高压直挂电池储能系统及参数设计方法与流程

1.本发明涉及电气自动化设备技术领域，具体地，涉及一种高压直挂电池储能系统及参数设计方法。


背景技术：

2.发展大容量电池储能技术有利于提高风光电源装机容量，推动能源结构转型，从而助力碳达峰、碳中和目标的实现。基于级联式变换器结构的高压直挂电池储能系统具有高度模块化的结构，与传统储能系统相比，高压直挂电池储能系统实现了单机大容量化，同时满足了高效率、高可靠性、经济性和安全性需求。组成大规模储能电站时所需并联台数少，电站结构及控制策略简单，响应速度快，可满足百mw级储能系统需求，且不易引发系统稳定性问题，更能适应未来大规模新能源消纳的发展需求。高压直挂电池储能系统可以归为一类可省去工频变压器直接接入3kv及以上等级中高压电网的电池储能系统。根据所使用的级联式变换器的拓扑结构，可以进一步划分为星形连接h桥级联链式、三角形连接h桥级联链式、双星型并联h桥级联链式和双星型并联半桥级联链式等基本结构。
3.高压直挂电池储能系统所需电池单体数量巨大，每相级联功率模块数量众多，其主电路参数设计影响系统的整体性能指标。控制参数的设计需要以主电路参数设计为依据进行。在每相所需电池单体数量n确定后，可将这些电池单体等效看做一个大容量电池堆，级联h桥功率单元需要将此大容量电池堆分割成内部只串不并的电池簇，然后接入到h桥功率单元的直流侧。不同的分割方式影响电池簇电压，进而影响每一相级联功率模块数n的选取和系统效率，而现有针对高压直挂储能系统的级联模块数优化设计大多只从变换器效率最优的角度考虑，但即使是同一批次的新电池单体，参数不一致性及其引发的木桶效应也必然存在，不同的分割方式不仅影响变换器效率，也影响电池簇的能量利用率。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高压直挂电池储能系统及参数设计方法。
5.根据本发明提供的一种高压直挂电池储能系统，包括：三相功率模块链，三相功率模块链呈星形连接或三角形连接，每相所述功率模块链由多个功率模块串联而成，三相功率模块链的连接端上依次串联交流侧滤波电感、交流侧预充电装置以及交流熔断器后与电网连接；
6.所述功率模块包括h桥功率单元、母线电容、直流侧滤波电感、直流熔断器、电池侧预充电装置以及电池簇，所述h桥功率单元的直流侧正极依次串联直流侧预充电装置、直流熔断器、电池簇、直流侧滤波电感后与h桥功率单元的直流侧负极连接，h桥功率单元的交流侧正极依次串联，所述母线电容并联在h桥功率单元的直流侧两极。
7.优选地，所述电池簇由多节电池单体串联而成。
8.优选地，所述h桥功率单元采用半桥或全桥拓扑。
9.根据本发明提供的一种高压直挂电池储能系统设计方法，包括以下步骤：
10.步骤s0：对系统每项所需电池单体数量进行设计；
11.步骤s1：根据电池单体的容量分布情况进行主电路参数设计；
12.步骤s2：根据主电路参数对控制参数进行设计。
13.优选地，所述步骤s0中，根据系统并网电压等级、系统功率等级p
nom
，系统能量等级w
nom
共同确定系统每相所需电池单体数量n，包括以下步骤：
14.步骤1：计算满足并网电压等级要求时，三相至少所需电池单体数n
c1
[0015][0016]
其中ceil()为向上取整函数，v
smax
为电网电压在波动范围内的最大值。ω为基波角频率，i
nom
为系统额定相电流幅值，λi为最大耐受电流的倍数，v
cnom
为电池单体额定电压、σ
cd
为电池单体电压向下波动系数。
[0017]
步骤2：计算满足系统额定能量要求时，系统至少所需单体数n
c2
[0018][0019]
其中q
cnom
为电池单体额定容量。
[0020]
步骤3：计算满足系统额定功率要求时，系统至少所需单体数n
c3
[0021][0022]
其中f电池单体的充放电倍率。
[0023]
步骤4：计算则同时满足上述要求时系统三相所需电池单体数量nc[0024]
