張文昕，趙志勇，于華龍，王繼慷，趙志芳，韓 峰

（北京四方繼保自動化股份有限公司，北京市 100085）

0 引言

隨著“碳達峰·碳中和”目標的提出，直流微電網(wǎng)因其無須考慮無功功率、諧波電流、交直流轉(zhuǎn)換損耗的優(yōu)勢，逐漸成為目前的研究熱點［1-2］。其中，儲能技術(shù)憑借其可以有效解決可再生能源發(fā)電的間歇性、波動性問題以及提高電網(wǎng)可再生能源消納能力的優(yōu)勢，逐漸成為智能電網(wǎng)發(fā)展過程中的重要環(huán)節(jié)［3-4］。

電池儲能系統(tǒng)（battery energy storage system，BESS）具有功率密度高、響應(yīng)速度快、安裝方便等優(yōu)點［5］，近年來得到了快速發(fā)展。其中的儲能變換器［6］更是儲能系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分。鏈式變換器（cascaded H-bridge converter，CHBC）將電池分散接入各級聯(lián)全橋子模塊的直流側(cè)，解決了電池間的環(huán)流問題。同時，鏈式變換器可以省去工頻變壓器，直接接入中高壓電網(wǎng)，目前已經(jīng)獲得了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注［7-8］。由于制造工藝等因素導致電池單體的容量、內(nèi)阻、自放電率等內(nèi)部特征存在差異［9］，電池單體通過串、并聯(lián)成簇后，這種初始差異被進一步放大。電池簇差異在儲能系統(tǒng)運行中表現(xiàn)出荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）不均衡。儲能系統(tǒng)中最先達到充電上限或放電下限的電池是制約儲能系統(tǒng)可用容量的關(guān)鍵因素［10-11］。

針對電池SOC 不均衡問題，以往的研究根據(jù)均衡電路的拓撲結(jié)構(gòu)可以大致分為兩類：能量耗散型電路和非耗散型電路［12］。能量耗散型電路中，文獻［13］通過開關(guān)將電阻并聯(lián)在電池單體兩端構(gòu)成均衡電路，以熱形式消耗電壓較高的電池單體的電能。該方法控制簡單、易于實施，但此類拓撲結(jié)構(gòu)會導致電能浪費，同時電阻發(fā)熱可能會影響系統(tǒng)運行。

非耗散型電路中，通過轉(zhuǎn)移電池能量來減小電池SOC 不均衡，一般又可大致分為電容、電感、變壓器、變換器4 類均衡拓撲結(jié)構(gòu)。文獻［14］基于電容均衡拓撲，利用電容的儲能特性，根據(jù)電池壓差控制開關(guān)選通從而實現(xiàn)電池之間的能量流動。電容均衡拓撲易于實現(xiàn)、可靠性高，但更適用于對均衡精度要求不高的場合。文獻［15］基于電感均衡拓撲，利用電感電流不能突變的特性，以電流的形式轉(zhuǎn)移相鄰電池單體的能量。由于該均衡拓撲對相鄰電池單體的壓差要求小，更適用于在充放電末端變化快的電池體系。文獻［16］基于變壓器均衡拓撲將電池組的部分能量儲存在變壓器繞組中，通過互感傳遞到另一繞組，通過選控開關(guān)使能量轉(zhuǎn)移到需要均衡的電池組中。該均衡拓撲均衡速度快，但變壓器繞組的存在增加了電路成本和體積。

變換器的均衡拓撲性能好、集成度高，是目前非耗散型均衡拓撲的主要發(fā)展方向之一。文獻［17］基于高壓直流直掛儲能裝置，提出一種子模塊SOC 排序的改進型最近電平逼近調(diào)制策略，方法簡單易于實現(xiàn)，但對模塊數(shù)量敏感。文獻［18-19］基于全橋變換器研究了線路阻抗和公共阻抗導致的SOC 不均衡，并提出均衡控制策略，減少了阻抗對電流負荷分配的影響，實現(xiàn)了儲能單元SOC 自動均衡。文獻［20-22］針對交流鏈式儲能，提出注入零序電壓或負序電壓的復合SOC 均衡控制策略，通過改變相內(nèi)各儲能單元的調(diào)制信號來實現(xiàn)相間或相內(nèi)SOC 均衡。但是，以往的研究仍存在以下局限性：1）固定SOC均衡參數(shù)的方法過于依賴輸入?yún)?shù)的人為選擇，不能跟隨儲能系統(tǒng)當前運行工況進行調(diào)節(jié)，應(yīng)用場景有限；2）均衡策略的時間復雜度較高，需要更多的計算時間和運行內(nèi)存，實時性不足。

