一种大容量电池储能系统的网络拓扑及控制方法与流程

1.本发明涉及新型电力系统运行与控制技术领域，具体涉及一种大容量电池储能系统的网络拓扑及控制方法。


背景技术：

2.构建以新能源为主体的新型电力系统是实现“双碳”目标的重要保障，但是新能源发电具备很强的随机性、波动性和间歇性，电力系统的调频、调峰能力随着新能源发电占比的快速提升而大幅下降。在此背景下，以蓄电池为代表的储能系统凭借其快速充放电的优良特性，将在提升新型电力系统频率稳定性上发挥极其重要的作用。
3.蓄电池中，锂离子电池凭借单体电池电压高、比能量大、循环寿命长和安全性能好等优点在实际中获得广泛应用。为了实现大容量储能系统并网运行，锂离子电池需要经过串并联的方式接入电力电子变流器。然而，电池储能运行的安全性和效率是限制其在电力系统大规模实际应用的两个重要因素，而两个因素间又存在相互影响和制约，具体表现为：一方面，为了抑制新能源发电表现出的间歇性、随机性和波动性，要求储能系统的充放电速率快、充放电的频次高，而电池的充放电次数直接决定了电池的使用寿命，频繁的充放电容易使电池温度快速上升，甚至引发火灾，并加速电池老化；另一方面，由于电池差异化导致的系统“短板效应”，使得电池的真实效率较低。目前，基于可重构电池网络的储能系统运行控制技术获得了很多关注，通过电力电子半导体器件将电池单体产生的连续能量流进行离散化和数字化处理，形成数学上的映射关系，利用网络重组消除电池单体物理和化学属性所造成的差异性，克服电池系统的“短板效应”，并可通过电池网络拓扑结构的灵活调整能力实现与多种应用场景需求的匹配进而设计了可重构电池网络系统，可以实现单体电池串并联的运行优化与控制。
4.上述基于可重构电池网络的储能系统运行控制技术虽然很好地提高了电池单体的能量效率，但是随着单体电池数量的增加，控制系统的复杂度也随之快速增加。在以新能源为主体的新型电力系统中，百兆瓦级以上大规模储能并网将对提升新型电力系统稳定性起到至关重要的作用。储能容量的大幅提升必然导致单体电池数量的激增，这就导致上述电池重构网络的方法受到很大的限制。这主要是因为考虑到重构电池网络需要配置新的开关及相应的控制系统，大容量电池储能系统中每个电池储能单元的单体数量很多，如果对每个电池进行运行控制管理，会导致控制成本和复杂度大幅增加，不利于工程实际应用。


技术实现要素：

5.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中大容量电池储能系统中网络拓扑复杂的缺陷，从而提供一种大容量电池储能系统的网络拓扑及控制方法。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.第一方面，本发明实施例提供一种大容量电池储能系统的网络拓扑，包括：若干个电池组串支路，每个所述电池组串支路由若干个串联连接的电池组构成多级结构，每个所
述电池组由若干个单体电池串联连接组成，其中，对于每个电池组串支路，除末端电池组外，其他电池组的负极通过连接开关模块不仅与下一级电池组的正极连接，而且同时与下一级其他所有电池组串支路电池组的负极连接；对于每个电池组串支路，其所有电池组串支路与外部充放电设备的正负极端子对应连接。
8.优选地，所述连接开关模块包括多个开关，其中，对于每个电池组串支路，除末端电池组外，其他电池组的负极均通过一个开关与下一级电池组的正极连接；对于每个电池组串支路，除末端电池组外，其他电池组的负极与位于其他电池组串支路上相同位置的电池组的负极均通过一个开关连接。
9.优选地，所述电池组包括多个正负极依次串联连接的单体电池。
10.优选地，大容量电池储能系统的网络拓扑，还包括：多个闭锁开关，每个电池组均并联连接一个闭锁开关。
11.第二方面，本发明实施例提供一种大容量电池储能系统的控制方法，基于本发明实施例第一方面所述的大容量电池储能系统的网络拓扑，所述大容量电池储能系统的控制方法包括：获取充放电调度指令；根据所述充放电调度指令确定所述大容量电池储能系统所要实现的功能；以电池组间soc之差最小作为目标确定电池组的连接通路；根据所述功能选择对应的目标函数；根据所述目标函数确定连接通路的充放电顺序；根据充放电顺序下发相应的开关开通和关断指令，进行电池储能单元的网络重构。
12.优选地，大容量电池储能系统的控制方法，还包括：当出现两个及以上soc之差小于第一预设阈值的情况时，以电池组的充放电次数作为辅助判据，以充放电次数最小作为目标进行选取。
