出口短接和直流控制的级联电池储能系统离线均衡方法与流程

1.本发明涉及电池储能系统领域，更具体地，涉及一种出口短接和直流控制的级联电池储能系统离线均衡方法。


背景技术：

2.级联h桥式电池储能系统因其等效开关频率高、输出电压谐波特性好、模块化设计易于扩展和便于进行故障冗余控制等特点，适合应用于高压大功率的储能场合。级联h桥式电池储能系统在运行前，需要对各子模块电池电量进行均衡，以使系统正常运行，避免因电池荷电状态过度不均导致系统运行边界缩小甚至启动失败的情况。目前，电池储能系统运行前的电池均衡工作多以单个模块为单元，进行人工充放电从而均衡系统电池模块。
3.经检索，现有技术有不少电池均衡技术，比如申请号：201810264044.3、申请日：2018
‑
03
‑
28的发明专利申请，其公开了一种考虑电池寿命的电池组均衡系统及控制方法，包括采样模块、均衡模块、电池寿命预测模块和控制模块，电池寿命预测模块接收采样模块采集的电池信息预测电池寿命；控制模块用于电池组进入充放电状态时，接收采样模块采集的电池组电池信息及电池寿命预测模块得到的电池寿命信息，计算相邻单体电池的电压差并判断是否达到预设值，确定需均衡的相邻单体电池及均衡所需时间，控制均衡模块执行。利用电池寿命预测模块提供的电池寿命信息修正相邻单体电池的电压差，有效考虑了不同单体电池寿命衰减程度不同造成电池开路电压不一致的情况，可以避免过均衡造成的能量浪费，提高均衡效率、减少均衡时间、有效提高电池寿命。
4.但是，截止目前，关于级联h桥式电池储能系统的自动离线均衡技术的研究还未见报道。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术存在的空白，提出一种出口短接通过直流电流控制实现级联h桥电池储能系统离线均衡的方法。
6.本发明第一方面，提供一种出口短接和直流控制的级联电池储能系统离线均衡方法，包括：
7.s1：短接级联h桥式电池储能系统各相功率出口；
8.s2：获取级联h桥式电池储能系统各个子模块电池电压、soc、soh、sof、额定容量信息；
9.s3：根据s2获取的各个子模块电池soc、soh以及电池额定容量信息，计算出各个子模块电池的可充电能量和可放电能量，进而计算所有子模块可放电能量的与其平均值的最大误差绝对值；
10.s4：对s3得到的子模块可充电能量和可放电能量求和，得到各相的可充电能量、可放电能量和三相平均可放电能量：
11.s5：将s4得到的各相可放电能量和平均可放电能量做差，得到各相可放电能量误
差，并求得误差的最大绝对值；
12.s6：在s5结果上，各相的直流电流按照与相可放电电量误差成正比的原则分配，相直流电流不得超过相电流额定值，相直流电流分配实现三相间均衡；
13.s7：在s6相直流电流分配基础上，将相内各子模块按照与可放电能量误差成正比的原则分配子模块均衡电压，按照平均分配的原则分配各相电压到子模块，实现相内子模块均衡：
14.s8：在s7基础上，控制相电流产生均衡电流，通过电流闭环控制使各相电流达到分配的直流电流值；
15.s9：通过子模块可放电能量误差的最大绝对值与子模块平均可放电能量的比值，判断离线均衡是否结束，当此比值小到设定范围时，则认为离线均衡完成。
16.本发明第二方面，提供一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时用于执行所述的出口短接和直流控制的级联电池储能系统离线均衡方法。
17.本发明以在级联h桥式电池储能系统中实现电池离线均衡为目标，利用直流电流控制实现对初始电量不同的电池模块进行均衡，在考虑系统安全运行边界的同时，以便捷的方式实现电池离线均衡的目的。该方法只需将级联h桥电池储能系统出口短接，通过对各模块的输出电压以及相电流的控制，就可以利用电池储能系统初始电量便捷地实现的离线均衡，省去了传统对电池模块单独预充放电过程繁重的工作量。
18.与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：
19.本发明提供了一种快捷的级联h桥式电池储能系统的离线均衡方法，采用出口短接通过直流电流控制实现级联h桥式电池储能系统实现电池储能系统的离线均衡，为电池储能系统的离线均衡维护提供了快捷的方法。同时，本方法考虑了系统的安全运行边界，使系统均衡电压电流都在额定值以下。最终达到在级联h桥式电池储能系统中快捷、安全地实现离线均衡的目的。
附图说明
