CN113013938B - 一种多支路并联的并网型电池储能系统荷电状态均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及并网型电池储能系统领域，尤其涉及一种多支路并联的并网型电池储能系统荷电状态均衡方法，包括对储能电池组的荷电状态SOC定义；对储能电池组的健康状态SOH定义；得到各电池组的最大可用容量Q_{max_i}，计算各电池组的初始健康状态SOH_0i；定义考虑放电深度DOD和累积循环次数C_acu的SOH计算公式。计算各电池组SOH_i；根据各储能电池组SOC差值大小设置SOC均衡中SOC的指数n；设置初始下垂系数m_SOH、SOC；当各储能电池组SOC之差大于阈值d时，执行储能电池组SOC均衡策略；当各储能电池组SOC之差小于阈值d时，储能电池组SOC均衡策略退出。本发明实现所有储能电池组的荷电状态SOC均衡，同时计及SOH对SOC均衡的影响，解决电池组最大可用容量下降带来的功率分配不合理问题。

Description

一种多支路并联的并网型电池储能系统荷电状态均衡方法

技术领域

本发明涉及储能电池并网系统领域，尤其涉及一种多支路并联的并网型电池储能系统荷电状态均衡方法。

背景技术

为了解决可再生能源发电的不确定性问题，同时也为了解决电网调频和削峰填谷等需求，微电网中的储能电池系统近年来迅速发展。锂电池作为储能系统电能存储的载体，具有优异的放电和充电伏安电池曲线，且利于后期维护。但受限于其本身的物理属性，单个电池的容量或功率并不能满足中大型负载，因此引入了多储能电池组系统来满足负载。

在多储能电池组系统中，各电池组之间的SOC并不相同。在电池放电过程中，初始SOC最小或者容量最小电池组的电量将会最先放完，负载功率支撑得不到保障，交流微电网存在崩溃的可能性，且长期的过冲和过放，也会对电池造成极大的损伤。

基于不同种类电池组构成的多支路并联型储能电池系统存在着各电池组间健康状态SOH不一致的问题。随着未来退役动力电池在电池储能系统中的逐步应用，这一问题将变得愈加明显，表现为随着各电池组SOH的逐渐衰减，SOH离散程度加大，传统下垂控制方法中离线设置的下垂曲线参数难以及时进行调整，导致整体输出功率无法精准分配。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种多支路并联的并网型电池储能系统荷电状态均衡方法，以实现所有储能电池组电量能均衡消耗。

一种多支路并联的并网型电池储能系统荷电状态均衡方法，包括：

S1：对储能电池组的荷电状态SOC定义；

S2：对储能电池组的健康状态SOH定义；

S3：获取各储能电池组的最大可用容量Q_{max_i}，计算得到各储能电池组的初始健康状态SOH_0i；

S4：根据各储能电池组的初始健康状态SOH_0i考虑放电深度DOD和累积循环次数C_acu计算各储能电池组健康状态SOH_i；计算得到各个储能电池组荷电状态SOC_i；

S5：根据各储能电池组荷电状态SOC_i差值大小设置荷电状态SOC均衡中荷电状态SOC的指数n；

S6：根据各储能电池组健康状态SOH_i及荷电状态SOC_i设置初始下垂系数m_SOH、SOC；

S7：判断各储能电池组荷电状态SOC_i之差是否超过阈值d，若超过阈值d，则执行储能电池组荷电状态SOC均衡策略，根据各个储能电池组荷电状态SOC_i的指数n调节各储能电池组输出功率参考值，最终实现各储能电池组荷电状态SOC均衡；

