一种电池下垂控制方法及装置与流程

本发明涉及储能系统控制与优化技术，具体涉及一种电池下垂控制方法及装置。

背景技术

孤岛运行的微电网作为智能配电网的重要组成部分，已经在海岛、农村、边防、船舰等远离供电中心的地区系统中成功应用。锂电池作为典型的储能装置，是孤立微电网中的核心控制单元，可以为电网提供稳定电压参考。为了充分发挥电池储能的效能，在储能运行控制中需要综合考虑其剩余容量、充放电功率及充放电次数对其寿命的影响。因此，锂电池的寿命模型对于微电网优化运行至关重要，影响单体锂电池寿命衰减的因素为输出有功功率、锂电池端电压等。

传统下垂控制的功率分配方法，并未考虑锂电池的寿命因素，易导致锂电池储能系统衰减损耗大，寿命短。因此，为克服上述缺陷需要提供一种电池下垂控制方法及装置。

技术实现要素：

本发明提供一种电池下垂控制方法，包括：

获取空载时的直流参考电压；

确定电池组的边际损耗和下垂系数；

根据空载时的直流参考电压、电池组的边际损耗和下垂系数，确定变流器输出电压。

所述变流器输出电压ui如下式所示：

式中，uref为空载时的直流参考电压，li(pi)为电池组i的边际损耗，pi为电池组i的输出有功功率，pi＝u0i×i0i，u0i、i0i分别为电池组逆变器输出端的电压、电流，λ为下垂系数。

所述电池组的边际损耗li(pi)如下式所示：

式中，hi(pi)为电池组i的单位时间衰减损耗。

电池组的衰减损耗h(p)计算公式为：

h(p)＝γ1p²+γ2|p|+γ3(5)

其中，

式中，pb为单体电池的输出有功功率，u为单体电池输出的直流电压，β1到β7为电池的常数，p为电池组输出功率，h(p)单位为wh/s，表示电池组每秒消耗的容量，γ1、γ2、γ3为电池组的常数，n为电池组中单体电池的个数。

电池组同时充电或放电时，以放电为正；

电池组i的边际损耗如下式所示：

所述下垂系数λ的取值满足下式：

式中，pi,max为电池组i的最大允许输出有功功率，δumax为最大允许电压偏差量，li(pi,max)为电池组i输出有功功率最大时的边际损耗。

所述电池组的输出有功功率按下述方法计算：

采集微电网中电池组逆变器输出端的电压和电流；

根据采集的电压和电流计算电池组的输出有功功率。

本发明提供一种电池下垂控制装置，包括：

电压采集模块，用于获取空载时的直流参考电压；

第一计算模块，用于计算电池组的边际损耗；

第二计算模块，用于确定下垂系数；

第三计算模块，用于根据空载时的直流参考电压、电池组的边际损耗和下垂系数，确定变流器输出电压。

所述第一计算模块按下式计算电池组的边际损耗：

式中，li(pi)为电池组i的边际损耗，hi(pi)为电池组i的单位时间衰减损耗，pi为电池组i的输出有功功率。

所述第三模块按下式计算变流器输出电压ui：

式中，uref为空载时的直流参考电压，li(pi)为电池组i的边际损耗，pi为电池组i的输出有功功率，pi＝u0i×i0i，u0i、i0i分别为电池组逆变器输出端的电压、电流，λ为下垂系数。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的技术方案，在传统下垂控制的基础上考虑电池的衰减损耗特性，基于电池寿命退化模型，改进传统直流下垂控制，通过自治控制实现各电池边际损耗相等，降低电池储能系统整体的损耗，提高储能系统整体寿命；

本发明提供的技术方案，无需通信网络，仅利用本地信息，通过自治控制实现各电池组边际损耗相等，可实现电池单元的“即插即用”，可靠性及可扩展性高。

附图说明

图1为本发明实施例电池组下垂控制装置结构图；

图2为本发明一种电池下垂控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作更进一步的说明：

本发明提供了一种电池下垂控制方法，所述方法基于锂电池寿命退化模型，改进传统直流下垂控制，通过自治控制实现各锂电池边际损耗相等，降低锂电池储能系统整体的损耗，提高储能系统整体寿命。

传统电池下垂控制方法需要设置电池管理系统，在下垂控制时需要与所述电池管理系统进行通讯，而对于增加了电池组边际损耗计算后，仅利用本地信息即可实现自治控制，无需通讯。