針對以上弊端，本文以直流鏈式儲能系統(tǒng)（cascaded H-bridge converter-battery energy storage system，CHBC-BESS）為研究對象，在分析鏈式結(jié)構(gòu)拓撲的基礎(chǔ)上，研究CHBC-BESS 的控制策略。同時，提出了一種綜合考慮電池SOC 偏差、模塊電容電壓、直流系統(tǒng)電壓控制裕度以及輸出調(diào)制比上下限的SOC 自均衡控制策略。該策略每個控制周期進行一次SOC 均衡系數(shù)計算，能夠?qū)崿F(xiàn)控制參數(shù)實時自適應(yīng)。首先，本文分析CHBC-BESS 拓撲結(jié)構(gòu)；然后，研究CHBC-BESS 的整體控制系統(tǒng)與控制策略；接著，研究簇間電池SOC 自均衡控制策略；最后，分別在硬件在環(huán)實時仿真系統(tǒng)和實機裝置上進行實驗，驗證了本文所提均衡策略的有效性。

1 基于鏈式結(jié)構(gòu)的直流BESS

CHBC-BESS 主電路圖如圖1 所示。鏈式儲能變換器由N個非隔離型DC-DC 模塊串聯(lián)構(gòu)成，通過濾波電抗直接接入直流系統(tǒng)中。在該拓撲結(jié)構(gòu)下，多個電池組串聯(lián)形成電池簇，各簇電池在直流端無須直接連接，而是分散連接在對應(yīng)功率模塊的電容側(cè)［7］。

圖1 CHBC-BESS 主電路拓撲Fig.1 Topology of main circuit of CHBC-BESS

功率模塊由全橋變換電路及其驅(qū)動電路、母線電容、直流熔斷器、旁路開關(guān)和電池側(cè)預(yù)充電裝置組成。其中的旁路開關(guān)可以隔離故障的功率模塊，避免儲能系統(tǒng)因單一模塊故障導致整個系統(tǒng)停運，提高系統(tǒng)可靠性。電池預(yù)充回路能夠在系統(tǒng)冷啟動的時候降低電容充電電流，保護功率模塊內(nèi)的元件不會因瞬時電流而擊穿損壞。該拓撲結(jié)構(gòu)下，各簇電池分散在各子模塊中，只須保證各模塊一一對應(yīng)的電池簇之間的SOC 均衡即可，無須保證整套系統(tǒng)的每塊電池單體SOC 嚴格均衡，減少了需要管理的電芯數(shù)量［21］。

全橋變換電路在實際運行時分為升壓模式和降壓模式［6］，當功率由電池流向直流母線時，模塊在降壓模式下運行；當功率由直流母線流向電池時，模塊在升壓模式下運行。對于全橋變換電路，本文采用脈寬調(diào)制（pulse-width modulation，PWM）方式，定義調(diào)制比為調(diào)制波幅值與三角載波幅值之比。

該拓撲結(jié)構(gòu)下，級聯(lián)的功率模塊數(shù)量N主要取決于電池簇的輸出電壓UB和直流系統(tǒng)電壓Udc。當各簇電池電壓之和低于直流系統(tǒng)電壓時，直流母線會通過功率模塊對電池進行不可控充電。因此，電池最小運行電壓需大于直流系統(tǒng)電壓。綜合考慮直流系統(tǒng)電壓裕度、調(diào)制比、電池最小運行電壓等因素，計算鏈式結(jié)構(gòu)中模塊數(shù)量如式（1）所示。

式中：kv為直流母線電壓裕度；km，max為最大調(diào)制比；UB，min為電池最低運行電壓；■·■ 表示向上取整；Nrd為模塊冗余數(shù)量。

2 CHBC-BESS 的整體控制

2.1 整體控制系統(tǒng)

