CN116388334B - 一种可重构电池储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可重构电池储能系统，涉及电化学储能领域。通过电池能量网卡采集每个可重构电池网络的运行状态数据；电池能量集线器根据运行状态数据计算每个可重构电池网络的性能数据；电池能量交换机根据运行状态数据和性能数据生成每个可重构电池网络的最优拓扑结构；电池能量集线器根据最优拓扑结构生成MOS管驱动信号并发送至电池能量网卡；电池能量网卡根据MOS管驱动信号控制每个可重构电池网络中可控开关的状态(接通或关断)。通过操作每个可重构电池网络开关阵列中的开关状态，可以调整多个差异化可重构电池网络之间的连接方式，进而改变整个可重构电池储能系统的能量输出状态，提高可重构电池储能系统的整体能量效率和运行可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电化学储能技术领域，特别是涉及一种可重构电池储能系统。
背景技术
随着风电、光伏等大规模间歇式新能源并网，电网的稳定运行面临着新的挑战，而储能技术由于可以起到平抑波动、提高电能质量等作用，已经成为新型电力系统中不可或缺的一部分。其中，电化学储能由于其响应速度快、技术路线成熟等优点，已经得到人们的广泛关注。电化学储能的核心是大规模电池储能系统及其管控，大规模电池储能系统中往往又包括多个协同运行的差异化电池网络。传统的电池储能系统为了满足负载电压和电流的需求，通常将电池网络中的大量电池单体通过固定串并联的方式连接。然而，由于电池单体间存在差异性，这种固定连接的方式会存在“木桶效应”，即整个电池储能系统的性能取决于性能最差的电池单体，从而带来能量效率低、可靠性低等问题。
发明内容
针对上述背景技术中提出的问题，本发明提供一种可重构电池储能系统，能够提高可重构电池储能系统的整体能量效率和运行可靠性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种可重构电池储能系统，包括：多个可重构电池网络、电池能量网卡、电池能量集线器以及电池能量交换机；
所述电池能量网卡与多个可重构电池网络连接，用于采集每个可重构电池网络的运行状态数据并发送至所述电池能量集线器；所述运行状态数据包括单体电池的内阻、容量、温度和充放电电流；
所述电池能量集线器与所述电池能量网卡连接，用于根据每个可重构电池网络的运行状态数据计算每个可重构电池网络的性能数据并发送至所述电池能量交换机；所述性能数据包括SOC、SOH、开路电压和使用寿命；
所述电池能量交换机与所述所述电池能量集线器连接，用于根据每个可重构电池网络的运行状态数据和性能数据生成每个可重构电池网络的最优拓扑结构并发送至所述电池能量集线器；
所述电池能量集线器根据每个可重构电池网络的最优拓扑结构生成MOS管驱动信号并发送至所述电池能量网卡；
所述电池能量网卡根据所述MOS管驱动信号控制每个可重构电池网络中可控开关的状态。
可选地，所述电池能量交换机根据每个可重构电池网络的运行状态数据和性能数据生成每个可重构电池网络的最优拓扑结构，具体包括：
所述电池能量交换机建立可重构电池储能系统的最优运行性能函数模型；
求解所述最优运行性能函数模型，得到每个可重构电池网络的最优性能参数；
建立可重构电池网络的拓扑结构优化模型；
将每个可重构电池网络的运行状态数据、性能数据以及最优性能参数代入所述拓扑结构优化模型，求解出每个可重构电池网络的最优拓扑结构。
可选地，所述电池能量交换机建立可重构电池储能系统的最优运行性能函数模型，具体包括：
电池能量交换机建立可重构电池储能系统的最优运行性能函数模型
其中Cn表示可重构电池储能系统优化运行方案集合C＝{C1,C2,…,CN}中第n种优化运行方案，N为优化运行方案数量；表示第n种优化运行方案的可靠电流；h与T分别表示可重构电池储能系统的负载需求与工况条件；/>表示考虑系统负载需求、工况条件和优化运行方案条件下的系统性能参数，包括每个可重构电池网络的性能参数；每个可重构电池网络的最优性能参数包括每个可重构电池网络的电流、电压和功率；γ表示Cn对应的系统花销；/>表示N种优化运行方案中的最优运行方案。
可选地，所述求解所述最优运行性能函数模型，得到每个可重构电池网络的最优性能参数，具体包括：