nc＝max(n
c1
,n
c2
,n
c3
)
[0025]
则每相所需单体数量n＝ceil(nc/3)。
[0026]
优选地，所述步骤s1包括以下子步骤：
[0027]
步骤s1.1：根据所用电池单体的容量分布情况建立不同分割数量下系统的效率评估模型，并建立系统效率评估指标ηs＝η
cluster
·
η
pcs
，其中η
pcs
为级联h桥功率单元的功率转换效率，η
cluster
为电池簇的能量利用率；
[0028]
步骤s1.2：根据所用电池单体的容量分布情况建立不同电池簇分割数量下系统的安全性评估模型；
[0029]
步骤s1.3：综合评估系统效率及安全性确定最优电池簇分割数量，得到最优功率模块数量；
[0030]
步骤s1.4：根据最优功率模块数量，对交流侧滤波电感、直流侧滤波电感以及母线电容的参数进行设计。
[0031]
优选地，所述步骤s2包括以下子步骤：
[0032]
步骤s2.1：根据实时电池电压计算等效开关频率fe[0033][0034]
其中v
l
为电网线电压有效值，vb为电池簇的实时电压，t
base
为基波周期；
[0035]
步骤s2.2：根据系统等效开关频率确定电流环的带宽及比例积分控制器的参数；
[0036]
步骤s2.3：确定两个临界控制频率f1和f2，根据临界控制频率及系统输出电平数要求确定控制器控制频率。
[0037]
优选地，所述安全性评估模型的评估指标为电池单体出现过充过放的概率。
[0038]
优选地，所述电池簇能量利用率模型的建立无需电池单体详细物理参数，只需依据电池单体所在批次的容量分布规律建立电池簇能量利用率模型。
[0039]
优选地，所述将功率模块直流侧分解为直流网络和交流网络，建立交直流分量在电容支路及电池支路的分布情况，并依据直流母线电容电压纹波率和电池二倍频电流纹波率确定直流侧滤波电感以及母线电容的参数。
[0040]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0041]
1、本发明从变换器功率转换效率和分割后电池簇的能量利用率两方面综合评估系统效率，建立不同分割簇数下系统的安全性评估模型，综合考虑系统效率及安全性，在保证安全的情况下实现系统效率的最大化。
附图说明
[0042]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0043]
图1为本发明星形连接h桥级联链式高压直挂电池储能系统示意图；
[0044]
图2为本发明三角形连接h桥级联链式高压直挂电池储能系统示意图；
[0045]
图3为本发明双星型并联h桥级联链式和双星型并联半桥级联链式示意图；
[0046]
图4为本发明高压直挂电池储能系统的一种通用功率子模块基本结构示意图；
[0047]
图5为本发明综合考虑系统效率及安全性的高压直挂电池储能系统功率模块数优化设计流程图；
[0048]
图6为本发明功率模块直流侧等效电路图的交直流网络分解示意图；
[0049]
图7为本发明高压直挂电池储能系统输出电平数与控制器控制频率的关系示意图。
具体实施方式
[0050]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0051]
本发明公开一种高压直挂电池储能系统，包括：三相功率模块链，三相功率模块链呈星形连接或三角形连接，每相所述功率模块链由多个功率模块串联而成，三相功率模块链的连接端上依次串联交流侧滤波电感、交流侧预充电装置以及交流熔断器后与电网连接。高压直挂电池储能系统包括星形连接h桥级联链式、三角形连接h桥级联链式、双星型并联h桥级联链式和双星型并联半桥级联链式。
[0052]
参照图1，为本发明一实施例中星形连接h桥级联链式高压直挂电池储能系统结构图，包括三相功率模块链，每一相由n个功率模块级联而成，功率模块包括h桥功率单元、母
