CN112968457B - 金字塔型大规模电池储能架构系统及其能量管理控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池储能架构系统及其能量管理控制方法，该架构系统包括电池储能系统和控制系统。电池储能系统包括多个储能电柜，每个储能电柜包括储能变流器，其中储能变流器并接到交流母线；每个储能电柜包含多个电池包和多个双向直流斩波器，每个电池包与每个双向直流斩波器串联，双向直流斩波器还与直流母线连接，并且直流母线通过直流开关与储能变流器的直流端进行连接；控制系统包括中央控制器、设置在储能电柜中的电柜控制器和本地控制器，其中，每个储能变流器与每个电柜控制器连接，在每个储能电柜中的多个本地控制器均与该储能电柜中的电柜控制器连接，多个储能电柜的多个电柜控制器与中央控制器连接。

Description

金字塔型大规模电池储能架构系统及其能量管理控制方法

技术领域

本发明属于电力储能系统技术领域，一般涉及具有多电池包的储能架构系统及其能量管理控制方法，具体涉及一种金字塔型大规模电池储能架构系统及其能量管理控制方法。

背景技术

随着越来越多的新能源系统特别是分布式发电系统的接入，现有电网的稳定性受到了严峻的挑战。而储能系统可以平抑和稳定风能、太阳能等间歇式可再生能源发电的输出功率，因此可以提高电网接纳可再生能源的能力从而保障电网的稳定运行。正是由于这个原因，发展时间长、功率大的大规模储能系统，被认为是未来发展智能电网，实现能源转型目标的一个必然选择。储能系统有多种实现形式，这其中化学储能尤其是锂电池储能系统由于其能量密度高、建设周期短、转换效率高、使用寿命长、部署方便等一系列优点，近年来在储能市场中得到了广泛的应用。特别是新能源汽车对动力电池的巨大需求使得锂电池的成本在近10年来降低了近90％，更进一步促进了锂电池储能技术的发展。

随着锂电池储能系统的大规模安装和投入运行，储能系统的运行效率、使用寿命、安全可靠性能等越来越受到人们的重视。而业界对上述问题的研究，最终都会体现在对储能系统的能量管理和功率分配策略上。目前对储能系统的功率分配方式大部分都是基于电池荷电状态(SOC)来进行，当大规模系统中接入的电池由于品牌，容量大小，衰减速度不一致时，基于SOC的分配方式会出现较大的偏差，即使加入自适应算法、模糊逻辑、神经网络计算等等，均无法解决实时控制难、系统拓展不灵活等问题。

另外随着动力电池退役潮的到来，越来越多的退役动力电池将会接入梯次利用储能系统，届时也会出现新旧电池混合使用的储能场景，而每个退役电池的制造厂家和电池的剩余容量均可能不一致，因此如何接纳这些退役的电池并进行高效安全的功率控制，显得尤为重要。

发明内容

本发明提供金字塔型大规模电池储能架构系统及其能量管理控制方法，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明的技术方案一方面涉及一种电池储能架构系统，包括电池储能系统和控制系统。所述的电池储能系统包括多个储能电柜，每个储能电柜包括储能变流器，其中所述的多个储能电柜的储能变流器并接到交流母线，该交流母线通过变压器连接到交流外电网；每个储能电柜包含多个电池包和多个双向直流斩波器，其中，每个电池包具有电池管理系统，每个电池包与每个双向直流斩波器串联，所述的双向直流斩波器还与直流母线连接，并且直流母线通过直流开关与所述的储能变流器的直流端进行连接；所述的控制系统包括中央控制器，设置在所述的储能电柜中的电柜控制器和本地控制器，其中，每个所述的储能变流器与每个所述的电柜控制器连接，在每个储能电柜中的多个本地控制器均与该储能电柜中的电柜控制器连接，所述的多个储能电柜的多个电柜控制器与所述的中央控制器连接。

进一步，所述的本地控制器配置为：通过通信总线收集电池管理系统及双向直流斩波器发送的信息；计算所述的电池包的储能单元的最小可接受的充放电功率和/或可充放电能量盈余空间；将电量信息通过通信总线上发至本地储能电柜的电柜控制器，同时接收所述的电柜控制器下发的功率指令和启停命令，以实现对本地电池包的储能单元的就地控制。

进一步，所述的电柜控制器配置为：通过通信总线接收下属的本地控制器所发送的信息以及所述的储能变流器发送的最大和最小的允许充放电功率，以决定所述的本地控制器在不同功率分配模式下的优先顺序和功率分配方式；计算储能电柜级的最小可接受的充放电功率、储能电柜级的可充放电能量盈余空间，并将这些信息发送到中央控制器，同时接收所述的中央控制器下发的功率指令。

进一步，所述的电柜控制器配置为：在储能电柜单独运行不需要连接到所述的中央控制器时，直接接受外部功率调度，以实施局域规模的储能系统自主运转。

进一步，所述的中央控制器配置成：接收下属的所有电柜控制器所发送的信息，以确定每个电柜控制器在不同功率分配模式下的优先顺序和功率分配方式，并将功率指令下发到每个相关的电柜控制器。

本发明的技术方案另一方面涉及一种能量管理控制方法，包括以下步骤：

S1、通过本地控制器收集电池管理系统发送的信息，该信息包括可充放电能量和功率、最大和最小允许充放电功率；

S2、基于本地控制器，根据电池管理系统和双向直流斩波器发送的信息，计算电池包中的储能单元的最小可接受的充放电功率、可充放电能量盈余空间、电池包健康状况，并发送到电柜控制器；