将所述最优运行性能函数模型表述为多目标优化问题并通过动态规划算法进行求解，通过寻找动态规划中的Cost-to-go函数中的最短路径，获得可重构电池储能系统在给定工作时间内的最优运行方案；所述最优运行方案中包括每个可重构电池网络的最优性能参数。
可选地，所述建立可重构电池网络的拓扑结构优化模型，具体包括：
建立可重构电池网络的拓扑结构优化模型其中xm表示第m种拓扑结构优化方案中可重构电池网络的设计参数矩阵，所述设计参数包括可重构电池网络的最优性能参数和运行状态参数；所述运行状态参数包括单体电池的内阻、容量、温度、充放电电流、SOC、SOH、开路电压、使用寿命；M为拓扑结构优化方案数量；Y()表示优化目标函数；Hm表示第m种拓扑结构优化方案中可重构电池网络的拓扑结构。
可选地，所述将每个可重构电池网络的运行状态数据、性能数据以及最优性能参数代入所述拓扑结构优化模型，求解出每个可重构电池网络的最优拓扑结构，具体包括：
采用有向无环图来描述每个可重构电池网络的拓扑结构，有向无环图中的每一个点代表可控开关的状态，将状态带来的电量消耗标注在每一条边上，从而将所述拓扑结构优化模型的求解问题通过拉格朗日松弛算法转变为动态规划问题进行求解，求解出每个可重构电池网络的最优拓扑结构。
可选地，所述可控开关采用MOSFET管。
可选地，所述电池能量交换机通过RS485与所述电池能量集线器通信。
可选地，所述可重构电池储能系统还包括：电池能量适配器；所述电池能量适配器与所述电池能量交换机连接，用于接入或断开外部负载或者充电器。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的可重构电池储能系统中，通过电池能量网卡采集每个可重构电池网络的运行状态数据；电池能量集线器根据每个可重构电池网络的运行状态数据计算每个可重构电池网络的性能数据并发送至电池能量交换机；电池能量交换机根据每个可重构电池网络的运行状态数据和性能数据生成每个可重构电池网络的最优拓扑结构；电池能量集线器根据每个可重构电池网络的最优拓扑结构生成MOS管驱动信号并发送至电池能量网卡；电池能量网卡根据MOS管驱动信号控制每个可重构电池网络中可控开关的状态(接通或关断)。通过操作每个可重构电池网络开关阵列中的开关状态，可以调整多个差异化可重构电池网络之间的连接方式，进而改变整个可重构电池储能系统的能量输出状态，提高可重构电池储能系统的整体能量效率和运行可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种可重构电池储能系统的结构示意图；
图2为本发明电池能量网卡的原理示意图；
图3为本发明电池能量集线器的原理示意图；
图4为本发明电池能量交换机的原理示意图；
图5为本发明电池能量适配器的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种可重构电池储能系统，以提高可重构电池储能系统的整体能量效率和运行可靠性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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为本发明所提供的一种可重构电池储能系统的结构图，参见图1，一种可重构电池储能系统，包括：多个可重构电池网络、电池能量网卡、电池能量集线器以及电池能量交换机。
本发明可重构电池储能系统中包括多个协同运行的差异化可重构电池网络。每个可重构电池网络是通过一系列可控开关组成的开关阵列将大量相同单体电池进行连接而构成的电池网络。通过控制电池所连可控开关的状态(接通或关断)，改变电池的连接方式，调整电池网络的电路拓扑，进而调节电池网络的输出功率。通过操作每个可重构电池网络开关阵列中的开关状态，调整多个可重构电池网络之间的连接方式，改变电池电流大小，进而能够改变整个可重构电池储能系统的能量输出状态。
多个协同运行的差异化可重构电池网络是指可重构电池储能系统中包括的多个可重构电池网络，每个可重构电池网络包括的单体电池参数可以不同。但是在同一可重构电池网络中，包括的各个单体电池参数是相同的。
在实际应用中，可控开关可以采用高频、低功耗的功率MOSFET管，借助MOSFET管组成的开关阵列，可以实现可重构电池网络电压/电流的快速配置。
