CN110854893B - 一种储能系统的电池配置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种储能系统的电池配置方法，包括如下步骤：对储能系统进行初始配置：并联N个储能单元以形成初始储能系统，其中每个储能单元包含一台变流器，所述变流器并联有m个电池RACK；确定对初始储能系统进行扩容的时间；对初始储能系统进行扩容配置：将至少一个储能单元内的所有的电池RACK分配到其余储能单元内以对其余储能单元进行扩容，在RACK被分配走的储能单元内增加新RACK。本发明以两次安装配置电池为例进行阐述，并充分利用旧电池进行容量的扩充，在保证储能系统满足要求的情况下较大程度的降低了系统投资。

Description

一种储能系统的电池配置方法
技术领域
本发明涉及太阳能发电领域，特别是一种储能系统的电池配置方法。
背景技术
传统的储能系统建设一般是一次性建成，储能电池的容量是随时间不断衰减的，因此，在满足使用寿命期末储能系统容量的要求下，储能电池的容量在初始建设过程中是一次性按一定的倍率放大配置的。电池成本约占系统成本的60％左右，在建设过程中随着储能电池容量的加大其建设成本较高，且电池成本是随着时间持续下降的。
此外，储能系统的储能变流器功率与储能电池的容量存在耦合关系，储能变流器功率会随着储能电池容量的加大也会进行增大配置，这也增加了初期的投资成本。随着电池容量的衰减，储能变流器的实际使用功率值越来越小，储能变流器冗余功率不断增大，又造成了储能变流器及辅助设备的浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种储能系统的电池配置方法，以解决现有技术中的不足，它采用两次安装电池，在保证储能系统满足要求的情况下较大程度的降低了系统投资。
本发明提供了一种储能系统的电池配置方法，包括如下步骤：
对储能系统进行初始配置：并联N个储能单元以形成初始储能系统，其中每个储能单元包含一台变流器，所述变流器上并联有m个电池RACK；
确定对初始储能系统进行扩容的时间；
对初始储能系统进行扩容配置：将至少一个储能单元内的所有的电池RACK分配到其余储能单元内以对其余储能单元进行扩容，在电池RACK被分配走的储能单元内增加新电池RACK。
作为本发明的进一步改进，确定对初始储能系统进行扩容的时间的方法如下：
获取初始储能系统的初始安装电量WF,根据储能系统效率φeff和放电深度DOD获取初始有效电量WF-eff＝WF×DOD×φeff，
根据电池第i年的容量衰减率γi获取初始储能系统在第i年的剩余有效电量W(i)-eff＝WF-eff×(1-γ1)×(1-γ2)…(1-γi)，(i＝1、2....n，其中n为电池生命周期的年限)
若第i+1年初始储能系统的剩余有效电量W(i+1)-eff初次小于系统要求有效电量WRe，则第i年为对初始储能系统进行扩容的时间。
作为本发明的进一步改进，将电池RACK被分配走的储能单元定义为新储能单元，将接收被分配出的电池RACK的储能单元定义为旧储能单元；
则对初始储能系统进行扩容配置的步骤包括对旧储能单元进行扩容和对新储能单元进行扩容两个步骤：
其中对旧储能单元扩容的方法如下：
确定初始储能系统中单个电池RACK在第n年后剩余的有效电量WR(n)-eff为
WR(n)-eff＝UR×CR×(1-γ1)×(1-γ2)…(1-γi)×DOD×φeff,(i＝1，2，…，n)，其中，UR为电池RACK的标称电压，CR为电池RACK的初始容量；
根据WR(n)-eff确定每个旧储能单元需要接收被分配出的电池RACK的数量为mR，mR满足以下条件：
(mR×WR(n)-eff)+(m×WR(n)-eff)≥WRe/N，其中mR为整数。
作为本发明的进一步改进，对新储能单元进行扩容的方法如下：
根据mR确定旧储能单元的数量A，
A＝(N×m)/(m+mR)，其中A取整数；
根据A及总的储能单元的数量N确定新储能单元的数量B，
