實現電池SOC的均衡控制。
[0008]本發明具體採用以下技術方案:[0009]一種基於兩級式拓撲儲能型變流器的電池SOC均衡控制方法，由儲能DC/AC變流器、多個儲能DC/DC變流器和多個儲能電池櫃組成兩級式拓撲儲能型變流器，所述儲能DC/AC變流器兩端分別連接電網和每一個儲能DC/DC變流器的一端，所述每一個儲能DC/DC變流器對應連接一個儲能電池櫃；其特徵在於，所述控制方法包括以下步驟:
[0010](I) SOC均衡控制單元採集每一個儲能電池櫃中各儲能電池的荷電狀態SOC ；
[0011](2)計算所有儲能電池的SOC平均值；
[0012](3)根據SOC平均值與設定的滯環寬度計算每一電池櫃的充放電電流給定值；
[0013](4)當完成所有電池給定電流的計算後，由SOC均衡控制單元通過對應的儲能DC/DC變流器來控制每一個電池櫃的充放電電流；
[0014](5) SOC均衡控制單元根據實時採集的每一個儲能電池櫃中各儲能電池的S0C，實時計算SOC的均衡效果，判斷是否達到SOC均衡效果要求條件，如果沒有，返回更改控制滯環寬度，返回步驟(3)，如果滿足SOC均衡效果要求條件，則結束充放電電流均衡控制。
[0015]本發明還進一步優選以下技術方案。
[0016]在步驟(3)中，每一電池櫃的充放電電流給定值由兩部分組成:一部分是用儲能系統總功率除以柜子數量然後再除以每個電池櫃的電壓得到該電池櫃的充放電電流基本分量；另一部分是SOC均衡補償分量，SOC均衡補償分量的作用是實現SOC均衡，該分量是使用滯環控制方法和PI調節器得到的。
[0017]在步驟(5)中，所述SOC的均衡效果的判斷條件為比較每個儲能電池櫃自身SOC與SOC平均值之間的差值，如果差值小於設定值，即認為滿足SOC均衡效果條件。
[0018]所述儲能DC/AC變流器連接電網和所述儲能DC/DC變流器，既可以實現PWM整流功能，又可以實現逆變功能，其主要功能是維持直流母線電壓穩定，為DC/DC變流器提供工作條件；
[0019]所述儲能DC/DC變流器相互獨立，每個DC/DC變流器連接一個儲能電池櫃，DC/DC變流器可以控制其連接的電池櫃充放電電流大小。DC/DC變流器對每一路電池櫃充放電電流控制準確，充放電動態響應迅速。
[0020]所述SOC均衡控制單元為該技術方案的核心部分，儲能電池SOC均衡控制算法即在SOC均衡控制單元中實施。
[0021]SOC均衡控制單元根據各個儲能電池管理系統BMS傳來的各個分電池櫃的S0C，按照均衡各個電池櫃SOC的控制目標，實時計算各個電池櫃的給定充放電電流，下發到相應的DC/DC儲能變流器，DC/DC儲能變流器根據SOC均衡控制單元給定的電流對儲能電池進行充放電，最終實現SOC均衡的功能。
[0022]所述SOC均衡控制算法基於工業實時乙太網實施，最小運行周期可達到0.25ms。工業實時乙太網的運用使SOC均衡控制算法的實時性和快速性得到保證，也使對各個儲能分電池櫃電池的荷電狀態SOC的精準控制得到保證，各個分電池櫃SOC均衡差值可小於0.1%。
[0023]傳統的SOC校正方法多是基於人工操作，校正過程費時費力，過程慢、時間長，而且在SOC校正時，儲能系統需要進入檢修停運模式。本發明提出的SOC均衡算法，在儲能系統正常運行下即可自動實施，不影響儲能系統正常運行，明顯提高了 SOC校正的效率，為儲能系統全自動化運行提供了重要保證。【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明基於兩級式拓撲儲能型變流器的SOC均衡控制方法流程圖；
[0025]圖2為單個電池櫃充放電電流給定計算方法框圖；
[0026]圖3為SOC均衡補償分量生成框圖；
[0027]圖4為本發明兩級式拓撲儲能型變流器SOC均衡控制系統框圖。
【具體實施方式】
[0028]下面根據說明書附圖，結合優選實施例對本發明的技術方案進一步詳細說明。
[0029]如圖1所示為本發明基於兩級式拓撲儲能型變流器的SOC均衡控制方法流程圖。
