丁 超，裘 鵬，馬萬慶，張文超，王 星

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.杭州模儲科技有限公司，杭州 311000；3.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830046）

0 引言

動力電池性能會隨著充放電次數(shù)的增加而衰減，當(dāng)電池容量衰減至額定容量的80%以下時就不適于應(yīng)用在電動汽車上。梯次利用是指將退役的動力電池，運用在儲能領(lǐng)域[1]，發(fā)揮再利用價值[2]。但是，梯次利用的鋰電池在重組時電池參數(shù)不一致性，會造成電池失效存在安全隱患，進而影響退役動力電池梯次利用的價值。基于MMC（模塊化多電平換流器）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電池儲能技術(shù)將電池模組分散于子模塊，實現(xiàn)各電池模組獨立控制。但是不同規(guī)格的電池接入同一橋臂的子模塊中，在儲能系統(tǒng)運行的過程中，易造成相內(nèi)不均衡問題，使儲能系統(tǒng)效率降低、輸出電能諧波含量增加、故障率增加，因此研究基于SOC（荷電狀態(tài)）的相內(nèi)均衡控制策略對退役動力電池梯次儲能具有很大的實用意義[3]。

文獻(xiàn)[4]針對MMC-BESS（電池儲能系統(tǒng)），提出了三級SOC 均衡控制策略，針對相間均衡、上下橋臂間均衡和子模塊間均衡分別采用不同的控制策略完成整個系統(tǒng)的SOC 均衡。文獻(xiàn)[5]針對電池儲能平滑近?？稍偕茉窗l(fā)電輸出功率波動，考慮電池的荷電狀態(tài)，提出了在防止電池過充過放的同時盡可能保持系統(tǒng)輸出功率平穩(wěn)的協(xié)調(diào)控制策略。文獻(xiàn)[6]針對H 橋級聯(lián)型儲能功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通過控制載波實現(xiàn)相內(nèi)電池單元SOC 的均衡調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[7]提出一種集散式電池均衡管理系統(tǒng)，該控制策略通過增加額外的電池模組均衡控制裝置來實現(xiàn)均衡，增加了硬件成本和控制的復(fù)雜性。文獻(xiàn)[8]針對BESS 的SOC 超出安全運行范圍這一問題，提出一種通過基于瞬時功率的變斜率下垂控制SOC 均衡控制策略。上述文獻(xiàn)提出的SOC均衡控制策略都是針對特點場景和特定應(yīng)用對象，對于MMHC 儲能系統(tǒng)的相內(nèi)SOC 均衡控制國內(nèi)外文獻(xiàn)研究較少，因此研究MMHC 儲能系統(tǒng)的相內(nèi)SOC 均衡控制具有一定的工程應(yīng)用價值。

本文以電池端電壓為基礎(chǔ)近似估算電池SOC，采用SOC 分層決策的方法來進行相內(nèi)均衡控制。本方法易于工程實現(xiàn)，對SOC 的估算轉(zhuǎn)換為對電池端電壓的采集，采用SOC 分層決策來彌補SOC 估算不準(zhǔn)確的缺點。

1 MMHC 儲能變換器

參考文獻(xiàn)[9]中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出MMHC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。它由3 個橋臂構(gòu)成，每個橋臂有N 個SM（子模塊）和一個H 橋。并網(wǎng)濾波器采用三相電抗濾波器。與傳統(tǒng)的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比該拓?fù)錅p少了三個橋臂，即減少了一半的SM，簡化了系統(tǒng)，降低了控制的復(fù)雜性。其工作原理如圖2 所示。

圖1 MMHC 儲能變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 SM 級聯(lián)輸出電壓波形和H 橋輸出電壓波形示意

2 SOC 相內(nèi)均衡控制

本文中每個橋臂設(shè)定為N 個SM，采用載波移相的調(diào)制方式對橋臂中的子模塊調(diào)制輸出多電平。參考文獻(xiàn)[10-11]中并網(wǎng)逆變器的分析方法，對A 相進行簡化，如圖3 所示。由此可得MMHC儲能變換器一相的數(shù)學(xué)模型如式（1）所示。儲能變化器工況主要為并網(wǎng)放電和從電網(wǎng)吸收電能存儲。電網(wǎng)電壓ea、并網(wǎng)電感的電壓uLs、A 相橋臂的輸出的電壓uda三者之間的矢量關(guān)系如圖4 所示。儲能變換器從電網(wǎng)中吸收電能存儲在電池中時，充電電流與放電電流相反，故電感電壓與放電時的相反。

圖3 A 相簡化等效電路

圖4 充放電矢量圖

三相電網(wǎng)中A 相的電壓為：

式中：Um為電壓有效值。

根據(jù)式（1）和式（2）分析可得，此時儲能變換器A 相橋臂輸出的電壓uda與電網(wǎng)A 為相電壓頻率相同，幅值和相角不同的正弦量。電壓uda是調(diào)制波的參考量。每一相橋臂需要N 個載波，則移相角為2π/N。若不考慮SOC，則每個子模塊的輸出平均電壓為：

