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基于级联PWM变换器蓄电池储能系统的电池充电状态平衡控制
Laxman Maharjan, Shigenori Inoue, Hirofumi Akagi, Jun Asakura
（IEEE成员）
摘要：可再生能源例如风力发电机和光伏发电会产生波动电能。在这些电源附近安装一个储能系统，就可以控制电能的波动。本文介绍了一种基于级联脉宽调制(PWM)变换器的6.6 kV蓄电池储能系统电池单元的充电状态(SOC)平衡方法。设计、建造并测试了一个200 V、10 kW、3.6 kWh (13-MJ)的实验室系统，该系统将级联PWM变换器与9个镍氢电池单元相结合，以验证所提出的平衡控制方法的有效性。
索引术语：无功功率控制，电池储能系统(BESS)，级联变换器，镍氢（NiMH）电池，充电状态(SOC)平衡。
Ⅰ引言
对环境的关注和化石燃料储量的不断枯竭促使人们对可再生能源产生了浓厚的兴趣[1]。然而，可再生能源如风力发电机和光伏发电在自然界是间歇性的，并且产生波动的有功功率。将这些间歇性电源大规模接入电网可能会影响电网的电压/频率控制，并可能导致严重的电能质量问题[2]。
储能系统是补偿有功功率波动不可缺少的环节，通常被称为“功率均衡”。例如，如果风力发电机在一段时间内(比如几秒到30分钟)产生的功率大于平均功率，那么储能系统就会存储来自电网的多余电能。另一方面，如果发电机产生较少的电力，它就会把电力短缺的部分释放回电网。储能系统给电网带来了电能质量、稳定性和可靠性的显著提高。
- 储能系统
基于不同存储设备的储能系统已经被投资[3],[4]。近年来，电双层电容器(EDLCs)和电池已经成为电力系统中很有前途的存储设备。EDLC的能源效率高达95%，高功率密度为300-500 W/kg，长循环寿命超过50万次[5]。然而，EDLCs的能量密度(3-5 Wh/kg)仍然远远低于电池。虽然电池具有最高的能量密度(锂离子电池为50-130Wh/kg，镍氢电池为30-80Wh/kg)，但设计工程师面临着克服其低温性能和有限寿命的挑战。此外，对于高功率应用程序来说，它们仍然很昂贵。尽管如此，在不久的将来，EDLCs和电池都有可能被用于可再生能源的电力均衡。
Walker描述了一个10-MW 40-MWh电池储能系统，该系统将一个18脉冲电压源转换器与铅酸电池[7]相结合。直流电压范围从1750到2860V。为了合成阶梯电压波形，采用了复杂的锯齿形变压器。Miller等人[8]提出了一种5-MVA 2.5-MWh电池储能系统，该系统使用直流电压范围为660至900V的铅酸电池。它是基于一对6脉冲转换器，形成一个12脉冲转换器和三个12脉冲转换器并联，以达到所需的额定功率。用于[7]和[8]的变压器将是昂贵的、笨重的、有损的，而且容易发生故障。与传统的基于变压器的多脉冲变换器[9]-[14]相比，二极管、飞电容器、级联变换器等现代多电平变换器更受青睐。
虽然级联变换器主要用于静态同步补偿器(STATCOMs)和电机驱动[15]-[17]，但其突出的结构使其适合于基于EDLCs和电池的储能应用。本文介绍了一种基于电容的储能系统，该系统采用星型结构[18]的级联脉冲宽度调制(PWM)变换器。它的目的是与EDLCs一起使用。对直流电容器的电压平衡控制进行了研究，以保证系统的稳定运行。然而，当EDLC单元被电池单元取代时，荷电状态(SOC)平衡控制将是必不可少的。
- 电池单元的SOC平衡
电池的荷电状态是指电池的可用容量占其最大可用容量的百分比。
电池管理系统(BMS)在评估SOC方面起着重要的作用，通常被称为“燃料表”功能。SOC评估可以基于测量一些随SOC[19]变化的方便参数，如电压、电流和内部阻抗。虽然这很重要，但是详细的解释超出了本文的范围。
Tolbert[20]等人描述了一种使用电池单元驱动电机的级联变换器。他们使用阶梯调制，并讨论了切换模式交换方案，以实现电池单元的SOC平衡。但是，目前还没有文献对使用多个电池单元的任何级联变换器的SOC平衡控制进行实验验证。
