一种模块化多电平电池储能系统电池混用的方法技术方案

本发明专利技术提供了一种通过交流侧功率控制实现模块化多电平电池储能系统电池混用的方法，所述方法包括如下步骤：第一步：获取模块化多电平储能系统各个子模块电池电压、SOC、SOH、SOF、额定容量信息；第二步：计算各个子模块的可充电能量和可放电能量；第三步：计算各相和整个系统总的可充电电量和可放电电量；第四步：各相充放电功率的预分配；第五步：子模块功率的预分配；第六步：子模块功率的校核；第七步：子模块功率和三相功率的再分配；第八步：零序电压注入实现三相间均衡；第九步：子模块交流电压的分配。本发明专利技术以实现模块化多电平储能系统中的不同的电池混用为目标，同时考虑到安全运行边界，可以更加充分地利用不同类型电池的资源。

A method of battery mixing in modular multilevel battery energy storage system

【技术实现步骤摘要】
一种模块化多电平电池储能系统电池混用的方法
本专利技术涉及电池储能系统领域，更具体地，涉及一种模块化多电平电池储能系统电池混用的方法。
技术介绍
模块化多电平电池储能系统以其具有可同时连接交直流电网的端口、模块化的结构、谐波小的特点，被认为是最有前景的电池储能系统拓扑结构之一。该储能系统模块化的结构使其对于接入的电池具有差异化控制的能力，可用于实现不同电池的混用。目前国内外对同一个电池储能系统内不同电池混用的研究尚未见报道。相近的研究是对电池的梯次利用。张大宝等在《变电站智能并联蓄电池系统新技术研究与应用[J].科技与创新，2018(09)：148-149.》中提出通过DC/DC或DC/AC变换之后在进行并联，从而实现新旧电池的混用。姚克宇在《关于存量电池利旧和新旧电池混用模式的研究[J].移动通信，2016，40(15)：64-67.》中采用电池合路器实现新旧电池的混用，电池合路器的本质是多路切换开关。上述研究和应用虽名称叫混用，但只是同类电池的混用，而且也仅仅限于移动基站备用电源领域。对于电池储能领域的梯次利用，目前有两个技术路线。第一，通过增强单体间的均衡适应梯次电池应用的需求。如赵光金等在《主被动均衡技术及其在电池梯次利用中的应用[J].电源技术，2018，42(07)：983-986+1075.》中采用主动和被动组合实现梯次电池的均衡，主动和被动均衡之间分时切换；朱运征《集装箱式储能系统用梯次利用锂电池组的一致性管理研究[J].电源学报，2018，16(04)：80-86.》和李晓依《锂离子动力电池梯次利用的主动均衡系统研究与实现[D].武汉理工大学，2018.》均通过增加电池管理系统的主动均衡能力来消减梯次电池的差异性的影响。第二，通过电力电子模块实现对电池模块的差异化控制，适应梯次电池应用的需求。如李丹在《模块化独立控制梯次利用电池储能系统[D].北京交通大学，2018.》中利用级联H桥拓扑结构的相间和相内均衡功能实现梯次电池的利用；李圆圆等在《快速收敛的梯次电池成组技术[J].高电压技术，2018，44(01)：169-175.》中将电池模组通过DC/DC变换后串联实现梯次电池的应用。以梯次电池利用为目标的控制方法，其目标均是使均衡功率与SOC的偏差值成正比相关。但这种以消除SOC偏差为直接目标的控制策略对于储能系统中存在不同电池混用时就存在一些不足：1)同一储能系统中不同电池的容量可能存在较为显著的差异，同样SOC的电池却存储着不同大小的电量，存储着相同电量的电池处于不同的SOC状态。2)同一储能系统中不同电池的平台电压可能存在较为显著的差异，同样SOC和容量的电池却存储着不同大小的能量，存储着相同能量的电池具有不同的容量和处于不同的SOC状态。单纯以SOC和SOC偏差进行的控制在不同电池混用的储能系统中将不再适用，不仅不能取得好的效果，甚至可能适得其反。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的不足，提出一种模块化多电平电池储能系统电池混用的方法。该方法以在模块化多电平电池储能系统中实现不同电池的混用为目标，利用交流侧的功率控制实现对容量和平台电压不同电池模块的差异化控制，实现不同电池模块的安全运行，起到最大化电池利用的目的。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：一种模块化多电平电池储能系统电池混用的方法，包括以下步骤：S1：获取模块化多电平电池储能系统各个子模块电池电压、SOC(stateofcharge，电池剩余电量百分比)、SOH(stateofhealth，电池健康度)、SOF(stateoffunction，电池的功能状态)、额定容量信息；模块化多电平电池储能系统中，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(BatteryManagementSystem，BMS)管理，功率单元作为功率转换系统(PowerConversionSystem，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；S2：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，分别计算出各个子模块电池的可充电能量和可放电能量；S3：计算各相和整个系统总的可充电电量和可放电电量；S4：各相充放电功率的预分配：按照三相的可充电能量SOCEa，SOCEb，SOCEc的比例分配充电功率，按照三相的可放电能量SOCEa，SOCEb，SOCEc的比例分配放电功率；S5：子模块功率的预分配：在各相功率预分配的基础上分配各个子模块的功率，各个子模块功率按照与子模块的可充/放电能量的成正比例的原则分配；S6：子模块功率的校核；S7：子模块功率和三相功率的再分配：根据电池电压和电池配合电流，重新分配各个子模块功率，并且重新分配三相功率；S8：零序电压注入实现三相间均衡；S9：子模块交流电压的分配；同相各个子模块交流电压相位相同，按照各子模块的可充/放电能量的比例分配交流电压，即控制了交流侧功率。在其中一个实施例中，步骤S1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。在其中一个实施例中，步骤S2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：可放电能量：SODE(x，n)＝[(SOCx，n-SOCdown)×SOHx，n×CN]×VN可充电能量：SOCE(x，n)＝[(SOCup-SOCx，n)×SOHx，n×CN]×VN式中，SOCup和SOCdown分别代表电池运行的SOC上下边界，0≤SOCdown＜SOCup≤1，x表示a、b、c三相之一，n表示某一相中的子模块编号，CN为电池额定容量，VN为电池标称电压。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：计算每相的可最大放电能量：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；计算三相总的最大可放电电量：SODE＝SODEa+SODEb+SODEc计算每相的充电能量：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；计算三相总的可充电能量：SOCE＝SOCEa+SOCEb+SOCEc。在其中一个实施例中，步骤S4中，各相充放电功率的预分配具体包括：总功率指令为Psum，放电时，abc三相分配的放电功率指令分别为：充电时，abc三相的充电功率指令分别为：在其中一个实施例中，步骤S5中，子模块功率的预分配，具体方法为：充电时，abc三相各个子模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模块化多电平电池储能系统电池混用的方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：获取模块化多电平电池储能系统各个子模块电池电压、SOC、SOH、SOF、额定容量信息；模块化多电平电池储能系统中，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管理，功率单元作为功率转换系统的一部分由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；/nS2：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，分别计算出各个子模块电池的可充电能量和可放电能量；/nS3：计算各相和整个系统总的可充电电量和可放电电量；/nS4：各相充放电功率的预分配：按照三相的可充电能量SOCE

