Multi-battery module parallel equalization device and control method

技术领域

本发明涉及一种电力并联均衡装置及控制方法，尤其涉及一种多电池模组并联均衡装置及控制方法，属于电池储能技术领域。

背景技术

随着储能电站规模从兆瓦级向十兆瓦级、百兆瓦级，甚至吉瓦级发展，在单体电池容量和功率变换电压等级受限的前提下，为实现大容量，需要把由大量单体电池串并联构成的电池模组进一步通过串联形式达到功率变换所需的电压等级和通过并联形式达到功率变换所需的功率等级。由于单体电池的差异，在储能系统运行过程中，需要通过均衡技术实现电池模组内单体电池之间的均衡以及电池模组间的均衡，以保证整个电池储能系统的寿命。

而且，当储能电站的规模达到数十兆瓦级，单体电池数量也达到百万级，给电池管理系统(BMS)带来巨大挑战：所有电芯通过BMS进行被动均衡即能量耗散均衡，使得储能系统效率降低；通信数据量大，通信延迟降低了系统的功率调节动态性能；通信线路多，降低了系统的可靠性。实现大规模储能电站电池管理系统的电池模组、电池簇和电池系统三级分级管理是必然趋势，在通过模组级BMS实现电池模组内电池单体有效均衡的前提下，通过与功率变换系统(PCS)融合实现电池簇和电池系统的均衡管理，最终实现大规模储能电站电池管理，提升BMS可靠性。

因此，如何结合大规模储能系统构成的特点，实现储能系统中大量串并联电池模组的均衡是亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多电池模组并联均衡装置及控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案一是：

一种多电池模组并联均衡装置，包括控制器、结构相同的均衡装置单元1－均衡装置单元n、母线电压控制单元；均衡装置单元1－均衡装置单元n并联在直流母线DC+与直流母线DC－之间；均衡装置单元1由串联的电池模组1和均衡单元1组成；电池模组1由1个以上单体电池串联组成的电池模组；均衡单元1的第一端口P与电池模组1串联在直流母线DC+与直流母线DC－之间，每个均衡单元的第二端口S接在均衡母线DC+与均衡母线DC－之间；母线电压控制单元的第三端口M接在均衡母线DC+与均衡母线DC－之间，其第四端口N接在直流母线DC+与直流母线DC－之间；控制器的输出端口分别连接各均衡单元和母线电压控制单元的输入端。

进一步，均衡单元1包括第一端口P、第一全桥电路、谐振腔、高频变压器T1、第二全桥电路和第二端口S；所述第一全桥电路包括第一至第四并联组合，第一至第四并联组合分别由开关管M₁－M₄反并联的二极管Q₁－Q₄组成，第一与第二并联组合串联构成第一并联支路，第三与第四并联组合串联构成第二并联支路，第一并联支路与第二并联支路并联在第一端口P两端；第二全桥电路包括第五至第八并联组合，第五至第八并联组合分别由开关管M₅－M₈反并联的二极管Q₅－Q₈组成，第五与第六并联组合串联构成第三并联支路，第七与第八并联组合串联构成第四并联支路，第三并联支路与第四并联支路并联在第二端口S两端；所述谐振腔包括谐振电感L_r和谐振电容C_r；所述高频变压器T1的变比为1：K；谐振电感L_r和谐振电容C_r与高频变压器T1的初级线圈串联在第一与第二并联组合的节点和第三与第四并联组合的节点之间，高频变压器T1的次级线圈接在第五与第六并联组合的节点和第七与第八并联组合的节点之间。

进一步，母线控制单元包括第三端口M、第三全桥电路、第四全桥电路和第四端口N、功率电感L和一个变比为1：K的高频变压器T2；所述第三全桥电路包括第一至第四母线并联组合，第一至第四母线并联组合分别由开关管S₁－S₄反并联的二极管D₁－D₄组成，第一与第二母线并联组合串联构成第一母线并联支路，第三与第四母线并联组合串联构成第二母线并联支路，第一母线并联支路与第二母线并联支路并联在第三端口M两端；第四全桥电路包括第五至第八母线并联组合，第五至第八母线并联组合分别由开关管S₅－S₈反并联的二极管D₅－D₈组成，第五与第六母线并联组合串联构成第三母线并联支路，第七与第八母线并联组合串联构成第四母线并联支路，第三母线并联支路与第四母线并联支路并联在第四端口N两端；功率电感L与高频变压器T2的初级线圈串联在第一与第二母线并联组合的节点和第三与第四母线并联组合的节点之间，高频变压器T2的次级线圈接在第五与第六母线并联组合的节点和第七与第八母线并联组合的节点之间。

本发明所采取的技术方案二是：

一种用于技术方案一中多电池模组并联均衡装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：检测是否收到控制指令，如果收到转向步骤2，否则转向步骤1；