B＝N-A
获取初始储能系统第n年的剩余有效电量WF(n)-eff为
WF(n)-eff＝WF-eff×(1-γ1)×(1-γ2)…(1-γi),(i＝1，…n)
则第n年初始储能系统需要额外补充的有效电量WS(n)-eff满足以下条件，：
WS(n)-eff≥WRe-WF(n)-eff
第n年初始储能系统需要额外补充的有效电量WS(n)-eff由新储能单元内增加的新电池RACK提供；
新储能单元内增加的单个新电池RACK在第n年后的剩余有效电量WR(j)-eff为
WR(j)-eff＝UR×CR×DOD×φeff×(1-γ1)×(1-γ2)…(1-γj),(j＝1，2，…，n-i)
假设每个新储能单元内安装新电池RACK的数量为M，则根据以下约束条件获取M，
WR(j)-eff×M×B≥WS(n)-eff，且WR(j)-eff×M≥WRe/N。
作为本发明的进一步改进，根据储能系统第n年需要额外补充的有效电量WS(n)-eff计算出初始储能系统在第i年需要额外补充的有效电量为WS(j)-eff，
WS(j)-eff＝WS(n)-eff/[(1-γ1)×(1-γ2)…(1-γj)],(j＝1，2，…，n-i)
则初始储能系统在第i年需要额外增加的安装电量WS-1为
WS-1＝WS(j)-eff/(φeff×DOD)
新储能单元内增加的新电池RACK的安装总电量WS-2为WS-2＝WR×M×B，其中WR＝UR×CR，
则M还需满足以下约束条件：WS-2≥WS-1。
作为本发明的进一步改进，每个电池RACK内由u个电池模组串联组成，每个电池模组由v个电芯并联以及由w个单体电芯串联而成；其中单体电芯的标准电压为U0，单体电芯的初始容量为C0；
则初始储能系统的初始安装电量WF，＝N×m×u×v×w×U0×C0。
与现有技术相比，本发明分两次安装配置电池，可较大程度降低系统投资。储能系统在初次配置的过程中将电池采用模块化的电池RACK进行配置，当储能系统容量不足时，进行储能系统二次扩容，且在第二次电池扩容配置过程中，采用基于变流器换电池策略，新旧电池独立配置，保证电池具有良好的一致性。具体的以变流器为最小单元，通过将若干变流器上的旧电池RACK全部分配到其余相应的变流器内从而使部分变流器空置出来，然后在空置出来的变流器上增加新的电池RACK，通过上述方式能够有效的区分新旧电池，从而保证了电池的一致性，避免新旧电池混用带来的充放电不均衡问题，提升储能系统整体效率。
附图说明
图1是本发明实施例公开的储能系统的电池配置方法过程示意图；
图2是本发明实施例公开的储能系统的电池配置方法中初始配置后的初始储能系统的结构示意图；
图3是本发明实施例公开的储能系统的电池配置方法中在对初始储能系统进行扩容配置后的储能系统结构示意图；
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明的实施例：如图1所示，公开了一种储能系统的电池配置方法，包括如下步骤：
对储能系统进行初始配置：并联N个储能单元以形成初始储能系统，其中每个储能单元包含一台变流器，所述变流器上并联有m个电池RACK，一个电池RACK即一个电池簇，一个电池簇有u个电池模组串联组成。对储能系统初始配置后形成的初始储能系统示意图如图2所示。
确定对初始储能系统进行扩容的时间；
对初始储能系统进行扩容配置：将至少一个储能单元内的所有的电池RACK分配到其余储能单元内以对其余储能单元进行扩容，在电池RACK被分配走的储能单元内增加新电池RACK。
本发明分两次安装配置电池，可较大程度降低系统投资。储能系统在初次配置的过程中将电池采用模块化的电池RACK进行配置，当储能系统容量不足时，进行储能系统的二次扩容配置，且在第二次电池扩容配置过程中，采用基于变流器换电池策略，新旧电池独立配置，保证电池具有良好的一致性。具体的，以变流器为最小单元，通过将若干变流器上的旧电池RACK全部分配到其余相应的变流器内从而使部分变流器空置出来，然后在空置出来的变流器上增加新的电池RACK，通过上述方式在对储能系统进行扩容过程中能够有效的区分新旧电池，从而保证了电池的一致性，避免新旧电池混用带来的充放电不均衡问题，提升储能系统整体效率。相比于现有技术中在满足使用寿命期末储能系统容量的要求下，一次性按一定的倍率放大配置电池的方法节约了初期的投资成本。