本发明的控制目标是储能系统衰减损耗最小，即：

式中，pi为锂电池组i输出有功功率，hi(pi)为锂电池组i的衰减损耗。当时，储能系统衰减损耗最小。

锂电池组i的边际损耗：

本发明提供的电池下垂控制方法考虑锂电池的边际损耗后可以降低电池储能系统整体的损耗，提高储能系统整体寿命。

本发明提出的电池下垂控制的控制架构如图1所示，公式表达如下：

式中，ui为变流器输出电压即电压电流双环控制需要跟踪的参考电压，uref为空载时的直流参考电压，li(pi)为电池组i的边际损耗，pi为电池组i的输出有功功率，pi＝u0i×i0i，u0i、i0i分别为电池组逆变器输出端的电压、电流，由于各电池组并联在直流母线上，在忽略线路阻抗的情况下，其变流器输出电压相同ui相同，由式(2)可知，各锂电池组i的边际损耗li(pi)相等，根据等微增率原则，式(1)取到最小值。

λ为下垂系数，各锂电池组单元取值相同，为防止下垂控制产生过大的电压降落，需满足如下条件：

其中，pi,max为锂电池组单元i最大允许输出有功功率，δumax为最大允许电压偏差量。

单体锂电池的衰减损耗计算公式为：

式中，p为单体电池的输出有功功率，u为其输出的直流电压，一般在3.2～3.6v左右。β1到β7为电池的常数，通常由对电池的大量实验数据拟合得到。当用n块单体电池串并联组成锂电池组后，其衰减速率可以修改为如下形式：

h(p)＝γ1p²+γ2|p|+γ3(5)

其中参数意义如下：

式中，p为电池组的输出有功功率，h(p)单位为wh/s，表示每秒消耗储能的容量，n为电池组中单体电池的个数。一般认为，当储能的容量损耗达到一定比例时，储能电池报废。

考虑各锂电池充电或放电情况，分为式(7)两种情况：

因此：

本发明考虑储能系统同时充电或放电情况，系统稳定运行，各锂电池单元的边际损耗相等时，锂电池储能系统的总衰减损耗最小。

本发明的下垂控制原理如图2所示：如图2(a)和(b)放电曲线所示，衰减损耗关于功率是二次函数，边际损耗关于功率是一次函数；如图2(c)所示，下垂控制按边际损耗一致的原则分配功率，边际损耗高的锂电池单元出力少，低的单元出力多，从而降低储能系统整体损耗。因此，本发明可降低锂电池储能系统的总衰减损耗，延长储能系统的使用寿命。

如图1所示为电池组采用本发明进行下垂控制的装置结构图，lc指电池组dc/dc变换器的本地控制器系统，g是本地控制器产生的dc/dc变换器的开关信号。

本发明提供一种电池下垂控制装置，所述装置包括：

电压采集模块，用于获取空载时的直流参考电压；

第一计算模块，用于计算电池组的边际损耗；

第二计算模块，用于确定下垂系数；

第三计算模块，用于根据空载时的直流参考电压、电池组的边际损耗和下垂系数，得到确定变流器输出电压。

所述第一计算模块按下式计算电池组的边际损耗：

式中，li(pi)为电池组i的边际损耗，hi(pi)为电池组i的单位时间衰减损耗，pi为电池组i的输出有功功率。

所述第三计算模块按下式计算变流器输出电压ui：

式中，uref为空载时的直流参考电压，li(pi)为电池组i的边际损耗，pi为电池组i的输出有功功率，pi＝u0i×i0i，u0i、i0i分别为电池组逆变器输出端的电压、电流，λ为下垂系数。

所述第一计算模块还包括按下式计算电池组的衰减损耗h(p)：

h(p)＝γ1p²+γ2|p|+γ3(5)

其中，

式中，pb为单体电池的输出有功功率，u为单体电池输出的直流电压，一般在3.2～3.6v左右，β1到β7为电池的常数，通常由对电池的大量实验数据拟合得到，p为电池组输出功率，h(p)单位为wh/s，表示电池组每秒消耗的容量。

电池组同时充电或放电时，以放电为正，电池组i的衰减损耗如下式所示：

式中，pi为电池组i的输出有功功率，γ1i、γ2i、γ3i为电池组i的常数；

电池组同时充电或放电时，以放电为正，电池组i的边际损耗如下式所示：

所述第二计算模块的下垂系数λ的取值满足下式：

式中，pi,max为电池组i的最大允许输出有功功率，δumax为最大允许电压偏差量，li(pi,max)为电池组i输出有功功率最大时的边际损耗。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。