一种多组储能电池并联充放电的SOC均衡控制方法与流程

本发明涉及储能电池管理，具体为一种多组储能电池并联充放电的soc均衡控制方法。

背景技术：

1、储能系统在电网调峰、可再生能源并网以及微电网等场景中应用广泛。为了满足大规模电能存储与大功率输出的需求，通常将多组储能电池模块并联构成大容量储能网络。在多组储能电池并联运行的过程中，由于各个电池模块在制造工艺、老化程度以及内部阻抗等方面存在物理差异，各电池模块的荷电状态会出现不一致的现象。这种荷电状态的不一致会降低储能系统的整体可用容量，因此需要对并联连接的多组储能电池模块进行荷电状态的均衡控制。

2、现有的多组储能电池并联均衡控制主要依靠电池管理系统采集各支路的运行数据并估算对应的荷电状态。在具体的控制执行层面，现有系统通常结合双向直流-直流变换器来调节各并联支路的充放电电流。当检测到某一组电池模块的荷电状态偏离系统平均水平时，控制系统会下发对应的反馈调节指令，通过增加或减少该支路的充放电电流，使得各组电池的荷电状态逐渐趋于一致，以此维持整个并联电池网络的容量平衡。

3、然而，现有的均衡控制方法在调节各支路电流以追求系统宏观能量均分的过程中，往往缺乏对电池模块底层物理安全边界的动态协同管理，当系统为了消除荷电状态偏差而持续下发充放电电流调节指令时，容易导致部分电池模块的端电压或支路电流瞬间逼近甚至突破其自身的物理极限，进而直接触发硬件级的过压或过流强制保护动作，造成电池支路被动非计划性切断，无法在确保各并联电池组不触发极限边界保护的前提下完成系统宏观能量的均衡分配。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种多组储能电池并联充放电的soc均衡控制方法，解决现有储能电池并联均衡系统中，单纯追求宏观荷电状态均分而缺乏对底层物理安全边界的动态协同管理，导致在下发充放电电流调节指令时容易造成单体端电压或支路电流瞬间逼近物理极限，进而直接触发系统级过压或过流强制保护动作的问题。

2、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多组储能电池并联充放电的soc均衡控制方法。

3、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种多组储能电池并联充放电的soc均衡控制方法，所述方法执行如下控制步骤完成均衡管理：s1，状态提取与拓扑映射步骤：控制单元通过通讯总线获取各组储能电池模块的高频采样数据，将单一维度的电气与电化学参数，包括荷电状态、荷电状态变化率、实时充放电电流和实时端电压，封装为多维底层状态向量；随后，所述控制单元计算系统的平均荷电状态，并将由多组所述底层状态向量构成的集合映射至偏序半格拓扑空间内，最终将物理电池组抽象为所述偏序半格拓扑空间中的运行节点；s2，包含物理边界限制的拓扑势能函数构建步骤：针对步骤s1中抽象出的所述偏序半格拓扑空间中的每一个运行节点，所述控制单元构建面向系统收敛的吸引子势能项以及面向物理安全边界的动态排斥势垒项，所述动态排斥势垒项结合放电截止电压极限、充电限制电压极限以及最大持续充放电电流极限设置指数型罚函数；合并所述吸引子势能项与所述动态排斥势垒项，形成全局非线性势能函数；s3，状态流形正交分解步骤：所述控制单元对步骤s2中形成的所述全局非线性势能函数沿步骤s1中封装的所述底层状态向量求解负梯度，提取无旋的梯度场矢量，接着，所述控制单元利用反斜对称作用矩阵将提取的所述梯度场矢量正交映射为无散的旋度场矢量；s4，幅相双维底层重构与物理执行步骤：所述控制单元执行基于步骤s3中提取的所述梯度场矢量的幅值控制，将所述梯度场矢量转化为双向直流-直流变换器的脉宽调制占空比调节量，依靠所述脉宽调制占空比调节量改变支路导通时间；同时，所述控制单元执行基于步骤s3中映射的所述旋度场矢量演化的相位协同控制，通过计算所述旋度场矢量的特征解算出高频载波的移相角动态补偿量；各支路的所述控制单元接收所述脉宽调制占空比调节量与所述移相角动态补偿量合成最终的驱动控制序列，通过占空比幅值的增减响应宏观soc均衡指令，通过载波发波相角的动态错位实现公共直流母线微观高频电磁纹波的空间干涉相消，完成全系统闭环执行。