CHBC-BESS 的控制系統(tǒng)由監(jiān)控層、主控層和模塊控制層構(gòu)成。整體控制系統(tǒng)示意圖如附錄A圖A1 所示。圖中：監(jiān)控層由監(jiān)控系統(tǒng)組成，主要負責系統(tǒng)電氣量和電池狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集以及分合閘控制；主控層由一臺主控制器構(gòu)成，主要負責控制算法以及下發(fā)控制命令，同時接收由電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）采集的電池信息；模塊控制層由N套模塊控制器構(gòu)成，每個功率模塊均對應(yīng)一套模塊控制器，接收主控制器的控制命令并控制模塊內(nèi)的開關(guān)分合以及開關(guān)管的開通關(guān)斷，即每簇電池對應(yīng)的模塊可以受控制器單獨控制獨立調(diào)節(jié)。模塊控制器能夠獨立接收主控制器不同的控制命令是實現(xiàn)本文所提SOC 自均衡控制策略的通信基礎(chǔ)。

2.2 整體控制策略

根據(jù)不同應(yīng)用場景下的需求，CHBC-BESS 可以在功率控制模式（power control mode，PCM）和電壓控制模式（voltage control mode，VCM）之間進行靈活切換［22］。在PCM 下，主控制器根據(jù)功率指令對電池簇的充放電功率進行閉環(huán)控制，通過調(diào)整各功率模塊的調(diào)制波實現(xiàn)對各電池簇充放電功率的控制。在VCM 下，主控制器根據(jù)電壓指令穩(wěn)定直流鏈式儲能的電壓值，為直流母線提供電壓支撐。

考慮CHBC-BESS 在各模式下的電池均衡需求，本文采取分級控制策略。第1 級控制為當前運行模式的基礎(chǔ)控制，輸出該模式下的基礎(chǔ)調(diào)制波；第2 級控制為各模塊的均衡控制，輸出該模塊的調(diào)制波補償量ΔUm。兩級控制的輸出經(jīng)疊加，即基礎(chǔ)調(diào)制波疊加模塊調(diào)制波補償量最終得到各模塊的調(diào)制波總輸出。本節(jié)主要介紹第1 級基礎(chǔ)控制，第2 級模塊均衡控制中ΔUm的具體計算方法將在下一章詳述。

CHBC-BESS 分級控制框圖如圖2 所示。

圖2 CHBC-BESS 分級控制框圖Fig.2 Hierarchical control block diagram of CHBC-BESS

功率控制采用無差拍控制，由電流外環(huán)比例-積分（proportional-integral，PI）控制和無差拍內(nèi)環(huán)控制組成。圖2 中：Uref為電壓指令值；UPI為電壓外環(huán)補償輸出；Ki1為電壓環(huán)積分系數(shù)；UUO為電壓環(huán)輸出，作為電壓模式下的調(diào)制波基礎(chǔ)輸出；Idc為直流系統(tǒng)電流采樣值；Iref為直流系統(tǒng)電流指令值；IPI為電流外環(huán)補償輸出；1/s為積分環(huán)節(jié)；f為無差拍參數(shù)的標幺值；knob為無差拍系數(shù)；UIO為電流環(huán)輸出，作為功率模式下的調(diào)制波基礎(chǔ)輸出。其中，無差拍參數(shù)的標幺值計算如式（2）所示。

式中：L為橋臂電抗值；Unom、Inom分別為直流電壓、直流電流標幺化的基準值；Tc為控制周期。

電壓控制采用閉環(huán)PI 控制，電壓外環(huán)由電壓指令前饋和電壓反饋累加器組成。電壓反饋可以通過快速更新數(shù)據(jù)來補償因阻抗等原因造成的電壓偏差，同時保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3 電池簇間SOC 自均衡控制

第2 級模塊均衡控制的輸出為各模塊的調(diào)制波補償量ΔUm。簇間SOC 自均衡的思路是通過第2級模塊均衡控制實時調(diào)整各簇電池對應(yīng)模塊的調(diào)制波，對電池實施差異化充放電。充電時提高SOC 小的電池的充電電流，并降低SOC 大的電池充電電流；同理，放電時提高SOC 大的電池的放電電流，并降低SOC 小的電池的放電電流，從而達到各簇電池SOC 逐漸趨于一致的效果，實現(xiàn)電池自均衡控制。

