CN105048484B - 模块化多电平电池储能系统的电池健康状态优化控制方法 - Google Patents

模块化多电平电池储能系统的电池健康状态优化控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块化多电平电池储能系统的电池健康状态优化控制方法，通过测量电池组荷电状态的变化率，确定所有电池组的相对健康状态；预设各个子模块电池组的荷电状态变化曲线；据其实时分配不同电池组实时输入/输出功率相对于总功率的占比，实现储能系统在充/放电状态下均衡各电池组的SOH，最终缩小各电池组SOH的差异。本发明同时在个别电池组性能下降时，能够通过控制MMC相应模块减少其放电倍率和放电深度加以保护；并且降低了模块化多电平电池储能系统的热管理的要求。

Description

模块化多电平电池储能系统的电池健康状态优化控制方法
技术领域
本发明涉及电池储能系统的优化控制技术领域，尤其涉及一种模块化多电平电池储能系统的优化控制及延长电池组整体寿命的方法。
背景技术
随着社会及经济的快速发展，各国对能源的需求日益增加。相比于有限的化石燃料，以太阳能、风能为代表的环境友好型新能源具有可再生特性，有广阔的发展前景。但是，新能源的发电功率会随不同气象条件变换，具有很强的间歇性和随机波动性。因此，为了向电网或用户稳定地供电，储能系统变得不可或缺。同时，在电网中配置储能系统，也有利于提高电力系统供电的可靠性和运行的稳定性。
电池储能是一种成熟的储能方式。其中，储能电池的一个关键技术问题是它的状态监测。电池管理系统(Battery management system,BMS)能够对电池的工作状态进行监控，包括对电池的电压、温度、电流以及荷电状态(state-of-charge，以下简称SOC)、健康状态(state-of-health，以下简称SOH)等情况进行监测，并根据这些参数确定电池组工作状态，以进行相关操作，防止电池的过充和过放等现象。
根据检测的电池状态可以对电池进行合理的充放电，电池的合理充放电是安全使用电池及尽可能延长其使用寿命的关键因素。常规BMS系统的重要功能是实现电池组中单体电池充、放电过程中的电池荷电状态(State of Charge,SOC)均衡一致，避免个别电池组提前达到容量上/下限，进而提高整个电池组的利用效率，延长储能系统的工作时间。
由于单体电池电压水平较低，储能电池组在实际应用中大多采用电池串、并联连接方式使用。由于工艺问题和材质不均匀等因素，单体电池之间在出厂时即会存在微小差异。同时在装机及使用过程中，电池组温度、通风条件、自放电程度等因素的影响，也会在一定程度上增加电池之间的不一致性。
电池的不一致性会严重影响储能电池组的使用。具体来说，健康状态较差的电池实际最大总容量小于电池组的平均值，自身等效内阻较大，与健康状态较好的电池相比，这些电池在正常的充放电使用过程中，产生的热量更多，荷电状态变化更大，易提前达到自身容量限值。且随着储能系统中电池使用循环次数的增加，电池组间的不一致性，特别是电池组之间的健康状态的差异会愈发明显。在储能系统持续工作过程中，如果不采用特殊的电池组健康状态均衡控制措施，各电池组间的不一致性会逐步放大，最终部分电池组会提前报废，不得不提前对储能系统进行维护，进而严重影响储能系统的使用计划及预计寿命。
电池的老化与温度，放电深度及放电倍率有着密切的关系。尽管温度，尤其是高温对电池老化有重要影响，但一般储能电站都对电池配备相应的热管理系统，电池组间温度差异有限。电池组间放电深度(DOD)的差异间接等效于产生不同的循环次数，因此放电深度及充放电倍率的差异可以对电池的健康状态的差异作出调整。
发明内容
