CN113922458B - 一种可柔性配置的储备一体化电池控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种可柔性配置的储备一体化电池控制方法及系统涉及电力电子领域，本发明由双向DC/DC变换器、电池、参数采集器、主控器、参数配置器和供电状态检测器组成；本发明采用系统被动放电目标值与直流母线端口实时电压的比较结果作为供电检测依据，具有趋势预测，超前判断特点。依据剩余容量、设定备电容量来确定系统运行状态，所有电池老化等引起的容量损失均只影响储能容量，而不会影响备电容量，备电优先得到保证；电池状态良好时，电池容量裕量参与削峰填谷、储能、电网调度等动作。

Description

一种可柔性配置的储备一体化电池控制方法及系统
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域。
背景技术
现有电源系统中，应急备电系统与储能系统通常是分离独立控制的。通常备电系统自身预留足够裕量，以应对备电装置老化带来的容量损失，确保负载紧急请情况下的可用性。储能系统接入电源系统，参与削峰填谷、电网调度、峰谷点价差创收等业务，储能系统虽然在供电异常时亦可参与备电，但其在日常运行中，缺少与备电系统的统一的管理，与备电系统部分配置重复，过冗余设计，增加了投资成本和运维管理成本。并且备电容量与储能容量无法根据业务需要快速动态调节，使用有一定局限性。
一种可直接并联共用的直流侧储能系统申请号 : CN202011357433.4，独立的储能装置，不能主动实现为备电预留容量。
鉴于现有发明的不足，本发明提出一种储备一体化的电池控制方法及系统，其特征是储备电容量统一管理，根据业务需要，由用户在线配置备电容量，任何情况下，优先保证备电容量；在预留备电容量的前提下，多余容量，根据配置的储能运行策略，参与削峰填谷、电网调度和峰谷点价差创收等；另外，本发明在提升供电状态检测响应速度也提出了新的方法。
现有技术说明
本发明用到了电池剩余容量的概念，本发明的电池容量的单位为安时，是直接用电流乘以时间表示的电池容量。
安时积分法：该方法是对电流进行对时间的积分来计算输入和输出电池的能量，通过与额定容量的比值确定soc的值。该方法的缺点是，初始soc值的确定必须准确，否则会有很大的误差，随着时间的延长，会有较大的累积误差，并且当电池使用较长时间后会出现老化，安时积分法的计算精度也会下降。
SOC即荷电状态，用来反映电池的剩余容量，其数值上定义为剩余容量占电池容量的比值，常用百分数表示。其取值范围为0~1，当SOC=0时表示电池放电完全，当SOC=1时表示电池完全充满。 电池SOC不能直接测量，只能通过电池端电压、充放电电流及内阻等参数来估算其大小。SOC算法一直是BMS开发应用的关键技术之一，粗率的说SOC等于剩余容量除以额定容量，常用的SOC估算方法包括开路电压法、安时积分法、卡尔曼滤波法等。它们各有其适用范围和优缺点：开路电压法简单方便，但只能在电池组未带负载时使用，无法适用于充放电过程；安时积分法被广泛采用，但每次电流的采集过程都会引入测量误差，且会随着时间的推移而越来越大，从而造成估算偏差也越来越大；卡尔曼滤波法准确度高，但由于需要事先针对具体的电池产品建立真实的状态模型和测量方程，所以实现的难度大，算法复杂。
根据CN202011357433.4一种可直接并联共用的直流侧储能系统，可计算充电功率目标值。具体过程如下：一种可直接并联共用的直流侧储能系统由双向DC/DC变换器、电池、参数配置器、参数采集器和主控器组成；
由参数配置器根据本发明所应用的场景配置直流母线额定电压值，直流母线额定电压值即直流母线带上负载正常工作时的标准电压值；由参数配置器根据直流母线额定电压值上浮若干百分点配置直流母线稳态上限电压，上浮的若干百分点由在上浮范围内负载和备电装置可保持长期稳定运行状态确定；由参数配置器根据直流母线额定电压值下浮若干百分点配置直流母线稳态下限电压，下浮的若干百分点由在下浮范围内负载和备电装置可保持长期稳定运行状态确定；