20.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
21.图1为本发明一优选实施例的出口短接和直流控制的级联电池储能系统离线均衡方法流程图；
22.图2为本发明一优选实施例的出口短接和直流控制的级联电池储能系统离线均衡示意图。
具体实施方式
23.下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
24.图1为本发明一优选实施例的出口短接和直流控制的级联电池储能系统离线均衡
方法流程图。参照图1所示，本实施例中的采用出口短接实现级联h桥式电池储能系统离线均衡方法包括如下步骤：
25.s1：短接级联h桥式电池储能系统各相功率出口；
26.s2：获取级联h桥式电池储能系统各个子模块电池电压、soc(state of charge，电池剩余电量百分比)、soh(state of health，电池健康度)、sof(state of function，电池的功能状态)、额定容量信息；级联h桥式电池储能系统中，每个子模块包括电池单元和功率单元，电池单元由电池管理系统(battery management system，bms)管理，功率单元作为功率转换系统(power conversion system，pcs)的一部分由pcs控制器控制，pcs控制器定时从bms获取各个功率单元对应的电池单元的soc状态和soh状态；
27.s3：计算各个子模块的可充电能量和可放电能量：根据步骤s1获取的子模块电池soc、soh以及电池额定容量信息，可计算出各个子模块电池的可充电能量和可放电能量，进而计算所有子模块可放电能量的与其平均值的最大误差绝对值；
28.s4：计算各相的可充电能量、可放电能量和三相平均可放电能量；
29.s5：计算各相可放电能量与平均可放电能量的误差，同时求得误差的最大绝对值；
30.s6：相直流电流分配实现三相间均衡：各相的直流电流按照与相可放电能量误差成正比的原则分配，相直流电流不得超过相电流额定值；
31.s7：子模块直流电压分配实现相内子模块均衡：相内各子模块按照与可放电能量误差成正比的原则分配子模块均衡电压，按照平均分配的原则分配各相电压到子模块；
32.s8：控制相电流产生均衡电流：通过电流闭环控制使各相电流达到分配的直流电流值；
33.s9：判断离线均衡的结束条件：通过子模块可放电能量误差的最大绝对值与子模块平均可放电能量的比值，判断离线均衡是否结束，当此比值小到一定范围，则可认为离线均衡完成。
34.在其中一个实施例中，步骤s2中，pcs控制器定时从bms获取各个功率单元对应的电池单元的soc状态和soh状态，时间间隔根据电池储能系统的状态刷新速率确定，取0.1s
‑
1min。获取方式通常通讯，具体由pcs和bms之间的接口规范和协议确定。
35.在其中一个实施例中，步骤s3中，计算各个子模块的可充电能量和可放电能量，具体方法为：
36.可充电能量：
37.soce
(x,n)
＝[(soc
up
‑
soc
x,n
)
×
soh
x,n
×
c
n
]
×
v
n
[0038]
可放电能量：
[0039]
sode
(x,n)
＝[(soc
x,n
‑
soc
down
)
×
soh
x,n
×
c
n
]
×
v
n
[0040]
式中，soc
up
和soc
down
分别代表电池运行的soc上下边界，0≤soc
down
≤soc
up
≤1，x表示a、b、c三相之一，n表示某一相中的子模块编号，c
n
为电池额定容量，v
n
为电池标称电压。
[0041]
计算子模块可放电能量的平均值，然后计算各子模块的可放电能量与平均值的最大误差绝对值。
[0042]
子模块可放电能量的平均值：
[0043][0044]
子模块可放电能量最大误差绝对值：
[0045]
δsode
sub_max
＝max(|sode
(x，n)
‑
sode
avg
|)
[0046]
在其中一个实施例中，步骤s4中，计算各相的可充电能量和可放电能量，具体方法为：
[0047]
计算各相的可充电能量：
[0048][0049]
计算各相的可放电能量：
[0050][0051]
式中，下标x表示a、b、c三相之一，n表示该相的第n个子模块，n为每相的子模块数；
[0052]
计算三相的平均可放电能量：
[0053][0054]
在其中一个实施例中，步骤s5中，计算各相可放电能量和平均可放电能量的误差并计算出误差最大值的绝对值，具体包括：