为了解决电池健康状态不一致的问题，本发明提出了一种模块化多电平电池储能系统的电池健康状态优化控制方法，该方法能够保证各电池组的健康状态趋于均衡一致，进而优化了整个储能系统的运行寿命，也保证了其能量使用效率及输出的电能质量。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种模块化多电平电池储能(MMC-BESS)优化控制系统，包括：模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)以及MMC控制单元，所述模块化多电平变换器包含三相桥臂，每相桥臂均由上桥臂和下桥臂构成，所述上桥臂和下桥臂均由若干个子模块和一个电感元件串联构成；
每个子模块包括直流电源、滤波电容、熔丝和半桥开关电路，所述直流电源与所述电容和开关器件分别并联连接；所述直流电源包括若干电池组；与直流电源并联的滤波电容用于滤除高次谐波。
通过测量充/放电时电池组荷电状态的变化值，确定所有电池组的相对健康状态；按照设定的优化控制指令，在满足能量要求及输出波形质量的情况下，以预设的荷电状态变化路径对目标电池组进行充放电控制。
所述半桥开关电路为两个串联连接的开关管。
所述直流电源包括：
电池组和电池能量管理系统；
电池能量管理系统与每一个电池组通信连接，电池能量管理系统和MMC控制单元通信连接；所述电池能量管理系统包括：电池组监测模块,负责监测每个电池组的电压、电流、温度，计算每个电池组的荷电状态。
所述MMC控制单元包括：
电池荷电状态控制模块，以及用于实现电池荷电状态控制模块功能的实时数字控制器。
为避免SOC值的测量误差影响到电池组荷电状态的变化值的计量精度，在预设的一段时间内，电池组监测模块计算各电池组的平均SOC值及每组电池组的SOC值；
在收到各电池组计算的SOC平均值后，由电池荷电状态控制模块将预设的每个电池组的SOC参考值减去其SOC实际值，差值经过比例控制器处理，最终得到各电池组对应的半桥开关电路的调制参考指令的校正信号值。
一种模块化多电平电池储能系统的电池健康状态优化控制方法，包括以下步骤：
步骤(1)：各桥臂的子模块电池组进行充/放电运行，测量各个子模块电池组的荷电状态，根据各电池组荷电状态的变化率判断各电池组的相对健康状态，计算所有电池组的相对健康状态平均值并对所有电池组的健康状态进行排序；
步骤(2)：模块化多电平变换器的控制单元依据电池组相对健康状态的排序情况，预设各个子模块电池组的荷电状态变化曲线；
步骤(3)：计算所有电池组的平均荷电状态的实时数值，根据预设的各个子模块电池组的荷电状态参考值与对应子模块测得的荷电状态的差值分配子模块电池组的充/放电功率；
步骤(4)：子模块电池组的充、放电功率通过控制子模块中开关器件的调制信号实现。
所述步骤(1)的具体方法为：
当储能系统中所有电池组的荷电状态均在正常运行范围内时，各电池组进行充放电运行，测量系统充放电运行过程中各电池组的SOC值变化情况，以此衡量各电池组的相对健康状态；在等效的同等充放电功率下，电池组的SOC值变化越大，则电池组的相对健康状态越差，并据此对各电池组的相对健康状态进行排序。
所述步骤(2)中荷电状态变化曲线具体为：
所有电池组SOC值并非传统控制方式下的一致变化，而是以预先设定的各个子模块电池组的荷电状态变化曲线变化；
对通过步骤(1)得到的电池组的相对健康状态进行分类，首先找到最接近于相对健康状态平均值的电池组，健康状态高于平均值的电池组分为第一组，健康状态低于平均值的电池组分为第二组；
预先设定各个子模块电池组的荷电状态变化曲线时，第一组电池组的荷电状态低于所有电池组的平均荷电状态，并且相对健康状态最高的电池组的荷电状态距离平均荷电状态最远；同理，第二组电池组的荷电状态高于所有电池组的平均荷电状态，并且相对健康状态最低的电池组的荷电状态距离平均荷电状态最远；其余各电池组的荷电状态依据相对健康状态值的排序情况依次设定。
健康状态由高至低的不同电池组，在储能系统还有裕量的运行时间段内，其产生的放电深度(DOD)也依次由大到小。
所述步骤(3)中，计算所有电池组的平均荷电状态的实时数值的具体方法为：
