文|万象硬核

编辑|万象硬核

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电池储能系统（batteryenergystoragesystem，BESS）具有功率密度高、响应速度快、安装方便等优点，近年来得到了快速发展。其中的储能变换器更是储能系统中的关键组成部分。

链式变换器（cascadedH-bridgeconverter，CHBC）将电池分散接入各级联全桥子模块的直流侧，解决了电池间的环流问题。同时，链式变换器可以省去工频变压器，直接接入中高压电网，目前已经获得了业内的广泛关注。

但我国某电力公司在实际应用中却发现，由于制造工艺等因素导致电池单体的容量、内阻、自放电率等内部特征存在差异，尤其是在满功率充放电切换以及电池单体通过串、并联成簇后，这种初始差异被进一步放大。

电池簇差异在储能系统运行中表现出荷电状态（stateofcharge，SOC）不均衡。储能系统中最先达到充电上限或放电下限的电池是制约储能系统可用容量的关键问题，那么该如何解决这一难题呢？

链式结构的直流电池储能系统

链式结构的直流储能系统主电路图如图1所示。

链式储能变换器由N个非隔离型DCDC模块串联构成，通过滤波电抗直接接入直流系统中。在该拓扑结构下，多个电池组串联形成电池簇，各簇电池在直流端无须直接连接，而是分散连接在对应功率模块的电容侧。

其中，功率模块由全桥变换电路及其驱动电路、母线电容、直流熔断器、旁路开关和电池侧预充电装置组成。其中的旁路开关可以隔离故障的功率模块，避免储能系统因单一模块故障导致整个系统停运，提高系统可靠性。

电池预充回路能够在系统冷启动的时候降低电容充电电流，保护功率模块内的元件不会因瞬时电流而击穿损坏，该拓扑结构下，各簇电池分散在各子模块中，只需保证各模块一一对应的电池簇之间的SOC均衡即可，无需保证整套系统的每块电池单体SOC严格均衡，减少了需要管理的电芯数量。

全桥变换电路在实际运行时分为升压模式和降压模式，当功率由电池流向直流母线时，模块在降压模式下运行；当功率由直流母线流向电池时，模块在升压模式下运行。对于全桥变换电路，采用脉宽调制（pulse-widthmodulation，PWM）方式，定义调制比为调制波幅值与三角载波幅值之比。

该拓扑结构下，级联的功率模块数量N主要取决于电池簇的输出电压UB和直流系统电压Udc。当各簇电池电压之和低于直流系统电压时，直流母线会通过功率模块对电池进行不可控充电，因此电池最小运行电压需大于直流系统电压。综合考虑直流系统电压裕度、调制比、电池最小运行电压等因素计算链式结构中模块数量如式（1）所示。

直流链式储能的整体控制

直流链式储能的控制系统由监控层、主控层和模块控制层构成，其中，监控层由监控系统组成，主要负责系统电气量和电池状态的数据采集以及分合闸控制；主控层由一台主控制器构成，主要负责控制算法以及下发控制命令，同时接收由电池管理系统（batterymanagementsystem，BMS）采集的电池信息；

模块控制层由N套模块控制器构成，每个功率模块均对应一套模块控制器，接收主控制器的控制命令并控制模块内的开关分合以及开关管的开通关断，即每簇电池对应的模块可以受控制器单独控制独立调节。

模块控制器能够独立接收主控制器不同的控制命令是实现SOC自均衡控制策略的通信基础。根据不同应用场景下的需求，直流链式储能可以在功率控制模式（powercontrolmode，PCM）和电压控制模式（voltagecontrolmode，VCM）之间进行灵活切换。