[0055]
计算各相可放电电量和平均可放电能量的误差：
[0056]
δsode
a
＝sode
a
‑
sode
[0057]
δsode
b
＝sode
b
‑
sode
[0058]
δsode
c
＝sode
v
‑
sode
[0059]
式中，δsode
a
，δsode
b
，δsode
c
分别表示a、b、c三相的可放电能量误差，下标a、b、c表示abc三相。
[0060]
计算各相可放电能量误差绝对值的最大值：
[0061]
δsode
max
＝max(|δsode
a
|，|δsode
b
|，|δsode
v
|)
[0062]
在其中一个实施例中，步骤s6中，相直流电流分配实现相间均衡，具体包括：
[0063]
各相直流电流按照与相可放电能量误差成正比的原则分配：
[0064][0065][0066][0067]
式中，i
a
，i
b
，i
c
分别表示a、b、c三相直流电流指令，下标a、b、c表示abc三相，i
n
表示
系统相电流额定值。
[0068]
在其中一个实施例中，步骤s7中，子模块直流电压分配实现相内子模块均衡，具体方法为：
[0069]
计算相基准电压：为使相间均衡和子模块均衡能够同时完成，按照与可放电能量误差最大绝对值占平均值的比值成正比的原则，分配各子模块产生的相电压和子模块均衡电压。
[0070][0071]
其中，u
p，base
为相电压基准值，u
s，base
为子模块均衡电压基准值，δsode
max
为相可放电能量误差的最大绝对值，δsode
sub_max
为系统子模块可放电能量误差的最大绝对值，sode为相可放电能量的平均值，sode
avg
为子模块可放电能量的平均值，k
base
为均衡电压比例系数。
[0072]
为使各子模块的电压不大于其额定值，则需要平均到子模块上的相电压和子模块均衡电压的和不大于子模块电压的额定值。从而，相电压基准值和子模块均衡电压基准值满足如下约束。
[0073][0074]
可得相基准电压：
[0075][0076]
子模块均衡的基准电压：
[0077][0078]
其中，u
n
为系统额定线电压的有效值。
[0079]
星形拓扑下，要求abc三相相直流电压相等，且等于相电压基准值：
[0080]
u
a
＝u
p，base
[0081]
u
b
＝u
p，base
[0082]
u
c
＝u
p，base
[0083]
式中，u
a
，u
b
，u
c
分别表示a、b、c三相的直流电压指令，下标a、b、c表示abc三相。
[0084]
计算各相相内子模块可放电能量与其平均值的误差：
[0085][0086][0087]
[0088]
计算各相子模块可放电能量误差的最大值绝对值：
[0089]
δsode
a，max
＝max(|δsode
a，n
|)
[0090]
δsode
b，max
＝max(|δsode
b，n
|)
[0091]
δsode
c，max
＝max(|δsode
c，n
|)
[0092]
相内各子模块按照与可放电能量误差成正比的原则分配子模块均衡电压，按照平均分配的原则分配各相电压到子模块：
[0093][0094][0095][0096]
其中，u
a，n
，u
b，n
，u
c，n
表示a，b，c三相的第n个子模块的直流电压，下标a，b，c表示abc三相，n表示子模块的编号。
[0097]
在其中一个实施例中，步骤s8中，控制相电流产生均衡电流，具体方法为：
[0098]
通过相电流闭环控制，使得出口短接的系统各相电流稳定到相电流分配的设定值，以满足离线均衡的需要。
[0099]
在其中一个实施例中，步骤s9中，判断离线均衡的结束条件，具体方法为：
[0100]
计算子模块可放电能量误差绝对值的最大值与子模块平均可放电能量的比值：
[0101][0102]
离线均衡的结束条件：
[0103]
k＜k
over
[0104]
若满足上述结束条件，则设定各子模块直流电压为0，均衡电流为0，系统离线均衡结束；若不满足上述条件，则跳转到步骤s3进行循环。
[0105]
为了更好说明和理解上述的技术，以下结合具体的应用实例来进行说明，但是本发明并不局限于以下具体应用实例。
[0106]
如图2所示，本实施例为5mw电池储能系统，额定电压为10kv，额定相电流为288a，电池簇标称电压768v，每相有n＝20个子模块，整个系统共60个子模块。交流并网电抗6mh。
[0107]
