一种级联H桥储能系统全电池单元快速SOC均衡控制方法

本发明涉及电力电子技术及电池储能，具体涉及一种级联h桥储能系统全电池单元快速soc均衡控制方法。

背景技术：

1、随着我国经济社会持续发展，能源结构正在发生重大转变，亟需大规模的电池储能系统来应对高比例新能源带来的电力系统稳定性挑战。在电池储能技术领域，级联h桥电池储能系统因其无需变压器、谐波性能优越和模块化设计等特性脱颖而出。此外，级联h桥电池储能系统在容量和效率方面同样具有显著优势，因此其有望成为未来大容量电池储能系统的优选解决方案。

2、在电池储能系统中，各电池单体的内部参数和运行环境存在固有的不一致性，例如容量、内阻、电解液密度、自放电率和温度等。而随着系统充放电运行，电池间的不一致性会导致电池间荷电状态(state of charge,soc)的不均衡。在储能系统中，确保各电池的soc均衡对于充分利用电池能量至关重要。例如，当缺少电池soc均衡控制时，充电时soc最高的电池单元最先充满电，此时系统不再进行充电，但其他电池单元还未充满电；同理，放电时各单元也会因为soc不一致导致系统停止放电，而部分电池单元仍有剩余能量。这种短板效应严重限制了电池储能系统的容量可利用率。另外，若系统不能及时停止放电，可能会造成一些电池单元过充或过放，严重影响电池的使用寿命和系统安全性。然而，由于级联h桥储能系统中电池单元数量众多，在运行过程中相与相、一相内的每个单元之间的电池soc会出现偏差，电池均衡管理面临巨大挑战。

3、针对级联h桥储能系统均衡管理问题，有学者提出相应的soc均衡控制策略，分为相内soc均衡和相间soc均衡两个部分，通过在各单元调制信号上叠加基频分量进行相内soc均衡，通过在各相调制信号叠加零序分量进行相间soc均衡。但此方法需要复杂的参数设计，以在均衡速度和系统稳定性间取得平衡；当电池间的soc差异较大时，可能会造成单元过调制，甚至出现过流的问题；当电池间的soc差异较小时，均衡速度将显著降低，导致均衡效果不佳。

4、又如，发明专利申请《级联h桥变换器储能并网系统快速soc均衡控制方法》(cn115395610a)提出了一种级联h桥变换器储能并网系统快速soc均衡控制方法，限制各单元调制信号的幅值最大为1，以实现快速相内和相间soc均衡控制。但该方法将均衡过程中的调制信号幅值恒定保持为1，运行模式切换时可能发生单元过流等问题，不利于系统稳定。同时该方法未给出相内均衡和相间均衡间的控制逻辑关系，无法保证全电池单元soc均衡的速度和效果。

5、因此，提出一种新的级联h桥储能系统soc均衡控制技术，对满足现实需求具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明要解决的问题是，克服现有技术的不足，提出一种级联h桥储能系统全电池单元快速soc均衡控制方法。

2、为解决技术问题，本发明的解决方案是：

3、提供一种级联h桥储能系统全电池单元快速soc均衡控制方法，所述级联h桥储能系统具有三相星型拓扑；所述soc均衡控制方法包括最大soc差值计算、调制裕量计算、均衡功率分配系数计算和全电池单元均衡控制四个步骤，具体如下：

4、(一)最大soc差值计算

5、(1.1)分别与级联h桥储能系统各相中的bms进行通讯，得到各电池单元soc实际值后，分别计算三相的电池soc平均值；

6、(1.2)计算系统soc平均值和各相相内电池单元的最大soc差值；

7、(1.3)计算全电池单元的最大soc差值和相间最大soc差值；

8、(二)调制裕量计算

9、(2.1)根据级联h桥储能系统采用的调制方式，确定其调制第一上限值；根据电池单元中h桥的直流额定电流，计算调制第二上限值；在调制第一上限值和调制第二上限值中取最大值，作为系统均衡控制的调制限值；

