CN111152685A - 一种提高微电网储能电池吞吐能力和寿命的下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高微电网储能电池吞吐能力和寿命的下垂控制方法，电网母线上并联多个储能双向变换器，每个储能双向变换器控制一组电池进行充放电；根据检测的各组电池的端电压确定电池允许输出的最大电流倍率；利用电池荷电状态SoC与电池允许输出的最大电流倍率确定下垂控制算法，使用该下垂控制分配电网负荷；持续估算电池荷电状态SoC，当SoC到达设定的上限值时，电池从充电状态转换为放电状态；当SoC到达设定的下限值时，电池从放电状态转换为充电状态。该方法能够处理包括放电深度、电流倍率等多个因素的影响，提高了电池的电量吞吐能力，延长了电池的使用寿命，降低了储能系统的成本。

Description

一种提高微电网储能电池吞吐能力和寿命的下垂控制方法

技术邻域

本发明涉及电池储能系统电池管理技术邻域，更为具体地，是以提高电池电量吞吐能力和延长电池寿命的电池管理方法。

背景技术

近几年来，电动汽车的发展前景越来越被看好，然而，因电动汽车动力电池退役导致的问题仍没得到很好的解决。事实上，动力电池从开始使用到电池能量完全耗尽报废的寿命约为20年。然而，当动力电池只能充满原有电量80%的时候，就不适合继续在电动汽车上使用，这个过程可能只需5～8年。如果此时将其报废进行资源化处理，会造成资源的浪费。所以考虑将这些退役电池用于对电池的性能要求比较低的储能场合。

为促进能源产业优化升级，实现清洁低碳发展，近年来，我国大力发展清洁能源，风电/光伏实现跨越式大发展，新能源装机容量占比日益提高。然而，在清洁能源高速发展的同时，波动性、间歇式新能源的并网给电网的正常运行，安全控制等诸多方面带来了不利影响，极大地限制了清洁能源的有效利用。电池储能电站可与分布/集中式新能源发电联合应用，是解决新能源发电并网问题的有效途径之一。

电池是电池储能系统中最基本也是最核心的单元，电池的属性决定了储能系统的性能上限。然而，电池的性能在使用的过程中并非一成不变的。事实上，电池的使用寿命会随着充放电电流倍率的增大、放电深度的减小而增大。因此，根据电池的电流倍率、放电深度制定能量管理方案能够有效地提高电池的使用寿命，降低系统的维护成本。目前，对于电池管理系统管理方法多关注由电池不一致性引发的损耗问题。上述的方案解决了电池不一致性导致的电池使用寿命的下降，但其忽视了电流倍率和放电深度对电池的影响。

发明内容

为解决背景技术中存在的现有控制方法忽视电流倍率、放电深度等对电池使用寿命的影响的问题，本发明提供了一种能提高储能电池吞吐能力及电池使用寿命的下垂控制与电池管理方法。

一种提高微电网储能电池吞吐能力和寿命的下垂控制方法，直流电网母线上并联多个储能双向变换器，每个储能双向变换器控制一组电池进行充放电；

根据检测的各组电池的端电压确定电池允许输出的最大电流倍率；利用电池荷电状态SoC与电池允许输出的最大电流倍率确定下垂控制算法，使用该下垂控制分配电网负荷；

持续估算电池荷电状态SoC，当SoC到达设定的上限值SoC_max时，电池从充电状态转换为放电状态；当SoC到达设定的下限值SoC_min时，电池从放电状态转换为充电状态。

进一步地，采用充放电标志代表每组电池当前处于充电或放电状态，电池达到指定SOC值后充放电标志发生更改。

进一步地，当且仅当荷电状态SoC≥SoC_max或SoC≤SoC_min时，允许电池充放电标志发生更改。

进一步地，根据得到的最大电流倍率值I_cmax和荷电状态SoC，通过下垂控制算法实现电网负荷在储能变换器上的分配，包括：

U_{ref_i}=U_nom +ΔU-(d₁+d₂)I_i

其中，U_{ref_i}为第i组储能双向变换器输出侧电压的设定值，U_nom为储能双向变换器空载电压，ΔU为储能双向变换器电压调整量，d₁、d₂分别为起限流作用的下垂系数和起分配负荷作用的下垂系数，I_i是第i组储能双向变换器输出电流。