S3、电柜控制器根据下属所有本地控制器所发送的信息、以及根据储能变流器发送的最大和最小允许充放电功率，以确定每个本地控制器在不同功率分配模式下的优先顺序以及功率分配方式，同时计算电柜级的最小可接受充放电功率、电柜级的可充放电能量盈余空间，并发送到中央控制器；

S4、基于中央控制器，根据下属所有电柜控制器发送的信息来决定每个电柜控制器在不同功率分配模式下的优先顺序以及功率分配方式；

S5、基于中央控制器，根据功率需求的大小、方向、与每个的最小可充放电功率进行对比的结果，选择进入不同的功率分配模式和分配方式，并将计算后的功率分配指令下发到相关的电柜控制器；

S6、基于电柜控制器，根据中央控制器发送的功率需求的大小、方向、与每个的最小可充放电功率进行对比的结果，选择进入不同的功率分配模式和分配方式，并将计算后的功率分配指令下发到相关的本地控制器；

S7、基于中央控制器，将并网点的电能表反馈的实时功率情况与功率需求进行对比，并将对比结果输入PID控制器来对功率需求重新进行调整，使得系统在扣除损耗之后的输出等于功率需求。

进一步，所述步骤S2包括：

通过本地控制器计算每个储能单元的最小可充放电功率

P_{Min_LCU}＝U_Bat*I_Th

其中，I_Th为储能单元的最低的启动电流阈值，U_Bat为电池包的实时电压值；

计算每个储能单元可吸收的能量空间

ΔECHG_LCU_i＝E_{Max_i}-E_{Now_i}

其中E_{Max_i}为储能单元i在充电截止时所能存储的能量，E_{Now_i}为储能单元i当前已经存储的电量，ΔECHG_LCU_i为储能单元i可增加的能量空间；

计算每个储能单元可释放的能量空间

ΔEDCHG_LCU_i＝E_{Now_}i-E_{Min_i}

其中E_{Min_i}为储能单元i在放电截止时剩余的能量，E_{Now_i}为储能单元i当前已经存储的电量，ΔEDCHG_LCU_i为储能单元i可释放的能量空间。

进一步，所述的步骤S3包括：

通过电柜控制器来设置特殊充放电模式和正常充放电模式，其中：在特殊充放电模式中，功率需求大于等于所有本地控制器发送的最小可充放电功率的最小值，并且功率需求小于所有本地控制器发送的最小可充放电功率之和；在正常充放电模式中，功率需求大于等于所有本地控制器发送的最小可充放电功率之和，并且功率需求小于等于所有本地控制器发送的最大的可充放电功率之和；

通过电柜控制器确定所有本地控制器的功率分配以及优先顺序，其中：当系统充电时，具有较小的最小可充放电功率的储能单元具有较高的优先权；如果最小可充放电功率相等，则进一步比较两个储能单元的健康状态，具有较高的健康状态的储能单元具有更高的优先权；如果SOH也相等，则采用自然排序；与此相反，当系统放电时，具有较大的最小可充放电功率的储能单元具有较高的优先权；如果最小可充放电功率相等则进一步比较两个储能单元的健康状态，具有较高的健康状态的储能单元具有更高的优先权；如果健康状态也相等，则采用自然排序；

通过电柜控制器来设定功率分配方式，其中：

对于特殊充电模式，采用的分配方式：

其中，P_{alloc_LCU_i}为分配给储能单元i的功率大小，P_{Min_LCU_i}为储能单元i的最小可接受的充电功率，ΔECHG_LCU_i为储能单元i可增加的能量空间，为所有储能单元可增加的能量空间之和，/>为所有储能单元的最小可接受的充电功率之和；

对于特殊放电模式，采用的分配方式：

其中，ΔEDCHG_LCU_i为储能单元i可释放的能量空间，为所有储能单元可释放的能量空间之和；

对于正常充电模式，采用的分配方式：

对于正常放电模式，采用的分配方式：

通过电柜控制器计算电柜级的最小可接受充放电功率和能量空间，其中：使电柜控制器根据所有本地控制器发送的最小可充放电功率，计算出该电柜级的最小充放电功率和最大的可充放电功率的总数；

计算该电柜级的可吸收的能量空间和可释放的能量空间信息的总数；

通过电柜控制器将该电柜级的最小和最大可充放电功率和能量空间信息发送至中央控制器。

进一步，所述的步骤S4包括：

通过中央控制器设置超级特殊充放电模式、特殊充放电模式或正常充放电模式，其中：在超级特殊充放电模式中，功率需求小于所有电柜控制器发送的电柜级最小可接受的充放电功率的最小值，并且功率需求大于其中一个本地控制器发送的最小可充放电功率最小值；在特殊充放电模式中，功率需求大于等于所有电柜控制器发送的电柜级最小可接受的充放电功率的最小值，并且功率需求小于所有电柜控制器发送的电柜级最小可接受的充放电功率之和；在正常充放电模式中，功率需求大于等于所有电柜控制器发送的最小可充放电功率之和，并且功率需求小于等于所有电柜控制器发送的最大的可充放电功率之和；