13.优选地，所述根据所述功能选择对应的目标函数，包括：当所述功能为长时间尺度充放电时，选择以电池组充放电次数最小为目标函数；当所述功能为短时间尺度充电时，选择以soc最小为目标函数，而当电池储能系统将要执行短时间尺度放电时，选择以soc最大为目标函数。
14.优选地，当出现两个及以上充放电次数相同的情况时，以soh作为辅助判据，以soh最大作为目标进行选取。
15.优选地，当出现不同通路电池组的soc相同的情况时，以soh作为辅助判据，以soh最大作为目标进行选取。
16.本发明技术方案，具有如下优点：
17.本发明提供的一种大容量电池储能系统的网络拓扑，包括：若干个电池组串支路，每个电池组串支路由若干个串联连接的电池组构成多级结构，每个电池组由若干个单体电池串联连接组成。其中，对于每个电池组串支路，除末端电池组外，其他电池组的负极通过连接开关模块不仅与下一级电池组的正极连接，而且同时与下一级其他所有电池组串支路电池组的负极连接；对于每个电池组串支路，其正负极端子与外部充放电设备的正负极端子对应连接。以电池组为设计对象，基于可重构电池网络设计电池组间开关配置方案。通过对电池组间开关的控制，使得电池组间的串并联关系不再固定不变，而是以电池组的状态信息为判断依据，优化电池组间的连接方式。与常规可重构电池网络设计方案相比，不仅具备更多的电池组间的连同路径，而且网络整体的复杂度相比传统基于单体的方案大幅降低。
18.本发明提供的一种大容量电池储能系统的控制方法，包括：获取充放电调度指令；根据所述充放电调度指令确定所述大容量电池储能系统所要实现的功能；以电池组间soc之差最小作为目标确定电池组的连接通路；根据所述功能选择对应的目标函数；根据所述目标函数确定连接通路的充放电顺序；根据充放电顺序下发相应的开关开通和关断指令，进行电池储能单元的网络重构。基于可重构电池网络设计的大容量电池储能系统运行控制方法可以根据实现的不同功能，通过双重化选择对电池组网络进行自适应重构，在更好的完成不同任务所需要求的同时，还提高了电池储能系统的安全性。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例中一个具体示例的大容量电池储能系统的网络拓扑；
21.图2为本发明实施例中另一个具体示例的大容量电池储能系统的网络拓扑；
22.图3为本发明实施例中大容量电池储能系统的控制方法的一个具体示例的流程图。
具体实施方式
23.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
27.可重构电池网络技术可以在很大程度上缓解电池固定不变的串、并联方式带来的“短板效应”，通过改变电池网络结构和运行控制方法，可以对电池充放电的时间和次数进行合理分配，并根据储能系统的实际用途配置相应的电池网络。考虑到大容量电池储能系统中，每个电池储能单元的单体数量很多，如果对每个电池进行运行控制管理，会导致控制成本和复杂度大幅增加，不利于工程实际应用。
28.为此，本发明实施例提供一种大容量电池储能系统的网络拓扑以解决上述问题。如图1所示，该大容量电池储能系统的网络拓扑包括：若干个电池组串支路，每个电池组串支路由若干个串联连接的电池组构成多级结构，每个电池组由若干个单体电池串联连接组成，作为网络拓扑的基本单元。其中，对于每个电池组串支路，除末端电池组外，其他电池组的负极通过连接开关模块不仅与下一级电池组的正极连接，而且同时与下一级其他所有电池组串支路电池组的负极连接；对于每个电池组串支路，其正负极端子与外部充放电设备的正负极端子对应连接。
29.在一具体实施例中，如图1所示，该大容量电池储能系统的网络拓扑包括m条电池组串支路，每条电池组串支路均包括j个串联连接的电池组。即该电池网络由m*j个电池组通过串并联连接(m≥1，j≥1)。其中，s1、s2、
…
、sj-1表示各个电池组间的连接开关模块。电池组由i个正负极依次串联连接的单体电池构成(i≥1)。
30.在本发明实施例中，图1中给出的电池网络拓扑是基于传统电池连接网络发展而来，通过在电池组间附加开关，增加电池组间的通路。通过对开关的控制，使得电池组间的串并联关系不再固定不变，而是以电池组的状态信息为判断依据，优化电池组间的连接方式，最大化的减小“短板效应”带来的不利影响，同时延长电池的使用寿命。
31.本发明提供的一种大容量电池储能系统的网络拓扑，包括：若干个电池组串支路，每个电池组串支路由若干个串联连接的电池组构成多级结构，每个电池组由若干个单体电池串联连接组成。其中，对于每个电池组串支路，除末端电池组外，其他电池组的负极通过连接开关模块不仅与下一级电池组的正极连接，而且同时与下一级其他所有电池组串支路电池组的负极连接；对于每个电池组串支路，其正负极端子与外部充放电设备的正负极端子对应连接。以电池组为设计对象，基于可重构电池网络设计电池组间开关配置方案。通过对电池组间开关的控制，使得电池组间的串并联关系不再固定不变，而是以电池组的状态信息为判断依据，优化电池组间的连接方式。与常规可重构电池网络设计方案相比，不仅具备更多的电池组间的连同路径，而且网络整体的复杂度相比传统基于单体的方案大幅降低。