线电容、直流侧滤波电感、直流熔断器、电池侧预充电装置以及电池簇，所述h桥功率单元的直流侧正极依次串联直流侧预充电装置、直流熔断器、电池簇、直流侧滤波电感后与h桥功率单元的直流侧负极连接，h桥功率单元的交流侧正极依次串联，所述母线电容并联在h桥功率单元的直流侧两极。电池簇由多节电池单体串联而成。
[0053]
在h桥功率单元直流侧通过高压电缆和直流侧滤波电感lb与电池簇进行连接，级联h桥功率单元在交流侧通过滤波电感、交流侧预充电装置以及交流熔断器直接接入中高压电网。图1中v
sa
、v
sb
、v
sc
为三相电网的电压，va、vb、vc为级联h桥功率单元输出电压，ia、ib、ic为变换器输出电流。图2为三角形连接h桥级联链式高压直挂电池储能系统结构图，其与星形连接系统的变换器拓扑结构相同，但接线方式不同，图3为双星形并联链式结构，可以采用半桥或者全桥作为变换器的基本级联单元。上述四种高压直挂储能系统的设计方法基本可以通用。
[0054]
参照图4，为高压直挂电池储能系统的一种通用功率子模块基本结构，包括：储能电池、功率变换单元、直流侧预充电及保护机构、电池与功率单元间的无源lc缓冲单元、高压隔离开关。功率变换单元可以使用半桥或者全桥拓扑。电池与功率单元间的无源lc缓冲单元用以平抑直流侧二倍频脉动电流，高压隔离开关用以在停机时将电池与剩余系统物理隔离，直流侧预充电单元用以在装置启动时电池给直流侧电容充电，防止冲击电流的出现，直流熔断器作为保护机构，用以在直流侧短路故障出现时，迅速切断电流回路，保护装置不受损。
[0055]
高压直挂电池储能系统每相所需电池单体的数量巨大，每相级联功率模块数较多，最优级联功率模块数的选取需要综合考虑系统效率及安全性，本发明根据系统所使用电池单体的容量分布规律建立系统效率和安全性评估模型。
[0056]
根据系统并网电压等级、系统功率等级p
nom
，系统能量等级w
nom
共同确定系统每相所需电池单体数量n，包括以下步骤：
[0057]
步骤1：计算满足并网电压等级要求时，三相至少所需电池单体数n
c1
[0058][0059]
其中ceil()为向上取整函数，v
smax
为电网电压在波动范围内的最大值。ω为基波角频率，i
nom
为系统额定相电流幅值，λi为最大耐受电流的倍数，v
cnom
为电池单体额定电压、σ
cd
为电池单体电压向下波动系数。
[0060]
步骤2：计算满足系统额定能量要求时，系统至少所需单体数n
c2
[0061][0062]
其中q
cnom
为电池单体额定容量。
[0063]
步骤3：计算满足系统额定功率要求时，系统至少所需单体数n
c3
[0064][0065]
其中f电池单体的充放电倍率。
[0066]
步骤4：计算则同时满足上述要求时系统三相所需电池单体数量nc[0067]
nc＝max(n
c1
,n
c2
,n
c3
)
[0068]
则每相所需单体数量n＝ceil(nc/3)。
[0069]
假设高压直挂电池储能系统每相所需电池单体的数量为n，根据统计学规律，对于某一批次电池，只要抽样统计的样本数量足够大，样本的参数分布情况即可代表这一批次电池的参数分布情况。大量的研究表明，在同一批次电池的全寿命周期过程中，电池参数始终服从正态分布。某一批次电池的容量分布情况可近似用式(1)所示的正态分布的概率密度函数表示，则容量的分布函数f(x)可通过对概率密度函数求积分得到，如式(2)所示，其中u为样本中单体容量的平均值，σ为标准差。
[0070][0071][0072]
n个电池单体被分割成n个电池簇后，每个电池簇的串联单体数目为τ＝ceil(n/n)，由于木桶效应，则第j个(j＝1,2,
…
n)电池簇的实际可用容量为q
j_cluster
，即每簇中串联单体的最小容量。
[0073]qj_cluster
＝min{q
[τ(j-1)+i]
},(i＝1,2,...,τ)
ꢀꢀ
(3)
[0074]
则分割成n簇后，每相n个电池簇的实际可用能量之和为
