CN109067003B - 一种针对级联储能系统的soc平衡控制系统 - Google Patents

Abstract

一种针对级联储能系统的SOC平衡控制系统，包括多个结构相同的控制装置，各个控制装置分别与级联储能系统中的各个储能模块一一对应连接并能够独立地对对应的储能模块进行SOC平衡控制。本系统为分散式控制系统，对应于各个储能模块的SOC平衡控制装置仅通过本地信息便能够实现对储能模块的SOC平衡控制，其无需依赖其他外接通讯。因此相较于现有的SOC平衡控制系统，本系统的成本大大降低。

Description

一种针对级联储能系统的SOC平衡控制系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体地说，涉及一种针对级联储能系统的SOC平衡控制系统以及集中大容量储能系统。

背景技术

在储能工程运用中，为了使储能系统能够同充同放从而增加其使用寿命，各个储能模块的荷电状态(State of Charge，简称SOC)需要达到平衡。而系统初始SOC不同以及运行时输出功率不同等原因会造成系统各个储能模块之间SOC不均衡，从而导致个别储能模块过充或过放，进而降低储能模块的使用寿命和系统效率。

随着人们对能源可持续发展与环境保护意识的不断提高，可再生能源与电动汽车得到了大力发展，传统小容量储能系统已经无法满足当前需求。伴随储能规模不断扩大，在中、高压应用场合中，级联储能系统的价值得到市场认可。单个储能单元电压低，而通过级联逆变器的形式则可以直接获取一个较高的电压等级，而无需昂贵又庞大的变压器。同时，每个储能模块都能被单独地控制，使得管理各个储能单元更为便捷。

目前针对级联能系统的SOC平衡控制方法都依赖于高带宽集中式通讯，而随着储能模块数目的增多，一方面通讯带宽成本也会不断增加，另一方面通讯丢包、失败等情况将会大大降低系统鲁棒性。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了针对级联储能系统的SOC平衡控制系统，其特征在于，所述系统包括多个结构相同的控制装置，各个控制装置分别与级联储能系统中的各个储能模块一一对应连接并能够独立地对对应的储能模块进行SOC平衡控制，针对一待控制储能模块，其所对应的控制装置包括：

输出电压参考值生成模块，其用于根据获取到的待控制储能模块的荷电状态和输出功率，生成针对所述待控制储能模块的输出电压参考值；

闭环控制模块，其用于基于闭环控制策略根据所述输出电压参考值生成相应的调制参考信号；

脉冲调制模块，其用于根据所述调制参考信号生成相应的开关脉冲信号，以通过所述开关脉冲信号调整所述待控制储能模块的荷电状态。

根据本发明的一个实施例，当级联储能系统中的储能模块共用滤波电路时，所述输出电压参考值生成模块配置为根据获取到的流经滤波电路的电流和对应于所述待控制储能模块的预设参考电压确定所述待控制储能模块的输出功率。

根据本发明的一个实施例，所述输出电压参考值生成模块包括：

相角参考值生成单元，其用于根据所述待控制储能模块的荷电状态和输出功率确定输出电压的角频率参考值，并根据所述角频率参考值生成输出电压的相角参考值；

幅值参考值生成单元，其用于根据级联储能系统的公共点处电压幅值参考值确定输出电压的幅值参考值；

参考电压生成单元，其用于根据所述输出电压的相角参考值和幅值参考值生成所述待控制储能模块的输出电压参考值。

根据本发明的一个实施例，所述幅值参考值生成单元配置为：

根据所述级联储能系统的最大电能容量以及待控制储能模块的最大电能容量确定所述待控制能模块的电压幅值参考权重；

根据所述电压幅值参考权重和级联储能系统的公共点处电压幅值参考值确定所述待控制储能模块的输出电压的幅值参考值。

根据本发明的一个实施例，所述幅值参考值生成单元配置为根据如下表达式确定所述待控制储能模块的输出电压的幅值参考值：

其中，V_i表示第i个储能模块的输出电压的幅值参考值，第i个储能模块作为待控制储能模块，

表示第i个储能模块的电压幅值参考权重，V^*表示表示级联储能系统的公共点处电压幅值参考值，E_{max_i}和∑E_{max_i}分别表示第i个储能模块和级联储能系统的最大电能容量。

根据本发明的一个实施例，所述相角参考值生成单元配置为根据所述待控制储能模块的荷电状态生成所述待控制储能模块的角频率修正项，并根据所述角频率修正项和输出功率生成所述待控制储能模块的角频率参考值，通过对所述角频率参考值进行积分得到所述相角参考值。