由参数配置器输入控制调度周期，控制调度周期是时长类参数，控制调度周期是判断本发明工作状态和调整工作状态的周期；
由参数配置器根据电池厂家的推荐值配置电池充电电流限值、电池充电电压限值和电池放电保护电压值；
由参数配置器输入双向DC/DC变换器的额定功率和双向DC/DC变换器功率调节速度，由双向DC/DC变换器的生产方给定；
由参数配置器输入充电时间表和放电时间表，充电时间表和放电时间表由用户根据电价时段确定后输入；
由参数采集器实时采集直流母线端口实时电压、直流母线端口实时电流、电池端口实时电压、电池端口实时电流和系统时间；
主控器判断系统时间在充电时间表和放电时间表中的位置，当系统时间处于充电时间表时，主控器进入充电状态；当系统时间处于放电时间表中时，主控器进入放电状态；
1）当主控器进入充电状态时，主控器计算：
当电池端口实时电压小于电池充电电压限值时，电池充电所需功率=电池端口实时电压*电池充电电流限值；当电池端口实时电压大于等于电池充电电压限值时，电池充电所需功率=电池充电电压限值*电池端口实时电流；
电池实时充电功率=电池端口实时电压*电池端口实时电流；
当直流母线端口实时电压小于直流母线稳态下限电压时，电池充电功率修正系数=0；当直流母线端口实时电压大于等于直流母线额定电压值，电池充电功率修正系数=1；当直流母线端口实时电压大于等于直流母线稳态下限电压且直流母线端口实时电压小于直流母线额定电压值时，电池充电功率修正系数=（直流母线端口实时电压-直流母线稳态下限电压）/ （直流母线额定电压值-直流母线稳态下限电压）；
当前电池充电功率目标值=电池充电所需功率*电池充电功率修正系数；
双向DC/DC变换器功率给定值=电池实时充电功率+(当前电池充电功率目标值-电池实时充电功率)/充电功率调节步长系数；充电功率调节步长系数>=电池充电电流限值*电池充电电压限值/（控制调度周期*双向DC/DC变换器功率调节速度）；
主控器将双向DC/DC变换器功率给定值发送给双向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器根据DC/DC变换器功率给定值对电池进行充电；
2）当主控器进入放电状态时，主控器计算：
电池放电功率基准=双向DC/DC变换器的额定功率；电池实时放电功率=直流母线端口实时电压*直流母线端口实时电流；
当直流母线端口实时电压大于等于直流母线稳态上限电压时，放电功率修正系数=0；
当直流母线端口实时电压小于等于直流母线稳态上限电压时，放电功率修正系数=1；
当直流母线稳态上限电压<直流母线端口实时电压<直流母线稳态上限电压时，放电功率修正系数=1-(直流母线端口实时电压-直流母线稳态上限电压)/(直流母线稳态上限电压-直流母线额定电压值)；
当前放电功率目标值=电池放电功率基准*放电功率修正系数；
双向DC/DC变换器功率给定值=电池实时放电功率+(当前电池放电功率目标值-电池实时放电功率)/放电功率调节步长系数；放电功率调节步长系数>=双向DC/DC变换器的额定功率 /（控制调度周期*双向DC/DC变换器功率调节速度）；
主控器将双向DC/DC变换器功率给定值发送给双向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器根据DC/DC变换器功率给定值对电池进行充电；
当主控器进入放电状态时以控制调度周期执行计算并向双向DC/DC变换器发送双向DC/DC变换器功率给定值。
发明内容
鉴于现有技术的不足，实现本发明的一种可柔性配置的储备一体化电池控制方法及系统由双向DC/DC变换器、电池、参数采集器、主控器、参数配置器和供电状态检测器组成；
