一种模块化多电平直挂储能SOC均衡控制方法与流程

一种模块化多电平直挂储能soc均衡控制方法
技术领域
1.本发明涉及一种模块化多电平直挂储能soc均衡控制方法，属于储能装置控制技术领域。


背景技术：

2.模块化多电平直挂储能装置通过锂电池和电容直接并联的半桥子模块串联安装于直流侧，其均衡控制方式有电容电压和电池soc控制两种。该拓扑锂电池和电容直接并联，中间没有dc/dc变换器，故电池电压与电容电压的大小关系一致。锂电池的电压与soc是非线性关系，存在电池电压几乎不变而soc变化较大的区间，因此根据电容电压进行子模块投切的均衡控制将造成电池soc不均衡，导致频繁充放电的电池寿命降低，进而影响到整个储能装置的寿命。
3.另一方面电池的soc上传数据较慢，采用soc排序控制在数据未更新的这段时间内排序位次不变，当投入的模块数跟随调制波的变化发生改变时，部分模块将频繁投切，导致开关频率过高。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种模块化多电平直挂储能soc均衡控制方法，用以解决根据电容电压选择子模块投切导致不均衡的问题。
5.为实现上述目的，本发明的方案包括：
6.本发明的一种模块化多电平直挂储能soc均衡控制方法的技术方案，包括计算所需投入的子模块个数tzb，获取桥臂电流方向和直挂储能半桥子模块电池的soc值；若桥臂电流方向为电池的充电方向，取soc值最小的tzb个子模块投入，将其余子模块切除；若桥臂电流方向为电池的放电方向，取soc值最大的tzb个子模块投入，将其余子模块切除。
7.本发明在子模块桥臂电流方向为锂电池充电方向时投入soc值小的子模块；在子模块桥臂电流方向为锂电池放电方向时投入soc值大的子模块，以此实现基于soc值的均衡控制，此方法相比于电容电压的均衡控制精度较高。
8.进一步地，当所需投入的子模块个数减少m个时，从已投入的子模块中每次选择不同的m个子模块切除。
9.本发明采用轮换切除“投入模块”的方案，所切除的模块少于投入的模块，且每次选择不同的m个子模块切除，剩余子模块均摊调制波的变化，避免单个模块开关频率较高的风险。
10.进一步地，按照从小到大的顺序，从已投入的子模块中每次额外选择不同的m个子模块切除。
11.本发明在进行子模块切除时按soc值从小到大对子模块进行排序，保证了每次所切除的m个子模块为soc值为最小的不同子模块。
12.进一步地，若已投入的子模块数不是m的整数倍，当若干次额外切除m个子模块后，
已投入的子模块中未切除过的子模块数不足m个时，则额外切除包括未切除过的子模块在内的m个子模块。
13.本发明当已投入子模块数不是m的整数倍时，在进行若干次额外切除m个子模块过程中，通过切除剩余子模块以及额外切除其余未切除过的子模块使切除子模块总数满足m个。
14.进一步地，当所需投入的子模块个数增加m个时，从已切出的子模块中额外选择m个子模块投入。
15.进一步地，当所需投入的子模块个数增加m个时，若桥臂电流方向为电池的充电方向，则从已切出的子模块中额外选择soc最小的m个子模块投入。
16.进一步地，当所需投入的子模块个数增加m个时，若桥臂电流方向为电池的放电方向，则从已切出的子模块中额外选择soc最大的m个子模块投入。
17.进一步地，将子模块按soc值的大小从小到大排序；若桥臂电流方向为电池的充电方向，取所述排序中的前tzb个子模块投入，将其余子模块切除；若桥臂电流方向为电池的放电方向，取所述排序中的后tzb个子模块投入，将其余子模块切除。
18.本发明将储能装置子模块按soc值排序进行均衡控制，充电时选取soc值最小的tzb个子模块进行充电，放电时使soc值最大的tzb个子模块进行放电，以实现储能装置稳态均衡控制。
19.进一步地，所需投入的子模块个数根据调制波波动而改变，调制波每变化一次，进行一次额外切除的m个子模块的选择。
20.本发明在调制波发生改变时，所需投入的子模块数也随之进行相应改变，使均衡控制的及时且高效。
21.进一步地，根据储能装置的控制量得到电流给定值或电压给定值，采用电流给定值或电压给定值和对应反馈值的差值，经过pi控制器取整后得到需要投入的子模块个数tzb。
附图说明
22.图1是本发明实施例的直挂储能结构图；
23.图2是本发明实施例的直挂储能子模块电路图；
24.图3是本发明实施例模块化多电平直挂储能soc均衡控制流程图；
25.图4是本发明实施例电流电压控制原理图；
26.图5是本发明实施例基于soc轮换排序的均衡控制流程图；
27.图6是本发明实施例锂电池充电时soc轮换排序示意图；
28.图7是本发明实施例锂电池放电时soc轮换排序示意图。