S8：当各储能电池组荷电状态SOC_i之差小于阈值d时，储能电池组荷电状态SOC均衡策略退出。

优选的，所述对储能电池组的荷电状态SOC定义包括：

储能电池组的荷电状态SOC定义式如下：

其中，SOC₀指的是储能电池组的荷电状态SOC初始值；C_N表示储能电池组的额定容量；i_in指的是储能电池组的输出电流。

优选的，所述对储能电池组的健康状态SOH定义包括：

其中，Q_{max_i}表示第i个储能电池组的最大可用容量，Q_{rate_i}表示第i个储能电池组的额定容量。

优选的，所述考虑放电深度DOD和累积循环次数C_acu计算各储能电池组健康状态SOH_i包括：

其中，a和b为通过储能电池衰减曲线拟合得到的常数参数。

优选的，所述储能电池组荷电状态SOC均衡策略包括：

计算直流母线电压u_dc和直流母线电压参考值u_dc ^*：

其中，u_dc和u_dc ^*分别为直流母线电压和直流母线电压参考值，m_SOH、SOC为初始下垂系数，SOH_i是第i个电池组的健康状态SOH；

通过计算各储能电池组实时的健康状态SOH_i，自动修正下垂系数，以适应各储能电池组可用最大容量的衰减；

通过下垂控制得到储能电池组参考输出功率p_i，从而得到储能电池组的参考输出电流i_i ^*，根据储能电池组的参考输出电流i_i ^*调节储能电池组输出功率参考值，通过电流控制器实现闭环控制。

优选的，所述自动修正下垂系数包括：

当储能电池组健康状态SOH降低后，荷电状态SOC下降速度增快，增大该储能电池组下垂系数，从而减小该储能电池组输出功率参考值，降低荷电状态SOC下降速度，实现了下垂系数的自动修正。

本发明的有益效果：

1.根据各个储能电池组荷电状态SOC_i调节储能电池组输出功率参考值，最终实现各储能电池组荷电状态SOC均衡；

2.通过计算各储能电池组实时的健康状态SOH_i，自动修正下垂系数，以适应各储能电池组可用最大容量的衰减。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例一种多支路并联的并网型电池储能系统荷电状态均衡方法流程示意图；

图2是本发明实施例一种多支路并联的并网型电池储能系统荷电状态均衡方法控制框图；

图3是本发明实施例一种多支路并联的并网型电池储能系统荷电状态均衡方法下垂控制曲线图；

图4是本发明实施例一种多支路并联的并网型电池储能系统荷电状态均衡方法的均衡流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

本发明实施例提出一种多支路并联的并网型电池储能系统荷电状态均衡方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1：对储能电池组的荷电状态SOC定义。

荷电状态指的是储能电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示。安时积分法由于简单有效，被认为是最常用的荷电状态SOC估计方法，其定义式见式(1)：

其中，SOC₀指的是各个储能电池组的荷电状态SOC初始值；i_in指的是各个储能电池组的输出电流；C_N表示储能电池组的额定容量。

S2：对储能电池组的健康状态SOH定义。

健康状态表征当前电池相对于新电池存储电能的能力，以百分比的形式表示电池从寿命开始到寿命结束期间所处的状态，用来定量描述当前电池的性能状态。其定义式见式(2)：

其中，Q_{max_i}表示第i个储能电池组的最大可用容量，Q_{rate_i}表示第i个储能电池组的额定容量。

S3：获取各储能电池组的最大可用容量Q_{max_i}，计算得到各储能电池组的初始健康状态SOH_0i。

在投入运行前，对各储能电池组进行充放电实验，得到各电池组的最大可用容量Q_{max_i}，根据式(2)计算得到各电池组的初始健康状态SOH_0i。初始健康状态的测试过程如下：

步骤1：使用标准放电电流对电池组进行恒流放电直到电池组的电压达到放电截止电压。按照电池手册要求对电池静置。

步骤2：使用标准充电电流对电池组进行恒流充电直到电池组的电压达到充电截止电压，然后再在这一电压下进行恒压充电直到充电电流衰减至电池手册要求的值。按照电池手册要求对电池静置。

步骤3：使用标准放电电流对电池组进行恒流放电直到电池组的电压达到放电截止电压。记录这一过程中释放出的容量(即为Q_{max_i})，并据此由(2)得到初始健康状态SOH_0i。