其中，所述电池能量网卡与多个可重构电池网络连接，用于采集每个可重构电池网络的运行状态数据并发送至所述电池能量集线器；所述运行状态数据包括单体电池的内阻、容量、温度和充放电电流等实时数据。所述电池能量集线器与所述电池能量网卡连接，用于根据每个可重构电池网络的运行状态数据计算每个可重构电池网络的性能数据并发送至所述电池能量交换机；所述性能数据包括SOC、SOH、开路电压和使用寿命等数据。所述电池能量交换机与所述所述电池能量集线器连接，用于根据每个可重构电池网络的运行状态数据和性能数据生成每个可重构电池网络的最优拓扑结构并发送至所述电池能量集线器。所述电池能量集线器根据每个可重构电池网络的最优拓扑结构生成MOS管驱动信号并发送至所述电池能量网卡。所述电池能量网卡根据所述MOS管驱动信号控制每个可重构电池网络中可控开关的状态。
电池能量交换机，其功能为整个系统的控制中枢，是整个系统的最上层，承担与外部控制器通信，并接收外部控制器指令，执行对整个可重构电池储能系统的运行控制。电池能量交换机与电池能量集线器进行通信，通过串口通信获取电池能量集线器计算出的每节蓄电池当前SOC和SOH以及电压、电流等模拟量，经过分析计算通过串口通信给电池能量集线器下发每个可重构电池网络的最优拓扑结构。
电池能量集线器，作为可重构电池网络的就地控制器，可以接收电池能量交换机下发的每个可重构电池网络的最优拓扑结构，根据最优拓扑结构控制可重构电池网络中电池模组阵列的拓扑结构，使充放电过程中电池单体保持均衡，可以快速响应故障电池保护策略。同时，收集电池能量网卡采集的电池运行状态信息计算出电池当前SOC等性能数据。
电池能量网卡，电池功率连路的桥接单元，可以对其管理的单节电池进行功率流管控，是系统功率输出的最小单元，也是系统信息化管理的执行单元，实现控制单节电池接入系统或者退出系统和采集电池运行状态模拟量。
此外，本发明可重构电池储能系统还可以设置辅助设备电池能量适配器来控制可重构电池网络中电池簇的通断。电池能量适配器作为系统功率级对外接口，实现系统接入和断开外部负载或者充电器，根据系统调度指令完成与PCS的功率对接或隔离，以及部分保护功能。
图2为本发明电池能量网卡的原理示意图。参见图2，电池能量网卡利用MOS管作为可控开关，通过控制开关的开断实现控制单节电池(BAT)的系统接入或者退出。具体为通过接通选择开关将电池接入系统，通过断开选择开关并开启导通旁路开关将电池退出系统。电池能量网卡同时负责采集电池运行状态数据，采集每节电池的电压、电流、温度等运行状态信息，并上传给电池能量集线器。
图3为本发明电池能量集线器的原理示意图。参见图3，电池能量集线器主要管理电池能量采集网卡，收集能量网卡采集到的电池电压、电流、温度等模拟量数据，精确计算每一个单体电池的SOC、SOH、开路电压、使用寿命等性能数据，将性能数据发送给电池能量交换机。同时也接收能量交换机下发的控制指令，并据此给电池能量网卡下发MOS管开关驱动信号。
图4为本发明电池能量交换机的原理示意图。参见图4，电池能量交换机通过RS485与电池能量集线器通信，获取系统每一节电池的SOC等性能数据以及温度等运行状态数据。根据系统每节电池的数据进行分析与运算，给出相对应的最优拓扑结构配置，通过RS485通信下发给电池能量集线器。同时，电池能量交换机配置了丰富的通信接口，通过以太网口可以连接上位机软件。
电池能量交换机根据每个可重构电池网络的运行状态数据和性能数据生成每个可重构电池网络的最优拓扑结构，具体包括：
S1：电池能量交换机建立可重构电池储能系统的最优运行性能函数模型。
基于可重构电池网络的规模化可重构电池储能系统包含数量庞大的差异化电池网络及电力电子开关器件，电池网络是由多个电池单体柔性连接构成。差异化可重构电池网络的外特性表征具有明显的不一致性。为保障复杂的可重构电池储能系统优化运行，本发明融合电池外特性衰减特性，考虑系统损耗、功率输出条件、元器件工作范围、系统可靠性要求等约束条件，根据提出的可重构电池储能系统优化运行方案{C1,C2,…,CN}，可建立可重构电池储能系统的最优运行性能函数模型：