通过中央控制器来确定所有电柜控制器的功率分配以及优先顺序，其中：充电时优先考虑最小可充放电功率更小的储能电柜进行充电，放电时优先考虑最小可充放电功率更大的储能电柜进行放电，如果遇到多个储能电柜的最小可充放电功率相等的情况，则采用自然排序的顺序进行充电和放电；

通过中央控制器根据不同的充放电模式，设定功率分配方式，其中：

对于超级特殊充放电模式，将所有功率需求分配到具有最小可充放电功率P_{Min_LCU}所在的电柜；

对于特殊充电模式，采用的功率分配方式为：

其中，P_{alloc_CCU_j}为分配给电柜控制器j的功率大小，P_{Min_CCU_i}为电柜控制器j的最小可接受的充电功率，ΔECHG_CCU_j为电柜控制器j可增加的能量空间，为所有电柜控制器可增加的能量空间之和，/>为所有电柜控制器的最小可接受的充电功率之和；

对于特殊放电模式，采用的功率分配方式为：

其中，ΔEDCHG_CCU_j为电柜控制器j可释放的能量空间，为所有电柜控制器可释放的能量空间之和，/>为所有电柜控制器的最小可接受的放电功率之和；

对于正常充电模式，采用的功率分配方式为：

对于正常放电模式，采用的功率分配方式为：

本发明的技术方案再一方面涉及一种能量管理控制方法，包括以下步骤：通过本地控制器收集电池管理系统发送的信息；根据电池管理系统和双向直流斩波器发送的信息，计算电池包中的储能单元的最小可接受的充放电功率和可充放电能量盈余空间；根据所有本地控制器所发送的信息、以及根据储能变流器发送的最大和最小允许充放电功率；配置在不同功率分配模式下的优先顺序以及功率分配方式。

本发明的有益效果如下。

第一、通过对每个电池包配备单独的DC/DC来进行控制，可以实现新电池、退役电池、不同品牌不同型号电池的同时组网从而实现异构兼容，为即将到来的大规模电池退役潮的应用提出了新的思路。

第二、对每个电池包和DC/DC设置一个本地控制器，可以减少传输到总控制器的数据量，避免总线拥堵，提高数据传输的准确性和快速性，同时在遇到故障时，本地控制器可以马上断开相关的直流开关，从而保障大规模系统的稳定安全运行。

第三、金字塔式的分层控制模式，可以实现系统容量从kW到MW级别的灵活组网，单独的储能单元的退出和投入对整体系统没有影响，确保系统的健壮性。

第四、功率的分配实行动态管理，即根据每个储能单元的能量状况进行优先权排序和确定功率分配的大小，从而确保系统的可用功率一直处于最大水平，不会出现某个电池包提前充满或者耗尽电量而退出功率分配。

第五、充分考虑到深充和深放对锂电池带来的不可逆转的损害，同时也考虑到退役动力电池的容量衰减状况，系统在进行能量管理时，尽量动员最多的电池包参与功率的分配；与此同时，在功率需求较低没有达到相关的阈值时，系统会优先把所有功率分配到某一个集中的电柜，避免启动过多的DC/DC和PCS轻载运行而造成系统总体效率过低。

第六、系统加入了PID控制环，可以实现储能系统的功率输出在扣除各种内部损耗之后依然等于或近乎等于功率需求，从而实现功率响应的精准控制。

附图说明

图1是本发明的系统拓扑结构示意图。

图2是本发明的能量管理控制流程图。

图3是本发明的中央控制器到电柜控制器的功率分配流程图的总图。

图3a至图3g是图3的分割图。

图4是本发明的电柜控制器到本地控制器的功率分配流程图。

图4a至图4g是图4的分割图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本文所使用的词语“和/或”是指包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。为了解释本发明的技术方案和易读性，本文说明书中还使用特定的术语，这些术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。

本文中的特定术语缩写的解释如下。

BMS：电池管理系统；

CCU(Coordinated Control Unit)：电柜控制器；

DC BUS：直流输电母线；

LCU(Local Control Unit)：本地控制器；

MCU(Master Control Unit)：中央控制器；

PCS：储能变流器；

SOC：荷电状态。

如图1所示，本发明提供的架构系统包括电池储能系统和控制系统。

所述的电池储能系统包括M个储能电柜1(M为≥1的整数)通过各自的储能变流器PCS 2并接到交流母线，然后通过变压器连接到AC交流外电网(图中未列出)；每个储能电柜包含N个电池包3(N为≥1的整数)和与之串联的双向直流斩波器DC/DC4；斩波器的一端与电池包的直流端连接，另一端与直流母线DCBUS连接(图中未列出)，同时直流母线通过直流开关与PCS 2的直流端进行连接。在优选的实施例中，所述的电池包可以是退役的动力电池包。

所述的控制系统包括本地控制器(LCU)5、电柜控制器(CCU)6和中央控制器(MCU)7。

在一实施例中，LCU 5主要是实现对电池包3和双向直流斩波器4的管理，具体方式是通过CAN总线收集电池管理系统BMS发送的电压、电流、可充/放电能量和功率、健康状态SOH、荷电状态SOC等等及双向直流斩波器DC/DC发送的电压、最大/最小允许充/放电功率等信息，从而计算出该储能单元的最小可接受的充/放电功率、可充/放电能量盈余空间等，并将必要的信息通过CAN总线上发给CCU 6，同时接收CCU 6下发的功率指令和启停命令，从而实现对储能单元的就地控制。于此同时，在遇到紧急故障情况下，比如CAN通讯中断、DC/DC宕机、直流开关拒绝动作时LCU 5可以直接切断开关的联结，做到故障快速处理以保护系统安全。另外用户可以根据自身的需求和电池的新旧程度通过LCU来设定电池包的可使用容量范围和充放电截至SOC区间，以延长电池的使用寿命。