S4：根据各储能电池组的初始健康状态SOH_0i考虑放电深度DOD和累积循环次数C_acu计算各储能电池组健康状态SOH_i；计算得到各个储能电池组荷电状态SOC_i。

定义考虑放电深度(depth-of-discharge，DOD)和累积循环次数(accumulatedlife cycles，C_acu)的SOH计算公式，如式(3)所示。计算各电池组健康状态SOH_i：

其中，a和b为通过储能电池衰减曲线拟合得到的常数参数。一般来说，电池储能系统中具有足够的空间来安装散热设备，所以电池组之间的温差一般较小。因此，DOD和C_acu可以作为主要影响因素来进行健康状态SOH计算。

各个储能电池组荷电状态SOC_i通过公式(1)计算得到。

S5：根据各储能电池组荷电状态SOC_i差值大小设置荷电状态SOC均衡中荷电状态SOC的指数n。

在本实施例中，根据各储能电池组荷电状态SOC_i差值大小选择荷电状态SOC均衡中SOC的指数n，以提高荷电状态SOC均衡速度。

S6：根据各储能电池组健康状态SOH_i及荷电状态SOC_i设置初始下垂系数m_SOH、SOC。

S7：判断各储能电池组荷电状态SOC_i之差是否超过阈值d，若超过阈值d，则执行储能电池组荷电状态SOC均衡策略，根据各个储能电池组荷电状态SOC_i的指数n调节各储能电池组输出功率参考值，最终实现各储能电池组荷电状态SOC均衡。

为了让各储能电池组荷电状态SOC_i实现均衡，荷电状态SOC较大电池组应输出较大功率，荷电状态SOC较小电池组应输出较小功率。

其中，储能电池组荷电状态SOC均衡策略包括：

在本实施例中，对各储能电池组所连双向DC/DC变换器使用计及健康状态SOH影响的荷电状态SOC自适应下垂控制方法，其表达式如式(4)所示：

其中，u_dc和u_dc ^*分别为直流母线电压和直流母线电压参考值，m_SOH、SOC为初始下垂系数，SOH_i是第i个电池组的健康状态SOH。

如图2所示，系统通过DC/DC变换器处理后的数据计算各储能电池组实时的SOH_i及荷电状态SOC_i，自动修正下垂系数m₁、m₂，以适应各电池组可用最大容量的衰减，并通过除法器、电流环、调制器及DC/DC变换器实现各储能电池组荷电状态SOC均衡。下垂控制曲线如图3所示。当储能电池组SOH_i降低后，荷电状态SOC下降速度增快，此时增大该电池组下垂系数，从而减小该电池组输出功率参考值，降低荷电状态SOC下降速度，实现了下垂系数的自动修正。系统通过下垂控制得到电池组参考输出功率p_i，从而得到电池组的参考输出电流i_i ^*，通过电流控制器实现闭环控制。

S8：当各储能电池组荷电状态SOC_i之差小于阈值d时，储能电池组荷电状态SOC均衡策略退出。

当各储能电池组荷电状态SOC之差小于阈值d之后，则令储能电池组荷电状态SOC均衡策略退出，此时可认为各储能电池组荷电状态SOC实现均衡，各储能电池组输出功率均衡。

本发明的整体流程如图4所示，首先对储能电池组的荷电状态SOC定义，然后对储能电池组的健康状态SOH定义。对各储能电池组进行充放电实验，得到各电池组的最大可用容量Q_{max_i}，根据式(2)计算得到各电池组的初始健康状态SOH_0i，根据式(3)计算各电池组健康状态SOH_i。判断各储能电池组SOC之差是否超过阈值d，若超过阈值d，则根据式(4)执行储能电池组SOC均衡策略：根据各储能电池组SOC之差，设置SOC均衡中SOC的指数n；设置初始下垂系数m_SOH、SOC；根据各储能电池组的SOH_i、SOC_i、直流母线电压，计算各储能电池组的输出功率参考值p_i，从而得到电池组的参考输出电流i_i ^*，通过电流控制器实现闭环控制。当各储能电池组SOC之差小于阈值d时，储能电池组SOC均衡策略退出。