根据本发明的一个实施例，所述相角参考值生成单元配置为根据如下表达式生成所述待控制储能模块的角频率修正项：

Δω_i＝k_i·SOC_i

其中，Δω_i表示第i个储能模块的角频率修正项，k_i表示第i个储能模块的角频率修正项的修正系数，SOC_i表示第i个储能模块的荷电状态。

根据本发明的一个实施例，所述级联储能系统中各个储能模块的角频率修正项的修正系数均相等。

根据本发明的一个实施例，所述相角参考值生成单元配置为根据如下表达式生成所述角频率参考值：

ω_i＝ω^*+sgn(Q_i)(m_iP_i-Δω_i)

其中，ω_i表示第i个储能模块的角频率参考值，ω^*表示空载时第i个储能模块的角频率，Q_i和m_i分别表示第i个储能模块的无功功率和下垂控制系数，P_i表示第i个储能模块的输出功率，Δω_i表示第i个储能模块的角频率修正项。

本发明还提供了一种集中大容量储能系统，其特征在于，包括级联储能系统和如上任一项所述的SOC平衡控制系统。

本发明所提供的针对级联储能系统的SOC平衡控制系统为分散式控制系统，对应于各个储能模块的SOC平衡控制装置仅通过本地信息便能够实现对储能模块的SOC平衡控制，其无需依赖其他外接通讯。因此相较于现有的SOC平衡控制系统，本系统的成本大大降低。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是级联储能系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的针对第i个储能某开的控制装置的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的输出电压参考值生成模块的结构示意图；

图4和图5是根据本发明一个实施例的两个相同最大电能容量的储能模块在不同模式下的P-ω曲线示意图；

图6是根据本发明一个实施例的级联储能系统的仿真模型示意图；

图7至图10是根据本发明一个实施例的各个储能模块工作在四种不同模式下SOC值以及有功功率变化曲线示意图；

图11至图12是根据本发明一个实施例的各个储能模块在充电、放电切换下SOC值变化曲线以及功率变化曲线示意图；

图13是根据本发明一个实施例的储能模块负载特性切换时SOC变换曲线和功率变化曲线示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

针对现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种新的针对级联储能系统的分散式SOC平衡控制系统以及应用了该分散式SOC平衡控制系统的集中大容量储能系统，该分散式SOC平衡控制系统能够在无通讯条件下实现级联储能系统的SOC均衡。

图1示出了级联储能系统的结构示意图。如图1所示，级联储能系统可以包括N(N大于或等于2)个结构相同的级联的储能模块(即第一储能模块101_1至第N储能模块101_N)。每个储能模块由储能单元、变换电路以及滤波电路连接组成，N个储能模块串联后经馈线接入公共母线，通过公共母线向负载102提供电能。其中公共母线还与其他类型的微源103(例如光伏发电设备或是风力发电设备)连接，以获取这些微源所提供的电能。

根据负载特性与储能工作模式的不同，可以将级联储能系统的工作运行模式分为四类：I象限(放电模式并且负载为感性负载)、II象限(充电模式并且负载为感性负载)、III象限(充电模式并且负载为容性负载)、IV象限(放电模式并且负载为容性负载)，本发明所提供的控制系统能够在四种不同的模式下实现级联储能系统中各个储能模块之间的SOC平衡，且对于四种不同的运行模式能够实现统一控制。

本发明所提供的针对级联储能系统的SOC平衡控制系统为分散式控制系统，该控制系统包括多个结构相同的控制装置，各个控制装置分别与级联储能系统中各个储能模块一一对应连接。其中，这些控制装置能够独立地对对应的储能模块进行SOC平衡控制。

由于SOC平衡控制系统中各个控制装置的结构以及工作原理相同，因此为了更加清楚地说明本发明所提供的SOC平衡控制系统的实现原理以及优点，以下以其中一个控制装置为例来作进一步地阐述。

将级联储能系统中第i个储能模块作为待控制储能模块，那么该储能模块所对应的控制装置则为SOC平衡控制系统中的第i个控制装置，图2示出了本实施例中该控制装置的结构示意图。

如图2所示，本实施例中，控制装置200包括：输出电压参考值生成模块201、闭环控制模块202以及脉冲调制模块203。其中，输出电压参考值生成模块201能够根据所获取到的待控制储能模块101_i的荷电状态以及输出功率，生成针对待控制储能模块101_i的输出电压参考值。