进一步地，所述储能双向变换器电压调整量ΔU的计算公式为：

ΔU=(K_{P_v}+K_{I_v}/s)(U_nom-U_dc )

其中，K_{P_v}、K_{I_v}分别为比例参数和积分参数，U_dc为电网电压反馈值，s表示时域振幅。

进一步地，所述起限流作用的下垂系数d₁的计算公式为：

d₁≥ΔV/I_maxi

式中，ΔV是储能变换器输出侧电压的设定值与空载电压的差额，I_maxi为第i组电池允许输出最大电流值。

进一步地，第i组电池允许输出最大电流值I_maxi= I_cmaxiC_eU_nom/U_i

式中，U_i为第i组电池的电压，C_e为电池标称容量，I_cmaxi为第i组电池的最大电流倍率。

进一步地，所述起分配负荷作用的下垂系数d₂根据电池的充放电状态的不同采用不同的计算式进行计算。

进一步地，当电池放电时，所述起分配负荷作用的下垂系数d₂计算公式为：

d₂=K_SoC/(SoC_i-SoC_min)

其中，K_SoC为调节系数，SoC_i为第i组电池的初始SoC。

进一步地，当电池充电时，所述起分配负荷作用的下垂系数d₂计算公式为：

d₂=K_SoC/(SoC_max-SoC_i)

其中，K_SoC为调节系数，SoC_i为第i组电池的初始SoC。

本发明所达到的有益效果：

本发明提供了一种能提高储能电池吞吐能力及电池使用寿命的下垂控制与电池管理方法，通过将电池组划分为充电组和放电组，保证了电池能够以最大的放电深度运行。同时通过检测电压电流值，利用了下垂控制在合理分配负荷的基础上实现了对电池输出的电流倍率的限制。本发明与传统方案的差别在于考虑了多种影响电池寿命因素的作用，有效地降低了放电深度和电流倍率对电池的负面效果，促进了电池的更高效的利用，降低了电池的损耗速度，同时降低了电池储能系统的成本。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明实施方式的电池储能系统的结构示意图；

图2是根据本发明实施方式的电池控制方法的流程图；

图3是根据本发明实施方式的电池电压与最大电流倍率关系示意图；

图4是根据本发明实施方式的下垂控制中限流实现示意图；

图5是根据本发明实施方式的下垂控制中方案示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明实施方式的电池储能系统的结构示意图。如图1 所示，本发明所述的电池储能系统包括n个并联的双向DC/DC变换器，n组电池输出经对应的各双向DC/DC变换器调整后，接入母线。上层管理系统在初始时对电池进行分组。控制器内部具有电压、电流检测单元、SoC估算单元和PWM发生器。控制器将SoC估算的结果传输给上层管理系统，上层管理系统根据荷电状态SoC对电池进行分组。

双向DC/DC变换器的一侧信号输入、输出端连接电池的充放电信号端，另一侧信号输入、输出端连接母线；双向DC/DC变换器正向传输时，电池经过双向DC/DC变换器向母线放电，双向DC/DC变换器反向传输时，母线经过双向DC/DC变换器对电池充电。

图2是根据本发明实施方式的一种能提高储能电池吞吐能力及电池使用寿命的微电网控制方法流程图。如图2和图5所示，本发明实施方式所述的电池储能系统能量控制方法包括以下步骤：

步骤201、初始化时，将n组电池划分为充电组和放电组，这样可以保证以最大放电深度运行，事实上，当电池以最大放电深度工作时，电池能够吞吐更多的电量。根据母线电压波动或上级控制，从中选择放电组释放能量或选择充电组吸收能量。采用充放电标志代表每组电池当前处于充电或放电状态，电池达到指定SOC值后充放电标志发生更改。当且仅当荷电状态SoC≥SoC_max或SoC≤SoC_min时，允许电池从充电变为放电或由放电变为充电；其中，SoC_min和SoC_max分别为电池允许的SoC的最小值和最大值。

