一种基于H桥级联的高压链式储能相间SOC均衡控制方法与流程

本发明属于电力电子技术和储能，特别是涉及一种基于h桥级联的高压链式储能相间soc均衡控制方法。

背景技术：

1、近年来，鉴于石化能源的日渐枯竭以及在石化能源利用过程中导致的环境污染、温窒效应等问题，为促进能源的键康可持续发展，风能、太阳能等清洁能源的开发已被日益重视。随着风光可再生能源的快速发展，风光发电功率的不确定性给电力生产与消费实时平衡带来了巨大的挑战，促使储能的需求向规模化和大容量化方向快速发展。而在储能等电能应用领域，电力电子变流器是其中的核心技术。

2、基于h桥级联(cascaded h-bridge，chb)拓扑的多电平变流器以其结构模块化、冗余程度高、易于扩展、高效可靠等特点，广泛应用于高压电机驱动及大功率无功功率补偿等领域。而基于h桥级联的高压链式储能变流器也以其相同的优点，应用于高压电力系统储能领域。将储能电池组并入基于h桥级联的多电平变流器的直流电容上，可组成高压链式储能变流器(power converter system，pcs)，可以直接实现对巨量电池的“分割管控”，避免电池环流，解决安全性问题，大幅降低电池管理系统(battery management system，bms)的复杂性，缩短电池组间均流路径；同时可实现高压大容量变换，且省去变压器，有效提升系统的效率，降低成本。

3、三相链式变流器的每一个h桥模块均接入储能电池，由于储能电池初始电荷量不同以及h桥变流器开关器件的损耗不同等因素，导致运行中的每个储能电池的soc(stateof charge，荷电状态)值不同，为保证储能电池安全工作防止其因过度充、放电而损坏，需要对储能电池进行在线soc均衡控制。高压链式储能变流器因其应用在三相交流高压电网中，故可有相间soc均衡和相内soc均衡两种控制功能，其中相间soc均衡控制技术可实现相间储能电池平均荷电状态的均衡。

4、现有技术1(cn 110957777 a)公开了一种中压直挂式储能系统电池荷电状态均衡控制系统。所述控制系统包括电池管理单元、电压采集单元、电流采集单元、电池荷电状态采集单元、相内控制单元、相间控制单元、驱动单元、储能逆变器；所述控制系统根据采集的电池信号进行分析计算，分别对所述储能系统进行相内、相间控制，进而所述储能逆变器完成电能转换，实现对所述储能系统电池荷电状态的均衡控制。本发明提供一种中压直挂式储能系统电池荷电状态均衡控制系统，能够完成对所述储能系统电池荷电状态均衡控制，保证储能系统电池工作质量和寿命。

5、但是现有技术1的不足之处在于：

6、(1)该技术相间soc均衡控制算法没有考虑电网处于不平衡状态。

7、当电网发生不平衡时，电网的负序电压会导致级联pcs三相换流链上有功功率不同，长时间处于不平衡工况可能会逐渐拉大各电池簇soc偏差从而导致原有传统soc均衡调制过大停机退出的可能。

8、(2)该技术相间soc均衡控制算法较复杂，需要先通过反正切公式计算零序电压初始角度，并计算零序电压幅值，进而再计算零序电压瞬时值。

9、现有技术2(cn 116345619 a)公开了一种应用于级联储能系统电压soc状态均衡控制方法。所述级联储能系统包括三相电网对应的级联功率变换器，各相的功率变换器的直流侧连接的对应的储能电池；判断三相电网电压是否不平衡；当所述三相电网处于平衡状态时，采用级联储能系统电压soc状态平衡控制策略：将得到的各相的零序电压求和得到最终零序电压的等效值，通过该最终的零序电压等效值对各相的所述功率变换器直流侧储能电池的荷电soc状态进行均衡控制；当所述三相电网处于不平衡状态时，采用级联储能系统电压soc状态不平衡控制策略；该应用于级联储能系统电压soc状态均衡控制方法有效地解决了电网不平衡工况导致的储能电池soc不均衡问题。