在PCM下，主控制器根据功率指令对电池簇的充放电功率进行闭环控制，通过调整各功率模块的调制波实现对各电池簇充放电功率的控制。

在VCM下，主控制器根据电压指令稳定直流链式储能的电压值，为直流母线提供电压支撑。考虑直流链式储能系统在各模式下的电池均衡需求，本文采取分级控制策略。

第1级控制为当前运行模式的基础控制，输出该模式下的基础调制波；第2级控制为各模块的均衡控制，输出该模块的调制波补偿量ΔUm。

两级控制的输出经叠加，即基础调制波叠加模块调制波补偿量最终得到各模块的调制波总输出，直流链式储能系统分级控制框图如图2所示。

功率控制采用无差拍控制，由电流外环比例积分（Proportional-integral，PI）控制和无差拍内环控制组成，图2中：Uref为电压指令值；UPI为电压外环补偿输出；Ki1为电压环积分系数；UUO为电压环输出，作为电压模式下的调制波基础输出；Idc为直流系统电流采样值；Iref为直流系统电流指令值；IPI为电流外环补偿输出；1/s为积分环节；f为无差拍参数的标幺值；knob为无差拍系数；UIO为电流环输出，作为功率模式下的调制波基础输出。

其中，无差拍参数的标幺值计算见式（2）所示。

式中：L为桥臂电抗值；Unom、Inom分别为直流电压、直流电流标幺化的基准值；Tc为控制周期。

电压控制采用闭环PI控制，电压外环由电压指令前馈和电压反馈累加器组成。电压反馈可以通过快速更新数据来补偿因阻抗等原因造成的电压偏差，同时保证系统稳定性。

电池簇间SOC自均衡控制

第2级模块均衡控制的输出为各模块的调制波补偿量ΔUm。簇间SOC自均衡的思路是通过第2级模块均衡控制实时调整各簇电池对应模块的调制波，对电池实施差异化充放电。

充电时提高SOC小的电池的充电电流并降低SOC大的电池充电电流；同理放电时提高SOC大的电池的放电电流并降低SOC小的电池的放电电流。

进而最终达到各簇电池SOC逐渐趋于一致的效果，实现电池自均衡控制。在此基础上定义模块i的调制补偿量计算公式如式（3）所示。

式中：ΔUm(i)为模块i的调制波补偿量；ksoc为SOC均衡系数，为非负数；Si为第i簇电池的SOC，由BMS提供；Save为链式结构中各簇电池SOC的平均值；Isgn为电流方向标志位，为1时表示放电、为-1时表示充电。

各模块的调制波补偿量受到该簇电池SOC的偏移程度、系统功率方向、SOC均衡系数共3部分的影响，其中的SOC均衡系数的计算是第2级控制的核心部分。

模块调制波补偿量ΔUm的计算流程描述如下：

判断SOC自均衡启动条件。首先计算簇间SOC的最大值、最小值和平均值，将各簇电池SOC与平均值进行比较，当任一簇电池SOC与平均值的差值超过SOC均衡启动阈值时，启动簇间SOC自均衡控制。

电池簇的SOC均值可由式（4）计算。为了衡量簇间SOC偏移程度，定义簇间SOC峰谷差、SOC方差，分别由式（5）、式（6）计算。

式中：N为储能系统中电池簇数量以及功率模块数量；ΔS为SOC峰谷差；V(S)为SOC方差。

判断当前时刻电流方向。对当前直流系统电流和电流方向判断阈值进行滞环比较，得到电流方向标志位如式（7）所示。

式中：Isgn为电流方向标志位，为1时表示放电、为-1时表示充电；Idc为直流电流值；Ik1为电流方向判断阈值。

根据储能系统输出电压目标值和模块数量计算单模块输出电压目标值范围。

式中：Um，max、Um，min分别为输出电压目标值范围的上下限；Uref为储能系统输出电压目标值；α1、α2分别为输出电压上限系数和输出电压下限系数，一般分别取1.1和0.9；αUref表示储能系统需满足的输出电压可调范围，除以N表示平均到每个模块上的输出电压目标值范围。

综合考虑电池SOC偏差、模块电容电压值、直流系统电压控制裕度、模块电压可调范围，实时计算均衡系数ksoc。

如图3可见，由于SOC不均衡，导致电池电压不均衡以及各模块电容电压不均衡，存在最大模块电容电压Uc，max、最小模块电容电压Uc，min。

考虑受到最小脉宽限制的全桥变换电路调制比范围，各模块输出电压的可调范围上限为km，maxUc、下限值为km，minUc，其中，km，max、km，min分别为最大、最小输出调制比。