本具体实施方式中用参数F_i表示电池的充放电状态。可以按照以下方式实施：

当电池处于充电组时，F_i=1；

当电池处于放电组时，F_i=-1；

当且仅当荷电状态SoC≥SoC_max或SoC≤SoC_min时，F_i=-F_i

F_i的具体参数可以采用程序更易识别的方式来确定。

以磷酸铁锂电池为储能对象时，可设置参数SoC_max =90%，SoC_min=10%，在实际应用中，可根据不同储能电池的类型和特性对以上参数值进行调整。

步骤202、利用电压传感器检测电池的电压，并根据该电压值确定电池允许输出的最大电流倍率。利用荷电状态SoC与电池允许输出的最大电流倍率确定下垂控制方案，使用该下垂控制合理分配电网负荷。

最大电流倍率应该处在马斯曲线的下侧，本实施方式中，采用阶段式函数来保证最大电流倍率不超过允许值。图3是根据本发明实施方式的电池电压与最大电流倍率关系示意图。如图3所示根据电池电压值，可以得到电池允许的最大电流倍率，其中：

当U_i≤U_A，I_cmaxi=A；

当U_A<U_i≤U_B，I_cmaxi=B；

当U_B<U_i≤U_C，I_cmaxi=C；

当U_C<U_i≤U_D，I_cmaxi=D；

当U_D<U_i≤U_E，I_cmaxi=E；

其中U_i表示第i组电池的电压，U_A、U_B、U_C、U_D、U_E等为电池的电压平台，A、B、C、D、E等为不同电压平台内电池允许输出的最大电流倍率。I_cmaxi表示第i组电池的最大电流倍率。

利用得到的最大电流倍率I_cmaxi和荷电状态SoC，通过下垂控制实现电网负荷的合理分配。

图5是根据本发明实施方式的下垂控制中方案示意图。如图5所示，在功率分配的基础上实现限制电流的下垂控制，包括：

U_{ref_i}=U_nom +ΔU-(d₁+d₂)I_i

其中U_{ref_i}为储能变换器输出侧电压的设定值，U_nom为储能变换器空载电压，ΔU为电压调整量，d₁+d₂为下垂系数，I_i是第i组电池输出电流。

其中ΔU为DC/DC变换器电压调整量，公式为：

ΔU=(K_{P_v}+K_{I_v}/s)(U_nom-U_dc )

其中K_{P_v}、K_{I_v}分别为比例参数和积分参数，U_dc为母线电压反馈值，s表示时域振幅。

图4是根据本发明实施方式的下垂控制中限流实现示意图。如图4所示，当d₁作为下垂系数起限制电流的作用时，满足：

d₁≥ΔV/I_maxi

其中ΔV是储能变换器输出侧电压的设定值与空载电压的差额，I_maxi为第i组电池允许输出最大电流值。

ΔV= |U_{ref_i}-U_nom|

I_maxi=I_cmaxiC_eU_nom/U_i

其中C_e为电池标称容量。

d₂作为下垂系数起分配负荷的作用，满足：

当I_i > 0时，d₂计算公式为：

d₂=K_SoC/(SoC_i-SoC_min)

当I_i < 0时，d₂计算公式为：

d₂=K_SoC/(SoC_max-SoC_i)

其中K_SoC为调节系数，SoC_i为第i组电池的初始SoC。

I_i ＝0时，电池不工作，故不考虑此情况。

下垂控制形成参考电压，该参考电压信号进入控制器后与实际的电压信号比较调节后形成参考电流信号，参考电流信号与实际电流信号比较调节后输入到控制器内部的PWM发生器中，PWM发生器产生开关控制信号，实现对双向DC/DC变换器的控制，进而实现提高电池吞吐能力和延长电池使用寿命的目的。

步骤203、估计电池荷电状态SoC，当SoC到达设定的上限值SoC_max时，电池从充电状态转换为放电状态；当SoC到达设定的下限值SoC_min时，电池从放电状态转换为充电状态。并从步骤203返回步骤202。