在一实施例中，CCU主要是实现对下属所有LCU和PCS的管理，具体方式是通过CAN接收下属所有LCU发送的信息、PCS发送的最大/最小允许充/放电功率来决定LCU在不同功率分配模式下的优先顺序和功率分配公式，同时计算电柜级的最小可接受充/放电功率、电柜级的可充/放电能量盈余空间，并将这些信息发送到MCU 7，同时接收MCU 7下发的功率指令。在储能电柜单独运行不需要连接到MCU 7时，CCU 6可以直接接受外部功率调度，实现小规模储能系统自主运转。

在一实施例中，MCU 7主要是用于大规模、需要同时控制多个储能电柜实现异地同步的协调运作的场景，具体方式是MCU接收下属所有CCU发送的信息来决定各个CCU在不同功率分配模式下的优先顺序和功率分配公式，并将功率指令下发到各个相关的CCU。

图2是根据本发明的实施例中的能量管理控制方法的流程图。其中所示的能量管理控制方法可以包括以下步骤S1至S7。

步骤S1，LCU通过CAN总线收集各自的电池包的BMS和DC/DC发送的状态信息，包括电池包的电压、电流、最大/最小可充/放电功率、可吸收和可释放的能量，健康状况S0H，荷电状态SOC等等，同时包括DC/DC的电压、最大/最小可充/放电功率等信息。

步骤S2，LCU根据收集到的信息，会进行以下几个方面操作：

第一、计算每个储能单元的最小的可充/放电功率：P_{Min_LCU}。

具体来讲，即使直流开关已经断开，电池内部还是存在着一定的杂散电流，同时由于传感器的测量误差，在功率为零的情况下系统测量到的电流值并不是严格的零值。为了区分系统内部的杂散电流和消除虚假功率指令，需要根据系统具体的情况来设定一个最低的启动电流阈值I_Th。如果一个系统中所有电池包的电压等级相近或者相等，则可以直接设定I_Th为一个统一的定值，比如0.5A；对于一个混合组网系统，如果电压等级相差甚远，则可以假设所有电池包在同一个SOC＝A(比如SOC＝20％)时具有一个相等的P_{Min_LCU}(比如P_{Min_LCU}＝300W)，然后根据以下公式可以计算出电流阈值：

其中U_Bat为该电池包在SOC＝A时对应的电压值。

由于每个电池包的电压不同，所以计算出来的电流阈值也有差别，用刚刚的实例，如果电池包i的电压U_{Bat_i}＝300V，根据公式(1)，可算得该电池包的电流阈值为：

根据公式(1)可以看出，P_{Min_LCU}是一个跟实时电压变化成正比关系的动态值。

第二、计算每个储能单元可吸收(充电)和可释放(放电)的能量空间：

ΔECHG_LCU_i＝E_{Max_i}-E_{Now_i} (2)

其中E_{Max_i}为储能单元i在充电截止时所能存储的能量，E_{Now_i}为储能单元i当前已经存储的电量，ΔECHG_LCU_i为储能单元i可增加的能量空间。

ΔEDCHG_LCU_i＝E_Now__i-E_{Min_i} (3)

其中E_Mini为储能单元i在放电截止时剩余的能量，E_{Now_i}为储能单元i当前已经存储的电量，ΔEDCHG_LCU_i为储能单元i可释放的能量空间。

第三、将P_{Min_LCU}、ΔECHG_LCU、ΔEDCHG_LCU、SOH和其他电压、电流、功率值等通过CAN总线发送给CCU。

步骤S3，CCU根据所有LCU发送的信息，进行以下操作：

第一、设置不同的功率分配模式，包括：特殊充/放电模式和正常充/放电模式。

特殊充/放电模式指的是功率需求P_Request大于等于所有LCU发送的最小的可充/放电功率P_{Min_LCU}的最小值，但是小于所有LCU发送的最小的可充/放电功率P_{Min_LCU}之和，即：

Min(P_{Min_LCU_i})≤P_Request＜∑(P_{Min_LCU_i}) (4)

其中，i∈[1，N]的整数。此种模式意味着不是所有储能单元都会启动来参与功率的分配，须要由CCU按照各个电池包的综合能量状态来决定启动的储能单元。

另外如果功率需求P_Request小于所有LCU发送的最小的可充/放电功率P_{Min_LCU}的最小值，即：

P_Request＜Min(P_{Min_LCU_i}) (5)

其中，i∈[1，N]的整数。

此时即使P_Request不等于零，系统也不会启动。

进一步地，正常充/放电模式指的是功率需求P_Request大于等于所有LCU发送的最小的可充/放电功率P_{Min_LCU}之和，同时小于等于所有LCU发送的最大的可充/放电功率P_{Max_LCU}之和：

∑(P_{Min_LCU_i})≤P_Request≤∑(P_{Max_LCU_i}) (6)

其中，i∈[1，N]的整数。

此时所有的储能单元都会启动，并且当功率需求P_Request大于所有LCU发送的最大的可充/放电功率P_{Max_LCU}之和时，系统只会满足大小等于∑(P_{Max_LCU_i})部分的功率需求。