由参数配置器根据应用的场景的具体要求配置输出电压额定值、输出电压上限、输出电压下限；输出电压额定值等于放电装置输入端额定电压，输出电压上限等于放电装置输入端上限电压，输出电压下限等于放电装置输入端下限电压；
参数配置器负责输入控制调度周期，控制调度周期是时长类参数，控制调度周期是判断工作状态和调整工作状态的周期；
参数配置器负责根据电池厂家的推荐值配置电池标称容量、电池充电电流限值、电池充电电压限值、电池放电保护电压值、不同负载条件下的可用容量系数；
参数配置器负责根据负载端所需备电时间配置备电容量，备电容量应小于等于电池标称容量；
由参数配置器负责记录双向DC/DC变换器的生产方给定的双向DC/DC变换器的额定功率和双向DC/DC变换器功率调节速度；
由参数配置器输入充电时间表和放电时间表，充电时间表和放电时间表由用户根据电价时段确定后输入，作为电价萧峰填谷的依据时间表；
由参数采集器负责实时采集直流母线端口实时电压、直流母线端口实时电流、电池端口实时电压、电池端口实时电流和系统时间；
主控器负责根据参数采集器采集的数据和参数配置器配置的数据，计算当前负载条件下可用容量，并采用安时积分法及电压校准法计算剩余容量比SOC；
由主控器根据控制调度周期，每控制调度周期依据电池充电电压限值、电池放电保护电压值及剩余容量比确定当前负载条件下被动放电输出电压目标值：被动放电输出电压目标值=(输出电压额定值-输出电压下限)*剩余容量比+输出电压下限；
由主控器根据控制调度周期，每控制调度周期依据输出电压额定值确定主动放电输出电压目标值：主动放电输出电压目标值=(-输出电压上限-输出电压额定值)*剩余容量比+输出电压额定值；当主动放电电压目标值大于输出电压上限时，主动放电输出电压目标值取输出电压上限值；
由主控器根据控制调度周期，每控制调度周期依据电池充电电流限值、电池充电电压限值、电池端口实时电压、电池端口实时电流和直流母线端口实时电压，计算获得充电功率目标值；当电池端口实时电压小于电池充电电压限值时，充电功率目标值=电池端口实时电压*电池充电电流限值；当电池端口实时电压大于等于电池充电电压限值时，充电功率目标值=电池充电电压限值*电池端口实时电流；电池实时充电功率=电池端口实时电压*电池端口实时电流；
由供电状态检测器根据被动放电输出电压目标值与直流母线端口实时电压的差异判断当前所处的供电状态：当被动放电输出电压目标值大于直流母线端口实时电压，且持续2个控制调度周期，则判断为供电异常；当被动放电输出电压目标值小于直流母线端口实时电压，且持续2个控制调度周期，则判断供电正常；初始状态时，供电状态检测器标注当前所处的供电状态为供电异常；
由供电状态检测器根据直流母线端口电压变化率来判断当前所处的供电状态，当单位时间内直流母线端口电压下降速率超过阈值时，判断为供电异常；阈值：为2倍的直流母线端口电压检测的允许误差绝对值；
由供电状态检测器依据直流母线端口实时电压值判断当前所处的供电状态，当直流母线端口实时电压小于输出电压下限，则供电异常；
由主控器计算当前系统剩余容量，剩余容量=可用容量*剩余容量比；
由主控器每控制调度周期根据参数配置、剩余容量、供电状态确定当前运行状态：当剩余容量大于设定的备电容量时，在供电异常情况下，充电时段的当前运行状态为被动放电，放电时段的当前运行状态为被动放电，静置时段的当前运行状态为被动放电；当剩余容量大于设定的备电容量时，在供电正常情况下，充电时段的当前运行状态为主动充电，放电时段的当前运行状态为主动放电，静置时段的当前运行状态为静置；当剩余容量小于等于设定的备电容量时，在供电异常情况下，充电时段的当前运行状态为被动放电，放电时段的当前运行状态为被动放电，静置时段的当前运行状态为被动放电；当剩余容量小于等于设定的备电容量时，在供电正常情况下，充电时段的当前运行状态为主动充电，放电时段的当前运行状态为被动充电，静置时段的当前运行状态为被动充电；