此外新增的电池RACK安装在被空余出的变流器上，没有新增变流器、辅助设备以及电网接入点，且相比于技术的方案中将储能变流器功率进行偏大配置以适用系统的方法降低了成本。
在本实施了中确定对初始储能系统进行扩容的时间的方法如下：
首先，获取初始储能系统的初始安装电量WF,在本发明的实施例中每个电池RACK内由u个电池模组串联组成，每个电池模组由v个电芯并联以及由w个单体电芯串联而成；其中单体电芯的标称电压为U0，单体电芯的初始容量为C0。
由于电池模组由v个电芯并联而成，而每个电芯由w个单体电芯串联而成；则电池模组的标称电压为UM＝w×U0，电池模组的初始容量CM＝v×C0；
由于电池RACK由u个电池模组串联而成，则电池RACK的标准电压UR＝u×UM＝u×w×U0，电池RACK的初始容量CR＝CM＝v×C0；
储能单元由m个电池RACK并联而成，因此储能单元的电压Ud就是电池RACK标称电压UR。储能单元的初始容量Cd＝m×CR＝m×CM＝m×v×C0，
而储能系统由N个储能单元并联而成，因此储能系统的电压Uc就是储能单元的电压Ud，则Uc＝Ud＝UR＝u×UM＝u×w×U0。储能系统的初始容量Cc＝N×Cd＝N×m×CR＝N×m×v×C0，
则初始储能系统的初始安装电量WF＝Cc×Uc＝N×m×u×v×w×U0×C0。
由于系统效率φeff和放电深度DOD的存在，使储能系统的初始安装电量WF，与储能系统的初始有效电量WF-eff之间存在差异；具体的，根据储能系统效率φeff和放电深度DOD获取初始有效电量WF-eff＝WF×DOD×φeff。
由于电池在使用过程中容量是存在衰减的，电池的容量衰减率γ是可知的，因此，根据电池第i年的容量衰减率γi能够获取初始储能系统在第i年的剩余有效电量W(i)-eff＝WF-eff×(1-γ1)×(1-γ2)…(1-γi)，(i＝1、2....n，其中n为电池生命周期的年限)。
上述计算能够确定初次安装配置后储能系统每一年的实际有效电量，该实际有效电量会随着时间的增长进行衰减，在衰减过程中一旦超过阈值就表明现有的储能系统不能满足充放电要求，需要对其进行扩容配置。该阈值为系统要求有效电量并规定为WRe。该值为一个定值，其表示了整个储能系统无论在那一年的有效电量都要在该值之上以保证系统的正常运行。
计算获得第i+1年初始储能系统的剩余有效电量W(i+1)-eff，若W(i+1)-eff初次小于系统要求有效电量WRe，则第i年为需要对初始储能系统进行扩容的时间。
获取了储能系统扩容的时间，下面详细的介绍一下如何实现对储能系统的扩容。在本发明的实施例中将电池RACK被分配走的储能单元定义为新储能单元，当电池RACK被全部分配走后该新储能单元就将变流器空余出来，该空余出来的变流器用于连接新的电池RACK，从而能够在不增加变流器的情况下实现对储能系统的扩容。
同时本发明的实施例中将接收被分配出的电池RACK的储能单元定义为旧储能单元。
则对初始储能系统进行扩容配置的步骤包括对旧储能单元进行扩容和对新储能单元进行扩容两个步骤。对旧储能单元的扩容实际上就是计算每个旧储能单元上需要增加多少个从新储能单元上转移的电池RACK，并将这些电池RACK连接到相应的电池单元的变流器上。对新储能单元的扩容就是计算新储能单元内需要补充多少新的电池RACK，并将这些电池RACK连接到相应的变流器之上。
具体的，对旧储能单元扩容的方法如下：
首先，确定初始储能系统中单个电池RACK在第n年后剩余的有效电量WR(n)-eff，
WR(n)-eff＝UR×CR×(1-γ1)×(1-γ2)…(1-γi)×DOD×φeff,(i＝1，2，…，n)，