32.在一实施例中，连接开关模块包括多个开关，其中，对于每个电池组串支路，除末端电池组外，其他电池组的负极均通过一个开关与下一级电池组的正极连接；对于每个电池组串支路，除末端电池组外，其他电池组的负极与位于其他电池组串支路上相同位置的电池组的负极均通过一个开关连接。
33.在一具体实施例中，为了实现上述电池组的串联连接，需要增加开关形成不同电池组间的通路。因此，对不同电池组间的开关连接进行设计，考虑到不同行间电池组连接具有重复性，仅给出如图2所示的6个电池组的开关配置设计方案。
34.如图2所示，电池组根据其行列的位置进行编号，编号的第一个数字表示所在列的序号，第二个数字表示所在行的序号。考虑到电池间连接的连续性，仅在纵向相邻的电池组间设计开关通路，在纵向不相邻的电池组不设置开关通路。每个电池配置一个闭锁开关，两个纵向开关和两个横向开关。其中，闭锁开关仅在电池组出现故障或者需要屏蔽的情况下导通；纵向开关是电池组所在列正负极方向的开关；而横向开关是其他列正负极方向的开关。
35.具体地，仅以如图2所示的b11、b21、b31这3个电池组的开关配置进行详细说明。其
中，电池组b11配置闭锁开关s110；电池组b21配置闭锁开关s210；电池组b31配置闭锁开关s310。电池组b11所在列正负极方向的开关分别为s10、s11；电池组b21所在列正负极方向的开关分别为s20、s21；电池组b31所在列正负极方向的开关分别为s30、s31。电池组b11与其他列正负极方向的开关分别为s12、s13，电池组串支路b1中电池组b11通过开关s12与电池组串支路b2中电池组b21的负极连接，同时电池组b11通过开关s13与电池组串支路b3中电池组b31的负极连接；电池组b12与其他列正负极方向的开关分别为s21、s23，电池组串支路b2中电池组b21通过开关s21与电池组串支路b1中电池组b11的负极连接，同时电池组b21通过开关s23与电池组串支路b3中电池组b31的负极连接；电池组b13与其他列正负极方向的开关分别为s31、s32，电池组串支路b3中电池组b31通过开关s31与电池组串支路b1中电池组b11的负极连接，同时电池组b31通过开关s32与电池组串支路b2中电池组b21的负极连接。
36.在电池组间开关配置方案确定之后，需要对电池组的实时状态进行评估，本实施例仅针对采用相同型号单体电池的储能系统，所以不考虑由单体电池类型不同导致的差异，以电池荷电状态(state of charge，soc)、电池组的充放电次数和电池健康状态(state of health，soh)作为电池组的评估指标。由于电池组是由多个单体电池串联组成，同样存在“短板效应”，使得电池组的性能受限于单体电池的运行状态。因此，将电池组的soc作为运行状态的首要评估指标，用来评估电池组的差异性大小。在此基础上，将电池组的充放电次数和soh作为辅助指标，可以针对储能系统实现的不同功能做进一步评估。
37.区别于传统单体电池，电池组运行状态评估指标的定义需要考虑电池组的结构和运行方式等因素。由于同一个电池组内的单体电池是串联连接的，所以电池组的充放电次数与每个单体电池的充放电次数相同，无需重新定义。电池组的单体电池数量在一个可控范围内，而且每个电池组配置了旁路开关，可以有效削弱电池组的“短板效应”。因此，在本实施例中取电池组内所有单体电池soc、soh的平均值表征电池组的状态，可以表示为：
[0038][0039][0040]
其中：n表示电池组中单体电池数量；h，l表示电池组所在的行列数。
[0041]
本发明实施例还提供一种大容量电池储能系统的控制方法，基于上述大容量电池储能系统的网络拓扑，如图3所示，大容量电池储能系统的控制方法包括如下步骤：
[0042]
步骤s1：获取充放电调度指令。
[0043]
步骤s2：根据充放电调度指令确定大容量电池储能系统所要实现的功能。
[0044]
步骤s3：以电池组间soc之差最小作为目标确定电池组的连接通路。
[0045]
步骤s4：根据功能选择对应的目标函数。
[0046]
步骤s5：根据目标函数确定连接通路的充放电顺序。
[0047]
步骤s6：根据充放电顺序下发相应的开关开通和关断指令，进行电池储能单元的网络重构。
[0048]