由主控器每控制周期根据当前系统运行状态，采相应控制动作：当前运行状态为静置时，主控器对双向DC/DC变换器下发待机指令；当前运行状态为被动放电时，在电池电压实时值大于电池放电电压保护值的情况下，主控器下发放电指令至双向DC/DC变换器，主控器下发被动放电电压目标值至双向DC/DC变换器；当前运行状态为被动放电时，在电池电压实时值小于等于电池放电电压保护值的情况下，主控器下发待机指令至双向DC/DC变换器；当前运行状态为被动充电和主动充电时，主控器下发充电指令至双向DC/DC变换器，主控器下发充电功率目标值至双向DC/DC变换器；当前运行状态为主动放电时，在电池电压实时值大于电池放电电压保护值的情况下，主控器下发放电指令至双向DC/DC变换器，主控器下发主动放电电压目标值至双向DC/DC变换器；当前运行状态为主动放电时，在电池电压实时值小于等于电池放电电压保护值的情况下，主控器下发待机指令至双向DC/DC变换器。
有益效果
采用系统被动放电目标值与直流母线端口实时电压的比较结果作为供电检测依据，具有趋势预测，超前判断特点。依据剩余容量、设定备电容量来确定系统运行状态，所有电池老化等引起的容量损失均只影响储能容量，而不会影响备电容量，备电优先得到保证；电池状态良好时，电池容量裕量参与削峰填谷、储能、电网调度等动作。电池容量裕量=剩余容量-备电容量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
参看图1，实现本发明的一种可柔性配置的储备一体化电池控制方法及系统由双向DC/DC变换器1、电池2、参数采集器3、主控器4、参数配置器5和供电状态检测器6组成；
由参数配置器5根据应用的场景的具体要求配置输出电压额定值、输出电压上限、输出电压下限；输出电压额定值等于放电装置输入端额定电压，输出电压上限等于放电装置输入端上限电压，输出电压下限等于放电装置输入端下限电压；
参数配置器5负责输入控制调度周期，控制调度周期是时长类参数，控制调度周期是判断工作状态和调整工作状态的周期；
参数配置器5负责根据电池厂家的推荐值配置电池标称容量、电池充电电流限值、电池充电电压限值、电池放电保护电压值、不同负载条件下的可用容量系数；
参数配置器5负责根据负载端所需备电时间配置备电容量，备电容量应小于等于电池标称容量；
由参数配置器5负责记录双向DC/DC变换器的生产方给定的双向DC/DC变换器的额定功率和双向DC/DC变换器功率调节速度；
由参数配置器5输入充电时间表和放电时间表，充电时间表和放电时间表由用户根据电价时段确定后输入，作为电价萧峰填谷的依据时间表；
由参数采集器3负责实时采集直流母线端口实时电压、直流母线端口实时电流、电池端口实时电压、电池端口实时电流和系统时间；
主控器4负责根据参数采集器3采集的数据和参数配置器5配置的数据，计算当前负载条件下可用容量，并采用安时积分法及电压校准法计算剩余容量比SOC；
由主控器4根据控制调度周期，每控制调度周期依据电池充电电压限值、电池放电保护电压值及剩余容量比确定当前负载条件下被动放电输出电压目标值：被动放电输出电压目标值=(输出电压额定值-输出电压下限)*剩余容量比+输出电压下限；
由主控器4根据控制调度周期，每控制调度周期依据输出电压额定值确定主动放电输出电压目标值：主动放电输出电压目标值=(-输出电压上限-输出电压额定值)*剩余容量比+输出电压额定值；当主动放电电压目标值大于输出电压上限时，主动放电输出电压目标值取输出电压上限值；
由主控器4根据控制调度周期，每控制调度周期依据电池充电电流限值、电池充电电压限值、电池端口实时电压、电池端口实时电流和直流母线端口实时电压，计算获得充电功率目标值；当电池端口实时电压小于电池充电电压限值时，充电功率目标值=电池端口实时电压*电池充电电流限值；当电池端口实时电压大于等于电池充电电压限值时，充电功率目标值=电池充电电压限值*电池端口实时电流；电池实时充电功率=电池端口实时电压*电池端口实时电流；