将测得的所有电池组的平均荷电状态SOCave作为改变电池实时输出功率出力占比的节点；
根据测得的所有电池组的荷电状态平均值SOCave，找到其在预先设定的电池组荷电状态变化路径图中的位置，做平行于纵轴的直线，该直线与其他预设的电池组荷电状态变化曲线的交点，即得到某电池组荷电状态参考值SOCi'；
将由上所得的某时刻每个电池组的荷电状态参考值SOCi'与此电池组的实际SOC值做差，按差值比例分配各个子模块电池组的充/放电功率。
所述步骤(4)的具体方法为：步骤(3)得到的每组电池组SOC参考值减去此电池实际测得的SOC值，差值经过比例控制器变换后所得数值的相反数加1，最终输出各电池荷电状态控制模块的调制参考指令值；通过改变子模块中开关器件的调制信号，实现各子模块电池组的充、放电运行；同时BMS实时监测校正每个电池组的运行状态。
随着电池储能系统工作时间的增加及循环次数的增多，不同电池组的SOH差异会逐渐缩减，因此累计差值达到一定循环次数后，需要重复本发明的步骤(1)，调整不同电池组的充放电功率分配；直至最终不同电池组的SOH趋于一致。
本发明的有益效果是：
1.传统模块化多电平电池储能系统的控制策略仅关注各电池组SOC的均衡，并未考虑电池组SOH的不一致性对系统正常工作和整体寿命造成的的负面影响。而本发明通过相应的优化控制方式，能够实现储能系统在充/放电状态下均衡各电池组的SOH，缩小各电池组SOH的差异。
2.本发明实施可以有效延长模块化多电平电池储能系统的使用寿命。
3.由于选定所有电池组的SOC平均值做参考，极大避免了SOC量测误差，还可以根据系统的实际运行情况调整个别电池组的工作情况，同时校准各组电池荷电状态，提高了系统鲁棒性。
4.因为在运行过程中内阻较小、发热相对较少、健康度高的电池组出力较多，降低了模块化多电平电池储能系统的热管理的要求；并且在个别电池组性能下降时，能够通过控制相应模块减少其放电倍率和放电深度加以保护。
附图说明
图1为基于模块化多电平变换器的储能系统拓扑结构图；
图2为所述电池储能优化控制的流程图；
图3为各电池组的SOC变化量测定概况图；
图4(a)为SOC变化路径图；
图4(b)为充放电控制策略图；
图5为电池SOC控制模块图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
图1为模块化多电平电池储能系统并网结构示意图。模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)，模块化多电平变换器包含三相桥臂，每相桥臂均由上桥臂和下桥臂构成，上桥臂和下桥臂均由若干个子模块和一个电感元件串联构成；MMC用作电源并网系统的能量变换器时可以将独立的直流电源分散接入每个模块，无需统一的直流电源。
每个子模块包括直流电源、滤波电容、熔丝和半桥开关电路，所述直流电源与电容并联连接，与所述电容与开关器件并联连接；所述直流电源包括若干电池组；
每个子模块包括直流电源、滤波电容、熔丝和半桥开关电路，直流电源与电容和开关器件分别并联连接；
通过测量充/放电时电池组荷电状态的变化值，确定所有电池组的相对健康状态；按照设定的优化控制指令，在满足能量要求及输出波形质量的情况下，以预设的荷电状态变化路径对目标电池组进行充放电控制。
半桥开关电路为两个串联连接的开关管。
所述直流电源包括：
电池组和电池能量管理系统；
与电池组并联的滤波电容滤除高次谐波。电池能量管理系统与每一个电池组通信连接，电池能量管理系统和MMC控制单元通信连接；所述电池能量管理系统包括：电池组监测模块,负责监测每个电池组的电压、电流、温度，计算每个电池组的荷电状态。
MMC控制单元包括：
电池荷电状态控制模块，以及用于实现电池荷电状态控制模块功能的实时数字控制器。
电池能量管理系统监测每个电池组的电压、电流、温度，计算每个电池组的荷电状态。
为避免SOC值的测量误差影响到电池组荷电状态的变化值的计量精度，在预设的一段时间内，电池荷电状态监测管理模块计算各电池组的平均SOC值及每组电池组的SOC值；