本实施例中，待控制储能模块101_i优选地包括：储能单元、桥式转换电路以及滤波电路。其中，输出电压参考值生成模块201优选地根据流过滤波电路的电压以及电流来确定待控制储能模块101_i的输出功率。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，输出电压参考值生成模块201还根据实际情况采用其他合理方式来确定待控制储能模块101_i的输出功率，本发明不限于此。例如，在本发明的一个实施例中，当级联储能系统中的储能模块共用滤波电路时，输出电压参考值生成模块201则可以根据获取到的流经滤波电路的电流和对应于待控制储能模块101_i的预设参考电压(例如额定电压)来确定待控制储能模块101_i的输出功率。

闭环控制模块202与输出电压参考值生成模块201连接，其能够基于闭环控制策略来根据上述输出电压参考值生成相应的调制参考信号，并将该调制参考信号传输至与之连接的脉冲调制模块203。

脉冲调制模块203与闭环控制模块以及待控制储能模块101_i连接，用于根据上述调制参考信号生成相应的开关脉冲信号，以通过该开关脉冲信号调整待控制储能模块101_i的荷电状态。

具体地，本实施例中，脉冲调制模块203优选地与通过自身生成并输出的开关脉冲信号来控制桥式转换电路中可控开关管的通断状态，进而实现对该储能模块的荷电状态的调节。

图3示出了本实施例中输出电压参考值生成模块201的结构示意图。

如图3所示，本实施例中，输出电压参考值生成模块201优选地包括：相角参考值生成单元301、幅值参考值生成单元302以及参考电压生成单元303。其中，相角参考值生成单元301与待控制储能模块101_i中的储能单元以及滤波电路连接，其能够通过对储能单元进行检测来获取待控制储能模块101_i的荷电状态SOC_i，同时还能够通过对滤波电路的输出电压以及输出电流进行检测来获取待控制储能模块101_i的输出功率P_i。

根据待控制储能模块101_i的荷电状态SOC_i以及输出功率P_i，相角参考值生成单元301能够确定待控制储能模块101_i的输出电压的角频率参考值，并根据该角频率参考值来生成输出电压的相角参考值。

具体地，本实施例中，相角参考值生成单元301能够根据待控制储能模块101_i的荷电状态SOC_i生成待控制储能模块101_i的角频率修正项，进而根据该角频率修正项和待控制储能模块101_i的输出功率P_i生成待控制储能模块101_i的角频率参考值。

例如，相角参考值生成单元301优选地配置为根据如下表达式生成待控制储能模块101_i的角频率修正项：

Δω_i＝k_i·SOC_i (1)

其中，Δω_i表示第i个储能模块(即待控制储能模块)的角频率修正项，k_i表示第i个储能模块的角频率修正项的修正系数。

本实施例中，为了控制SOC平衡，级联储能系统中各个储能模块的角频率修正项的修正系数优选地均相等。即存在：

k₁＝k₂＝...＝k_N＝K (2)

其中，N表示级联储能系统所包含的储能模块的总数，K表示一正常数。

本实施例中，相角参考值生成单元301优选地根据如下表达式生成角频率参考值：

ω_i＝ω^*+sgn(Q_i)(m_iP_i-Δω_i) (3)

其中，ω_i表示第i个储能模块的角频率参考值，ω^*表示空载时第i个储能模块的角频率，Q_i表示第i个储能模块的无功功率，m_i表示第i个储能模块的下垂控制系数。

需要指出的是，为了保证系统能够稳定运行，下垂控制系数m_i优选地需要满足如下条件：

其中，θ_i、θ_j和θ_k分别为第i、j、k个储能模块的相角参考值，θ_load表示负载的阻抗角，Z_load表示负载阻抗模值。由此可知，一个较小K/m_i值更加容易使得系统稳定，因此本实施例中，在选取下垂控制系数m_i的取值的过程中，需要参考K的取值。

当然，在本发明的其他实施例中，相角参考值生成单元301还可以根据其他合理方式来确定角频率参考值ω_i，本发明不限于此。

在得到角频率参考值ω_i后，相角参考值生成单元301则可以通过对角频率参考值进行积分得到相角参考值δ_i。

再次如图3所示，本实施例中，幅值参考值生成单元302能够根据级联储能系统的公共点处电压幅值参考值V^*来确定待控制储能模块的输出电压的幅值参考值V_i。

具体地，本实施例中，幅值参考值生成单元302优选地首先会根据级联储能系统的最大电能容量以及待控制储能模块的最大电能容量来确定出待控制储能模块的电压幅值参考权重，随后再根据电压幅值参考权重和级联储能系统的公共点处电压幅值参考值V^*来确定出待控制储能模块的输出电压的幅值参考值。