由供电状态检测器根据被动放电输出电压目标值与直流母线端口实时电压的差异判断当前所处的供电状态：当被动放电输出电压目标值大于直流母线端口实时电压，且持续2个控制调度周期，则判断为供电异常；当被动放电输出电压目标值小于直流母线端口实时电压，且持续2个控制调度周期，则判断供电正常；初始状态时，供电状态检测器标注当前所处的供电状态为供电异常；
由供电状态检测器6根据直流母线端口电压变化率来判断当前所处的供电状态，当单位时间内直流母线端口电压下降速率超过阈值时，判断为供电异常；阈值：为2倍的直流母线端口电压检测的允许误差绝对值；
由供电状态检测器6依据直流母线端口实时电压值判断当前所处的供电状态，当直流母线端口实时电压小于输出电压下限，则供电异常；
由主控器4计算当前系统剩余容量，剩余容量=可用容量*剩余容量比；
由主控器4每控制调度周期根据参数配置、剩余容量、供电状态确定当前运行状态：当剩余容量大于设定的备电容量时，在供电异常情况下，充电时段的当前运行状态为被动放电，放电时段的当前运行状态为被动放电，静置时段的当前运行状态为被动放电；当剩余容量大于设定的备电容量时，在供电正常情况下，充电时段的当前运行状态为主动充电，放电时段的当前运行状态为主动放电，静置时段的当前运行状态为静置；当剩余容量小于等于设定的备电容量时，在供电异常情况下，充电时段的当前运行状态为被动放电，放电时段的当前运行状态为被动放电，静置时段的当前运行状态为被动放电；当剩余容量小于等于设定的备电容量时，在供电正常情况下，充电时段的当前运行状态为主动充电，放电时段的当前运行状态为被动充电，静置时段的当前运行状态为被动充电；
由主控器4每控制周期根据当前系统运行状态，采相应控制动作：当前运行状态为静置时，主控器对双向DC/DC变换器1下发待机指令；当前运行状态为被动放电时，在电池电压实时值大于电池放电电压保护值的情况下，主控器4下发放电指令至双向DC/DC变换器1，主控器4下发被动放电电压目标值至双向DC/DC变换器1；当前运行状态为被动放电时，在电池电压实时值小于等于电池放电电压保护值的情况下，主控器4下发待机指令至双向DC/DC变换器1；当前运行状态为被动充电和主动充电时，主控器4下发充电指令至双向DC/DC变换器1，主控器4下发充电功率目标值至双向DC/DC变换器1；当前运行状态为主动放电时，在电池电压实时值大于电池放电电压保护值的情况下，主控器4下发放电指令至双向DC/DC变换器1，主控器4下发主动放电电压目标值至双向DC/DC变换器4；当前运行状态为主动放电时，在电池电压实时值小于等于电池放电电压保护值的情况下，主控器4下发待机指令至双向DC/DC变换器1。

Claims (1)

1.一种可柔性配置的储备一体化电池控制系统，其特征在于由双向DC/DC变换器、电池、参数采集器、主控器、参数配置器和供电状态检测器组成；
由参数配置器根据应用的场景的具体要求配置输出电压额定值、输出电压上限、输出电压下限；输出电压额定值等于放电装置输入端额定电压，输出电压上限等于放电装置输入端上限电压，输出电压下限等于放电装置输入端下限电压；
参数配置器负责输入控制调度周期，控制调度周期是时长类参数，控制调度周期是判断工作状态和调整工作状态的周期；
参数配置器负责根据电池厂家的推荐值配置电池标称容量、电池充电电流限值、电池充电电压限值、电池放电保护电压值、不同负载条件下的可用容量系数；
参数配置器负责根据负载端所需备电时间配置备电容量，备电容量应小于等于电池标称容量；
由参数配置器负责记录双向DC/DC变换器的生产方给定的双向DC/DC变换器的额定功率和双向DC/DC变换器功率调节速度；
由参数配置器输入充电时间表和放电时间表，充电时间表和放电时间表由用户根据电价时段确定后输入，作为电价萧峰填谷的依据时间表；
由参数采集器负责实时采集直流母线端口实时电压、直流母线端口实时电流、电池端口实时电压、电池端口实时电流和系统时间；