[0075][0076]
其中，u
m[τ(j-1)+i]
为第j个电池簇中第i个电池单体在放电至soc＝50％时的外电压，u
avgj
为第j个电池簇中所有电池单体在soc＝50％时的外电压平均值，在足够大的电池样本数据中，若从中选取的串联成簇的单体数量较多，则该簇电池的平均电压越接近样本平均值，可认为每一簇的u
avgj
相等，且等于样本单体在soc＝50％时的外电压平均值u
avg
，因此e
an
可重新表示为
[0077][0078]
定义变量xj为
[0079]
xj＝min{q
[τ(j-1)+i]
},(i＝1,2,...,τ)
ꢀꢀ
(6)
[0080]
所以进一步得到
[0081][0082]
变量xj(j＝1,2,
…
n)代表每簇串联电池单体的容量最小值，是一组独立同分布的随机变量，其分布函数f
x
(x)及概率密度函数f
x
(x)可以由式(1)和(2)所示已知的批次电池单体的容量分布函数和概率密度函数推导得到。推导过程如下
[0083][0084]fx
(x)＝f
x
'(x)＝τ
·
[1-f(x)]
τ-1
·
f(x)
ꢀꢀ
(9)
[0085]
通过推导得到xj的分布函数和概率密度函数以后就可以求得其期望e(xj)和方差d
(xj)＝σ
j2
。根据独立同分布变量的中心极限定理，若x1,x2,
…
xn为相互独立的随机变量且都服从同一分布，且具有数学期望和方差，则随机变量之和的标准化变量
[0086][0087]
当n充分大时，zn近似的服从标准的正态分布n(0,1)。
[0088]
假设存在一个下限值ξ在置信水平α＝0.95下满足
[0089][0090]
即
[0091][0092]
也即
[0093][0094]
则有
[0095][0096]
其中φ-1
(1-α)为标准正太分布函数的取值为1-α时对应的变量值，可通过查标准正态分布函数指表得到，可求得ξ的取值为
[0097][0098]
则
[0099][0100]
n只电池单体最大可储存能量为e
am
[0101][0102]
其中q
avg
为这一批次电池单体的容量平均值，也即抽样检测样本容量平均值，u
ocv_avg
为soc＝50％时所有电池单体开路电压的平均值。
[0103]
则电池簇的能量利用率η
cluster
可计算如下
[0104][0105]
则系统级效率综合评估指标ηs为电池簇能量利用率与级联h桥功率单元功率转换效率的乘积
[0106]
ηs＝η
cluster
·
η
pcs
ꢀꢀ
(19)
[0107]
建立高压直挂电池储能系统的安全性评估模型，首先要建立其安全性刻画指标。如果根据电池单体的详细参数建立安全性刻画指标，则需要大量的参数辨识及计算工作，因此本发明提出根据已知电池单体容量参数分布数据建立安全性刻画指标。将每相所需电
池单体分割成簇后，应尽量避免电池簇内电池单体的过充过放现象出现。根据木桶效应，过充过放现象的出现均取决于分割后每个电池簇内部容量最小的电池单体。因此从电气设计角度的安全性刻画指标可以转化为任意分割簇数下每簇电池单体容量最小值的刻画。在已知电池单体容量分布的情况下，分割后每簇内部电池单体容量最小值xj的分布函数及概率密度函数均可求出，分别如式(8)和(9)所示。通过推导得到xj的分布函数和概率密度函数以后就可以求得其期望e(xj)和方差d(xj)＝σ
j2
。
[0108]
假设高压直挂储能系统的soc工作区间为[soc
l
,soch]，考虑到bms的估计误差，避免过充的条件是
[0109][0110]
其中se为bms对soc的估计误差。避免过放的条件是
[0111][0112]
目前对于磷酸铁锂电池来说，bms在平台区对soc的估计误差在5％左右，在充放电末端的估计误差大概在3％以内，因为过充过放都是出现在充放电末端，所以取误差se＝3％，若soc工作区间定为[10％,90％]，则通过式(20)和(21)均可求出避免过充和过放时对xj的要求