本发明实施方式采用电流积分法对荷电状态SoC进行估算，具体公式为：

SoC=SoC₀-∫Idt/C_e

其中SoC₀表示电池的初始SoC，C_e为电池容量。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (10)

1.一种提高微电网储能电池吞吐能力和寿命的下垂控制方法，其特征在于，直流电网母线上并联多个储能双向变换器，每个储能双向变换器控制一组电池进行充放电；

根据检测的各组电池的端电压确定电池允许输出的最大电流倍率；利用电池荷电状态SoC与电池允许输出的最大电流倍率确定下垂控制算法，使用该下垂控制分配电网负荷；

持续估算电池荷电状态SoC，当SoC到达设定的上限值SoC_max时，电池从充电状态转换为放电状态；当SoC到达设定的下限值SoC_min时，电池从放电状态转换为充电状态。

2.根据权利要求1所述的提高微电网储能电池吞吐能力和寿命的下垂控制方法，其特征在于，采用充放电标志代表每组电池当前处于充电或放电状态，电池达到指定SOC值后充放电标志发生更改。

3.根据权利要求1所述的提高微电网储能电池吞吐能力和寿命的下垂控制方法，其特征在于，当且仅当荷电状态SoC≥SoC_max或SoC≤SoC_min时，允许电池充放电标志发生更改。

4.根据权利要求1所述的提高微电网储能电池吞吐能力和寿命的下垂控制方法，其特征在于，根据得到的最大电流倍率值I_cmax和荷电状态SoC，通过下垂控制算法实现电网负荷在储能变换器上的分配，包括：

U_{ref_i}=U_nom +ΔU-(d₁+d₂)I_i

其中，U_{ref_i}为第i组储能双向变换器输出侧电压的设定值，U_nom为储能双向变换器空载电压，ΔU为储能双向变换器电压调整量，d₁、d₂分别为起限流作用的下垂系数和起分配负荷作用的下垂系数，I_i是第i组储能双向变换器输出电流。

5.根据权利要求4所述的提高微电网储能电池吞吐能力和寿命的下垂控制方法，其特征在于，所述储能双向变换器电压调整量ΔU的计算公式为：

ΔU=(K_{P_v}+K_{I_v}/s)(U_nom-U_dc )

其中，K_{P_v}、K_{I_v}分别为比例参数和积分参数，U_dc为电网电压反馈值，s表示时域振幅。

6.根据权利要求4所述的提高微电网储能电池吞吐能力和寿命的下垂控制方法，其特征在于，所述起限流作用的下垂系数d₁的计算公式为：

d₁≥ΔV/I_maxi

式中，ΔV是储能变换器输出侧电压的设定值与空载电压的差额，I_maxi为第i组电池允许输出最大电流值。

7.根据权利要求6所述的提高微电网储能电池吞吐能力和寿命的下垂控制方法，其特征在于，第i组电池允许输出最大电流值

I_maxi= I_cmaxiC_eU_nom/U_i

式中，U_i为第i组电池的电压，C_e为电池标称容量，I_cmaxi为第i组电池的最大电流倍率。

8.根据权利要求4所述的提高微电网储能电池吞吐能力和寿命的下垂控制方法，其特征在于，所述起分配负荷作用的下垂系数d₂根据电池的充放电状态的不同采用不同的计算式进行计算。

9.根据权利要求8所述的提高微电网储能电池吞吐能力和寿命的下垂控制方法，其特征在于，当电池放电时，所述起分配负荷作用的下垂系数d₂计算公式为：

d₂=K_SoC/(SoC_i-SoC_min)

其中，K_SoC为调节系数，SoC_i为第i组电池的初始SoC。

10.根据权利要求8所述的提高微电网储能电池吞吐能力和寿命的下垂控制方法，其特征在于，当电池充电时，所述起分配负荷作用的下垂系数d₂计算公式为：

d₂=K_SoC/(SoC_max-SoC_i)

其中，K_SoC为调节系数，SoC_i为第i组电池的初始SoC。

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