[0030]其中，本發明兩級式拓撲儲能型變流器SOC均衡控制系統框圖如圖4所示，兩級式拓撲儲能型變流器SOC均衡控制系統由DC/AC變流器、多個DC/DC變流器和多個儲能電池櫃、SOC均衡控制單元和儲能電池櫃組成。SOC均衡控制單元接收各個儲能電池櫃發送來的運行數據，計算SOC均值，根據SOC均衡控制算法，計算各個電池櫃的充放電設定電流值，發送給DC/DC變流器，DC/DC變流器根據SOC均衡控制單元發送來的設定電流值，對其連接的儲能電池櫃進行獨立充放電控制，互相不受影響。
[0031]在DC/DC變流器對儲能電池充電時，電池從電網吸收能量，DC/AC變流器將電網交流電整流為直流電；當電池向電網饋送電能時，DC/AC變流器將電池直流電逆變為電網側要求的交流電。DC/AC變流器連接電網和各個DC/DC變流器，實現交直流轉換功能，滿足DC/DC變流器的工作要求。
[0032]本發明公開的基於兩級式拓撲儲能型變流器的電池SOC均衡控制方法包括以下步驟:
[0033](I) SOC均衡控制單元採集每一個儲能電池櫃中各儲能電池的荷電狀態S0C。
[0034](2) SOC均衡控制單元根據採樣的各個儲能柜子的SOC計算SOC平均值，該SOC平均值也是所有儲能電池SOC均衡的基準值。
[0035](3)計算每一儲能電池櫃的給定充放電電流。單個電池櫃給定充放電電流的具體生成計算方法如圖2所示。由圖2得知，電池充放電電流給定值由充放電基本分量和SOC均衡補償分量構成。其中，充放電電流基本分量是由儲能系統總功率除以電池櫃數量得到每個柜子分擔的功率，然後用該功率再除以電池櫃電壓得到。充放電電流基本分量是每個電池櫃對系統充放電功率的平均分配部分。
[0036]SOC均衡補償分量是通過使用滯環控制方法和PI控制器得到的。SOC均衡補償分量得出的具體過程為:電池櫃電池SOC均衡目標值與儲能櫃每一個單體電池SOC反饋值進入滯環控制器得到調節量然後送到PI調節器，接著PI調節器的輸出經過一個限幅環節，最後得到充放電電流補償分量。
[0037]得出SOC均衡補償分量的基本原理如圖3所示。
[0038]a輸入電池櫃單體電池SOC反饋值(圖3中的S0C_feed)、所有儲能電池的SOC平均值(圖3中的S0C_set)、滯環控制器輸入寬度S0C_b以及滯環控制器輸出高度S0C_h，同時初始化電池充放電補償分量為零；
[0039]b依據電池櫃單體電池SOC反饋值即S0C_feed、所有儲能電池的SOC平均值即SOC_set、滯環控制器輸入寬度SOC_b，根據滯環控制基本原理，採用條件判斷的方法得出滯環控制器輸出調節量。該調節量只有兩種輸出可能性，一種是輸出正值，一種是輸出負值，正值與負值大小相等，等於SOC_h的一半，而符號相反，分別代表充電和放電兩種不同狀態。
[0040]c滯環控制器輸出數值的物理意義實際上是電池充放電補償分量的微分值，也即SOC均衡補償分量的變化速率，所以需要將滯環控制器輸出調節量送入PI調節器得到SOC均衡補償分量。PI調節器得到SOC均衡補償分量的計算公式為:u(k)=Kp*e(k)+ Σ Ki*Tsam*e (k)。其中Kp為PI調節器的比例係數，Ki為PI調節器的積分係數，Tsam為數字採樣周期，在本實施例中為0.25ms, e(k)為PI調節器的輸入，也是滯環控制器輸出調節量，u(k)為PI調節器本次採樣計算輸出值。Kp*e(k)為PI調節器比例部分，ΣKi*Tsam*e(k)為PI調節器積分部分，Σ為求和符號，起積分作用。
[0041]考慮到系統非無限大，最後加上一個限幅環節，將SOC均衡補償分量限制在一個合理區間內。
[0042]d完成SOC均衡補償分量計算。
[0043]關於SOC均衡補償分量計算的具體方法，以下是一個實例。
[0044]假設一共有3個儲能電池櫃，標記為I號儲能櫃、2號儲能櫃、3號儲能櫃，其中各儲能櫃中單體電池SOC分別為45%，52%，41%，則SOC均值為46%。設定S0C_b為1%，S0C_h 為 0.2。設定 PI 調節器參數 Kp = 0.0LKi = 40，Tsam = 0.00025，限幅環節為 +-20?