优选地，幅值参考值生成单元302可以根据如下表达式确定待控制储能模块的输出电压的幅值参考值：

其中，V_i表示第i个储能模块的输出电压的幅值参考值，

表示第i个储能模块的电压幅值参考权重，E_{max_i}和∑E_{max_i}分别表示第i个储能模块的最大电能容量和级联储能系统的最大电能容量。

当然，在本发明的其他实施例中，幅值参考值生成单元302还可以采用其他会合理方式来确定待控制储能模块的输出电压的幅值参考值V_i，本发明不限于此。

如图3所示，本实施例中，参考电压生成单元303与相角参考值生成单元301和幅值参考值生成单元302连接，其能够根据上述相角参考值δ_i和幅值参考值V_i来生成针对待控制储能模块101_i的输出电压参考值。具体地，输出电压参考值可以表示为V_i sinδ_i。

图4和图5示出了两个相同最大电能容量的储能模块在不同模式下的P-ω曲线。其中，曲线1表示未经修正的P-ω曲线，曲线2表示SOC较大的储能模块的P-ω曲线，曲线3代表SOC较小的储能模块的P-ω曲线。根据图3和图4可以看出，在放电模式下，SOC较大的储能模块的单位容量输出功率大于SOC较小的储能模块。而在充电模式下SOC较大的储能模块单位容量吸收功率小于SOC较小的储能模块。

图6示出了本实施例中级联储能系统的仿真模型。如图6所示，该级联储能系统的仿真模型中包含了3个储能模块(这3个储能模块的最大电能容量相同)、公共负载以及线路阻抗。在该仿真模型中，第一储能模块、第二储能模块以及第三储能模块在放电模式下的初始SOC值分别为90％、80％、70％，在充电模式下的初始SOC值分别为10％、20％、30％。

图7～图10分别示出了级联储能系统中各个储能模块工作在I象限(放电模式并且负载为感性负载)、II象限(充电模式并且负载为感性负载)、III象限(充电模式并且负载为容性负载)和IV象限(放电模式并且负载为容性负载)四种运行模式下SOC值以及有功功率变化曲线。

从图7～图10中可以看出，当本实施例所提供的SOC平衡控制系统运行时，四个象限模式下储能模块的输出有功功率以及SOC值逐渐收敛，在40s时刻SOC误差ΔSOC以及功率误差均约等于0。此时级联储能系统达到稳态，并且储能模块的SOC值与输出功率均达到平衡。由此可见，本实施例所提出的SOC平衡控制系统能够在四种不同模式下使得级联储能系统稳定运行，其在实现级联储能系统中各个储能模块之间SOC平衡的同时又实现了有功功率均分。

图11和图12分别表示级联储能系统中各个储能模块在充电、放电切换下SOC值变化曲线以及功率变化曲线。其中，图11表示由放电向充电切换，图12表示由充电向放电切换。

从图11和图12中可以看出，无论是由放电向充电切换还是由充电向放电切换，各个储能模块的输出有功功率以及SOC值均逐渐收敛，并且切换前后SOC误差与功率误差均几乎保持不变。同时，从图中还可以看出储能模块在切换过程中动态响应快、超调小，由此可见该SOC平衡控制系统具有很好的响应性能。

图13示出了储能模块负载特性切换时SOC变换曲线和功率变化曲线。从图13中可以看出，在负载切换过程中，级联储能系统初始工作在感性负载工况下在20s时刻级联储能系统的负载特性发生变换(即由感性负载切换为容性负载)。在负载特性切换前后，储能模块的SOC误差几乎保持不变，并且继续保持收敛最终能够到达各个储能模块之间的SOC平衡。

当然，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，SOC平衡控制系统还包括包含其他合理模块或是或设备，本发明不限于此。例如，在本发明的一个实施例中，SOC平衡控制系统还可以包括辅助服务模块，辅助服务模块能够实现系统同步启动、电池安全保护等辅助服务，这样一方面可以保障系统能够同步、安全启动，另一方面能够在某一储能模块无法安全运行时控制相应的旁路开关来旁路该储能模块。

从上述描述中可以看出，本发明所提供的针对级联储能系统的SOC平衡控制系统为分散式控制系统，对应于各个储能模块的SOC平衡控制装置仅通过本地信息便能够实现对储能模块的SOC平衡控制，其无需依赖其他外接通讯。因此相较于现有的SOC平衡控制系统，本系统的成本大大降低。

同时，本发明所提供的SOC平衡控制系统能够保证级联储能系统在四种不同工作模式下均能够实现系统中各个储能模块的SOC平衡。并且，对于上述四种不同的运行模式，该控制系统能够实现统一控制。