其中Cn表示可重构电池储能系统优化运行方案集合C＝{C1,C2,…,CN}中第n种优化运行方案，N为优化运行方案数量；表示第n种优化运行方案的可靠电流；h与T分别表示可重构电池储能系统的负载需求与工况条件；/>表示考虑系统负载需求、工况条件和优化运行方案条件下的系统性能参数，包括每个可重构电池网络的性能参数；每个可重构电池网络的最优性能参数包括每个可重构电池网络的电流、电压和功率；γ表示Cn对应的系统花销；/>表示N种优化运行方案中的最优运行方案。
S2：求解所述最优运行性能函数模型，得到每个可重构电池网络的最优性能参数。
给定工况下的可重构电池储能系统优化运行控制策略是一个高维度复杂系统问题。在规模化电池储能系统的实际应用场景中，尤其是复杂工况条件下(例如频繁充放电切换场景)，电池网络动态重构控制策略需要同时兼顾安全性、可靠性和经济性等多目标的协同控制。本发明将最优运行性能函数模型(1)表述为多目标优化问题，并通过动态规划算法进行求解，通过寻找动态规划中的Cost-to-go函数中的最短路径，获得可重构电池储能系统在给定工作时间内的最优运行方案；所述最优运行方案中包括每个可重构电池网络的最优性能参数，即每个可重构电池网络的最优电流、电压和功率。
根据以上最优运行性能函数模型(1)的求解结果，具有潜在非安全的电池运行方案将自动从运行方案中剔除，从而使得满足系统可靠性约束条件以及元器件可靠工作范围的大规模可重构电池储能系统达到最优性能。
S3：建立可重构电池网络的拓扑结构优化模型。
在给定负荷需求(电流/电压/功率等)的前提下，可重构电池网络可能有多种不同的电池网络拓扑结构可以满足输出需求。因此，需要研究当前重构周期中的电池网络拓扑结构优化策略，即在所有满足负荷需求的电池网络拓扑结构中选择重构周期中系统有效容量上升最多(充电)或降低最少(放电)所对应的电池网络拓扑结构，并需兼顾系统中各电池单体/网络模组之间的均衡。
动态可重构电池网络构成了一个信息物理复杂的能量模组，电池网络拓扑的动态重构是影响网络特性的重要因素，本发明拟将其拓扑结构优化转化为一个大规模复杂网络的动态优化问题，进而解决大规模电池网络优化问题，实现对电池网络的动态有效管控。在本发明中，建立可重构电池网络的拓扑结构优化模型如下：
其中xm表示第m种拓扑结构优化方案中可重构电池网络的设计参数矩阵，矩阵中的各个设计参数包括：可重构电池网络的最优性能参数(电流/电压/功率)和运行状态参数；所述运行状态参数包括单体电池的内阻、容量、温度、充放电电流、SOC、SOH、开路电压、使用寿命等。M为拓扑结构优化方案数量；Y()表示优化目标函数；Hm表示第m种拓扑结构优化方案中可重构电池网络的拓扑结构。
拓扑结构优化模型(2)的限制条件包括各设计参数变量的上下限限制。在掌握每个单体电池的特性和状态的基础上，得到由一组相同单体电池按照不同电池网络拓扑结构所构成的电池网络性能，进而通过底层物理开关阵列的结构变换实现动态电池网络的拓扑重构，达到优化整个可重构电池储能系统性能的目的。
S4：将每个可重构电池网络的最优性能参数代入所述拓扑结构优化模型，求解出每个可重构电池网络的最优拓扑结构。
对于动态重构电池的拓扑结构优化问题，本发明通过考虑电池状态、负载状况和环境因素，选择最优电池网络拓扑结构来完成。由于单体电池容量在充电或放电过程中的行为是单调递减的，因此本发明采用一个有向无环图来描述每个可重构电池网络的拓扑结构，即描述可重构电池网络内电池单体连接的演变过程。有向无环图中的每一个点代表可控开关的状态(接通或关断)，将该状态带来的电量消耗标注在每一条边上，从而拓扑结构优化模型(2)的求解问题可以通过拉格朗日松弛算法转变为动态规划问题来进行求解，求解出每个可重构电池网络的最优拓扑结构。
根据最优拓扑结构控制可重构电池网络中各个单体电池所连可控开关的状态(接通或关断)，来改变电池的连接方式，动态调整电池网络的拓扑结构，进而调节电池网络的性能参数(电流/电压/输出功率)。进一步地，通过操作每个可重构电池网络开关阵列中的开关状态，可以调整多个差异化可重构电池网络之间的连接方式，改变电池网络性能参数(电流/电压/输出功率)大小，进而改变整个可重构电池储能系统的能量输出状态，控制可重构电池储能系统的优化运行。
图5为本发明电池能量适配器的原理示意图。参见图5，电池能量适配器管控电池系统的功率输入输出接口，负责电池系统的电流、电压检测和过压、过流保护等功能，实现接入系统和断开外部负载或者充电器。电池能量适配器通过接收电池能量交换机下发的外接驱动信号，实现系统与外界负载充电器的接入与断开。