本实施例中，子模块电池为由16节3.2v/100ah磷酸铁锂电池单体串联组成标称电压51.2v，最大充放电倍率4c，标称容量100ah的储能电池模块，每个子模块电池簇由15块电池模块串联而成。电池soc的运行上限均设为0.9，运行下限均设为0.1。
[0108]
具体的，本实施例具体实施过程参照图1的过程：
[0109]
s1：短接级联h桥式电池储能系统各相功率出口；
[0110]
s2：获取模块化多电平储能系统各个子模块电池簇标称电压、soc、soh、sof、额定容量信息；
[0111]
能量转换系统通过通讯方式定时每1s从电池管理系统获取三相共60个子模块电池簇的信息。设置soc运行上下限分别为0.9和0.1。获取的信息如下：
[0112]
a相信息：
[0113]
荷电状态soca＝[0.51,0.46,0.53,0.50,0.47,0.51,0.52,0.52,0.50,0.45,0.48,0.46,0.47,0.50,0.49,0.54,0.44,0.46,0.52,0.55]
[0114]
健康状态soha＝[0.93,0.91,0.90,0.92,0.95,0.92,0.91,0.90,0.95,0.92,0.94,0.91,0.93,0.96,0.91,0.92,0.91,0.92,0.91,0.93]
[0115]
电池簇标称电压un＝[768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768]，单位v；
[0116]
电池簇标称容量cn＝[100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100]，单位ah；
[0117]
可放电电流idchg＝[400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400]，单位a；
[0118]
可充电电流ichg＝[400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400]，单位a。
[0119]
b相信息：
[0120]
荷电状态socb＝[0.64,0.58,0.60,0.50,0.63,0.62,0.57,0.56,0.64,0.60,0.62,0.56,0.58,0.58,0.62,0.43,0.60,0.62,0.58,0.57]；
[0121]
健康状态sohb＝[0.94,0.97,0.92,0.90,0.90,0.94,0.93,0.94,0.90,0.95,0.97,0.94,0.90,0.95,0.90,0.95,0.94,0.92,0.95,0.90]；
[0122]
电池簇标称电压un＝[768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768]，单位v；
[0123]
电池簇标称容量cn＝[100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100]，单位ah；
[0124]
可放电电流idchg＝[400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400]，单位a；
[0125]
可充电电流ichg＝[400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400]，单位a。
[0126]
c相信息：
[0127]
荷电状态socc＝[0.73,0.73,0.70,0.71,0.75,0.73,0.70,0.73,0.71,0.79,0.75,0.72,0.57,0.76,0.65,0.54,0.66,0.73,0.59,0.71]；
[0128]
健康状态sohc＝[0.92,0.91,0.95,0.91,0.92,0.95,0.93,0.90,0.92,0.95,0.94,0.94,0.93,0.94,0.93,0.95,0.92,0.95,0.93,0.92]；
[0129]
电池簇标称电压un＝[768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768,768]，单位v；
[0130]
电池簇标称容量cn＝[100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100]，单位ah；