第二、决定所有LCU的功率分配优先顺序。

在特殊充/放电模式中，CCU需要对所有LCU的优先等级进行排序，以筛选出需要进行充/放电的储能单元。排序遵循的原则是当系统充电时，具有较小的P_{Min_LCU}的单元具有较高的优先权，因为P_{Min_LCU}较小意味着该单元能量状态比较低，需要优先充电；如果P_{Min_LCU}相等，则进一步比较两个单元的健康状态SOH，具有较高的SOH的单元具有更高的优先权；如果SOH也相等，则采用自然排序；与此相反，当系统放电时，具有较大的P_{Min_LCU}的单元具有较高的优先权，因为P_{Min_LCU}较大意味着该单元能量状态比较高，需要优先放电；如果P_{Min_LCU}相等则进一步比较两个单元的健康状态SOH，具有较高的SOH的单元具有更高的优先权；如果SOH也相等，则采用自然排序；经过数轮充放电之后，所有储能单元都会具有相等或者相近的能量状态，从而确保系统可以一直处于具有最大可用功率范围内，不会因为某个电池包由于提前充满/耗尽电量而退出参与功率分配。

第三、设定功率分配公式。

根据不同的充/放电模式，采取不同的分配公式。

特殊充电模式时采用的公式是：

其中，P_{alloc_LCU_i}为分配给储能单元i的功率大小，P_{Min_LCU_i}为储能单元i的最小可接受的充电功率，ΔECHG_LCU_i为储能单元i可增加的能量空间，为所有储能单元可增加的能量空间之和，/>为所有储能单元的最小可接受的充电功率之和。

特殊放电模式时采用的公式是：

其中，ΔEDCHG_LCU_i为储能单元i可释放的能量空间，为所有储能单元可释放的能量空间之和。

正常充电模式时采用的公式是：

正常放电模式时采用的公式是：

第四、计算电柜级的最小可接受充/放电功率和能量空间。

CCU根据所有LCU发送的最小的可充/放电功率P_{Min_LCU}，计算出该电柜级的最小充/放电功率P_{Min_CCU}和最大的可充/放电功率P_{Max_CCU}：

计算该电柜级的可吸收的能量空间ΔECHG_CCU和可释放的能量空间ΔEDCHG_CCU：

其中，i∈[1，N]的整数。

第五、CCU将该电柜级的最小/最大可充/放电功率和能量空间等信息发送给MCU。

步骤S4，MCU根据CCU发送的信息，进行以下操作：

第一、设置不同的功率分配模式，包括：超级特殊充/放电模式、特殊充/放电模式和正常充/放电模式。

超级特殊充/放电模式指的是功率需求P_Request小于所有CCU发送的电柜级最小可接受的充/放电功率P_{Min_CCU}的最小值，但是大于其中一个LCU发送的最小的可充/放电功率P_{Min_LCU}最小值，即：

Min(P_{Min_LCU_i})≤P_Request＜Min(P_{Min_CCU_j})

(15)

其中i∈[1，N]的整数，j∈[1，M]的整数。

该模式意味着至少有一个储能单元可以启动，但是最多也只有一个电柜启动来满足功率需求。

进一步地，特殊充/放电模式指的是P_Request大于等于所有CCU发送的电柜级最小可接受的充/放电功率P_{Min_CCU}的最小值，但是小于这些最小功率之和，即：

Min(P_{Min_CCU_j})≤P_Request＜∑(P_{Min_CCU_j})

(16)

其中，j∈[1，M]的整数。

该模式意味着不是所有电柜都会启动，需要由MCU来决定哪些电柜将参与功率分配。

进一步地，正常充/放电模式指的是P_Request大于等于所有CCU发送的最小的可充/放电功率P_{Min_CCU}之和，同时小于等于所有CCU发送的最大的可充/放电功率P_{Max_CCU}之和：

∑(P_{Min_CCU_j})＜P_Request≤∑(P_{Max_CCU_j})

(17)

其中，j∈[1，M]的整数。

此时所有的储能单元都会启动，并且当功率需求P_Request大于所有CCU发送的最大的可充/放电功率P_{Max_CCU}之和时，系统只会满足大小等于∑(P_{Max_CCU_j})部分的功率需求。

第二、决定所有CCU的功率分配优先顺序。

MCU采用的优先排序方法跟步骤S3中CCU采用的原则一致，即充电时优先考虑P_{Min_CCU}较小的电柜，放电时则与之相反。如果遇到P_{Min_CCU}相等的情况，则直接采用自然排序的方法。

第三、设定功率分配公式。

根据不同的充/放电模式，采取不同的分配公式。

超级特殊充/放电模式时采用的公式是：将所有功率需求分配到具有最小可充/放电功率P_{Min_LCU}所在的电柜。该控制策略可以避免启动多个PCS参与小功率的分配，从而导致系统整体效率降低和频繁切换、启动不同的电池包来参与功率分配。

特殊充电模式时采用的公式是：

其中，P_{alloc_CCU_j}为分配给电柜控制器j的功率大小，P_{Min_CCU_i}为电柜控制器j的最小可接受的充电功率，ΔECHG_CCU_j为电柜控制器j可增加的能量空间，为所有电柜控制器可增加的能量空间之和，/>为所有电柜控制器的最小可接受的充电功率之和。