在收到各电池组计算的SOC平均值后，由电池组控制子模块将预设的每个电池组的SOC参考值减去其SOC实际值，差值经过比例控制器处理，最终得到各电池组对应的半桥开关电路的调制参考指令的校正信号值。
图2为所述电池储能优化控制的流程图，如图2所示，此模块化多电平电池储能系统的电池健康状态优化控制方法具体过程包括以下3个主要步骤：
步骤(1)：电池能量管理系统根据功率要求对各桥臂的半桥模块进行功率分配，根据各电池组荷电状态的变化率判断各电池组的相对健康状态；在折算后每个模块等功率充/放电时，其计算的SOC变化越大，即电池组实际容量越小，其健康状态越差。
步骤(2)：MMC控制单元依据电池组相对健康状态的排序情况，预设荷电状态变化曲线。预设SOC变化曲线的初始阶段，SOH高的电池放电量大于SOH低的电池。在一般的功率要求下，部分健康状态差一些的电池组工作时下调一定功率分配比例，同时相对的健康电池组的功率分配则上调相应值。
步骤(3)：测得的所有电池组的平均荷电状态作为改变电池实时输出功率出力占比的节点，根据测得的所有电池组的荷电状态平均值SOCave，找到其在预先设定的电池组荷电状态变化路径图中的位置，做平行于纵轴的直线，找到该直线与其他预设的电池组荷电状态变化曲线的交点，得到某电池组参考值SOCi'。向实时数字控制器输入每组电池测得的的SOC平均值，以及此电池组SOC参考值，后者减前者，差值经过比例控制器变换后所得数值的相反数加1，最终输出各电池荷电状态控制模块的调制参考指令值。通过控制子模块开关器件的调制信号实现各子模块电池组的充、放电运行。同时BMS实时监测校正每个电池组的运行状态。
功率分配的约束是：储能系统实时输出功率(n＝1,2，…，2N)满足要求，Pn是一般情况下MMC(共2N个子模块)每个子模块分配到的功率要求。
图3为SOC变化量测定架构概况图。图中t1至t2段，SOC由纵轴起点SOC1分别下降至SOC2a、SOC2b、SOC2c(其中a、b、c分别代表某个电池组)，则有：
△SOCa＝SOC1-SOC2a，
△SOCb＝SOC1-SOC2b，
△SOCc＝SOC1-SOC2c，
以图中标示为例，△SOCa<△SOCb<△SOCc，则3个电池组中，a的健康状态最优，b次之，c最差。此图用于测定所有电池组的相对SOH。
图4(a)为一种本发明提出的新SOC变化路径的示例。其中不同健康状态电池组的放电深度有所差异。te指整个系统规划运行时间。以放电为例，SOH较高的电池组的SOC的变化路径对应图4中更靠近横坐标轴的弧线。
图4(b)为实际运行过程中的充放电控制策略，目的是确定某电池组SOC参考值。
设图中SOC1到t2的直线是直线测定的所有电池组的平均值，SOC1到t2的曲线是某电池组预设的SOC路径。
由于实际应用中，电池组SOC值变化不会太快，也为了避免引入SOC的测算误差进而影响到控制器的输出性能。本发明提出了首先测得的所有电池组的荷电状态平均值SOCave，找到其在预先设定的电池组荷电状态变化路径图中的位置，做平行于纵轴的直线，该直线与某预设的电池组荷电状态变化曲线的交点即为此时该电池组的荷电状态参考值SOCi'。
图5为一种电池SOC控制模块图。在收到各组电池测得的SOC平均值后，向实时数字控制器输入每组电池测得的的SOC平均值(图5中SOCi)以及此电池组SOC参考值(图5中SOCi')，后者减前者，差值经过比例控制器(图5中P)变换后所得数值的相反数加1，最终输出各电池荷电状态控制模块的调制参考指令值(附图5中Di)。
由于每个电池组的SOC值在各段时间间隔内经过平均处理，因而本发明提出的电池充放电控制策略更利于减少SOC的估算误差。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种模块化多电平电池储能系统的电池健康状态优化控制方法，其特征是，通过测量电池组荷电状态的变化率，确定所有电池组的相对健康状态；在满足充放电功率要求及输出波形质量的情况下，模块化多电平电池储能系统中的各个子模块按照设定的优化管理指令对电池组的健康状态进行均衡控制；
