基于級聯H橋拓撲的電池儲能系統及其SOC均衡控制

安徽理工大學電氣與信息工程學院 許 天

級聯H橋儲能變流器因其不需要升壓變壓器，輸出諧波少等優點，得到越來越廣泛的關注。本文通過對級聯H橋儲能系統功率控制分析，針對級聯H橋儲能系統提出電池相內加入一個基波電壓改變相應子模塊調制度、相間通過注入零序電壓改變各相功率分配，實現相內相間SOC均衡。

級聯H橋儲能變流器省去變壓器，能夠直接接入高壓電網，且其由多個單相全橋型功率單元串聯起來構成變流器的ABC三相，每個子模塊功率單元的直流側和電池進行相連，該拓撲結構使用較低耐壓等級的功率單元實現較高的輸出電壓等級輸出，可以省去并網變壓器；系統單機功率相比于傳統低壓方案大幅提高，單機額定輸出功率范圍為1.5MW-10MW，適合于電網側儲能調峰調頻電站、火電機組聯合自動發電控制(Automatic Generation Control，AGC)調頻和新能源電站提高滲透率等高壓大容量儲能應用場合。

1 電路拓撲和功率控制

本文使用如圖1所示級聯儲能的拓撲結構。每一相的級聯單元個數為N=3，所輸出的相電壓電平數m=7，所輸出線電壓為13電平，該拓撲結構可以在不增加開關損耗的狀況下，能夠實現較好的諧波特性。

圖1 級聯H橋變流器拓撲

由于儲能系統在運行的過程中會造成每個單元釋放的功率不同從而導致各單元SOC的不同。所以對級聯H橋的研究應該以功率控制為基礎。在功率解耦控制時，Vd、Vq的控制方程為：

2 SOC均衡控制

2.1 相內均衡

相內加入一個基波電壓改變相應子模塊調制度實現相內SOC均衡。

以A相為例，通過在H橋各單元的交流側輸出電壓疊加一個對應的均衡控制分量V1an：

則此時的附加功率為：

使附加功率P1an與不均衡程度成正比，即：

式子中μ為一正常數。求解上式得：

因此，輸出電壓的疊加分量可取：

式中K1為增益，系統相內SOC均衡控制實現框圖如圖2所示。

圖2 系統相內SOC均衡控制

2.2 相間均衡

通過注入零序基波電壓可以實現相間SOC均衡，在相電流對稱的情況下，適當的選取零序電壓V0的幅值、相角，就能實現相間SOC均衡的目的。

設所注入零序電壓V0：

系統三相對稱電流為：

由零序電壓產生的附加功率為：

使附加功率與各相的ΔSOC成正比：

式子中λ為一正常數。

Clark變換矩陣為：

則三相不均衡度在α，β軸的投影為：

則零序電壓產生的附加功率為：

求得：

因此，可取各相所疊加的零序電壓V0如下：

式中K0為增益。SOC均衡控制系統控制框如圖3所示：

圖3 SOC均衡控制系統示意圖

3 仿真驗證

在MATLAB/SIMULINK環境下搭建了仿真模型，儲能功率變流器容量為20kVA，經濾波電感直接接入380V電網，濾波電感選型按3mH選取。

儲能系統運行在10kW充電或者放電工況下，儲能系統中電池組荷電狀態各相電池容量為40Ah，A相SOC分別為：20%、35%、45%；B相SOC分別為：45%、45%、50%；C相SOC分別為：40%、40%、40%。此時儲能系統電池組相間和相內SOC都不均衡。

圖4 充電的功率、電流波形

圖5 相內充電電流

圖6 相間充電電流

儲能系統運行在10kW充電工況下充電的功率及電流波形圖如圖4所示，0.5s開始啟動均衡控制，從圖5和圖6所示的波形可得系統在啟動和不啟動均衡控制輸出的總功率為設定值，在啟動均衡控制后，對電池充電電流根據電池SOC進行分配。

儲能系統運行在10kW放電工況下放電狀況下的功率及電流波形如圖7所示，0.5s開始啟動均衡控制，從圖8和圖9可以看出在啟動均衡控制后，對電池放電電流根據電池SOC進行分配。

圖7 放電的功率、電流波形

圖8 相內放電電流

圖9 相間放電電流

結論：本文對級聯橋儲能系統的控制策略進行研究，通過注入零序基波電壓實現了三相相間的SOC均衡控制。相內加入一個基波電壓改變相應子模塊調制度實現相內SOC均衡。并基于MATLAB/SIMULINK仿真軟件表明這些控制策略是正確的。