在一具体实施例中，大容量储能系统并网一般具备功率平滑、调峰、调频等功能，
当电池储能系统执行不同功能时，需要根据实际情况选择相应的指标进行评估，按照充放电的时间尺度来划分，可以分为两类：长时间尺度和短时间尺度。由于考虑的功能不同，仅以soc作为判据的差异性评估显然无法满足实际工况的需求。因此，本发明采用双重化选择确定储能的重构网络和充放电次序，即首先以电池组间soc之差最小作为目标确定电池组的连接通路，再结合不同时间尺度的判据确定不同通路间的充放电先后顺序。
[0049]
本发明提供的一种大容量电池储能系统的控制方法，包括：获取充放电调度指令；根据所述充放电调度指令确定所述大容量电池储能系统所要实现的功能；以电池组间soc之差最小作为目标确定电池组的连接通路；根据所述功能选择对应的目标函数；根据所述目标函数确定连接通路的充放电顺序；根据充放电顺序下发相应的开关开通和关断指令，进行电池储能单元的网络重构。基于可重构电池网络设计的大容量电池储能系统运行控制方法可以根据实现的不同功能，通过双重化选择对电池组网络进行自适应重构，在更好的完成不同任务所需要求的同时，还提高了电池储能系统的安全性。
[0050]
在一实施例中，在第一重选择中，以soc作为判据的差异性评估指标，选择相邻行中soc之差最小的电池组作为前向通路中的相邻单元。当出现两个及以上soc之差小于第一预设阈值的情况时，以电池组的充放电次数作为辅助判据，以充放电次数最小作为目标进行选取。
[0051]
在一具体实施例中，以电池组充放电次数最小为目标的函数如下：
[0052][0053][0054]
式中：nz表示电池组充放电次数；[]表示取向量的符号。
[0055]
在本发明实施例中，第一预设阈值根据实际工况进行设置，在此不作限制。当出现两个及以上soc之差小于第一预设阈值的情况时，表示有两个及以上电池组soc之差比较接近，可近似判定为此时出现两个及以上soc之差相同的情况。在此情况下，仅依据soc值已无法完成第一重选择，此时还需加入电池组的充放电次数，以电池组的充放电次数作为辅助判据，以充放电次数最小作为目标进行选取。
[0056]
在一实施例中，根据功能选择对应的目标函数，包括如下选择：
[0057]
当功能为长时间尺度充放电时，选择以电池组充放电次数最小为目标函数；
[0058]
当功能为短时间尺度充电时，选择以soc最小为目标函数，而当电池储能系统将要执行短时间尺度放电时，选择以soc最大为目标函数。
[0059]
在一具体实施例中，在第二重选择中，即根据功能选择对应的目标函数要根据时间尺度的不同分别讨论。
[0060]
(1)长时间尺度
[0061]
对于功率平滑需要电池组在一个较长的时间尺度充放电来提供所需的电能。然而，持续、频繁地充放电会降低电池组的使用寿命，导致电池的安全性降低。因此，在实现这些功能的过程中，应将电池组的安全性放在首位，避免电池组过充过放，尽可能减小电池组的充放电次数。基于可重构电池网络技术，本发明设计的电池组开关连接网络，可以根据同一通路下的电池组的状态实现分时充放电，优先让充放电次数少的通路进行充放电。同样，
出现两个及以上充放电次数相同的情况，以soh作为辅助判据，以soh最大作为目标进行选取，完成充放电先后的排序。为此，分别建立以通路中电池组充放电次数最小和soh最大为目标的函数如下：
[0062][0063][0064]
式中：nc表示同一通路电池组充放电次数；p表示同一通路电池组序列的编号。
[0065]
(2)短时间尺度
[0066]
在实现调峰、调频功能时，需要电池储能系统在短时间内充放电来提供所需的电能。在此过程中，同一通路下的电池组的soc会快速变化，soc要保持在一个合适的值才能保证不过充过放，而且电池快速充放电对电池的健康有不良的影响，要求电池soh不能低于一定的数值。为此，建立以soc为评价指标的目标函数如下：
[0067][0068][0069]
当电池储能系统将要执行充电时，根据公式(7)选择soc最小的通路优先充电，而当电池储能系统将要执行放电时，根据公式(7)选择soc最大的通路优先放电。在电池储能系统实现上述功能的过程中，会出现不同通路电池组的soc相同的情况，导致由式(7)得到的结果不唯一，进而需要根据同一通路电池组的soh状态作进一步优化选取。例如，当出现不同通路电池组的soc之差小于第一预设阈值的情况时，即近似认为出现不同通路电池组的soc之差相同的情况，以soh作为辅助判据，以soh最大作为目标进行选取。
[0070]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。