此外，该SOC平衡控制系统在实现级联储能系统中各个储能模块的SOC平衡控制外，还能够实现各个储能模块的有功功率均分。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (8)

1.一种针对级联储能系统的SOC平衡控制系统，其特征在于，所述系统包括多个结构相同的控制装置，各个控制装置分别与级联储能系统中的各个储能模块一一对应连接并能够独立地对对应的储能模块进行SOC平衡控制，针对一待控制储能模块，其所对应的控制装置包括：

输出电压参考值生成模块，其用于根据获取到的待控制储能模块的荷电状态和输出功率，生成针对所述待控制储能模块的输出电压参考值；

闭环控制模块，其用于基于闭环控制策略根据所述输出电压参考值生成相应的调制参考信号；

脉冲调制模块，其用于根据所述调制参考信号生成相应的开关脉冲信号，以通过所述开关脉冲信号调整所述待控制储能模块的荷电状态；

仿真模型验证模块，其用于通过级联储能系统的仿真模型验证级联储能系统在多种运行模式下的荷电状态和功率变化；其中，所述运行模式包含级联储能系统负载特性切换工况；

所述输出电压参考值生成模块进一步包括：

相角参考值生成单元，其用于根据所述待控制储能模块的荷电状态和输出功率结合待控制储能模块的下垂控制系数确定输出电压的角频率参考值，并根据所述角频率参考值生成输出电压的相角参考值；其中，下垂控制系数m_i满足如下条件：

式中，θ_i、θ_j和θ_k分别为第i、j、k个储能模块的相角参考值，θ_load表示负载的阻抗角，Z_load表示负载阻抗模值；SOC_i和SOC_k 分别表示第i个和第k个储能模块的荷电状态，N表示级联储能系统中储能模块的总数量，K表示储能模块角频率修正项的修正系数，m_i表示第i个储能模块的下垂控制系数，根据需求设定K/m_i值取预设值，以使系统稳定；

幅值参考值生成单元，其用于根据待控制储能模块的电压幅值参考权重以及级联储能系统的公共点处电压幅值参考值确定输出电压的幅值参考值；

其中，所述幅值参考值生成单元配置为根据如下表达式确定所述待控制储能模块的输出电压的幅值参考值：

其中，V_i表示第i个储能模块的输出电压的幅值参考值，第i个储能模块作为待控制储能模块，

表示第i个储能模块的电压幅值参考权重，V^*表示表示级联储能系统的公共点处电压幅值参考值，E_{max_i}和∑E_{max_i}分别表示第i个储能模块和级联储能系统的最大电能容量；

参考电压生成单元，其用于根据所述输出电压的相角参考值和幅值参考值生成所述待控制储能模块的输出电压参考值。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当级联储能系统中的储能模块共用滤波电路时，所述输出电压参考值生成模块配置为根据获取到的流经滤波电路的电流和对应于所述待控制储能模块的预设参考电压确定所述待控制储能模块的输出功率。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述幅值参考值生成单元配置为：

根据所述级联储能系统的最大电能容量以及待控制储能模块的最大电能容量确定所述待控制能模块的电压幅值参考权重；

根据所述电压幅值参考权重和级联储能系统的公共点处电压幅值参考值确定所述待控制储能模块的输出电压的幅值参考值。

4.如权利要求1～3中任一项所述的系统，其特征在于，所述相角参考值生成单元配置为根据所述待控制储能模块的荷电状态生成所述待控制储能模块的角频率修正项，并根据所述角频率修正项和输出功率生成所述待控制储能模块的角频率参考值，通过对所述角频率参考值进行积分得到所述相角参考值。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述相角参考值生成单元配置为根据如下表达式生成所述待控制储能模块的角频率修正项：

Δω_i＝k_i·SOC_i

其中，Δω_i表示第i个储能模块的角频率修正项，k_i表示第i个储能模块的角频率修正项的修正系数，SOC_i表示第i个储能模块的荷电状态。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述级联储能系统中各个储能模块的角频率修正项的修正系数均相等。

7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述相角参考值生成单元配置为根据如下表达式生成所述角频率参考值：

ω_i＝ω^*+sgn(Q_i)(m_iP_i-Δω_i)

其中，ω_i表示第i个储能模块的角频率参考值，ω^*表示空载时第i个储能模块的角频率，Q_i和m_i分别表示第i个储能模块的无功功率和下垂控制系数，P_i表示第i个储能模块的输出功率，Δω_i表示第i个储能模块的角频率修正项。

8.一种集中大容量储能系统，其特征在于，包括级联储能系统和如权利要求1～7中任一项所述的SOC平衡控制系统。

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