级联式储能装置相内功率单元直流侧电池组荷电状态平衡控
制方法
技术领域
[0001] 本
发明属于电
力电子装置的控制技术领域，特别涉及一种用于级联式储能装置相内功率单元直流侧电池组荷电状态(简称：SOC)平衡控制方法。
背景技术
[0002] 目前，以精密加工、芯片电子制造、
数据中心等为代表的高端敏感用户具有经济产值高、示范效应强、供电
质量要求高等特点，是我国电力体制改革背景下，售电侧多经营主体的市场竞争热点。
[0003] 对于低压小容量的敏感设备而言，在保障电源供电可靠性的前提下，采用在线式不间断电源(Uninterruptible Power Supply,UPS)是解决
电压暂降问题的最佳解决方法。然而，在10kV或35kV电压等级的系统中，由于受到电力电子器件耐压和通流能力的限制，导致低压较为常用的UPS技术方案无法得以实施。近年来，随着电力电子技术的发展，基于H桥级联技术的大功率变频调速器在中高压配电系统中得到了较为广泛应用，为大功率储能系统在中高压配电系统的应用打开了技术之
门。
[0004] 但是，由于级联式储能装置各H桥单元直流侧电池组的电特性不一致，会导致同一相内各直流侧电池组的荷电状态出现较大差异，从而影响装置安全、高效工作。因此需要对同一相内各直流侧电池组的荷电状态进行平衡控制。
发明内容
[0005] 本发明提出了一种用于
级联式储能装置相内功率单元直流侧电池组荷电状态平衡控制方法，通过同时改变级联式储能装置单元
输出电压幅值及电压相
角实现对同一相内功率单元荷电状态的平衡控制。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提出的一种用于级联式储能装置相内功率单元直流侧电池组荷电状态平衡控制方法，该方法包括以下各步骤：
[0007] 步骤1.通过电池组的电源管理系统，获取级联式储能装置每个H桥单元的直流侧电池组的荷电状态SOC，记为：SOCdu1..SOCdun，SOCdv1..SOCdvn， SOCdw1..SOCdwn，其中，n表示每一相的级联数；
[0008] 步骤2.根据上述获取的直流侧电池组荷电状态，滤除荷电状态的奇异值，得到滤波以后的直流侧单元电池组荷电状态值为
[0009] 步骤3.利用公式 求出三相中各相直流侧电池组的SOC平均值，记为:
[0010] 步骤4 .根据上述求出的三相中各相直流侧电池组的SOC平均值利用公式 得到三相中每相第n个单元直
流侧电池组的SOC差值，记为：ΔSOCdun,ΔSOCdvn,ΔSOCdwn；
[0011] 步骤5.通过
电流传感器，分别获取级联式储能装置的三相输出电流iu,iv,iw，并通过3S/2R坐标变换公式得到电流在d轴与q轴的分量id和iq；
[0012] 步骤6.根据上述d轴与q轴的分量id和iq，利用公式g＝arctaniq/id，得到电流角度g；
[0013] 步骤7.通过电压传感器，分别获取级联式储能装置与
电网连接点的三相电网电压usu,usv,usw，利用数字
锁相环计算出
电源电压的电角度wt；
[0014] 步骤8.根据上述得到的各功率单元直流储能电池组荷电状态差值ΔSOCdun,ΔSOCdvn ,ΔSOCdwn、电流 角度g以及电 源电 压的电 角度wt ，利用公式得到所需的各功率单元调制电压差值，其中K4为调节
系数，将功率单元调制电压差值注入到由级联式储能装置的有功和无功解耦控制输出的调制电压 中，实现对各功率单元直流侧电池组的SOC 平衡控制。
[0015] 所述K4的取值范围为1≤K4≤100；如果步骤5中计算的id大于0，此时储能装置充电，K4＝|K4|；如果步骤5中计算的id小于0，此时储能装置放电，K4＝-|K4|。
[0017] 1、在级联式储能装置的充放电调节过程中，
叠加的电压指令角度是基于电流反馈的角度进行实时计算得到的，从而保证在相同差值电压幅值的
基础上，其调节结果为纯有功分量，保证装置的各功率单元直流侧电池组的SOC平衡控制为最优；
[0018] 2、本发明提出的一种用于级联式储能装置相内功率单元直流侧电池组荷电状态平衡控制方法，需要设置的控制参数少，参数的选取简单，因此有利于本发明方法的应用。
[0019] 3、本发明提出的一种用于级联式储能装置相内功率单元直流侧电池组荷电状态平衡控制方法，
算法简单、计算量少，设计仅需要提供直流侧电池组荷电状态反馈参数与电源电压电角度，且实施本发明方法时不增加
硬件成本，有利于工程实践。
附图说明
[0022] 图3为本发明中涉及级联式储能装置的总控制框图。
[0023] 图4为本发明中涉及级联式储能装置各功率单元差值电压计算图。
[0024] 图5为对图3所示的电路进行充放电调节时，利用本发明方法得到的级联式储能装置单元直流侧电池组SOC的仿真曲线。
具体实施方式
[0025] 下面将结合本发明
实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026] 本发明提出的一种用于级联式储能装置相内功率单元直流侧电池组荷电状态平衡控制方法，该方法包括以下各步骤：
[0027] 步骤1.通过电池组的电源管理系统，获取级联式储能装置每个H桥单元的直流侧电池组的荷电状态SOC，记为：SOCdu1..SOCdun，SOCdv1..SOCdvn， SOCdw1..SOCdwn，其中，n表示每一相的级联数；