本发明根据各个储能电池组荷电状态SOC_i调节储能电池组输出功率参考值，最终实现各储能电池组荷电状态SOC均衡。

本发明通过计算各储能电池组实时的健康状态SOH_i，自动修正下垂系数，以适应各储能电池组可用最大容量的衰减。

本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种多支路并联的并网型电池储能系统荷电状态均衡方法，其特征在于，包括：

S1：对储能电池组的荷电状态SOC定义；

S2：对储能电池组的健康状态SOH定义；

S3：获取各储能电池组的最大可用容量Q_{max_i}，计算得到各储能电池组的初始健康状态SOH_0i；

S4：根据各储能电池组的初始健康状态SOH_0i考虑放电深度DOD和累积循环次数C_acu计算各储能电池组健康状态SOH_i；计算得到各个储能电池组荷电状态SOC_i；

S5：根据各储能电池组荷电状态SOC_i差值大小设置荷电状态SOC均衡中荷电状态SOC的指数n；

S6：根据各储能电池组健康状态SOH_i及荷电状态SOC_i设置初始下垂系数m_SOH、SOC；

S7：判断各储能电池组荷电状态SOC_i之差是否超过阈值d，若超过阈值d，则执行储能电池组荷电状态SOC均衡策略，根据各个储能电池组荷电状态SOC_i的指数n调节各储能电池组输出功率参考值，最终实现各储能电池组荷电状态SOC均衡；所述储能电池组荷电状态SOC均衡策略包括：

计算直流母线电压u_dc和直流母线电压参考值u_dc ^*：

其中，u_dc和u_dc ^*分别为直流母线电压和直流母线电压参考值，m_SOH、SOC为初始下垂系数，SOH_i是第i个电池组的健康状态SOH；

通过计算各储能电池组实时的健康状态SOH_i，自动修正下垂系数，以适应各储能电池组可用最大容量的衰减；

通过下垂控制得到储能电池组参考输出功率p_i，从而得到储能电池组的参考输出电流i_i ^*，根据储能电池组的参考输出电流i_i ^*调节储能电池组输出功率参考值，通过电流控制器实现闭环控制；

S8：当各储能电池组荷电状态SOC_i之差小于阈值d时，储能电池组荷电状态SOC均衡策略退出。

2.根据权利要求1所述的一种多支路并联的并网型电池储能系统荷电状态均衡方法，其特征在于，所述对储能电池组的荷电状态SOC定义包括：

储能电池组的荷电状态SOC定义式如下：

其中，SOC₀指的是储能电池组的荷电状态SOC初始值；C_N表示储能电池组的额定容量；i_in指的是储能电池组的输出电流。

3.根据权利要求1所述的一种多支路并联的并网型电池储能系统荷电状态均衡方法，其特征在于，所述对储能电池组的健康状态SOH定义包括：

其中，Q_{max_i}表示第i个储能电池组的最大可用容量，Q_{rate_i}表示第i个储能电池组的额定容量。

4.根据权利要求1所述的一种多支路并联的并网型电池储能系统荷电状态均衡方法，其特征在于，所述考虑放电深度DOD和累积循环次数C_acu计算各储能电池组健康状态SOH_i包括：

其中，a和b为通过储能电池衰减曲线拟合得到的常数参数。

5.根据权利要求1所述的一种多支路并联的并网型电池储能系统荷电状态均衡方法，其特征在于，所述自动修正下垂系数包括：

当储能电池组健康状态SOH降低后，荷电状态SOC下降速度增快，增大该储能电池组下垂系数，从而减小该储能电池组输出功率参考值，降低荷电状态SOC下降速度，实现下垂系数的自动修正。

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