[0045]每個電池櫃目標SOC均衡區間是以平均SOC為基礎，上下波動S0C_b = I %。在本例中SOC均值為46 %，那麼目標SOC均衡區間就是45 %~47 %。I號電池櫃SOC為45 %，處在目標SOC均衡區間內，所以I號SOC均衡補償分量為零。2號電池櫃SOC為52 %，大於目標SOC均衡區間上限，所以需要減少SOC充電設定值，故2號滯環控制器輸出調節量大小為S0C_h 一半，符號為負，即為-0.1，該調節量送到2號PI調節器中。2號儲能櫃PI調節器比例部分為Kp*e(k) = 0.01*-0.I = -0.001，2 號儲能櫃PI調節器積分部分為Σ Ki*Tsam*e(k)=Σ 40*0.00025*-0.1 = Σ -0.001，可見PI調節器最後輸出值由於積分作用會不斷減小，一直到限幅環節起作用，將2號PI調節器輸出限制到-20，-20也就是2號儲能電池櫃的SOC均衡補償分量。
[0046]同理可以得到3號儲能電池櫃的SOC均衡補償分量。
[0047]滯環控制器的輸出高度S0C_h可以設置，以滿足具體SOC均衡要求。S0C_h的確定依據主要有SOC均衡速度和儲能系統總功率控制精度兩個限制條件。將S0C_h高度增大時，SOC均衡速度加快，同時儲能系統總功率控制精度下降，而S0C_h高度減小時，SOC均衡速度減慢，同時儲能系統總功率控制精度增加，所以S0C_h的設置應該滿足SOC均衡速度和儲能系統總功率控制精度兩方麵條件並且根據工程要求折衷選擇。
[0048](4)當完成所有電池櫃給定電流的計算後，該充放電電流值下發到儲能DC/DC變流器，儲能DC/DC變流器對儲能電池進行充放電。
[0049](5) SOC均衡控制單元根據實時採集的每一個儲能電池櫃中各儲能電池的S0C，實時計算SOC的均衡效果，判斷是否達到SOC均衡效果要求條件，如果沒有，返回更改控制滯環寬度S0C_b，返回步驟(3)，如果滿足SOC均衡效果要求條件，則結束充放電電流均衡控制。所述SOC的均衡效果的判斷條件為比較每個儲能電池櫃自身SOC與SOC平均值之間的差值，如果差值小於設定值，即認為滿足SOC均衡效果條件。
【權利要求】
1.一種基於兩級式拓撲儲能型變流器的電池SOC均衡控制方法，由儲能DC/AC變流器、多個儲能DC/DC變流器和多個儲能電池櫃組成兩級式拓撲儲能型變流器，所述儲能DC/AC變流器兩端分別連接電網和每一個儲能DC/DC變流器的一端，所述每一個儲能DC/DC變流器對應連接一個儲能電池櫃；其特徵在於，所述控制方法包括以下步驟: (1)SOC均衡控制單元採集每一個儲能電池櫃中各儲能電池的荷電狀態SOC； (2)計算所有儲能電池的SOC平均值； (3)根據SOC平均值與設定的滯環寬度計算每一儲能電池櫃的充放電電流給定值； (4)當完成所有儲能電池給定電流的計算後，由SOC均衡控制單元通過對應的儲能DC/DC變流器來控制每一個電池櫃的充放電電流； (5)SOC均衡控制單元根據實時採集的每一個儲能電池櫃中各儲能電池的SOC，實時計算SOC的均衡效果，判斷是否達到SOC均衡效果要求條件，如果沒有，更改控制滯環寬度，返回步驟(3)，如果滿足SOC均衡效果要求條件，則結束充放電電流均衡控制。
2.根據權利要求1所述的電池SOC均衡控制方法，其特徵在於: 在步驟(3)中，每一電池櫃的充放電電流給定值由兩部分組成:一部分是用儲能系統總功率除以柜子數量然後再除以每個電池櫃的電壓得到該電池櫃的充放電電流基本分量；另一部分是SOC均衡補償分量，該分量是使用滯環控制方法和PI調節器得到的。
3.根據權利要求1所述的電池SOC均衡控制方法，其特徵在於: 在步驟(5)中，所述SOC的均衡效果的判斷條件為比較每個儲能電池櫃自身SOC與SOC平均值之間的差值，如果差值小於設定值，即認為滿足SOC均衡效果條件。
4.根據權利要求1所述的電池SOC均衡控制方法，其特徵在於: 所述SOC均衡控制方法基於工業實時乙太網實施，最高運行周期可達到0.25ms。
【文檔編號】H02J3/32GK103986219SQ201410243744
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年6月4日 優先權日:2014年6月4日
【發明者】鹿懷驥, 吳國榮, 李志強, 王思耕, 陳劍, 陳飛 申請人:北京華電天仁電力控制技術有限公司