特殊放电模式时采用的公式是：

其中，ΔEDCHG_CCU_j为电柜控制器j可释放的能量空间，为所有电柜控制器可释放的能量空间之和，/>为所有电柜控制器的最小可接受的放电功率之和。

正常充电模式时采用的公式是：

正常放电模式时采用的公式是：

步骤S5，MCU根据接收到的外部功率调度P_Request和步骤S4计算出来的优先顺序及功率分配公式，得出参与功率分配的CCU名单并将功率指令分配到相应的CCU。

步骤S6，CCU根据MCU下发的功率指令，在步骤S3的基础上确定参与功率分配的LCU的名单并将功率指令和启停命令发送到相应的LCU。

步骤S7，中央控制器MCU将并网点的电能表反馈的实时功率情况与功率需求P_Request进行对比，并将对比结果输入PID控制器来对功率需求重新进行调整，使得系统在扣除各种损耗之后的输出等于功率需求。

具体来讲，锂离子电池的效率只有95％左右，如果是退役的动力电池，则效率比95％更低，同时功率电子如DC/DC和PCS在进行功率转换时也会产生能量损失，再加上各种辅助供电系统的消耗，储能系统的整体效率将会低于90％。对于一个大规模储能系统来说，实际输出跟功率需求有10％的差异是一个非常大的数字，在响应电网调频调压调峰需求时的效果会大打折扣。因此为了实现输出功率的精准控制，需要加入PID控制器对功率进行快速和有效的调整。

经过步骤S1-S7的优先权排序和功率大小分配后的流程如图3和图4所示。为了清晰表达图3的流程图细节，将图3的细节通过分割图3a至图3g来显示，其中在图3中指示了图3a至图3g对应的区域位置。同样，为了清晰表达图4的流程图细节，将图4的细节通过分割图4a至图4g来显示，其中在图4中指示了图4a至图4g对应的区域位置。此外，为了减少本文的篇幅和考虑到节约原则，所有附图中记载的文字和逻辑流向，都能并入本文，而不重复记载。

本发明的金字塔式的控制架构不仅适用于普通锂电池，同时也适用于退役动力电池或者新旧电池混合的储能系统。通过对每个电池配置单独的直流斩波器DC/DC，可以解决不同品牌、不同型号的电池同时组网带来的异构兼容问题。而通过分散控制和集中控制相结合的控制策略，可以实现组网功率从kW到MW级别的自由切换，也就是说它既可以实现单个储能单元(电柜级别)直接接受外部调度而独立运行，也可以通过中央控制器MCU来连接部署在不同地方的多个分布式系统实现大规模储能的协作。另外系统实行动态功率分配方式，因此每个储能单元的投入和切除均不会对整体系统产生影响，所以该控制方案可以有效解决大规模储能系统的实时控制难、系统拓展不灵活和兼容性差等问题。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (5)

1.一种电池储能架构系统，包括电池储能系统和控制系统，其特征在于：

所述的电池储能系统包括多个储能电柜，每个储能电柜包括储能变流器，其中所述的多个储能电柜的储能变流器并接到交流母线，该交流母线通过变压器连接到交流外电网；

每个储能电柜包含多个电池包和多个双向直流斩波器，其中，每个电池包具有电池管理系统，每个电池包与每个双向直流斩波器串联，所述的双向直流斩波器还与直流母线连接，并且直流母线通过直流开关与所述的储能变流器的直流端进行连接；

所述的控制系统包括中央控制器、设置在所述的储能电柜中的电柜控制器和本地控制器，其中，每个所述的储能变流器与每个所述的电柜控制器连接，在每个储能电柜中的多个本地控制器均与该储能电柜中的电柜控制器连接，所述的多个储能电柜的多个电柜控制器与所述的中央控制器连接；

所述的本地控制器配置为：

通过通信总线收集电池管理系统及双向直流斩波器发送的信息；

计算所述的电池包的储能单元的最小可接受的充放电功率和/或可充放电能量盈余空间；

将电量信息通过通信总线上发至本地储能电柜的电柜控制器，同时接收所述的电柜控制器下发的功率指令和启停命令，以实现对本地电池包的储能单元的就地控制；

所述的电柜控制器配置为：

通过通信总线接收下属的本地控制器所发送的信息以及所述的储能变流器发送的最大或最小的允许充放电功率，以决定所述的本地控制器在不同功率分配模式下的优先顺序和功率分配方式；

计算储能电柜级的最小可接受的充放电功率、储能电柜级的可充放电能量盈余空间，并将这些信息发送到中央控制器，同时接收所述的中央控制器下发的功率指令；

通过电柜控制器来设置特殊充放电模式和正常充放电模式，其中：在特殊充放电模式中，功率需求大于等于所有本地控制器发送的最小可充放电功率的最小值，并且功率需求小于所有本地控制器发送的最小可充放电功率之和；在正常充放电模式中，功率需求大于等于所有本地控制器发送的最小可充放电功率之和，并且功率需求小于等于所有本地控制器发送的最大的可充放电功率之和；

通过电柜控制器确定所有本地控制器的功率分配以及优先顺序，其中：当系统充电时，具有较小的最小可充放电功率的储能单元具有较高的优先权；如果最小可充放电功率相等，则进一步比较两个储能单元的健康状态，具有较高的健康状态的储能单元具有更高的优先权；如果SOH也相等，则采用自然排序；与此相反，当系统放电时，具有较大的最小可充放电功率的储能单元具有较高的优先权；如果最小可充放电功率相等则进一步比较两个储能单元的健康状态，具有较高的健康状态的储能单元具有更高的优先权；如果健康状态也相等，则采用自然排序；