包括控制方法以下步骤：
步骤(1)：各桥臂的子模块电池组进行充/放电运行，测量各个子模块电池组的荷电状态，根据各电池组荷电状态的变化率判断各电池组的相对健康状态，计算所有电池组的相对健康状态平均值并对所有电池组的健康状态进行排序；
步骤(2)：模块化多电平变换器的控制单元依据电池组相对健康状态的排序情况，预设各个子模块电池组的荷电状态变化曲线；
步骤(3)：计算所有电池组的平均荷电状态的实时数值，设定每个电池组的荷电状态参考值，根据预设的各个子模块电池组的荷电状态参考值与对应子模块测得的荷电状态的差值分配子模块电池组的充/放电功率；
步骤(4)：子模块电池组的充、放电功率通过控制子模块中开关器件的调制信号实现。
2.如权利要求1所述的一种模块化多电平电池储能系统的电池健康状态优化控制方法，其特征是，所述步骤(1)的具体方法为：
当储能系统中所有电池组的荷电状态均在正常运行范围内时，各电池组进行充放电运行，测量系统充放电运行过程中各电池组的SOC值变化情况，以此衡量各电池组的相对健康状态；在等效的同等充放电功率下，电池组的SOC值变化越大，则电池组的相对健康状态越差，并据此对各电池组的相对健康状态进行排序。
3.如权利要求1所述的一种模块化多电平电池储能系统的电池健康状态优化控制方法，其特征是，所述步骤(2)中荷电状态变化曲线具体为：
所有电池组SOC值并非传统控制方式下的一致变化，而是以预先设定的各个子模块电池组的荷电状态变化曲线变化；
对通过步骤(1)得到的电池组的相对健康状态进行分类，首先找到最接近于相对健康状态平均值的电池组，健康状态高于平均值的电池组分为第一组，健康状态低于平均值的电池组分为第二组；
预先设定各个子模块电池组的荷电状态变化曲线时，第一组电池组的荷电状态低于所有电池组的平均荷电状态，并且相对健康状态最高的电池组的荷电状态距离平均荷电状态最远；同理，第二组电池组的荷电状态高于所有电池组的平均荷电状态，并且相对健康状态最低的电池组的荷电状态距离平均荷电状态最远；其余各电池组的荷电状态依据相对健康状态值的排序情况依次设定。
4.如权利要求1所述的一种模块化多电平电池储能系统的电池健康状态优化控制方法，其特征是，所述步骤(3)中，计算所有电池组的平均荷电状态的实时数值的具体方法为：
将测得的所有电池组的平均荷电状态SOCave作为改变电池实时输出功率出力占比的节点；
根据测得的所有电池组的荷电状态平均值SOCave，找到其在预先设定的电池组荷电状态变化路径图中的位置，做平行于纵轴的直线，该直线与其他预设的电池组荷电状态变化曲线的交点，即得到某电池组荷电状态参考值SOCi'。
5.如权利要求1所述的一种模块化多电平电池储能系统的电池健康状态优化控制方法，其特征是，所述步骤(4)的具体方法为：
将得到的每组电池组SOC参考值减去此电池实际测得的SOC值，差值经过比例控制器变换后所得数值的相反数加1，最终输出各电池荷电状态控制模块的调制参考指令值；通过改变子模块中开关器件的调制信号，实现各子模块电池组的充、放电运行；同时BMS实时监测校正每个电池组的运行状态。
6.如权利要求1所述的一种模块化多电平电池储能系统的电池健康状态优化控制方法，其特征是，
随着电池储能系统工作时间的增加及循环次数的增多，不同电池组的SOH差异会逐渐缩减，累计差值达到一定循环次数后，重新对所有电池组的健康状态进行排序，调整不同电池组的充放电功率分配；直至最终不同电池组的SOH趋于一致。
7.如权利要求1所述的一种模块化多电平电池储能系统的电池健康状态优化控制方法，其特征是，不同电池组实时输入/输出功率相对于总功率的占比随荷电状态的变化而变化。
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