4、优选的，在所述状态提取与拓扑映射步骤中：所述控制单元并行提取对应所述储能电池模块的实时荷电状态、实时荷电状态变化率、实时充放电电流和实时端电压，构建四维底层状态向量；所述控制单元以计算得到的所述平均荷电状态为所述偏序半格拓扑空间的基准原点，结合预设的维度权重系数，对各所述运行节点对应的实时荷电状态与平均荷电状态的差值，与所述运行节点的实时荷电状态变化率的平方和进行开方运算，得到各所述运行节点偏离所述基准原点的拓扑距离；当第一运行节点的实时荷电状态小于第二运行节点的实时荷电状态，且所述第一运行节点的拓扑距离小于所述第二运行节点的拓扑距离时，判定所述第一运行节点在偏序半格拓扑空间中排在所述第二运行节点之前，进而构建各所述运行节点在所述偏序半格拓扑空间中的代数格关系。

5、优选的，在所述包含物理边界限制的拓扑势能函数构建步骤中，所述吸引子势能项的量化数值具体通过如下逻辑生成：所述控制单元提取步骤s1中封装的对应所述储能电池模块的实时荷电状态，通过微处理器的算术逻辑单元计算所述实时荷电状态与步骤s1中计算得到的所述平均荷电状态之间的状态差值；所述控制单元通过二次型度量函数，结合拓扑势场的刚度系数对所述状态差值进行平方乘积运算，生成所述吸引子势能项的量化数值，以建立所有所述运行节点向全局能量平衡参考基准收敛的宏观均衡驱动输入。

6、优选的，在所述包含物理边界限制的拓扑势能函数构建步骤中，所述动态排斥势垒项的量化数值具体通过如下逻辑生成：所述控制单元读取步骤s1中封装的对应所述储能电池模块的实时端电压和实时充放电电流绝对值，通过算术逻辑单元分别计算所述实时端电压与放电截止电压下限的电压下限差值、充电限制电压上限与所述实时端电压的电压上限差值，以及最大持续充放电电流上限与所述实时充放电电流绝对值之间的电流余量差值；所述控制单元结合预设的电压势垒形状参数和电流势垒形状参数，通过设置所述指数型罚函数分别执行负指数运算，生成对应所述电压下限差值的第一负指数运算结果、对应所述电压上限差值的第二负指数运算结果以及对应所述电流余量差值的第三负指数运算结果；所述控制单元将放电截止边界的惩罚权重常数、充电限制边界的惩罚权重常数以及最大电流边界的惩罚权重常数，分别与所述第一负指数运算结果、所述第二负指数运算结果以及所述第三负指数运算结果相乘后通过加法器进行求和运算，生成所述动态排斥势垒项的量化数值。

7、优选的，在所述状态流形正交分解步骤中，提取无旋的梯度场矢量的具体过程为：所述控制单元通过中心差分算法分别计算步骤s2中形成的所述全局非线性势能函数在实时荷电状态维度的第一偏导数，在实时荷电状态变化率维度的第二偏导数，在实时充放电电流维度的第三偏导数，以及在实时端电压维度的第四偏导数；将上述四个维度的偏导数按所述四维底层状态向量的维度顺序组合，构建势能函数的梯度向量，对所述势能函数的梯度向量执行负梯度映射运算，提取出表征向全局能量平衡参考基准耗散与收敛绝对演化路径的所述无旋的梯度场矢量。