具体实施方式
29.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。
30.一种模块化多电平直挂储能soc均衡控制方法实施例
31.本发明直挂储能结构如图1所示，包括多个串联的半桥子模块的储能装置直接接
入直流正负极。图1中子模块的展开详细电路图如图2所示，锂电池组经过预充回路并联到半桥子模块电容。
32.如图3所示，本发明的模块化多电平直挂储能soc均衡控制方法包括如下步骤：
33.1、根据储能装置的上级极控信号，得到储能阀控制模式和控制量，具体步骤如下：
34.若上级极控信号发送控功率指令，则储能装置处于控电流模式，控制量为正，则锂电池充电，控制量为负，则锂电池放电；
35.若上级极控信号发送控电压指令，则储能装置处于控电压模式，此模式为了短时建立直流电压。
36.2、根据如图4所示的电流和电压控制原理计算出需要投入的子模块个数tzb：采用电流给定值i
ref
和电流反馈值i的差值以及电压给定值u
dcref
和电压反馈值u
dc
的差值，经过pi控制器取整后得到需要投入的子模块个数tzb。
37.3、根据tzb的变化量，进行如图5所示的基于soc轮换排序的均衡控制，得到子模块开关管的脉冲信号，使得电池soc均衡的同时模块频率不会过高，具体步骤如下：
38.获取桥臂电流方向和所有直挂储能半桥子模块锂电池的soc值；
39.将子模块按照soc值从小到大依次排序，并标号；
40.根据桥臂电流方向选择投入的模块。
41.如图6所示，桥臂电流方向为锂电池充电方向，则[1,tzb]投入，[tzb+1,n]切除，当tzb增加m时，[1,tzb+m]投入，[tzb+m+1,n]切除，当tzb+m减小m时，[1,tzb+m]中投入的子模块轮换切除m个，[tzb+m+1,n]切除，具体如下：
[0042]
第一次tzb增大m又减小m时，[m+1,tzb+m]位次的子模块投入，[1,m]和[tzb+m+1,n]位次的子模块切除；第二次tzb增大m又减小m时，[1,m]和[2m+1,tzb]位次的子模块投入，[m+1,2m]和[tzb+m+1,n]位次的子模块切除；第三次tzb增大m又减小m时，[1,2m]和[3m+1,tzb]位次的子模块投入，[2m+1,3m]和[tzb+m+1,n]位次的子模块切除。即每次调制波减小m时在投入[1,tzb+m]位次的模块中轮换切除m个模块，直到轮换到本轮tzb位次的模块(假若tzb不是m的整数倍，则切除本轮投入剩下和下一轮起始的m个模块)。
[0043]
注：n为直挂储能阀子模块总个数；tzb稳态后波动值大小为m，m的值多数为1。
[0044]
如图7所示，桥臂电流方向为锂电池放电方向，则[n-tzb+1,n]投入，[1,n-tzb]切除，当tzb增加m时，[n-tzb-m+1,n]投入，[1,n-tzb-m]切除，当tzb+m减小m时，[n-tzb-m+1,n]中投入的子模块轮换切除m个，[1,n-tzb-m]切除，具体如下：
[0045]
第一次tzb增大m又减小m时，[n-tzb+1,n]位次的子模块投入，[1,n-tzb]位次的子模块切除；第二次tzb增大m又减小m时，[n-tzb-m+1,n-tzb]和[n-tzb+m+1,n]位次的子模块投入，[1,n-tzb-m]和[n-tzb+1,n-tzb+m]位次的子模块切除；第三次tzb增大m又减小m时，[n-tzb-m+1,n-tzb+m]和[n-tzb+2m+1,n]位次的子模块投入，[1,n-tzb-m]和[n-tzb+m+1,n-tzb+2m]位次的子模块切除。即每次调制波减小m时在投入[n-tzb-m+1,n]位次的模块中轮换切除m个模块，直到轮换到本轮n位次的模块(假若tzb不是m的整数倍，则切除本轮投入剩下和下一轮起始的m个模块)。
[0046]
上述模块化多电平直挂储能soc均衡控制方法主要包括如下步骤：获取上级极控信号控制模式和控制量，依据电流电压控制原理计算出投入的子模块个数，获取桥臂电流方向和所有锂电池soc值，根据本发明的soc轮换排序均衡方法计算出子模块的脉冲信号，
实现直挂储能soc均衡控制。
[0047]
基于soc轮换排序的均衡控制方法相比于电容电压排序的均衡控制方案精度更高；将稳态时调制波的改变频率分别均摊到所有投入的模块，则单个模块的开关频率从f降低到f/(tzb/m)，避免单个模块开关频率较高损坏器件的风险；此外本发明没有采用轮换投入切除模块的方案，而是采用轮换切除投入模块的方案，这是因为切除的模块少于投入的模块，且随着运行方式的变化可能造成冗余耗尽或即将耗尽，此时将无法采用切除模块进行均摊调制波的变化。