为了保证在输出电压目标值范围内任意电压目标值下的各模块均可控，要求各模块可调范围必须大于模块输出电压目标值范围。定义SOC自均衡控制的可调范围，即输出电压目标值范围以外的模块电压可调范围。综合考虑均衡速度以及系统安全性，定义模块最大安全调制余量。

式中：ΔU+为正方向最大安全调制余量；ΔU-为负方向最大安全调制余量。为了较快地均衡速度、保证模块安全、防止不可控充电，要求电容电压最小的模块在最大调制比的情况下大于输出电压目标值的上限。

同理，要求电容电压最大的模块在最小调制比的情况下小于输出电压目标值的下限，同理定义正、负方向SOC最大偏差为：

式中：ΔS+为正方向SOC偏差；ΔS-为负方向SOC偏差。

在正、负方向最大安全调制余量的基础上，引入正、负方向SOC最大偏差值计算正、负方向SOC均衡系数。结合图3可知，模块1电容电压最大、SOC最大，即模块1放电余量最大、充电余量最小；同理模块2电容电压最小、SOC最小，即充电余量越大、放电余量最小。

在Isgn=1的放电工况下，正方向SOC均衡系数的计算引入模块1的Smax定义为ΔU+/ΔS+，负方向SOC均衡系数计算时，由于此时km，minUc，max小于输出电压目标值下限，即在负方向最大调制余量的情况下只能进行可控充电。因此，对ΔU-取反来定义放电工况下的负方向SOC均衡系数为-ΔU-/ΔS-。

同样地，在Isgn=-1的充电工况下，负方向SOC均衡系数定义为ΔU-/ΔS+，由于此时正方向最大安全调制余量处只能进行可控放电，对ΔU+取反来定义充电工况下的正方向SOC均衡系数为-ΔU+/ΔS-。

在充放电工况下取正、负方向SOC均衡系数中较小值作为该工况下最终SOC均衡系数，具体定义如式（14）所示。

如式（3）所示，根据实时计算出的SOC均衡系数计算各个模块的调制波补偿量。SOC自均衡控制输出的各模块调制波补偿量，叠加上基础调制波上即可得到各模块的最终输出调制波。

因此，通过单独控制各模块的调制波，进而实现对电池充放电电流的分别控制，同时保证了自均衡控制前后的直流链式储能装置输出保持不变。

SOC自均衡控制计算框图如图4所示。

所提算法在时间复杂度和空间复杂度上均为O（n），随着储能系统电池数量规模增加，仍有较好的时间性能和内存空间性能。

实验验证

主控制器选用Zynq芯片，Zynq芯片是结合ARM处理器加现场可编程门阵列（fieldprogrammablegatearray，FPGA）为一体的架构。其中，ARM处理器主要完成以下功能：

与上位机进行通信，接收功率指令和电压指令等；与BMS进行通信，通过控制器局域网（controllerareanetwork，CAN）接收BMS信息；从FPGA读取系统采样信息，完成主要控制算法。

FPGA主要负责与单元板和模块控制器进行通信，获取模块控制器的状态和电气量采样数据，等待ARM处理器的读取。模块控制器的主要功能是将接收到的调制波输出转换为PWM信号，控制开关管的开通关断，进而控制电池簇的充放电电流。

基于实时数字仿真（realtimedigitalsimulator，RTDS）平台，搭建了硬件在环实时仿真系统来验证所提簇间SOC自均衡控制策略的有效性。

硬件在环实时仿真系统主要包含RTDS主机、控制器及接口开发板，可实现电力电子设备快速仿真模型的短步长仿真计算，模拟控制系统的计算精度、链路延时等带来的实际影响，实现对控制算法执行效果的准确验证。

利用硬件在环实时仿真系统设计了以下实验：在未投入SOC均衡控制的情况下，进行直流链式储能的充放电实验；在满功率放电的工况下，进行投入SOC均衡控制前后的对比实验；在投入SOC均衡控制的情况下进行满功率的充放电切换实验；充电状态下的均衡效果对比实验。