式中：uax為A 相橋臂每個子模塊輸出的平均電壓。

考慮N 個電池模組電壓的實時值，并對其求和后求平均值可得：

式中：uax_act為A 相橋臂第x 個電池模組電壓的實時值。

根據(jù)式（3）和式（4），在不考慮SOC 的情況下，A 相橋臂中N 個SM 工作時的占空比為：

式中：Dave為A 相橋臂N 個子模塊占空比。

對電池模組SOC 的估算有卡爾曼濾波法[12]、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[13]、安時積分法[14]等，不論何種方法，都無法完全精確的估算出電池模組的SOC?？紤]到上述問題，本文采用端電壓的方法來估算SOC，并將SOC 分層控制。以此來避免因SOC 估算不準(zhǔn)造成電池過充過放的情況發(fā)生。電池SOC的估算如式（6）所示：

式中：Vx為第x 個電池模組的實時電壓；Vxmax為第x 個電池模組的最大電壓；Vxmin為第x 個電池模組的最小電壓。

將SOC 劃分為三個層，分別為過放區(qū)，可充放區(qū)，過充區(qū)。如圖5 所示。當(dāng)電池模組SOC 處于過充區(qū)時，該SM 不能繼續(xù)給電池模組充電只能放電；當(dāng)電池模組處于過放區(qū)時，該電池模組不能繼續(xù)放電，只能充電。

圖5 SOC 分層示意圖

對A 相橋臂中的N 個SM 的電池模組SOC求和后并求其平均值如式（7）所示：

考慮電池模組SOC 及圖5 的分層策略，對式（5）進行修正，并考慮其充電和放電兩種工況，最終確定充電時第x 個SM 的占空比如式（8）所示。放電時第x 個SM 的占空比如式（9）所示。

式中：Dx為第x 個子模塊占空比；Kx為第x 個子模塊的加權(quán)因子。

加權(quán)因子Kx分為電池模組充電和電池模組放電兩種情況來討論。

當(dāng)電池模組充電時：

當(dāng)電池模組放電時：

根據(jù)上述分析其相內(nèi)均衡控制框圖如圖6 所示。充電過程中，當(dāng)電池模組的端電壓接近最大值時，停止充電，放電過程中，當(dāng)電池模組的端電壓接近最小值時，停止放電。

圖6 相內(nèi)均衡控制框圖

3 算法驗證

在Simulink 中搭建仿真模型進行仿真驗證，選擇橋臂中的3 個SM，設(shè)置初始SOC 值分別為0.5，0.6 和0.7。MMHC 儲能變換器在放電時，并網(wǎng)電流波形如圖7 所示，SOC 變化曲線如圖8 所示。從SOC 變化曲線可以得出采用本文提出的控制策略可實現(xiàn)SOC 均衡控制。

圖7 采用SOC 均衡時，并網(wǎng)三相電流

圖8 放電時，SOC 變化曲線

按照文中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建100 kW 的實驗平臺如圖9 所示。該儲能變換器由電池模組和多電平PCS（儲能變換器）組成，每相中有10 個子模塊級聯(lián)形成一個橋臂。采用文中提出的SOC 相內(nèi)均衡控制算法進行控制。編寫上位機軟件，將采集到的模擬量信號上傳到上位機界面顯示。

圖9 實驗平臺

將W 相中第6 個電池模組更換為與其余電池模組不同電壓的電池包，采集的電壓數(shù)據(jù)如表1 所示。此時通過示波器觀察W 相W5，W6 兩個子模塊電池充放電電壓、電流波形如圖10 和圖11 所示。

表1 W 相各電池模組信息

圖10、圖11 中波形分別為H 橋輸出電壓W相、V 相電壓，W 相電網(wǎng)電流，子模塊W5 對應(yīng)電池電流和子模塊W6 對應(yīng)電池電流波形。

圖10 W6=47.76 V 時，子模塊W5，W6 對應(yīng)電池放電電壓、電流波形

圖11 W6=58.15 V 時，子模塊W5，W6 對應(yīng)電池充電電壓、電流波形

根據(jù)圖10、圖11 得出電池模組W6 電壓（SOC）偏低時，放電時子模塊W6 對應(yīng)電池放電電流比子模塊W5 對應(yīng)電池放電電流??；充電時子模塊W6 對應(yīng)電池放電電流比子模塊W5 對應(yīng)電池放電電流大。

4 結(jié)語

針對MMHC 儲能變換器并網(wǎng)控制提出一種相內(nèi)均衡控制算法，并搭建實驗平臺驗證了其可行性。該相內(nèi)均衡控制算法以電池模組的電壓為基礎(chǔ)，間接估算出電池模組的SOC，并充分考慮SOC 的估算的誤差，采用SOC 分層控制的方法彌補其估算的不精確性，減少電池模組過充過放的危害。