[发明专利]模块化储能系统及适用于其的内循环均衡控制方法

说明书

本发明公开了一种适用于模块化储能系统的内循环均衡控制方法，该控制方法基于由多个串联的半桥变换器子模块构成的储能系统直流部分实施均衡，借助该储能系统在空闲时其直流母线电压可以任意调节的特点，令均衡能量在待放电电池组与直流母线电容、直流母线电容与待充电电池组之间交替传递，实现了待放电电池组与待充电电池组之间的间接均衡，本发明提出的均衡方法还可以用于其他模块化的储能系统中，不需要借助额外的均衡电路硬件便可实现均衡。

技术领域

本发明涉及电化学储能技术领域，特别涉及一种模块化储能系统。

背景技术

为实现新能源发电的大规模接入，在电力系统中采用储能技术势在必行。储能技术主要研究储能系统的设计和优化，储能系统的加入能够有效地抑制新能源发电的出力波动，保障新能源接入后的电网能安全、可靠地运行。储能系统可以将电能转换为化学能、势能、电磁能等多种易于存储的能量形态，并在需要时将其重新转换为电能，向负载供电。目前，抽水蓄能和电化学储能技术较为成熟，应用广泛。其中，电化学储能技术不受地理环境限制，布局灵活，近年来发展迅速，这其中又以锂电池储能项目居多。

锂电池储能系统通常由储能单元和功率转换系统（PCS）两部分组成，PCS负责对储能单元进行充放电管理，同时，通过加以适当的控制策略和调度指令，便可实现跟踪负荷功率以及控制网侧电压。PCS的设计与控制属于电力电子技术的研究范畴，其拓扑结构多种多样。近年来电力电子技术的快速发展，模块化、多电平的变换器凭借其模块化程度高、功率半导体的电压电流应力小、易于维护、谐波畸变小等突出特点，逐渐在中、大功率场合中占据技术优势。例如，模块化多电平变换器（MMC）在高压直流输电领域已有众多应用案例。

在锂电池储能系统中，由于单体电池提供的电压和容量较低，通常需要将多个单体电池串、并联，构成电池组，再将电池组串、并联，以达到所需的电压和容量水平。然而，电池组内部的各个单体电池之间以及电池组与电池组之间普遍存在状态参数（如端电压、荷电状态（SOC）、健康状态（SOH）等）不均衡的现象。这种状态参数不均衡会影响系统的运行效率、降低系统的可用容量，严重时甚至会造成锂电池的过充、过放，进而导致系统故障，引发安全事故。

上述状态参数不均衡现象通常是由锂电池的自身差异和运行工况差异共同导致的，这些差异或受限于工艺精度，或受限于成本和技术原因，通常难以消除，且往往具有累积效应，即差异会随时间逐渐扩大。这使得上述差异无法通过正向设计完全消除，需要引入均衡电路或相应的均衡控制策略进行反馈调节。

目前，电池组内部的均衡控制已有较为成熟的集成方案，故本发明是关于电池组间SOC均衡控制方法的研究。通常，无论是电池组内还是电池组间的均衡电路，都需要添加额外的硬件电路，该电路会提供一个均衡能量的转移通道，进而对特定的不均衡单体电池或电池组进行额外的充、放电，以实现对SOC不均衡现象的抑制，保障系统安全、可靠、高效地运行。但是，添加额外的硬件电路会造成系统成本和复杂度的增加，这限制了均衡技术的推广和应用。

传统的电池储能系统中，电池组通常以直接串、并联的形式组合在一起，如图1所示，这种形式的储能单元简单、可靠，但直接串连起来的电池组容易受SOC不均衡问题影响，进而无法利用全部的可用容量。解决SOC不均衡问题的常见思路是添加一组或多组均衡电路，对串联电池组进行均衡。图2是一种常见的均衡电路示意图，其中的直流-直流变换器可以是任意形式的隔离型直流-直流变换器，均衡原理是通过该直流-直流变换器将均衡能量在不均衡电池组之间转移，实现对低SOC电池的额外充电以及对高SOC电池的额外放电，最终实现电池组之间的SOC均衡，但是这种方法会增加系统成本，工程价值较低。

综上所述，简单的串、并联集成系统会因电池状态参数不均衡现象导致出现“短板效应”和潜在的安全隐患，同时也因为功率半导体器件的高电压电流应力限制了储能系统的容量和规模，主动均衡电路的加入可以解决电池状态参数不均衡现象，但是增加了系统的硬件成本和复杂度。

发明内容