技术特征：
1.一种模块化多电平直挂储能soc均衡控制方法，其特征在于，计算所需投入的子模块个数tzb，获取桥臂电流方向和直挂储能半桥子模块电池的soc值；若桥臂电流方向为电池的充电方向，取soc值最小的tzb个子模块投入，将其余子模块切除；若桥臂电流方向为电池的放电方向，取soc值最大的tzb个子模块投入，将其余子模块切除。2.根据权利要求1所述的模块化多电平直挂储能soc均衡控制方法，其特征在于，当所需投入的子模块个数减少m个时，从已投入的子模块中每次选择不同的m个子模块切除。3.根据权利要求2所述的模块化多电平直挂储能soc均衡控制方法，其特征在于，按照从小到大的顺序，从已投入的子模块中每次额外选择不同的m个子模块切除。4.根据权利要求3所述的模块化多电平直挂储能soc均衡控制方法，其特征在于，若已投入的子模块数不是m的整数倍，当若干次额外切除m个子模块后，已投入的子模块中未切除过的子模块数不足m个时，则额外切除包括未切除过的子模块在内的m个子模块。5.根据权利要求1所述的模块化多电平直挂储能soc均衡控制方法，其特征在于，当所需投入的子模块个数增加m个时，从已切出的子模块中额外选择m个子模块投入。6.根据权利要求5所述的模块化多电平直挂储能soc均衡控制方法，其特征在于，若桥臂电流方向为电池的充电方向，则从已切出的子模块中额外选择soc最小的m个子模块投入。7.根据权利要求5所述的模块化多电平直挂储能soc均衡控制方法，其特征在于，若桥臂电流方向为电池的放电方向，则从已切出的子模块中额外选择soc最大的m个子模块投入。8.根据权利要求1所述的模块化多电平直挂储能soc均衡控制方法，其特征在于，将子模块按soc值的大小从小到大排序；若桥臂电流方向为电池的充电方向，取所述排序中的前tzb个子模块投入，将其余子模块切除；若桥臂电流方向为电池的放电方向，取所述排序中的后tzb个子模块投入，将其余子模块切除。9.根据权利要求2所述的模块化多电平直挂储能soc均衡控制方法，其特征在于，所需投入的子模块个数根据调制波波动而改变，调制波每变化一次，进行一次额外切除的m个子模块的选择。10.根据权利要求1所述的模块化多电平直挂储能soc均衡控制方法，其特征在于，根据储能装置的控制量得到电流给定值或电压给定值，采用电流给定值或电压给定值和对应反馈值的差值，经过pi控制器取整后得到需要投入的子模块个数tzb。

技术总结
本发明涉及一种模块化多电平直挂储能SOC均衡控制方法，属于储能装置控制技术领域。该方法为计算所需投入的子模块个数TZB，获取桥臂电流方向和直挂储能半桥子模块电池的SOC值；若桥臂电流方向为电池的充电方向，取SOC值最小的TZB个子模块投入，将其余子模块切除；若桥臂电流方向为电池的放电方向，取SOC值最大的TZB个子模块投入，将其余子模块切除。本发明基于SOC值对电池SOC进行均衡控制的方法相比于电容电压选择子模块投切的控制精度更高。于电容电压选择子模块投切的控制精度更高。于电容电压选择子模块投切的控制精度更高。


技术研发人员：何复兴 行登江 杨美娟 王先为 司志磊 韩坤 刘堃 刘路路 李成渝
受保护的技术使用者：许继集团有限公司 西安许继电力电子技术有限公司
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/10/6