其中，UR为电池RACK的标称电压，CR为电池RACK的初始容量。
初始储能系统中单个电池RACK实际上就是在第一次配置过程中安装的电池RACK，通过上述计算得到该电池RACK在使用规定的期限末期(即使用n年后)所剩余的有效电量。
根据WR(n)-eff能够计算得到一个储能单元在规定的期限末期(即使用n年后)的时候所剩余的所有的有效电量WRd(n)-eff＝m×WR(n)-eff，而每个储能单元在规定的期限末期的时候所剩余的所有的有效电量应该在WRe/N之上，而WRe/N是已知的。因此就能够通过WRe/N与WRd(n)-eff之间的差值获得需要补充的有效电量。
假设每个旧储能单元需要接收被分配出的电池RACK的数量为mR，则mR满足以下条件：
(mR×WR(n)-eff)+(m×WR(n)-eff)≥WRe/N，其中mR取整数。
根据上述条件的约束能够确定mR的数量，从而能够获得需要在旧储能单元上添加的旧电池RACK的数量。
上述方式计算得到的mR实际上是从新储能单元转移的电池RACK被分配到一个旧储能单元上的数量。需要说明的是旧储能单元上添加的旧电池RACK的数量mR只是一个最低要求，实际连接过程中旧储能单元连接的电池RACK的数量可以超过mR，以保证储能系统的充放电满足要求。因此在此过程中mR取整数。
在本实施例中对新储能单元进行扩容的方法如下：
首先，根据mR确定旧储能单元的数量A，
A＝(N×m)/(m+mR)，其中A取整数；
在本发明实施例中为了避免新、旧电池的混用，会将新储能单元上被分配走的电池RACK全部分配到旧储能单元上。因此，在根据mR计算得到旧储能单元的数量A的过程中也要对其进行取整处理。取整的数值要小于实际得到的数值。
根据旧储能单元的数量A及总的储能单元的数量N进而能够确定新储能单元的数量B，
B＝N-A
获取初始储能系统第n年的剩余有效电量WF(n)-eff为
WF(n)-eff＝WF-eff×(1-γ1)×(1-γ2)…(1-γi),(i＝1，…n)
则第n年初始储能系统需要额外补充的有效电量WS(n)-eff满足以下条件，：
WS(n)-eff≥WRe-WF(n)-eff
第n年初始储能系统需要额外补充的有效电量WS(n)-eff由新储能单元内增加的新电池RACK提供；
新储能单元内增加的单个新电池RACK在第n年后的剩余有效电量WR(j)-eff为
WR(j)-eff＝UR×CR×DOD×φeff×(1-γ1)×(1-γ2)…(1-γj),(j＝1，2，…，n-i)
假设每个新储能单元内安装新电池RACK的数量为M，则根据以下约束条件获取M，
WR(j)-eff×M×B≥WS(n)-eff，且WR(j)-eff×M≥WRe/N。
为了进一步的对电池RACK的数量进行约束限定，根据储能系统第n年需要额外补充的有效电量WS(n)-eff计算出初始储能系统在第i年需要额外补充的有效电量为WS(j)-eff，
WS(j)-eff＝WS(n)-eff/[(1-γ1)×(1-γ2)…(1-γj)],(j＝1，2，…，n-i)
则初始储能系统在第i年需要额外增加的安装电量WS-1为
WS-1＝WS(j)-eff/(φeff×DOD)
增加的新电池RACK的安装总电量WS-2为WS-2＝WR×M×B，其中WR＝UR×CR，
则M还需满足以下约束条件：WS-2≥WS-1。
根据上述综合得到的M值即为新储能单元需要增加的新电池RACK的数量。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明以两次安装电池为例进行阐述，多次安装电池同样适用于本专利，且不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种储能系统的电池配置方法，其特征在于，包括如下步骤：
对储能系统进行初始配置：并联N个储能单元以形成初始储能系统，其中每个储能单元包含一台变流器，所述变流器上并联m个电池RACK；