[0113]
xj≥0.93
·uꢀꢀ
(22)
[0114]
若要求至少在置信水平α下不出现过充过放，则
[0115]
1-f
x
(x)＝p(x≥x)＝α
ꢀꢀ
(23)
[0116]
其中x≥0.93u，为最大限度保证系统安全性，置信度α的取值应该足够大。当取x＝e(xj)-3σj时，能够保证置信度α＝p(x≥e(xj)-3σj)足够大。e(xj)和σj均和分割簇数n相关，满足安全性的分割簇数n应使以下条件成立
[0117]
e(xj)-3σj≥0.93
·uꢀꢀ
(24)
[0118]
新出厂电池的参数一致性较好，因此在储能装置投运初期系统安全性一般可以得到保障，对于系统安全性的评估和设计应该综合考虑电池的全寿命周期参数老化情况，或者在初始设计时应该要以一定运行时间以后电池参数的老化情况为设计依据，即安全性设计和评估不能以新电池参数为标准，而要对电池参数老化情况要提前考虑，安全设计要有一定的提前量。
[0119]
参照图5，给出了综合考虑系统效率及安全性的高压直挂电池储能系统功率模块数优化设计流程图，其中σ
sd
和σ
su
分别为电网电压正负偏差百分比的绝对值，v
snom
为电网相电压额定幅值，σ
cu
和σ
cd
分别为单体电压向上波动系数、向下波动系数。u为批次电池单体的容量均值，σ为批次电池单体的容量标准差。在具体的设计案例中要综合考虑不同模块数设计下系统的效率及安全性，遵循的原则是首先要满足系统安全性设计，即分割簇数n应首先使式(22)成立。在满足安全性设计要求后，分割簇数n的选取应使系统效率在安全域范围内最优。进行优化设计时，电池簇额定电压v
bnom
在规定的电池簇额定电压取值范围[v
bnom_min
,v
bnom_max
]内进行。v
bnom_min
和v
bnom_max
分别为电池簇额定电压的最小值和最大值。
[0120]
在每相级联功率模块数n确定之后，进一步需要设计交流侧滤波电感和直流侧lc
滤波器参数。工程中交流侧滤波电感感值的设计一般从两个方面考虑：1)满足变流器在稳态条件下的有功、无功功率输出；2)满足变流器输出电流谐波的要求。在变换器容量确定的情况下，当要求系统发出额定容性无功功率时，变换器需要输出的电压值最大。又由于级联h桥的直流母线电压在运行过程中随电池电压在一定范围内波动，因此为使系统在任何情况下均能满足有功及无功输出的要求，电感感值不能取过大，需要满足如下约束条件
[0121][0122]
其中v
bmin
为电池电压最小值。
[0123]
如果电池簇直接接到h桥功率模块的直流母线上，由于电池组内阻较小，直流侧电压被电池钳位，h桥单相变换器的二次脉动功率将以二倍频脉动电流的形式将基本流入电池中，为减小其对电池的影响，一般在电池簇与h桥功率单元间增加滤波电感，与直流母线电容一起构成lc无源滤波器抑制二倍频电流。直流侧电流除包含直流和二倍频分量意外，还包含高频分量，直流侧电流i
dc
表达式可通过开关函数和功能功率守恒求解，如式(26)所示
[0124][0125]
其中i
dc0
为直流侧电流的直流分量，i
dc_2
(t)为二倍频分量，∑i
dc_h
(t)为高频分量，m为调制比。参照图6，给出了h桥功率模块直流侧等效电路图的交直流网络分解示意图，直流侧电流可以分解为直流、二倍频及高频电流源的叠加，进一步可将等效电路模型分解为直流网络和交流网络的叠加。然后对交直流网络分别求解就可求出直流电流和二倍频脉动电流在电池支路和电容支路的分布情况。对直流网络求解可以得到电池电流的直流分量i
b0
＝i
dc0
，对交流网络求解可得到二倍频电流在电池支路中的分量i
b2
和在电容支路中的分量i
c2
。图中ic为流经母线电容c的电流，vc为直流母线电压，ib为流经电池的电流，l为滤波电感，r
l
为滤波电感的寄生电阻，rc电容的寄生电阻(电感和电容的寄生电阻均可忽略不计)，rb为电池内阻，vb为电池簇电压。