本文研究了基于级联PWM变换器的蓄电池储能系统的SOC平衡控制。该实验系统不包括电压平衡控制，因为它使用了9个镍氢电池单元，它们的充放电电压曲线几乎是平坦的[21]。然而，实际的电池储能系统可能需要电压平衡控制，以减少注入到电网[22]、[23]的不期望的谐波电流。本文提出的SOC平衡控制与[18]中的电压平衡控制在形式和功能上都有所不同。从200V，10kW，3.6kWh(13-MJ)的实验室模型得到的实验结果验证了SOC平衡系统的有效性和效率。值得注意的是，虽然作者讨论和验证了基于200V实验系统的SOC平衡控制，但它很容易扩展到比实验系统级联数1高的6.6kV系统。下面将介绍6.6kV系统，为实际的电池储能系统提供一个基本的设计概念。
Ⅱ 6.6kV系统的设计概念
图1为采用镍氢电池单元的6.6 kV储能系统的可行电路配置。它是基于级联PWM变换器[9]，[12]。在系统设计中，每个电池单元的串级数和工作电压范围的合理分配是至关重要的。变压器可用于实现具有适当级联数和合理直流电压的储能系统。当直流电压较低时，电池单元[24]-[26]更容易实现电池电压平衡。此外，低级联数的设计提高了系统的可靠性，缓解了通信问题[27],[28]。请注意，与传统的多脉冲变换器[7]、[29]、[30]中的多绕组变压器相比，所使用的变压器是一种简单降压变压器，很容易以合理的成本从市场上获得。
所谓的“非对称级联变换器”，其特点是H桥变换器的电池单元具有不同的直流电压，可能在降低谐波电压/电流和开关功率损耗[31]方面具有吸引力。然而，因为采用了相同的电池单元和转换单元的对称级联变换器使储能系统具有了“模块化”特性，所以与非对称级联变换器相比，本文作者选择了对称级联变换器。
图2为典型镍氢电池[21]的充放电特性。一个充满电的电池测量1.4V，在放电时提供1.2 V的额定电压，约1.0-1.1V。6.6kV系统中电池单元的额定电压可为288V(=1.2Vtimes;240个电池)。电池单元的工作电压范围可从270V到33 V。请注意，额定电压为200-300V的镍氢电池单元已经用于混合动力电动汽车(HEVs)[32]。如果级联数为N= 6，则需要6.6 kV/1.6kV的变压器将储能系统连接到6.6 kV的电网。额定电压为288V(=3.6Vtimes;8个电池)的锂离子电池单元也适用于该系统。
额定600V和200A的通用绝缘栅双极晶体管(IGBT)可用作功率开关器件。18转换器的电池是由所谓的“相移单相正弦PWM”[33]控制。即使PWM载波频率设置为低至1 kHz，等效载波频率仍高达12kHz(= 2times;6个单元times;1kHz)。此外，设置1kHz这样的低载频可以显著降低每个变换器单元的开关功率损耗。交流电压的结果是线路到中性的13电平波形和线路到线路的25电平波形，从而显著改善了电压和电流的总谐波失真(THD)。
III. 200V, 10kW, 3.6kWh系统
A.系统配置
图3显示了额定200V、10kW和3.6 kWh的三相降压电池储能系统的系统配置。表一总结了电路参数。实验系统级联数N =3。电池组由9个镍氢混合电池单元组成，可从松下电池工业有限公司获得。每个电池单元额定72V和5.5Ah由60个电池串联组成。由9个电池单元组成的电池组的总能量容量为W=13MJ或3.6kWh(=72Vtimes;5.5 Ahtimes;9)，直流电压范围为66-84 V。
采用移相单极正弦PWM控制9个H桥换流单元，载波频率为800Hz。由此得到的线中性电压为7电平波形，其等效载频为4.8 kHz(= 2times;3个单元times;800 Hz)。
图4为200V系统的控制系统。这是基于一个使用DSP和多场可编程门阵列(FPGAs)的全数字主控制器。每个电池单元都配有一个BMS，提供对相应电池单元的监视和控制功能，以保护电池单元不受超差环境或工作条件的影响。确定相应电池单元的SOC值是BMS的一个主要功能。SOC值用于提供燃料表指示以及电池单元的SOC平衡。
B.控制策略概述
图5为200V、10kW、3.6 kWh储能系统控制框图。整个控件分为以下两个子控件:
1)有功功率控制;
2)SOC平衡控制。
无功功率控制基于解耦电流控制，控制方法和参数与[18]相同。因此，本文避免了对其进行详细的解释，而仅仅关注于SOC平衡控制。SOC平衡控制分为三个集群之间的“集群式SOC平衡控制”和每个集群中三个转换器单元之间的“独立SOC平衡控制”。“集群”是指在一个相位上串联的三个转换器单元的集合。
设分别为三个簇中9个电池单元的平均SOC值与u簇、v簇、w簇中3个电池单元的平均SOC值的差异。
集群SOC平衡控制的目的是保持集群(和)的平均SOC值等于三个集群(SOC)的平均SOC值。类似地，单个SOC平衡控制的目标是使集群中的三个SOC值(例如，)中的每个都等于相应集群()的平均SOC值。
本文提出的单个soc平衡控制在结构上类似于[17]3和[18]提出的单个电压平衡控制。然而，集群式SOC平衡控制在形式和功能上与集群式的电压平衡控制不同。集群式SOC平衡控制基于零序电压注入[34]，而集群式电压平衡控制基于负序电流注入。此外，集群式SOC平衡控制具有平衡三个集群的三个平均SOC值的功能，而集群的电压平衡控制具有平衡三个集群的三个平均直流电压的功能。
Ⅳ SOC平衡控制
A.集群SOC平衡控制
图6为基于零序电压注入的集群式SOC平衡控制框图。其思想是在级联变换器[34]的三相交流电压上增加基频零序电压。这使得三个集群中的每个集群都可以在不提取负序电流的情况下提取或释放不等的有功功率。这里是图3中O点相对于M点的电势。由于零序电压注入不会引起线路间电压的变化，所以集群式的SOC平衡控制对三相线路电流和总功率没有影响。
假设级联变换器电压不包含任何负序电压，则可以表示为
在右边第一项代表了正序电压的均方根级和关于u相电压的相位角 。第二项代表基频零序电压的均方根级和相位角。都可被集群式SOC平衡控制调整。
假定线路电流只包含正序电流。
其中
在正弦稳态条件下，和分别等于d轴电流和q轴电流。u相功率可以表示为
右边第一项是与级联变换器u相交流电压中包含的正序电压相关的有功功率，而第二项是来自零序电压注入的有功功率，可以表示为
由式(10)可知，。这意味着零序电压注入对整个三相功率转移没有影响。
让我们确定零序电压参考。(2)中的荷电状态差异对应于三个集群中每个集群为维持集群间荷电平衡而需要提取或释放的有功功率。对(2)进行三相到两相的转化4
定义和gamma; 为
4向量不是一个旋转矢量,而是一个固定向量与集群联盟最大的SOC错误。
这里,∆SOC是一个代表三个集群中SOC失衡角度的参数,而gamma;参数与三个集群的alpha;-beta;轴相位角的SOC分布不平衡有关。
零序电压参考值定义为
其中是比例增益，通过下式给出
向量表示为
图7为以u相为例的集群式SOC平衡控制的控制框图。系数(3/W)·100将集束电池能量(焦耳)转换为SOC(百分比)，其中，闭环传递函数为
这个传递函数有一个时间常数
其中增益被设计为
- 单个SOC平衡控制
图8显示了注意三个集群的第n个转换器单元的单个SOC平衡控制。为了确定传递函数，让我们重新绘制单个SOC平衡控制的框图，如图9所示，以u相第n个为例，其中N=3,W=13times;106J。
设为u簇的平均SOC值与u簇中第n个转换器单元的SOC值之差。
其中n=1,2和3。通过对u簇中各自的电池单元进行适当的充放电，使差异最小化。为使差值最小，确定叠加交流电压为
其中K1是比例增益。功率因数统一操作使功率因数角delta;在充电操作时等于零,或者在放电状态等于pi;。
一个簇中叠加电压的总和等于零。
这说明单个SOC平衡控制不会干扰有功功率控制和集群式SOC平衡控制。
实现u相第n个变换器单元SOC平衡的有功功率由此给出
其中表示u相第n个变换器单元中的损耗或干扰。在u相第n个变换器单元中引入或释放一个等于的有功功率，以增加或减少值，使。
注意式(24)从中丢弃一个100Hz的组件5。式(20)、(23)、(24)得到图9。闭环传递函数由下式给出
这个传递函数有一个时间常数
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