通过电柜控制器来设定功率分配方式，其中：

对于特殊充电模式，采用的分配方式：

其中，P_{alloc_LCU_i}为分配给储能单元i的功率大小，P_{Min_LCU_i}为储能单元i的最小可接受的充电功率，ΔECHG_LCU_i为储能单元i可增加的能量空间，为所有储能单元可增加的能量空间之和，/>为所有储能单元的最小可接受的充电功率之和；

对于特殊放电模式，采用的分配方式：

其中，ΔEDCHG_LCU_i为储能单元i可释放的能量空间，

为所有储能单元可释放的能量空间之和；

对于正常充电模式，采用的分配方式：

对于正常放电模式，采用的分配方式：

通过电柜控制器计算电柜级的最小可接受充放电功率和能量空间，其中：使电柜控制器根据所有本地控制器发送的最小可充放电功率，计算出该电柜级的最小充放电功率和最大的可充放电功率的总数；

计算该电柜级的可吸收的能量空间和可释放的能量空间信息的总数；

通过电柜控制器将该电柜级的最小和最大可充放电功率和能量空间信息发送至中央控制器；

通过中央控制器设置超级特殊充放电模式、特殊充放电模式和正常充放电模式，其中：在超级特殊充放电模式中，功率需求小于所有电柜控制器发送的电柜级最小可接受的充放电功率的最小值，并且功率需求大于其中一个本地控制器发送的最小可充放电功率最小值；在特殊充放电模式中，功率需求大于等于所有电柜控制器发送的电柜级最小可接受的充放电功率的最小值，并且功率需求小于所有电柜控制器发送的电柜级最小可接受的充放电功率之和；在正常充放电模式中，功率需求大于等于所有电柜控制器发送的最小可充放电功率之和，并且功率需求小于等于所有电柜控制器发送的最大的可充放电功率之和；

通过中央控制器来确定所有电柜控制器的功率分配以及优先顺序，其中：充电时优先考虑最小可充放电功率更小的储能电柜进行充电，放电时优先考虑最小可充放电功率更大的储能电柜进行放电，如果遇到多个储能电柜的最小可充放电功率相等的情况，则采用自然排序的顺序进行充电和放电；

通过中央控制器根据不同的充放电模式，设定功率分配方式，其中：

对于超级特殊充放电模式，将所有功率需求分配到具有最小可充放电功率P_{Min_LCU}所在的电柜；

对于特殊充电模式，采用的功率分配方式为：

其中，P_{alloc_CCU_j}为分配给电柜控制器j的功率大小，P_{Min_CCU_i}为电柜控制器j的最小可接受的充电功率，ΔEDCHG_CCU_j为电柜控制器j可增加的能量空间，为所有电柜控制器可增加的能量空间之和，/>为所有电柜控制器的最小可接受的充电功率之和；

对于特殊放电模式，采用的功率分配方式为：

其中，ΔEDCHG_CCU_j为电柜控制器j可释放的能量空间，

为所有电柜控制器可释放的能量空间之和，

为所有电柜控制器的最小可接受的放电功率之和；对于正常充电模式，采用的功率分配方式为：

对于正常放电模式，采用的功率分配方式为：

2.根据权利要求1所述的电池储能架构系统，其特征在于，所述的电柜控制器配置为：

在储能电柜单独运行不需要连接到所述的中央控制器时，直接接受外部功率调度，以实施局域规模的储能系统自主运转。

3.根据权利要求1所述的电池储能架构系统，其特征在于，所述的中央控制器配置成：

接收下属的所有电柜控制器所发送的信息，以确定每个电柜控制器在不同功率分配模式下的优先顺序和功率分配方式，并将功率指令下发到每个相关的电柜控制器。

4.一种能量管理控制方法，用于根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的电池储能架构系统，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

S1、通过本地控制器收集电池管理系统发送的信息，该信息包括可充放电能量和功率、最大和最小允许充放电功率；

S2、基于本地控制器，根据电池管理系统和双向直流斩波器发送的信息，计算电池包中的储能单元的最小可接受的充放电功率、可充放电能量盈余空间、电池包健康状况，并发送到电柜控制器；

S3、电柜控制器根据下属所有本地控制器所发送的信息、以及根据储能变流器发送的最大和最小允许充放电功率，以确定每个本地控制器在不同功率分配模式下的优先顺序以及功率分配方式，同时计算电柜级的最小可接受充放电功率、电柜级的可充放电能量盈余空间，并发送到中央控制器；

所述的步骤S3包括：

通过电柜控制器来设置特殊充放电模式和正常充放电模式，其中：在特殊充放电模式中，功率需求大于等于所有本地控制器发送的最小可充放电功率的最小值，并且功率需求小于所有本地控制器发送的最小可充放电功率之和；在正常充放电模式中，功率需求大于等于所有本地控制器发送的最小可充放电功率之和，并且功率需求小于等于所有本地控制器发送的最大的可充放电功率之和；