通过所述电池能量适配器，可重构电池储能系统可以接入外部电池管理专用芯片，对电池进行精细化管理，实现单体电池安全、可靠、高效运行。电池管理专用芯片能根据电池的特性和状态对充放电电流和电池的组合方式进行优化管理，有效地提高电池利用率，显著延长电池寿命；并配备了以太网通信接口，提供远程可视化监控功能。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种可重构电池储能系统，其特征在于，包括：多个可重构电池网络、电池能量网卡、电池能量集线器以及电池能量交换机；
所述电池能量网卡与多个可重构电池网络连接，用于采集每个可重构电池网络的运行状态数据并发送至所述电池能量集线器；所述运行状态数据包括单体电池的内阻、容量、温度和充放电电流；
所述电池能量集线器与所述电池能量网卡连接，用于根据每个可重构电池网络的运行状态数据计算每个可重构电池网络的性能数据并发送至所述电池能量交换机；所述性能数据包括SOC、SOH、开路电压和使用寿命；
所述电池能量交换机与所述电池能量集线器连接，用于根据每个可重构电池网络的运行状态数据和性能数据生成每个可重构电池网络的最优拓扑结构并发送至所述电池能量集线器；
所述电池能量交换机根据每个可重构电池网络的运行状态数据和性能数据生成每个可重构电池网络的最优拓扑结构，具体包括：
所述电池能量交换机建立可重构电池储能系统的最优运行性能函数模型，具体包括：
电池能量交换机建立可重构电池储能系统的最优运行性能函数模型其中Cn表示可重构电池储能系统优化运行方案集合C＝{C1,C2,…,CN}中第n种优化运行方案，N为优化运行方案数量；/>表示第n种优化运行方案的可靠电流；h与T分别表示可重构电池储能系统的负载需求与工况条件；/>表示考虑系统负载需求、工况条件和优化运行方案条件下的系统性能参数，包括每个可重构电池网络的性能参数；每个可重构电池网络的最优性能参数包括每个可重构电池网络的电流、电压和功率；γ表示Cn对应的系统花销；表示N种优化运行方案中的最优运行方案；
求解所述最优运行性能函数模型，得到每个可重构电池网络的最优性能参数，具体包括：
将所述最优运行性能函数模型表述为多目标优化问题并通过动态规划算法进行求解，通过寻找动态规划中的Cost-to-go函数中的最短路径，获得可重构电池储能系统在给定工作时间内的最优运行方案；所述最优运行方案中包括每个可重构电池网络的最优性能参数；
建立可重构电池网络的拓扑结构优化模型，具体包括：
建立可重构电池网络的拓扑结构优化模型其中xm表示第m种拓扑结构优化方案中可重构电池网络的设计参数矩阵，所述设计参数包括可重构电池网络的最优性能参数和运行状态参数；所述运行状态参数包括单体电池的内阻、容量、温度、充放电电流、SOC、SOH、开路电压、使用寿命；M为拓扑结构优化方案数量；Y()表示优化目标函数；Hm表示第m种拓扑结构优化方案中可重构电池网络的拓扑结构；
将每个可重构电池网络的运行状态数据、性能数据以及最优性能参数代入所述拓扑结构优化模型，求解出每个可重构电池网络的最优拓扑结构，具体包括：
采用有向无环图来描述每个可重构电池网络的拓扑结构，有向无环图中的每一个点代表可控开关的状态，将状态带来的电量消耗标注在每一条边上，从而将所述拓扑结构优化模型的求解问题通过拉格朗日松弛算法转变为动态规划问题进行求解，求解出每个可重构电池网络的最优拓扑结构；
所述电池能量集线器根据每个可重构电池网络的最优拓扑结构生成MOS管驱动信号并发送至所述电池能量网卡；
所述电池能量网卡根据所述MOS管驱动信号控制每个可重构电池网络中可控开关的状态。
2.根据权利要求1所述的可重构电池储能系统，其特征在于，所述可控开关采用MOSFET管。
3.根据权利要求1所述的可重构电池储能系统，其特征在于，所述电池能量交换机通过RS485与所述电池能量集线器通信。
4.根据权利要求1所述的可重构电池储能系统，其特征在于，还包括：电池能量适配器；所述电池能量适配器与所述电池能量交换机连接，用于接入或断开外部负载或者充电器。
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