基于级联H桥拓扑的电池储能系统及其SOC均衡控制

安徽理工大学电气与信息工程学院 许 天

级联H桥储能变流器因其不需要升压变压器，输出谐波少等优点，得到越来越广泛的关注。本文通过对级联H桥储能系统功率控制分析，针对级联H桥储能系统提出电池相内加入一个基波电压改变相应子模块调制度、相间通过注入零序电压改变各相功率分配，实现相内相间SOC均衡。

级联H桥储能变流器省去变压器，能够直接接入高压电网，且其由多个单相全桥型功率单元串联起来构成变流器的ABC三相，每个子模块功率单元的直流侧和电池进行相连，该拓扑结构使用较低耐压等级的功率单元实现较高的输出电压等级输出，可以省去并网变压器；系统单机功率相比于传统低压方案大幅提高，单机额定输出功率范围为1.5MW-10MW，适合于电网侧储能调峰调频电站、火电机组联合自动发电控制(Automatic Generation Control，AGC)调频和新能源电站提高渗透率等高压大容量储能应用场合。

1 电路拓扑和功率控制

本文使用如图1所示级联储能的拓扑结构。每一相的级联单元个数为N=3，所输出的相电压电平数m=7，所输出线电压为13电平，该拓扑结构可以在不增加开关损耗的状况下，能够实现较好的谐波特性。

图1 级联H桥变流器拓扑

由于储能系统在运行的过程中会造成每个单元释放的功率不同从而导致各单元SOC的不同。所以对级联H桥的研究应该以功率控制为基础。在功率解耦控制时，Vd、Vq的控制方程为：

2 SOC均衡控制

2.1 相内均衡

相内加入一个基波电压改变相应子模块调制度实现相内SOC均衡。

以A相为例，通过在H桥各单元的交流侧输出电压叠加一个对应的均衡控制分量V1an：

则此时的附加功率为：

使附加功率P1an与不均衡程度成正比，即：

式子中μ为一正常数。求解上式得：

因此，输出电压的叠加分量可取：

式中K1为增益，系统相内SOC均衡控制实现框图如图2所示。

图2 系统相内SOC均衡控制

2.2 相间均衡

通过注入零序基波电压可以实现相间SOC均衡，在相电流对称的情况下，适当的选取零序电压V0的幅值、相角，就能实现相间SOC均衡的目的。

设所注入零序电压V0：

系统三相对称电流为：

由零序电压产生的附加功率为：

使附加功率与各相的ΔSOC成正比：

式子中λ为一正常数。

Clark变换矩阵为：

则三相不均衡度在α，β轴的投影为：

则零序电压产生的附加功率为：

求得：

因此，可取各相所叠加的零序电压V0如下：

式中K0为增益。SOC均衡控制系统控制框如图3所示：

图3 SOC均衡控制系统示意图

3 仿真验证

在MATLAB/SIMULINK环境下搭建了仿真模型，储能功率变流器容量为20kVA，经滤波电感直接接入380V电网，滤波电感选型按3mH选取。

储能系统运行在10kW充电或者放电工况下，储能系统中电池组荷电状态各相电池容量为40Ah，A相SOC分别为：20%、35%、45%；B相SOC分别为：45%、45%、50%；C相SOC分别为：40%、40%、40%。此时储能系统电池组相间和相内SOC都不均衡。

图4 充电的功率、电流波形

图5 相内充电电流

图6 相间充电电流

储能系统运行在10kW充电工况下充电的功率及电流波形图如图4所示，0.5s开始启动均衡控制，从图5和图6所示的波形可得系统在启动和不启动均衡控制输出的总功率为设定值，在启动均衡控制后，对电池充电电流根据电池SOC进行分配。

储能系统运行在10kW放电工况下放电状况下的功率及电流波形如图7所示，0.5s开始启动均衡控制，从图8和图9可以看出在启动均衡控制后，对电池放电电流根据电池SOC进行分配。

图7 放电的功率、电流波形

图8 相内放电电流

图9 相间放电电流

结论：本文对级联桥储能系统的控制策略进行研究，通过注入零序基波电压实现了三相相间的SOC均衡控制。相内加入一个基波电压改变相应子模块调制度实现相内SOC均衡。并基于MATLAB/SIMULINK仿真软件表明这些控制策略是正确的。