8、优选的，在所述状态流形正交分解步骤中，正交映射为无散的旋度场矢量的具体过程为：所述控制单元初始化由预先标定的相邻维度之间的交叉耦合强度常数构成的反对称耦合矩阵；利用底层数字信号处理器的乘加运算单元，执行所述反对称耦合矩阵与构建的所述势能函数梯度向量的矩阵乘法运算，生成用于量化局部状态涡旋和横向干扰流的无散的旋度场矢量。在步骤s3生成所述无散的旋度场矢量后：所述控制单元对步骤s3中生成的所述旋度场矢量的四个维度分量分别进行平方运算并对四个平方运算结果进行累加求和，通过牛顿迭代算法对累加求和结果开平方，得到量化微观高频环流涡旋强度的欧几里得二范数的具体数值；所述控制单元计算所述旋度场矢量与预设的四维方向投影向量的向量内积，输出畸变方向系数，通过提取所述畸变方向系数的代数符号，确定高频载波移相动作的超前或滞后逻辑方向。

9、优选的，在所述幅相双维底层重构与物理执行步骤中，执行基于梯度场分量的幅值控制的具体过程为：所述控制单元调用底层数字信号处理器的浮点乘加运算单元，计算步骤s3中提取的所述梯度场矢量与预先烧录的占空比映射权重向量的向量内积，作为所述双向直流-直流变换器的脉宽调制占空比调节量；通过通讯总线接收外部逆变器下发的直流母线目标电压指令，将所述直流母线目标电压指令与实时端电压进行除法运算得到当前工况下的标称占空比；将所述标称占空比与所述脉宽调制占空比调节量进行求和运算生成实际工作占空比，并将所述实际工作占空比的数值写入脉冲宽度调制生成模块的比较寄存器中以生成高频驱动脉冲。

10、优选的，在所述幅相双维底层重构与物理执行步骤中，执行基于旋度场演化的相位协同控制的具体过程为：所述控制单元通过底层数字信号处理器的浮点乘法单元，将移相角控制增益常数、提取的所述欧几里得二范数的具体数值以及提取自所述畸变方向系数的代数符号进行连乘运算，解算出所述移相角动态补偿量；将依据实际并联接入的储能电池模块数量计算得到的标称交错相角与所述移相角动态补偿量进行求和运算，对求和运算结果执行取模运算后作为实际发波相角写入相位同步寄存器中，以动态平移高频载波信号在时间轴上的相位。

11、优选的，支撑所述方法执行的物理硬件拓扑架构包含多组并联配置的储能电池模块以及对应配置的智能电池管理系统和双向直流-直流变换器；其中，所述面向物理安全边界的动态排斥势垒项的计算具有预设的物理安全边界阈值，具体限制为：所述放电截止电压下限预设为40v，所述充电限制电压上限预设为58.4v，所述最大持续充放电电流上限预设为100a。

12、本发明提供了一种多组储能电池并联充放电的soc均衡控制方法。具备以下有益效果：

13、1、通过将多组储能电池的底层状态向量映射至偏序半格拓扑空间并构建包含吸引子势能项与动态排斥势垒项的全局非线性势能函数，在利用吸引子势能项引导各储能电池模块的荷电状态向系统平均荷电状态收敛的同时，结合动态排斥势垒项对逼近物理极限边界的运行节点施加排斥梯度，实现了在确保各并联电池组不触发过压或过流保护的前提下完成系统宏观能量的均衡分配。

14、2、通过对构建的全局非线性势能函数沿底层状态向量进行流形正交分解以提取无旋的梯度场矢量与无散的旋度场矢量，利用反斜对称作用矩阵保证这两个矢量场在多维空间中的正交关系，使得用于量化局部状态涡旋的旋度场分量不干涉由梯度场分量主导的宏观能量均衡流向，实现了将电池系统内宏观的容量分布差异与微观的高频瞬态环流进行逻辑解耦与独立提取。

15、3、通过将提取的梯度场矢量转化为双向直流-直流变换器的脉宽调制占空比调节量以执行幅值控制，同步将旋度场矢量的特征解算为高频载波的移相角动态补偿量以执行相位协同控制，在依靠占空比幅值的增减响应宏观均衡指令的同时，依据旋度场畸变方向系数改变初始静态交错并联时序促使相邻模块载波产生错位，实现了利用空间干涉相消原理抑制公共直流母线上的高频电磁纹波。