[0131]
可放电电流idchg＝[400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400]，单位a；
[0132]
可充电电流ichg＝[400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400,400]，单位a。
[0133]
s3：计算各个子模块的可放电能量；
[0134]
根据s2获取的信息，分别计算出各个子模块的可充/放电能量。
[0135]
a相：
[0136]
可充电能量soce＝[27.86,30.75,25.57,28.26,31.37,27.56,26.56,26.27,29.18,31.80,30.32,30.75,30.71,29.49,28.65,25.44,32.15,31.09,26.56,25.00]，单位kwh；
[0137]
可放电能量sode＝[29.28,25.16,29.72,28.26,27.00,28.97,29.35,29.03,29.18,24.73,27.43,25.16,26.43,29.49,27.26,31.09,23.76,25.44,29.35,32.14]，单位kwh。
[0138]
b相：
[0139]
可充电能量soce＝[18.77,23.35,21.20,22.81,18.66,20.21,23.57,24.55,18.17,21.89,20.43,24.55,22.12,22.12,19.35,19.28,21.66,19.78,23.35,22.81]，单位kwh；
[0140]
可放电能量sode＝[38.98,35.76,35.33,27.65,36.63,37.54,33.57,33.21,37.32,36.48,38.74,33.21,33.18,35.02,35.94,24.08,36.10,36.74,35.02,32.49]，单位kwh。
[0141]
c相：
[0142]
可充电能量soce＝[12.01,11.88,14.59,13.28,10.60,12.40,14.28,11.75,13.42,8.03,10.83,12.99,23.57,10.11,17.86,26.27,16.96,12.40,22.14,13.42]，单位kwh；
[0143]
可放电能量sode＝[44.51,44.03,43.78,42.63,45.93,45.96,42.85,43.55,43.10,50.34,46.92,44.76,33.57,47.65,39.28,32.10,39.57,45.96,35.00,43.10]，单位kwh。
[0144]
进而计算子模块可放电能量的平均值以及各子模块可放电能量与平均值的最大误差绝对值。
[0145]
子模块可放电能量平均值sodeavg＝35.10kwh；
[0146]
子模块可放电能量误差绝对值的最大值δsodesubmax＝15.25kwh。
[0147]
s4：计算各相的可放电电量和三相的平均可放电电量；
[0148]
根据各个子模块充放电能量，求和得到：
[0149]
a相总的可充电能量soce＝575.33kwh；
[0150]
a相总的可放电能量sode＝558.24kwh；
[0151]
b相总的可充电能量soce＝692.98kwh；
[0152]
b相总的可放电能量sode＝708.63kwh；
[0153]
c相总的可充电能量soce＝288.801kwh；
[0154]
c相总的可放电能量sode＝854.60kwh；
[0155]
三相平均可放电能量sode＝701.94kwh。
[0156]
s5：计算各相可放电电量与平均可放电电量的误差；
[0157]
根据s4的结果可得：
[0158]
a相的可放电能量误差δsode＝
‑
143.70kwh；
[0159]
b相的可放电能量误差δsode＝
‑
8.96kwh；
[0160]
c相的可放电能量误差δsode＝152.66kwh。
[0161]
从而可得误差的最大绝对值为δsodemax＝152.66kwh。
[0162]
s6：相直流电流分配实现三相间均衡；
[0163]
按照相可放电能量误差与最大误差绝对值的比例分配各相直流电流如下：
[0164]
a相直流电流：
[0165][0166]
b相直流电流：
[0167][0168]
c相直流电流：
[0169][0170]