值得说明的是，SOC自均衡控制方法在电压模式和功率模式下并不存在原理区分，该方法只区分充电和放电工况，故选取功率模式对充电和放电两种工况进行实验验证。

在不投入SOC自均衡控制的情况下，进行一次满功率的充放电切换阶跃实验，选取SOC不一致的3簇电池绘制满功率切换下的波形图，在18s时刻进行一次满功率的充放电切换实验，此时功率指令由2MW改变为-2MW。

在Δt1=0.4s内正极直流电流由100A阶跃到-60A，再根据设定的爬坡速率爬坡至-100A。不投入SOC均衡控制的工况下，SOC间的不一致性不会缓解，此时的SOC峰谷差ΔS约为40。

电池继续以2MW的功率进行充电，直到电池充到电压截止上限，在不投入SOC自均衡的情况下，第1簇电池即SOC最高的电池会首先充电到电池运行电压上限，从而导致整个储能系统停运，可见SOC不均衡会严重限制储能系统容量的使用率。

为了验证簇间SOC自均衡控制策略的有效性，模拟SOC不一致性，第1簇、第2簇、第3~34簇电池起始时刻的SOC分别为69%、53%、60%，在此选取电池第1~3簇作为典型电池簇绘制波形图。

储能系统运行在放电功率为2MW的功率模式，在投入SOC均衡的前一时刻，此时第1簇、第2簇、第3~34簇的SOC分别为64%、48%、56%，此时SOC峰谷差为16，且各模块的调制波基本相同。

在16s时刻投入SOC均衡，实时计算出均衡系数约为0.028，此时SOC大于均值的电池簇1调制波增大，即放电电流增大；SOC小于均值的电池簇2调制波减小，即放电电流减小；约等于SOC均值的电池簇3调制波几乎不变。

该调制波的变化符合式（3）的理论，可以说明SOC均衡只改变电池簇间的差异化放电，并不改变母线传输功率。

经过30s的持续均衡控制，在第60s时第1簇，第2簇和其余电池簇的SOC分别为49.6%、42.4%、39.2%，均衡期间SOC峰谷差逐渐减小到10.4。在该工况下持续放电1min后SOC变化如图5所示。

在SOC均衡投入的情况下持续放电近2min后，最终各电池簇的SOC均为10.5%左右，达到均衡状态。

由图6可见，3种方法均可以降低电池簇SOC不均衡程度，基于排序的SOC均衡控制方法均衡效率较优，但是本文设置的实验条件为6簇电池中有1簇可用于投切，在实际运行中考虑到成本问题很难达到如此高的可投切比例，实际均衡效果会被进一步削弱。

SOC恒定均衡系数控制的均衡效果与均衡系数的选择相关，为了达到较好的均衡效果，需要预先通过仿真选择一个合理的均衡系数。而SOC自均衡控制能够在不同的工况自适应调整均衡系数，无需额外的冗余电池成本，均衡效果较好。

结语

对直流链式储能的簇间SOC均衡问题进行研究后，分析了直流链式储能在功率模式和电压模式工况下的控制策略，在此基础上提出了一种综合考虑SOC偏差、各模块电容电压值、直流系统电压控制裕度以及输出调制比上下限的控制参数自适应的SOC自均衡控制策略。

通过RTDS实验得出的结论如下：所提电池簇间SOC均衡策略能够单独调整每个功率模块的调制波来控制各电池簇的充放电电流，通过电池簇差异化充放电实现SOC自适应均衡控制，最终达到SOC均衡。

该策略在不改变直流链式储能系统总功率的同时，实现了SOC均衡参数控制自适应，根据采样结果每控制周期实时计算，均衡效率较高。

在SOC计算时采用了相同的额定容量，当储能系统各子模块上的电池健康状态差异较大时，均衡效果将有所局限，解决了储能系统中最先达到充电上限或放电下限的电池是制约储能系统可用容量的关键问题。