【技术特征摘要】
1.一种模块化多电平电池储能系统电池混用的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取模块化多电平电池储能系统各个子模块电池电压、SOC、SOH、SOF、额定容量信息；模块化多电平电池储能系统中，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管理，功率单元作为功率转换系统的一部分由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；
S2：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，分别计算出各个子模块电池的可充电能量和可放电能量；
S3：计算各相和整个系统总的可充电电量和可放电电量；
S4：各相充放电功率的预分配：按照三相的可充电能量SOCEa，SOCEb，SOCEc的比例分配充电功率，按照三相的可放电能量SOCEa，SOCEb，SOCEc的比例分配放电功率；
S5：子模块功率的预分配：在各相功率预分配的基础上分配各个子模块的功率，各个子模块功率按照与子模块的可充/放电能量的成正比例的原则分配；
S6：子模块功率的校核；
S7：子模块功率和三相功率的再分配：根据电池电压和电池配合电流，重新分配各个子模块功率，并且重新分配三相功率；
S8：零序电压注入实现三相间均衡；
S9：子模块交流电压的分配；同相各个子模块交流电压相位相同，按照各子模块的可充/放电能量的比例分配交流电压，即控制了交流侧功率。


2.根据权利要求1所述的模块化多电平电池储能系统电池混用的方法，其特征在于，步骤S1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。


3.根据权利要求1所述的模块化多电平电池储能系统电池混用的方法，其特征在于，步骤S2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：
可放电能量：
SODE(x,n)＝[(SOCx,n-SOCdown)×SOHx,n×CN]×VN
可充电能量：
SOCE(x,n)＝[(SOCup-SOCx,n)×SOHx,n×CN]×VN
式中，SOCup和SOCdown分别代表电池运行的SOC上下边界，0≤SOCdown<SOCup≤1，x表示a、b、c三相之一，n表示某一相中的子模块编号，CN为电池额定容量，VN为电池标称电压。


4.根据权利要求1所述的模块化多电平电池储能系统电池混用的方法，其特征在于，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：
计算每相的可最大放电能量：



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；
计算三相总的最大可放电电量：
SODE＝SODEa+SODEb+SODEc
计算每相的充电能量：



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；
计算三相总的可充电能量：
SOCE＝SOCEa+SOCEb+SOCEc。


5.根据权利要求4所述的模块化多电平电池储能系统电池混用的方法，其特征在于，步骤S4中，各相充放电功率的预分配具体包括：
总功率指令为Psum，放电时，abc三相分配的放电功率指令分别为：









充电时，abc三相的充电功率指令分别为：











6.根据权利要求5所述的模块化多电平电池储能系统电池混用的方法，其特征在于，步骤S5中，子模块功率的预分配，具体方法为：
充电时，abc三相各个子模块的功率分配如下：









放电时，abc三相各个子模块的功率分配如下：









式中，Pa,n，Pb,n，Pc,n分别表示a、b、c三相的第n个子模块的功率，下标a、b、c表示abc三相，n表示子模块的编号，N表示每相的子模块数量。


7.根据权利要求6所述的模块化多电平电池储能系统电池混用的方法，其特征在于，步骤S6中，子模块功率的校核具体方法为：
根据能量守恒，电池侧功率等于交流功率和直流功率之和，只有交流侧控制的情况下，直流侧功率为零；
三相中各个子模块电池中的电流平...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌志斌，彭鹏，陈满，李勇琦，胡振恺，李毓烜，
申请(专利权)人：南方电网调峰调频发电有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44