在此基礎(chǔ)上定義模塊i的調(diào)制補償量計算公式如式（3）所示。各模塊的調(diào)制波補償量受到該簇電池SOC 的偏移程度、系統(tǒng)功率方向、SOC 均衡系數(shù)共3 部分的影響，其中的SOC 均衡系數(shù)的計算是第2 級控制的核心部分。

式中：ΔUm(i)為模塊i的調(diào)制波補償量；ksoc為SOC均衡系數(shù)，為非負數(shù)；Si為第i簇電池的SOC，由BMS 提供；Save為鏈式結(jié)構(gòu)中各簇電池SOC 的平均值；Isgn為電流方向標志位，為1 時表示放電、為-1時表示充電。

模塊調(diào)制波補償量ΔUm的計算流程描述如下：

1）判斷SOC 自均衡啟動條件。首先，計算簇間SOC 的最大值Smax、最小值Smin和平均值Save，將各簇電池SOC 與平均值進行比較，當任一簇電池SOC 與平均值的差值超過SOC 均衡啟動閾值時，啟動簇間SOC 自均衡控制。

電池簇的SOC 均值可由式（4）計算。為了衡量簇間SOC 偏移程度，定義簇間SOC 峰谷差、SOC 方差，分別由式（5）、式（6）計算。

式中：N為BESS 中電池簇數(shù)量以及功率模塊數(shù)量；ΔS為SOC 峰谷差；V(S)為SOC 方差。

2）判斷當前時刻電流方向。對當前直流系統(tǒng)電流和電流方向判斷閾值進行滯環(huán)比較，得到電流方向標志位如式（7）所示。

式中：Ik1為電流方向判斷閾值。

3）根據(jù)儲能系統(tǒng)輸出電壓目標值和模塊數(shù)量計算單模塊輸出電壓目標值范圍。

式中：Um，max、Um，min分別為輸出電壓目標值范圍的上、下限；α1、α2分別為輸出電壓上限系數(shù)和輸出電壓下限系數(shù)，一般分別取1.1 和0.9；αUref表示儲能系統(tǒng)需滿足的輸出電壓可調(diào)范圍，除以N表示平均到每個模塊上的輸出電壓目標值范圍。

4）綜合考慮電池SOC 偏差、模塊電容電壓值、直流系統(tǒng)電壓控制裕度、模塊電壓可調(diào)范圍，實時計算均衡系數(shù)ksoc。由于SOC 不均衡，導致電池電壓不均衡以及各模塊電容電壓不均衡，存在最大模塊電容電壓Uc，max、最小模塊電容電壓Uc，min?？紤]受到最小脈寬限制的全橋變換電路調(diào)制比范圍，各模塊輸出電壓的可調(diào)范圍上限為km，maxUc、下限值為km，minUc，其中，km，max、km，min分別為最大、最小輸出調(diào)制比。

為了保證在輸出電壓目標值范圍內(nèi)任意電壓目標值下的各模塊均可控，要求各模塊可調(diào)范圍必須大于模塊輸出電壓目標值范圍。定義SOC 自均衡控制的可調(diào)范圍，即輸出電壓目標值范圍以外的模塊電壓可調(diào)范圍。綜合考慮均衡速度以及系統(tǒng)安全性，定義模塊最大安全調(diào)制余量。

式中：ΔU+為正方向最大安全調(diào)制余量；ΔU-為負方向最大安全調(diào)制余量。為了較快地均衡速度、保證模塊安全、防止不可控充電，要求電容電壓最小的模塊在最大調(diào)制比的情況下大于輸出電壓目標值的上限。