步骤2：判断控制指令是否为自动均衡模式控制：如果是，转向步骤6；否则转向步骤3；

步骤3：判断控制指令是否为按需主动均衡模式控制：如果是，转向步骤7；否则转向步骤4；

步骤4：判断控制指令是否为功率调节模式控制：如果是，转向步骤8；否则转向步骤5；

步骤5：判断控制指令是否为电压调节模式控制：如果是，转向步骤9；否则转向步骤1；

步骤6：自动均衡模式控制：用于实现各并联均衡装置单元中电池充放电电流的自动均衡；由以下步骤组成：

步骤6－1：直流母线的电压在外部电路控制下保持预设电压U₀，母线电压控制单元处于封锁状态，开关管S₁－S₈触发脉冲闭锁；

步骤6－2：控制器发出控制脉冲，分别控制各均衡单元中的第一全桥电路和第二全桥电路的开关管M₁－M₈工作于脉冲频率调制状态，开关管M₁－M₈的开关频率等于谐振频率，各均衡单元工作于完全谐振状态；各均衡单元通过均衡母线DC+和DC－交换功率，能量从端电压高的电池模组向端电压低的电池模组转移；转向步骤1；

步骤7：按需主动均衡模式控制：由以下步骤组成：

步骤7－1：直流母线的电压在外部电路控制下保持预设电压U₀，母线电压控制单元处于封锁状态，开关管S₁－S₈触发脉冲闭锁；

步骤7－2：控制器发出控制脉冲，分别控制各均衡单元中的第一全桥电路和第二全桥电路的开关管M1－M8工作于脉冲频率调制状态；

步骤7－3：如果电池模组端电压U_i满足：Ui<(1-ε)U_平均，U_平均为各电池模组端电压的平均值，ε为调节参数；相应均衡单元工作于欠谐振状态，其电池模组多充电；如果电池模组端电压U_i满足：Ui>(1+ε)U_平均，，相应均衡单元的工作于过谐振状态，其电池模组少放电；如果电池模组端电压U_i满足：(1-ε)U_平均<Ui<(1+ε)U_平均，相应均衡单元处于完全谐振状态，工作于过谐振状态的均衡单元，其电池模组向工作于过谐振状态的均衡单元中的电池模组转移能量，非谐振状态可加速实现不同荷电状态电池模组之间的能量交换即主动加速均衡；转向步骤1；

步骤8：功率调节模式控制：用于实现电池储能系统的功率调节；由以下步骤组成：

步骤8－1：控制器发出控制脉冲，控制母线电压控制单元的第三全桥电路和第四全桥电路的开关管S1－S8工作于移相控制状态，控制均衡母线的电压达到预设电压U₁；

步骤8－2：判断指令中的控制参数是否为自动均衡方式；如果是，转向步骤8－3；否则，转向步骤8－4；

步骤8－3：自动均衡方式控制：控制器发出控制脉冲，分别控制n个均衡单元中的第一全桥电路和第二全桥电路的开关管M1－M8工作于脉冲频率调制状态，开关管M1－M8开关频率等于谐振频率，各均衡单元工作于完全谐振状态；各均衡单元的电池模组存在如下运行约束：U₀＝Ux+U_i，∑I_i＝0，U_i和I_i分别为第均衡单元i中电池模组的端电压和支路电流；转向步骤1.

步骤8－4：加速均衡方式控制：控制器发出控制脉冲，分别控制n个均衡单元中的第一全桥电路和第二全桥电路的开关管M1－M8工作于脉冲频率调制状态，一个以上均衡单元工作于非谐振状态；各均衡单元的电池模组差异化充放电，加速均衡；转向步骤1。

步骤9：电压调节模式控制：用于实现直流母线电压调节；由以下步骤组成：

步骤9－1：控制器发出控制脉冲，控制母线电压控制单元的第三全桥电路和第四全桥电路的开关管S1－S8工作于移相控制状态，控制直流母线电压达到预设电压U₀；

步骤9－2：判断指令中的控制参数是否为自动均衡方式；如果是，转向步骤9－3；否则，转向步骤9－4；

步骤9－3：自动均衡方式控制：是控制器发出控制脉冲，分别控制n个均衡单元中的第一全桥电路和第二全桥电路的开关管M1－M8工作于脉冲频率调制状态，开关管M1－M8开关频率等于谐振频率，各均衡单元均工作于完全谐振状态；各电池模组存在如下运行约束：U₀＝Ux+U_i；处于放电状态时，若负载增加，调节直流母线控制单元变换器的移相比，增加U₁、Ux，降低U_i，若负载减小，调节直流母线控制单元变换器的移相比，降低U₁、Ux，增加U_i；当处于充电状态时，若外部充电功率增加，通过调节直流母线电压控制单元的移相比，降低U₁、Ux，增加U_i，若外部充电功率减小，通过调节直流母线电压控制单元的移相比，增加U₁、Ux，降低U_i，满足功率平衡且维持直流母线电压U₀恒定；转向步骤1；

步骤9－4：加速均衡方式控制：是控制器发出控制脉冲，分别控制n个均衡单元中的第一全桥电路和第二全桥电路的开关管M1－M8工作于脉冲频率调制状态，一个以上均衡单元工作于非谐振状态，直流母线电压维持在U₀，各均衡单元中电池模组差异化充放电，加速均衡；转向步骤1。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

(1)本发明通过较小功率的均衡单元和母线电压控制单元，实现了大容量多电池模组的并联均衡以及充放电大功率控制，相对于全功率变换充放电控制具有效率和成本优势。

(2)本发明可以适应不同应用场景的需求，灵活设置控制方式，在实现自动或主动均衡的基础上，还可以实现充放电功率调节控制或母线电压调节。