确定对初始储能系统进行扩容的时间；
对初始储能系统进行扩容配置：将至少一个储能单元内的所有的电池RACK分配到其余储能单元内以对其余储能单元进行扩容，在电池RACK被分配走的储能单元内增加新电池RACK；确定对初始储能系统进行扩容的时间的方法如下：
获取初始储能系统的初始安装电量WF,根据储能系统效率φeff和放电深度DOD获取初始有效电量WF-eff＝WF×DOD×φeff，
根据电池第i年的容量衰减率γi获取初始储能系统在第i年的剩余有效电量W(i)-eff＝WF-eff×(1-γ1)×(1-γ2)…(1-γi)，(i＝1、2....n，其中n为电池生命周期的年限)
若第i+1年初始储能系统的剩余有效电量W(i+1)-eff初次小于系统要求有效电量WRe，则第i年为对初始储能系统进行扩容的时间；将电池RACK被分配走的储能单元定义为新储能单元，将接收被分配出的电池RACK的储能单元定义为旧储能单元；
则对初始储能系统进行扩容配置的步骤包括对旧储能单元进行扩容和对新储能单元进行扩容两个步骤：
其中对旧储能单元扩容的方法如下：
确定初始储能系统中单个电池RACK在第n年后剩余的有效电量WR(n)-eff为
WR(n)-eff＝UR×CR×(1-γ1)×(1-γ2)…(1-γi)×DOD×φeff,(i＝1，2，…，n)，其中，UR为电池RACK的标称电压，CR为电池RACK的初始容量；
根据WR(n)-eff确定每个旧储能单元需要接收被分配出的电池RACK的数量为mR，mR满足以下条件：
(mR×WR(n)-eff)+(m×WR(n)-eff)≥WRe/N，其中mR取整数。
2.根据权利要求1所述的储能系统的电池配置方法，其特征在于：对新储能单元进行扩容的方法如下：
根据mR确定旧储能单元的数量A，
A＝(N×m)/(m+mR)，其中A取整数；
根据A及总的储能单元的数量N确定新储能单元的数量B，
B＝N-A
获取初始储能系统第n年的剩余有效电量WF(n)-eff为
WF(n)-eff＝WF-eff×(1-γ1)×(1-γ2)…(1-γi),(i＝1，…n)
则第n年初始储能系统需要额外补充的有效电量WS(n)-eff满足以下条件，：
WS(n)-eff≥WRe-WF(n)-eff
第n年初始储能系统需要额外补充的有效电量WS(n)-eff由新储能单元内增加的新电池RACK提供；
新储能单元内增加的单个新电池RACK在第n年后的剩余有效电量WR(j)-eff为
WR(j)-eff＝UR×CR×DOD×φeff×(1-γ1)×(1-γ2)…(1-γj),(j＝1，2，…，n-i)
假设每个新储能单元内安装新电池RACK的数量为M，则根据以下约束条件获取M，
WR(j)-eff×M×B≥WS(n)-eff，且WR(j)-eff×M≥WRe/N。
3.根据权利要求2所述的储能系统的电池配置方法，其特征在于：
根据储能系统第n年需要额外补充的有效电量WS(n)-eff计算出初始储能系统在第i年需要额外补充的有效电量为WS(j)-eff，
WS(j)-eff＝WS(n)-eff/[(1-γ1)×(1-γ2)…(1-γj)],(j＝1，2，…，n-i)
则初始储能系统在第i年需要额外增加的安装电量WS-1为
WS-1＝WS(j)-eff/(φeff×DOD)
新储能单元内增加的新电池RACK的安装总电量WS-2为
WS-2＝WR×M×B，其中WR＝UR×CR，
则M还需满足以下约束条件：WS-2≥WS-1。
4.根据权利要求1所述的储能系统的电池配置方法，其特征在于：每个电池RACK内由u个电池模组串联组成，每个电池模组由v个电芯并联以及由w个单体电芯串联而成；其中单体电芯的标称电压为U0，单体电芯的初始容量为C0；
则初始储能系统的初始安装电量WF，＝N×m×u×v×w×U0×C0。
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