同理，要求電容電壓最大的模塊在最小調(diào)制比的情況下小于輸出電壓目標值的下限。定義正、負方向SOC 最大偏差為：

式中：ΔS+為正方向SOC 偏差；ΔS-為負方向SOC偏差。

在正、負方向最大安全調(diào)制余量的基礎(chǔ)上，引入正、負方向SOC 最大偏差值計算正、負方向SOC 均衡系數(shù)。例如，模塊1 電容電壓最大、SOC 最大，即模塊1 放電余量最大、充電余量最??；同理模塊2 電容電壓最小、SOC 最小，即充電余量越大、放電余量最小。在Isgn=1 的放電工況下，正方向SOC 均衡系數(shù)的計算引入模塊1 的Smax定義為ΔU+/ΔS+。負方向SOC 均衡系數(shù)計算時，由于此時km，minUc，max小于輸出電壓目標值下限，即在負方向最大調(diào)制余量的情況下只能進行可控充電。因此，對ΔU-取反來定義放電工況下的負方向SOC 均衡系數(shù)為-ΔU-/ΔS-。同樣地，在Isgn=-1 的充電工況下，負方向SOC 均衡系數(shù)定義為ΔU-/ΔS+。由于此時正方向最大安全調(diào)制余量處只能進行可控放電，對ΔU+取反來定義充電工況下的正方向SOC 均衡系數(shù)為-ΔU+/ΔS-。

在充放電工況下，取正、負方向SOC 均衡系數(shù)中較小值作為該工況下最終SOC 均衡系數(shù)，具體定義如式（14）所示。

5）如式（3）所示，根據(jù)實時計算出的SOC 均衡系數(shù)計算各個模塊的調(diào)制波補償量。

SOC 自均衡控制輸出的各模塊調(diào)制波補償量，疊加上基礎(chǔ)調(diào)制波即可得到各模塊的最終輸出調(diào)制波。因此，通過單獨控制各模塊的調(diào)制波，進而實現(xiàn)對電池充放電電流的分別控制，同時保證了自均衡控制前后的直流鏈式儲能裝置輸出保持不變。SOC 自均衡控制計算框圖如圖3 所示。

圖3 SOC 自均衡控制計算框圖Fig.3 Calculation block diagram of SOC self-equalizing control

本文所提算法在時間復雜度和空間復雜度上均為O（n）。隨著儲能系統(tǒng)電池數(shù)量規(guī)模增加，仍有較好的時間性能和內(nèi)存空間性能。

4 實驗驗證

4.1 裝置參數(shù)

儲能系統(tǒng)選用磷酸鐵鋰電池，裝置主要參數(shù)見附錄A 表A1。主控制器選用Zynq 芯片，Zynq 芯片是結(jié)合ARM 處理器與現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）為一體的架構(gòu)。其中，ARM 處理器主要完成以下功能：1）與上位機進行通信，接收功率指令和電壓指令等；2）與BMS 進行通信，通過控制器局域網(wǎng)（controller area network，CAN）接收BMS 信息；3）從FPGA 讀取系統(tǒng)采樣信息，完成主要控制算法。FPGA 主要負責與單元板和模塊控制器進行通信，獲取模塊控制器的狀態(tài)和電氣量采樣數(shù)據(jù)，等待ARM 處理器的讀取。模塊控制器的主要功能是將接收到的調(diào)制波轉(zhuǎn)換輸出為PWM 信號，控制開關(guān)管的開通關(guān)斷，進而控制電池簇的充放電電流。

4.2 實驗驗證

基于實時數(shù)字仿真（real-time digital simulator，RTDS）平臺，搭建了硬件在環(huán)實時仿真系統(tǒng)來驗證所提簇間SOC 自均衡控制策略的有效性。硬件在環(huán)實時仿真系統(tǒng)主要包含RTDS 主機、控制器及接口開發(fā)板，可實現(xiàn)電力電子設(shè)備快速仿真模型的短步長仿真計算，模擬控制系統(tǒng)的計算精度、鏈路延時等帶來的實際影響，實現(xiàn)對控制算法執(zhí)行效果的準確驗證。

利用硬件在環(huán)實時仿真系統(tǒng)設(shè)計了以下實驗：1）在未投入SOC 均衡控制的情況下，進行直流鏈式儲能的充放電實驗；2）在滿功率放電的工況下，進行投入SOC 均衡控制前后的對比實驗；3）在投入SOC 均衡控制的情況下，進行滿功率的充放電切換實驗；4）充電狀態(tài)下的均衡效果對比實驗。