主控器负责根据参数采集器采集的数据和参数配置器配置的数据，计算当前负载条件下可用容量，并采用安时积分法及电压校准法计算剩余容量比SOC；
由主控器根据控制调度周期，每控制调度周期依据电池充电电压限值、电池放电保护电压值及剩余容量比确定当前负载条件下被动放电输出电压目标值：被动放电输出电压目标值=(输出电压额定值-输出电压下限)*剩余容量比+输出电压下限；
由主控器根据控制调度周期，每控制调度周期依据输出电压额定值确定主动放电输出电压目标值：主动放电输出电压目标值=(-输出电压上限-输出电压额定值)*剩余容量比+输出电压额定值；当主动放电电压目标值大于输出电压上限时，主动放电输出电压目标值取输出电压上限值；
由主控器根据控制调度周期，每控制调度周期依据电池充电电流限值、电池充电电压限值、电池端口实时电压、电池端口实时电流和直流母线端口实时电压，计算获得充电功率目标值；当电池端口实时电压小于电池充电电压限值时，充电功率目标值=电池端口实时电压*电池充电电流限值；当电池端口实时电压大于等于电池充电电压限值时，充电功率目标值=电池充电电压限值*电池端口实时电流；电池实时充电功率=电池端口实时电压*电池端口实时电流；
由供电状态检测器根据被动放电输出电压目标值与直流母线端口实时电压的差异判断当前所处的供电状态：当被动放电输出电压目标值大于直流母线端口实时电压，且持续2个控制调度周期，则判断为供电异常；当被动放电输出电压目标值小于直流母线端口实时电压，且持续2个控制调度周期，则判断供电正常；初始状态时，供电状态检测器标注当前所处的供电状态为供电异常；
由供电状态检测器根据直流母线端口电压变化率来判断当前所处的供电状态，当单位时间内直流母线端口电压下降速率超过阈值时，判断为供电异常；阈值：为2倍的直流母线端口电压检测的允许误差绝对值；
由供电状态检测器依据直流母线端口实时电压值判断当前所处的供电状态，当直流母线端口实时电压小于输出电压下限，则供电异常；
由主控器计算当前系统剩余容量，剩余容量=可用容量*剩余容量比；
由主控器每控制调度周期根据参数配置、剩余容量、供电状态确定当前运行状态：当剩余容量大于设定的备电容量时，在供电异常情况下，充电时段的当前运行状态为被动放电，放电时段的当前运行状态为被动放电，静置时段的当前运行状态为被动放电；当剩余容量大于设定的备电容量时，在供电正常情况下，充电时段的当前运行状态为主动充电，放电时段的当前运行状态为主动放电，静置时段的当前运行状态为静置；当剩余容量小于等于设定的备电容量时，在供电异常情况下，充电时段的当前运行状态为被动放电，放电时段的当前运行状态为被动放电，静置时段的当前运行状态为被动放电；当剩余容量小于等于设定的备电容量时，在供电正常情况下，充电时段的当前运行状态为主动充电，放电时段的当前运行状态为被动充电，静置时段的当前运行状态为被动充电；
由主控器每控制周期根据当前系统运行状态，采相应控制动作：当前运行状态为静置时，主控器对双向DC/DC变换器下发待机指令；当前运行状态为被动放电时，在电池电压实时值大于电池放电电压保护值的情况下，主控器下发放电指令至双向DC/DC变换器，主控器下发被动放电电压目标值至双向DC/DC变换器；当前运行状态为被动放电时，在电池电压实时值小于等于电池放电电压保护值的情况下，主控器下发待机指令至双向DC/DC变换器；当前运行状态为被动充电和主动充电时，主控器下发充电指令至双向DC/DC变换器，主控器下发充电功率目标值至双向DC/DC变换器；当前运行状态为主动放电时，在电池电压实时值大于电池放电电压保护值的情况下，主控器下发放电指令至双向DC/DC变换器，主控器下发主动放电电压目标值至双向DC/DC变换器；当前运行状态为主动放电时，在电池电压实时值小于等于电池放电电压保护值的情况下，主控器下发待机指令至双向DC/DC变换器。
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