10、但是现有技术2的不足之处在于：

11、(1)该技术控制算法复杂，需要判断电网是否处于平衡状态，且电网平衡状态与不平衡状态控制算法不同；

12、(2)该技术在电网不平衡状态下控制方法不直接，没有直接控制相间soc均衡，而是控制其三相功率，待电网恢复平衡后，再控制其相间soc均衡。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于h桥级联的高压链式储能相间soc均衡控制方法。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、步骤1：采集三相电池soc平均值，若高压链式储能相间soc控制算法启动，则转入步骤2，若高压链式储能相间soc控制算法停止，则转入步骤3；

4、步骤2：当高压链式储能相间soc均衡控制算法启动条件满足时，则进入高压链式储能相间soc均衡控制算法，计算输出均衡零序电压调制值，转入步骤4；

5、步骤3：当soc均衡控制算法停止条件满足时，则退出高压链式储能相间soc均衡控制算法，将均衡零序电压调制值置为零，并将高压链式储能相间soc均衡控制算法中各变量清零，转入步骤4；

6、步骤4：将步骤2计算输出的均衡零序电压调制值或步骤3置为零后的均衡零序电压调制值作为补偿量，加入到变流器控制中的三相基本调制波中，得到最终的系统三相输出调制波；

7、步骤5：重复步骤1至步骤4，高压链式储能相间电池能量循环调整，最终使得高压链式储能相间电池soc均衡。

8、本发明具体包括以下优选方案。

9、在一种可能的实现方式中，步骤1中还包括采集三相电池soc平均值soc_a_ave、soc_b_ave、soc_c_ave，计算其中最大值和最小值之差的绝对值，记为soc_delt_abs。

10、步骤1中高压链式储能相间soc控制算法的启动条件为：soc_delt_abs大于“高压链式储能相间soc均衡启动阈值”且高压链式储能相间soc均衡使能开启。

11、步骤1中高压链式储能相间soc控制算法的停止条件为：soc_delt_abs小于“高压链式储能相间soc均衡停止阈值”或高压链式储能相间soc均衡使能关闭。