通过电柜控制器确定所有本地控制器的功率分配以及优先顺序，其中：当系统充电时，具有较小的最小可充放电功率的储能单元具有较高的优先权；如果最小可充放电功率相等，则进一步比较两个储能单元的健康状态，具有较高的健康状态的储能单元具有更高的优先权；如果SOH也相等，则采用自然排序；与此相反，当系统放电时，具有较大的最小可充放电功率的储能单元具有较高的优先权；如果最小可充放电功率相等则进一步比较两个储能单元的健康状态，具有较高的健康状态的储能单元具有更高的优先权；如果健康状态也相等，则采用自然排序；

通过电柜控制器来设定功率分配方式，其中：

对于特殊充电模式，采用的分配方式：

其中，P_{alloc_LCU_i}为分配给储能单元i的功率大小，P_{Min_LCU_i}为储能单元i的最小可接受的充电功率，ΔECHG_LCU_i为储能单元i可增加的能量空间，为所有储能单元可增加的能量空间之和，/>为所有储能单元的最小可接受的充电功率之和；

对于特殊放电模式，采用的分配方式：

其中，ΔEDCHG_LCU_i为储能单元i可释放的能量空间，

为所有储能单元可释放的能量空间之和；

对于正常充电模式，采用的分配方式：

对于正常放电模式，采用的分配方式：

通过电柜控制器计算电柜级的最小可接受充放电功率和能量空间，其中：使电柜控制器根据所有本地控制器发送的最小可充放电功率，计算出该电柜级的最小充放电功率和最大的可充放电功率的总数；

计算该电柜级的可吸收的能量空间和可释放的能量空间信息的总数；

通过电柜控制器将该电柜级的最小和最大可充放电功率和能量空间信息发送至中央控制器；

S4、基于中央控制器，根据下属所有电柜控制器发送的信息来决定每个电柜控制器在不同功率分配模式下的优先顺序以及功率分配方式；

所述的步骤S4包括：

通过中央控制器设置超级特殊充放电模式、特殊充放电模式和正常充放电模式，其中：在超级特殊充放电模式中，功率需求小于所有电柜控制器发送的电柜级最小可接受的充放电功率的最小值，并且功率需求大于其中一个本地控制器发送的最小可充放电功率最小值；在特殊充放电模式中，功率需求大于等于所有电柜控制器发送的电柜级最小可接受的充放电功率的最小值，并且功率需求小于所有电柜控制器发送的电柜级最小可接受的充放电功率之和；在正常充放电模式中，功率需求大于等于所有电柜控制器发送的最小可充放电功率之和，并且功率需求小于等于所有电柜控制器发送的最大的可充放电功率之和；

通过中央控制器来确定所有电柜控制器的功率分配以及优先顺序，其中：充电时优先考虑最小可充放电功率更小的储能电柜进行充电，放电时优先考虑最小可充放电功率更大的储能电柜进行放电，如果遇到多个储能电柜的最小可充放电功率相等的情况，则采用自然排序的顺序进行充电和放电；

通过中央控制器根据不同的充放电模式，设定功率分配方式，其中：

对于超级特殊充放电模式，将所有功率需求分配到具有最小可充放电功率P_{Min_LCU}所在的电柜；

对于特殊充电模式，采用的功率分配方式为：

其中，P_{alloc_CCU_j}为分配给电柜控制器j的功率大小，P_{Min_CCU_i}为电柜控制器j的最小可接受的充电功率，ΔECHG_CCU_j为电柜控制器j可增加的能量空间，为所有电柜控制器可增加的能量空间之和，/>为所有电柜控制器的最小可接受的充电功率之和；

对于特殊放电模式，采用的功率分配方式为：

其中，ΔEDCHG_CCU_j为电柜控制器j可释放的能量空间，

为所有电柜控制器可释放的能量空间之和，

为所有电柜控制器的最小可接受的放电功率之和；

对于正常充电模式，采用的功率分配方式为：

对于正常放电模式，采用的功率分配方式为：

S5、基于中央控制器，根据功率需求的大小、方向、与每个电池包的最小可充放电功率进行对比的结果，选择进入不同的功率分配模式和分配方式，并将计算后的功率分配指令下发到相关的电柜控制器；

S6、基于电柜控制器，根据中央控制器发送的功率需求的大小、方向、与每个电池包的最小可充放电功率进行对比的结果，选择进入不同的功率分配模式和分配方式，并将计算后的功率分配指令下发到相关的本地控制器；

S7、基于中央控制器，将并网点的电能表反馈的实时功率情况与功率需求进行对比，并将对比结果输入PID控制器来对功率需求重新进行调整，使得系统在扣除损耗之后的输出等于功率需求。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

通过本地控制器计算每个储能单元的最小可充放电功率

P_{Min_LCU}＝U_Bat*I_Th

其中，I_Th为储能单元的最低的启动电流阈值，U_Bat为电池包的实时电压值；

计算每个储能单元可吸收的能量空间

ΔECHG_LCU_i＝E_{Max_i}-E_{Now_i}

其中E_{Max_i}为储能单元i在充电截止时所能存储的能量，E_{Now_i}为储能单元i当前已经存储的电量，ΔECHG_LCU_i为储能单元i可增加的能量空间；

计算每个储能单元可释放的能量空间

ΔEDCHG_LCU_i＝E_{Now_i}-E_{Min_i}

其中E_{Min_i}为储能单元i在放电截止时剩余的能量，E_{Now_i}为储能单元i当前已经存储的电量，ΔEDCHG_LCU_i为储能单元i可释放的能量空间。