10、(2.2)根据当前调制信号计算调制信号幅值，并通过低通滤波器滤除高频扰动；

11、(2.3)基于调制限值与调制信号幅值，计算系统均衡控制的调制裕量；

12、(三)均衡功率分配系数计算

13、根据全电池单元的最大soc差值和相间最大soc差值，计算相内soc均衡系数和相间soc均衡系数，用于实现相内和相间均衡功率的自适应分配；

14、(四)全电池单元均衡控制

15、(4.1)根据电池单元soc实际值、三相的soc平均值、各相相内电池单元的最大soc差值，以及系统均衡控制的调制裕量、相内soc均衡系数，进一步计算相内均衡控制量；

16、(4.2)根据三相的soc平均值、系统均衡控制的调制裕量、相间soc均衡系数，进一步计算相间均衡控制量；

17、(4.3)根据相内均衡控制量和相间均衡控制量，计算各电池单元的调制信号；

18、(4.4)在soc均衡控制过程中，将计算获得的调制信号直接下发给各电池单元的控制器，从而实现级联h桥储能系统中全电池单元的快速均衡。

19、发明原理简述：

20、本发明提出的级联h桥储能系统全电池单元快速soc均衡控制方法，采用调制裕量约束级联h桥储能系统中各个单元的调制信号和均衡功率，同时利用均衡功率分配系数建立相间和相内soc均衡功率之间的关联，自适应分配相内和相间soc均衡功率，能够实现系统全电池单元的快速soc均衡。相对于现有的soc均衡技术，本发明的方法能够有效提升级联h桥储能系统的全电池单元soc均衡速度，并能提升全电池单元均衡时间的一致性，同时在均衡过程中避免了单元过调制和过流风险，提升了装置的全电池单元管理能力和运行稳定性。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

22、1、本发明提出的方法采用调制裕量约束级联h桥储能系统各单元调制信号和均衡功率，有效避免了系统均衡过程中单元过流和过调制问题，同时能够有效提升均衡速度与均衡效果，避免了运行模式切换时的系统的调制信号突变问题。

23、2、本发明提出的方法利用均衡功率分配系数，建立相间和相内soc均衡功率之间的关联，自适应分配相内和相间soc均衡功率，有效提高了级联h桥储能系统的全电池单元soc均衡速度，并显著提升了全电池单元均衡时间的一致性。

24、3、本发明提出的方法适用于三相星型级联h桥储能变流器，无需改造级联储能变流器主电路及控制系统硬件设备，仅需进行简单的控制算法调整，并且无需复杂的参数设计，易于工程应用。

技术特征：

1.一种级联h桥储能系统全电池单元快速soc均衡控制方法，其特征在于，所述级联h桥储能系统具有三相星型拓扑；所述soc均衡控制方法包括最大soc差值计算、调制裕量计算、均衡功率分配系数计算和全电池单元均衡控制四个步骤，具体如下：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的级联h桥储能系统中，每一相均由滤波电抗器lf和n个电池单元串联组成；各电池单元的结构相同，均包括h桥、直流侧电容，以及单元bms和串联电池簇。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(一)中：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(二)中：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(二)中：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(二)中：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(二)中：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(三)中：

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(四)中：

技术总结
本发明涉及电力电子技术及电池储能技术，旨在提供一种级联H桥储能系统全电池单元快速SOC均衡控制方法。该方法包括最大SOC差值计算、调制裕量计算、均衡功率分配系数计算和全电池单元均衡控制四个步骤；通过采用调制裕量约束级联H桥储能系统中各个单元的调制信号和均衡功率，同时利用均衡功率分配系数建立相间和相内SOC均衡功率之间的关联，自适应分配相内和相间SOC均衡功率，能够实现系统全电池单元的快速SOC均衡。本发明能够有效提升级联H桥储能系统的全电池单元SOC均衡速度，并能提升全电池单元均衡时间的一致性，同时在均衡过程中避免了单元过调制和过流风险，提升了装置的全电池单元管理能力和运行稳定性。

技术研发人员：朱冠南,陈敏,唐诵,梁钊培,张耀予,曹鹏,朱鹏程,王绪宝,阎鑫昌,白宏磊
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/5