12、在一种可能的实现方式中，步骤2中进入高压链式储能相间soc均衡控制算法，计算输出均衡零序电压调制值的具体实现步骤如下：

13、步骤2.1：计算高压链式储能系统电池soc平均值，及其与三相电池soc平均值的差值；

14、步骤2.2：计算高压链式储能相间soc均衡零序功率值；

15、步骤2.3：计算高压链式储能相间soc均衡零序电压瞬时值；

16、步骤2.4：对均衡零序电压瞬时值u0_bal_ins进行最大、最小值的限幅，并进行调制波比例转换，最终输出均衡零序电压调制值u0_bal_mod。

17、在一种可能的实现方式中，步骤2.1中的高压链式储能系统电池soc平均值计算公式为：

18、soc_ave＝(soc_a_ave+soc_b_ave+soc_c_ave)/3

19、其中，soc_ave为高压链式储能系统电池soc平均值，soc_a_ave、soc_b_ave、soc_c_ave为三相电池soc平均值。

20、高压链式储能系统电池soc平均值与三相电池soc平均值的差值计算公式为：

21、delt_soc_a＝soc_ave-soc_a_ave

22、delt_soc_b＝soc_ave-soc_b_ave

23、delt_soc_c＝soc_ave-soc_c_ave

24、其中，delt_soc_a、delt_soc_b、delt_soc_c为高压链式储能系统电池soc平均值”与“三相电池soc平均值”的差值。

25、在一种可能的实现方式中，步骤2.2中高压链式储能相间soc均衡零序功率pa0、pb0、pc0的计算公式为：

26、pa0＝k_bal*delt_soc_a

27、pb0＝k_bal*delt_soc_b

28、pc0＝k_bal*delt_soc_c

29、其中，k_bal为高压链式储能soc相间均衡系数，计算公式为：

30、k_bal＝q_bat*u_bat/t_bal

31、其中，q_bat为储能电池额定荷电容量，u_bat为储能电池额定电压，t_bal为实现相间soc均衡所需的理论时间。

32、在一种可能的实现方式中，步骤2.2中还包括计算高压链式储能两相静止坐标系下的均衡零序功率p_alpha0和p_beta0，计算公式为：

33、

34、

35、在一种可能的实现方式中，步骤2.3中还包括计算高压链式储能相间均衡零序电压的d轴分量u0_d和q轴分量u0_q，公式如下：

36、

37、

38、其中，dq轴坐标为基于电网电压或变流器输出电压的同步旋转坐标系，idp为正序电流d轴分量，iqp为正序电流q轴分量，idn为负序电流d轴分量，iqn负序电流q轴分量，d的计算公式为：

39、d＝(idp)2+(iqp)2-(idn)2-(iqn)2

40、在一种可能的实现方式中，步骤2.3中，高压链式储能相间soc均衡零序电压瞬时值u0_bal_ins计算公式为：

41、u0_bal_ins＝u0_d*cos(thetapll)-u0_q*sin(thetapll)

42、其中，thetapll为电网电压或变流器输出电压锁相角。

43、在一种可能的实现方式中，步骤2.4中，计算均衡零序电压幅值u0_bal_amp的计算公式为：

44、

45、再对u0_bal_amp进行最小、最大值限幅，一般最小限幅值取0，得到限幅后的高压链式储能相间soc均衡零序电压幅值u0_bal_amp_lim，计算公式为：

46、u0_bal_mod＝u0_bal_ins*(u0_bal_amp_lim/u0_bal_amp)*k_mod

47、其中，k_mod为根据系统计算的调制波比例转换系数。

48、基于h桥级联的高压链式储能相间soc均衡控制方法的系统，包括：高压链式储能三相电池soc参数采集模块、高压链式储能相间soc均衡控制算法启停判断模块、高压链式储能相间soc均衡控制算法模块、高压链式储能相间soc均衡零序电压调制模块。

49、本发明的有益效果在于，与现有技术相比，提出了一种基于h桥级联的高压链式储能相间soc均衡控制方法，可实现系统储能电池的相间soc均衡控制，且具有以下技术优点：

50、(1)本发明中，基于h桥级联的高压链式储能相间soc均衡控制，采用零序电压注入的方法，使能量在相间功率单元模块内循环流动，在实现相间soc均衡控制的同时，不影响储能变流器对外输出的线电压和功率，提高了系统稳定性和可靠性；

51、(2)现有技术中基于高压链式储能变流器，大多只考虑在电网及负载平衡的条件下实施相间soc均衡技术，如以上现有技术1(cn 110957777 a)所述，或者采用较复杂的方法实现电网及负载不平衡条件下的相间soc均衡技术，如以上现有技术2(cn 116345619 a)所述。本发明中所阐述的方法，采用正序及负序电流计算均衡所注入的零序电压，使用一种算法可同时适用于电网及负载平衡与不平衡两种状态，不需要进行条件判断，可直接控制相间soc使其达到均衡，且控制方法直接，实现方法简单可靠。

52、(3)现有技术中基于高压链式储能变流器，较传统的相间soc均衡控制方法需要先通过反正切公式计算零序电压初始角度，并计算零序电压幅值，进而再计算零序电压瞬时值，计算较为复杂，如以上现有技术1(cn 110957777 a)所述。本发明利用储能电池soc值与变流器电流(正负序dq轴电流分量)、及电网电压或变流器输出电压锁相角，即可计算出注入零序电压的瞬时值，不需计算零序电压角度值，计算方法简单可靠。

53、(4)本发明所述的基于h桥级联的高压链式储能相间soc均衡控制技术，也可将电池电压进行比例变换后替代电池soc值，计算三相平均电池电压和系统平均电池电压，带入整个控制方法中，实现相间电池电压平均值的均衡控制。可实现在系统电池soc值不准确时，使用相间电池电压平均值均衡控制替代相间soc均衡控制，达到系统电池均衡的目标。