[0028] 步骤2.根据上述获取的直流侧电池组荷电状态，滤除荷电状态的奇异值，得到滤波以后的直流侧单元电池组荷电状态值为
[0029] 步骤3.利用公式 求出三相中各相直流侧电池组的SOC平均值，记为:
[0030] 步骤4 .根据上述求出的三相中各相直流侧电池组的SOC平均值利用公式 得到三相中每相第n个单元直
流侧电池组的SOC差值，记为：ΔSOCdun,ΔSOCdvn,ΔSOCdwn；
[0031] 步骤5.通过电流传感器，分别获取级联式储能装置的三相输出电流iu,iv,iw，并通过3S/2R坐标变换公式得到电流在d轴与q轴的分量id和iq；
[0032] 步骤6.根据上述d轴与q轴的分量id和iq，利用公式g＝arctaniq/id，得到电流角度g；
[0033] 步骤7.通过电压传感器，分别获取级联式储能装置与电网连接点的三相电网电压usu,usv,usw，利用数字
锁相环计算出电源电压的电角度wt；
[0034] 步骤8.根据上述得到的各功率单元直流储能电池组荷电状态差值ΔSOCdun,ΔSOCdvn ,ΔSOCdwn、电流 角度g以及电 源电 压的电 角度wt ，利用公式得到所需的各功率单元调制电压差值，其中K4为调
节系数，将功率单元调制电压差值注入到由级联式储能装置的有功和无功解耦控制输出的调制电压 中，实现对各功率单元直流侧电池组的SOC 平衡控制。
[0035] 所述K4的取值范围为1≤K4≤100；如果步骤5中计算的id大于0，此时储能装置充电，K4＝|K4|；如果步骤5中计算的id小于0，此时储能装置放电，K4＝-|K4|。
[0036] 如图2所示，本发明的电路结构图提供了一种用于中压电力系统有功功率调节的
电能装置，它采用级联多个单相全桥逆变单元的方式实现中压并网，利用每个单元直流
母线上的电池组对有功功率进行调节，具有较强的动态调节能力，运行中无谐波输出，并且无需并网
变压器、占地面积小、维护简单。
[0037] 本发明采用的调控方法是，在常规的
软件方法的基础之上，同时改变单元电压幅值及电压相角。图3为本发明中涉及级联式储能装置的总控制框图，级联式储能装置相内功率单元直流侧电池组荷电状态平衡控制方法的思想是：在上层控制的基础上，各H桥单元在调制电压中叠加一个与电流方向一致的电压矢量来改变各H桥单元吸收或者释放的有功功率，从而保证直流侧电池组SOC的平衡。下面给出具体的控制方法：
[0038] 以U相为例，设
[0039]
[0040] 其中， 表示U相直流侧电池组SOC的平均值， 表示U相第N 个H桥单元的直流侧电池组SOC值。设 其中 g＝arctaniq/id，K4表示比
例调节系数，由 可得U相第N 个H桥单元吸收或者释放的差值功率
为
[0041]
[0042] 需要注意的是：在系统运行在整流(吸收有功功率)时(即对电池进行充电操作)，当第N个H桥单元中直流侧电池SOC高于平均值时，H桥单元应少吸收有功功率以达到SOC的平衡，即此时ΔP<0，则在计算式 中应对比例调节系数K4取正值；在系统运行在逆变(释放有功功率)状态时(即对电池进行放电操作)，当第N个H桥单元直流侧电池SOC高于平均值时，H桥单元应多放电以达到SOC的平衡，即此时ΔP>0，则在计算式中应对比例调节系数K4取负值，从而保证一相中的N个 H桥单元
直流侧电池组SOC平衡。
[0043] 其次，由于 因此单元直流侧电池组SOC平衡控制不会影响总的功率控制和三相直流侧电池组的SOC平衡控制。单元直流侧电池组SOC平衡控制
流程图如图1所示。
[0044] 若不反馈电流角度，那么所加单元输出电压与电流总存在一个角度δ，此时U相第N个H桥单元吸收或者释放的差值功率为
[0045]
[0046] 由式2与3比较可知：ΔP>ΔP1，即通过反馈电流角度所传递的功率大于不反馈电流角度传递的功率。
[0047] 以下是本发明方法的一个实施例：
[0048] 下面以具体实施例说明本发明的一种用于级联式储能装置相内功率单元直流侧电池组荷电状态平衡控制方法，以图2所示的电路结构为例，电网与本装置的各项参数如下表所示：
[0049]
[0050] 在MATLAB仿真环境下，在功率解耦控制和三相相间电池SOC平衡控制的基础上，设计平衡级联式储能装置相内功率单元直流电池组SOC平衡
控制器。得到的仿真结果如下：
[0051] 如图5所示，在给定有功功率从100kW到-100kW的交替变化中，U相三个H 桥单元的初始电池组SOC值依次为80.6％,80.5％和80.4％；V相三个H桥单元的初始电池组SOC值依次为80.1％,80.0％和79.9％；W相的三个H桥单元初始电池组SOC值依次为79.6％,79.5％和79.4％。从图5第一幅、第二幅和第三幅仿真图中可以看出，在0.03S时通过加入三相直流侧电池SOC平衡控制和本方法所提的相内功率单元直流侧电池组SOC平衡控制，经过1s的仿真时间后，可以保证所有单元的直流侧电池组SOC平衡。
[0052] 图5中第四幅图表示的是有功功率指令。从仿真图中可以看出，在0.03S 时通过加入三相直流侧电池SOC组平衡控制和相内单元直流侧电池组SOC平衡控制后，经过0.25S的有功功率变化(100kW与-100kW交替变化)，直流侧电池组充放电正常，并在1s后达到所有单元的直流侧电池组SOC平衡。
[0053] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、
修改、替换和变型，本发明的范围由所附
权利要求及其等同物限定。