s7：子模块直流电压分配实现相内子模块均衡；
[0171]
计算均衡电压比例系数：kbase＝50.07％
[0172]
计算相电压基准值：up,base＝2724.11v
[0173]
计算子模块均衡电压基准值：us,base＝5440.86v
[0174]
计算各相子模块可放电能量与其平均值的误差：
[0175]
a相子模块可放电能量与平均值的误差：δsode＝[1.37,
‑
2.75,1.81,0.35,
‑
0.92,1.06,1.44,1.12,1.27,
‑
3.18,
‑
0.48,
‑
2.75,
‑
1.48,1.58,
‑
0.66,3.18,
‑
4.15,
‑
2.48,1.44,4.23]，单位kwh；
[0176]
b相子模块可放电能量与平均值的误差：δsode＝[4.33,1.11,0.68,
‑
7.00,1.98,2.89,
‑
1.08,
‑
1.44,2.68,1.83,4.09,
‑
1.44,
‑
1.47,0.37,1.29,
‑
10.57,1.45,2.09,0.37,
‑
2.16]，单位kwh；
[0177]
c相子模块可放电能量与平均值的误差：δsode＝[1.78,1.30,1.05,
‑
0.10,3.20,3.23,0.12,0.82,0.37,7.61,4.19,2.03,
‑
9.16,4.92,
‑
3.45,
‑
10.63,
‑
3.16,3.23,
‑
7.73,0.37]，单位kwh；
[0178]
从而可得各相子模块可放电能量与相平均值的误差的最大绝对值：
[0179]
δsodea,max＝4.23kwh；
[0180]
δsodeb,max＝10.57kwh；
[0181]
δsodec,max＝10.63kwh；
[0182]
按照子模块直流电压分配原则，可得各相子模块直流电压如下：
[0183]
a相：
[0184]
子模块电压uan＝[224.47,
‑
40.83,252.63,158.76,77.24,204.21,228.91,208.16,218.04,
‑
68.50,105.40,
‑
40.83,40.68,237.80,94.04,340.56,
‑
130.75,
‑
23.05,228.91,408.25]，单位v；
[0185]
b相：
[0186]
子模块电压ubn＝[247.74,164.74,153.67,
‑
43.94,187.27,210.59,108.42,99.13,205.06,183.32,241.42,99.13,98.34,145.77,169.48,
‑
135.84,173.44,190.04,145.77,80.56]，单位v；
[0187]
c相：
[0188]
子模块电压ucn＝[181.85,169.47,162.98,133.69,218.03,219.01,139.39,157.08,145.68,331.07,243.58,188.14,
‑
98.29,262.06,47.98,
‑
135.84,55.25,219.01,
‑
61.72,145.68]，单位v；
[0189]
s8：控制相电流产生均衡电流；
[0190]
通过电流闭环控制系统电流方向为从各相并网电感流出，电流的大小为s5的计算值，使得相电流稳定到设定值，满足均衡需要。
[0191]
s9：判断离线均衡的结束条件；
[0192]
在本实施例中，考虑到系统容量和子模块soc控制精度，设定离线均衡结束的判据参数k
over
＝5％。
[0193]
计算可放电量误差绝对值的最大值与平均可放电电量的比值：k＝43.44％；
[0194]
不满足离线均衡的结束条件k＜k
over
，则跳转到步骤s3，循环进行离线均衡，直到满足离线均衡的结束条件后，结束离线均衡。
[0195]
由上述实施例可以看出，本发明以实现采用出口短接和直流控制的级联h桥电池储能系统离线均衡为目标，同时考虑到系统运行边界，相比于传统对单个电池模块的均衡维护工作，可以更加便捷安全地实现级联h桥式电池储能系统运行前电池能量的离线均衡，大大减小电池储能系统运行前电池均衡维护的工作量。
[0196]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。本发明上述各优选实施例中的特征，在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。