值得說明的是，本文所提的SOC 自均衡控制方法在電壓模式和功率模式下并不存在原理區(qū)分，該方法只區(qū)分充電和放電工況。因此，選取功率模式對充電和放電兩種工況進行實驗驗證。

4.2.1 未投入SOC 均衡控制的充放電實驗

在不投入SOC 自均衡控制的情況下，進行一次滿功率的充放電切換階躍實驗。選取SOC 不一致的3 簇電池繪制滿功率切換下的波形圖，波形圖見附錄A 圖A2。由圖A2（a）可見，在18 s 時刻進行一次滿功率的充放電切換實驗。此時，功率指令由2 MW 改變?yōu)?2 MW。在Δt1=0.4 s 內(nèi)正極直流電流由100 A 階躍到-60 A，再根據(jù)設(shè)定的爬坡速率爬坡至-100 A。由圖A2（b）可見，不投入SOC均衡控制的工況下，SOC 間的不一致性不會緩解，此時的SOC 峰谷差ΔS約為40%。

電池繼續(xù)以2 MW 的功率進行充電，直到電池充到電壓截止上限，繪制儲能系統(tǒng)停運波形如附錄A 圖A3 所示。在不投入SOC 自均衡的情況下，第1簇電池即SOC 最高的電池會首先充電到電池運行電壓上限，從而導致整個儲能系統(tǒng)停運，可見SOC不均衡會嚴重限制儲能系統(tǒng)容量的使用率。

4.2.2 SOC 自均衡實驗

為了驗證簇間SOC 自均衡控制策略的有效性，模擬SOC 不一致性，第1 簇、第2 簇、第3—34 簇電池起始時刻的SOC 分別為69%、53%、60%，在此選取電池第1—3 簇作為典型電池簇繪制波形圖。儲能系統(tǒng)運行在放電功率為2 MW 的功率模式，第16 s 時，投入SOC 自均衡控制。繪制SOC 均衡投入前后波形圖見附錄A 圖A4。

在投入SOC 均衡的前一時刻，第1 簇、第2 簇、第3—34 簇的SOC 分別為64%、48%、56%，此時SOC 峰谷差為16，且各模塊的調(diào)制波基本相同。在16 s 時刻投入SOC 均衡，實時計算出均衡系數(shù)約為0.028，此時SOC 大于均值的電池簇1 調(diào)制波增大，即放電電流增大；SOC 小于均值的電池簇2 調(diào)制波減小，即放電電流減小；約等于SOC 均值的電池簇3調(diào)制波幾乎不變。該調(diào)制波的變化符合式（3）的理論。附錄A 圖A4（a）中，均衡投入前后直流母線電流幾乎沒有變化，可以說明SOC 均衡只改變電池簇間的差異化放電，并不改變母線傳輸功率。由圖A4（b）可見，經(jīng)過30 s 的持續(xù)均衡控制，在第60 s 時第1 簇，第2 簇和其余電池簇的SOC 分別為49.6%、42.4%、39.2%，均衡期間SOC 峰谷差逐漸減小到10.4%。在該工況下持續(xù)放電1 min 后的SOC 變化如圖4 所示。

圖4 放電狀態(tài)下的SOC 均衡過程Fig.4 SOC equalizing process in discharging state

在SOC 均衡投入的情況下持續(xù)放電近2 min后，最終各電池簇的SOC 均為10.5%左右，達到均衡狀態(tài)。

為驗證本文所提策略在滿功率充放電切換的極端工況下的有效性，設(shè)計實驗改變功率指令由2 MW 變?yōu)?2 MW，即從2 MW 放電階躍到2 MW充電，繪制波形圖見附錄A 圖A5。由圖A5（b）可見，峰谷差ΔS由21.7%降低為19.3%，再進一步降低至17.3%。對比圖A5（b）、（c）可見，當前放電狀態(tài)下，SOC1＞SOC3＞SOC2，此時模塊1 的調(diào)制波最大、模塊2 的調(diào)制波最小。在發(fā)生充換電狀態(tài)改變時，調(diào)制波也發(fā)生改變。階躍到充電狀態(tài)下時，模塊1 調(diào)制波最小而模塊2 的調(diào)制波最大。可以簡要總結(jié)為SOC 大的電池少充多放、SOC 小的電池多充少放。因此，認為本文所提均衡策略在充電狀態(tài)、放電狀態(tài)以及充放電快速轉(zhuǎn)換的極端工況下均能穩(wěn)定實現(xiàn)SOC 的自均衡控制。