[0126][0127][0128]
其中z
b2
为电池支路在二倍频处的阻抗，z
c2
为电容支路在二倍频处的阻抗，ω2为二倍频角频率，rb为电池的欧姆内阻。根据叠加原理，电池支路电流ib可以求出为
[0129][0130]
系统发出纯有功时，电池电流的纹波率γi可计算为
[0131][0132]
电容电压的纹波率γu可计算如下
[0133][0134]
其中vc为电容上脉动电压的平均值。在确定了电容电压和电感电流的纹波率以后，可以联立式(30)和(31)求得电容值c和电感值lb。
[0135]
在高压直挂电池储能系统中，在最近电平逼近调制下的等效开关频率与控制周期、级联模块数、直流侧电池电压等都具有关联性，与载波移相调制下计算等效开关频率的方法不同。假设控制周期足够小，在最近电平逼近调制下，系统的等效开关频率fe可以计算如下
[0136][0137]
其中v
l
为电网线电压的有效值，t
base
为工频周期，电池簇电压vb在工作过程中会在区间[v
bmin
,v
bmax
]范围内波动，v
bmin
和v
bmax
分别为在工作区间内电池簇电压的最小值和最大值，则等效开关频率的范围为
[0138][0139]
一般以额定电压下的等效开关频率为基准设计。
[0140]
电流环控制参数设计主要考虑系统开环传递函数的截止频率及pi控制器的转折频率。电流环的截止频率f
cr
及内环控制器的转折频率f
zt
在保证系统具有足够的相位裕度的前提下，可按照如下原则取值
[0141][0142]
则电流环pi控制器参数可计算如下
[0143][0144]
其中k
ip
为电流环pi控制器的比例系数，k
ii
为积分系数，r为滤波电感l的寄生电阻，ω
zt
＝2πf
zt
，ω
cr
＝2πf
cr
。
[0145]
参照图7，给出了在最近电平调制下的高压直挂电池储能系统的输出电平数与控制器控制频率的关系，从图中可知在级联功率模块数n一定的情况下，控制频率f
ctrl
与输出电平数n
level
之间存在着类似饱和特性的关系。其中存在两个临界控制频率f1和f2，在控制频率小于f1时，控制频率和输出电平数之间的关系是线性关系，此时控制周期相对较大，使
得电平数完全由半个基波周期t
base
/2和与控制周期t
ctrl
决定。即电平数与控制周期的关系严格满足
[0146][0147]
其中f
base
为电网基波频率。两个临界控制频率f1和f2对于控制频率的选取具有重要意义，本发明给出其计算方法如下：
[0148]
假设a相调制波为
[0149]va*
＝mnvcsin(ωt)
ꢀꢀ
(37)
[0150]
其中vc为h桥直流母线电压在一个脉动周期中的平均值，在一个控制周期t
ctrl
内，电压调制波的变化可以近似的用微分dv
a*
来表示
[0151][0152]
f1表示在va*的峰值处，一个控制周期t
ctrl
内开通的子模块数目恰好变化为1(调制波幅值变化vc)所对应的频率，是电平数与控制频率呈线性关系的分界点。
[0153][0154]
假设f
ctrl
》》2πf
base
则有
[0155][0156]
即
[0157][0158]
f2与最大电压阶梯数相关，表示子模块电平数利用率最大的控制频率，它对应于在v
a*
的过零点，其幅值变化量等于vc[0159][0160]
则有
[0161]
f2＝2πmnf
base
ꢀꢀ
(43)
[0162]
从工程实际的角度考虑，为了充分利用子模块以实现更多的电平输出，控制频率f
ctrl
应该尽可能接近或等于f2，但是没必要大于f2。当控制频率小于f1后，电平数会随着控制频率的下降显著下降，会影响波形质量，导致谐波含量升高，因此控制频率一般要大于f1。综上所述，控制频率的选取范围为[f1,f2]。
[0163]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。