可見，本文提出的簇間SOC 自均衡控制無論在充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)均能達到較好的均衡效果，使簇間SOC 趨于一致，且不會改變系統(tǒng)總功率，僅改變功率在電池簇之間的分配。

4.2.3 均衡效果對比實驗

本節(jié)對比SOC 自均衡控制、SOC 恒定均衡系數(shù)控制、基于排序算法SOC 均衡控制的均衡效果。在充電工況下，設(shè)置電池簇SOC 初始值分別為50%、52%、54%、56%、58%、60%，SOC 恒定均衡1和SOC 恒定均衡2 的系數(shù)分別取0.01、0.02，均衡過程的電池簇SOC 方差見圖5。

圖5 充電狀態(tài)下電池簇SOC 方差圖Fig.5 SOC variance diagram of battery cluster in charging state

由圖5 可見，3 種方法均可以降低電池簇SOC不均衡程度?；谂判虻腟OC 均衡控制方法均衡效率較優(yōu)，但是本文設(shè)置的實驗條件為6 簇電池中有1 簇可用于投切，在實際運行中考慮到成本問題很難達到如此高的可投切比例，實際均衡效果會被進一步削弱［17］。SOC 恒定均衡系數(shù)控制的均衡效果與均衡系數(shù)的選擇相關(guān)，為了達到較好的均衡效果，需要預(yù)先通過仿真選擇一個合理的均衡系數(shù)。而SOC 自均衡控制能夠在不同的工況自適應(yīng)調(diào)整均衡系數(shù)，無需額外的冗余電池成本，均衡效果較好。

4.3 實機裝置

本文所提的SOC 自均衡策略已經(jīng)在實際的直流鏈式儲能裝置中應(yīng)用。目前，該直流鏈式儲能裝置已經(jīng)應(yīng)用在國家重點研發(fā)計劃項目的配套工程現(xiàn)場。附錄B 圖B1、圖B2 分別為直流鏈式儲能實機裝置的外觀圖和內(nèi)部圖。

在2 MW 功率放電的實際工程工況下，隨機選取3 簇電池，繪制電池SOC 和電池電流變化，如附錄B 圖B3 所示。由圖B3（a）可見，雖然實際工程中SOC 的變化緩慢，但對比圖B3（a）、（b）可見，在放電狀態(tài)下，SOC 最高的電池簇1 的放電電流最大，SOC 最小的電池簇3 放電電流最小。因此，本文所提方法在工程應(yīng)用上通過對各模塊的獨立控制可以實現(xiàn)各簇電池的差異化充放電。

5 結(jié)語

本文對CHBC-BESS 的簇間SOC 均衡問題進行了研究，分析了CHBC-BESS 在功率模式和電壓模式工況下的控制策略，在此基礎(chǔ)上提出了一種綜合考慮SOC 偏差、各模塊電容電壓值、直流系統(tǒng)電壓控制裕度以及輸出調(diào)制比上下限的控制參數(shù)自適應(yīng)的SOC 自均衡控制策略。通過RTDS 實驗得出如下結(jié)論：所提電池簇間SOC 均衡策略能夠通過單獨調(diào)整每個功率模塊的調(diào)制波來控制各電池簇的充放電電流，通過電池簇差異化充放電實現(xiàn)SOC 自適應(yīng)均衡控制，最終達到SOC 均衡。該策略在不改變CHBC-BESS 總功率的同時，實現(xiàn)了SOC 均衡參數(shù)控制自適應(yīng)，根據(jù)采樣結(jié)果在每個控制周期進行實時計算，均衡效率較高。

由于本文在SOC 計算時采用了相同的額定容量，當儲能系統(tǒng)各子模塊上的電池健康狀態(tài)差異較大時，均衡效果將有所降低。將電池健康狀態(tài)引入均衡策略將在后續(xù)工作進行研究。

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