一种锂离子电池储能系统及其控制方法

本发明涉及电池储能系统设计，尤其是涉及一种锂离子电池储能系统及其控制方法。

背景技术：

1、随着新能源发电技术在新型电力系统中的渗透比例逐渐升高，新能源发电系统的间歇性和随机性对电力系统的影响越来越显著，电化学储能系统则是当前提高新能源发电系统稳定输出功率的必要手段。

2、与其他储能技术相比，电化学储能系统具有部署灵活、建设周期短、调节速度快等优点，可以有效解决可再生能源发电技术发电功率不稳定、受风光等自然条件约束的问题，能够在电网调峰调频、备用电源、经济调度等应用场景中发挥重要作用。锂离子电池储能系统是当前电化学储能技术中应用最为广泛的储能解决方案，一般由多个电池单体组装而成，但当电池单体模组频繁出现故障时，不仅需要较高的维护成本，并且频繁更换新电池之后，新旧电池之间性能的不一致性也会影响整个系统的整体寿命。因此，如何解决储能系统因新旧电池模块之间的不一致性而引起的故障与安全风险，并且降低维护成本，进而提高整个储能系统的寿命是当前储能系统设计和开发过程中需要解决的问题。

3、中国专利cn117577981a公开了一种光伏发电储能控制方法及系统，该方法包括；对光伏发电储能系统中的储能电池进行电压变化和电流密度分析，得到第一电压变化数据和第一电流密度数据，进行电压和电流变化预测，得到第二电压变化数据和第二电流密度数据；进行特征曲线转换和特征提取，得到电压变化特征集合和电流密度特征集合；对集合进行特征编码和向量转换，得到电压变化特征向量、电流密度特征向量和目标融合特征向量；通过电池放电分析模型进行异常行为分析，得到放电行为异常预测数据；根据异常预测数据进行放电控制策略分析，该专利考虑以储能电池的电压和电流密度分析来提高光伏发电储能控制的准确率，但控制方法所依赖的主要数据来源是电池放电时的电压和电流数据，未考虑电池在充电期间的分析方法，且在频繁进行充放电过程的储能系统中应用受限，方法不够全面。

4、中国专利cn117543668a公开了一种高压大容量储能系统及其控制方法，方法包括：基于开环控制确定所需半桥储能子模块的投入数量；基于投入数量，按照半桥储能子模块的电池soc排序结果以及电流流向，选择对应数量的半桥储能子模块进行接入；基于电压外环控制后流经电池组的电流给定值与电池组电流实际值做差后，经电流内环输出占空比，基于调制后输出压差补差储能单元的阀控信号进行压差补偿储能单元内电压可控储能子模块的控制。这种方法虽然可以对储能单元进行控制，并且补偿电池soc较低的储能单元，但未考虑更换旧电池单元或模块之后提高储能单元和整个储能系统寿命的控制方法，实际应用中受用范围较窄，没有考虑到经济性。

5、中国专利cn117411152a则公开了一种储能系统的控制装置和控制方法，方法包括：接受各个电池单元的电池soc、温度、电压等具体参数；根据电池各个具体参数确定是否接入所述储能控制系统；在确保可接入储能系统的情况下，发送控制目标电池单元接入储能控制系统的控制信息，使得在目标电池单元接入储能系统后各个电池单元之间电池参数差异较小，减少系统运算量，提高运算效率。这种方法通过考虑电池单元的soc、温度等具体参数来消除目标电池之间的差异，从而减少系统运算量，提高储能系统的控制效率，但未考虑工作时电池单元或模块因发热和温度引起的对电池模块和储能系统使用寿命的影响，没有考虑到在实际应用中系统处于长时间的工作状态时的情况。

6、通过分析已有的与电池储能系统相关的系统配置及控制方法，可知现有研究大多通过检测电池单体或模块的充放电运行数据来评估系统内电池单体或模块的寿命情况，进而评估储能系统的预期使用寿命，并未涉及更换旧电池或异常电池单元或模块后能够提高整个储能系统使用寿命的控制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种锂离子电池储能系统及其控制方法，能够在更换部分电池单元后有效提高储能系统的整体寿命。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种锂离子电池储能系统，包括多个串联连接的电池单元模块和一个冗余模块，所述冗余模块的两端分别可通断地连接至各电池单元模块。

3、进一步地，所述电池单元模块包括一个锂离子电池，所述锂离子电池的正极连接有断路器，所述断路器与锂离子电池的负极之间连接有第一继电器和第二继电器。

4、进一步地，所述第一继电器和第二继电器均为常开继电器。

5、进一步地，所述冗余模块包括一个冗余电池，所述冗余电池的正极和负极分别连接有第一双路继电器和第二双路继电器。

6、进一步地，所述第一双路继电器和第二双路继电器分别与各电池单元模块并联连接。

7、进一步地，所述第一双路继电器和第二双路继电器均为常开双路继电器。

8、一种锂离子电池储能系统的控制方法，包括以下步骤：

9、s1、预先确定各电池单元模块内锂离子电池内阻值最低时对应的soc区域；

10、s2、当某个电池单元模块发生故障，控制切断该电池单元模块的连接，并控制将冗余模块接入替换该发生故障的电池单元模块；

11、s3、针对接入冗余模块后的各电池单元模块分别进行电压控制，使发生故障的电池单元模块工作在内阻最低状态，其余电池单元模块则用于补偿电池簇电压。

12、进一步地，所述步骤s1具体是基于锂离子电池等效电路，并采用混合脉冲功率测试方法，以绘制出锂离子电池内阻与soc的变化曲线，进而确定锂离子电池内阻值最低时对应的soc区域。

13、进一步地，所述锂离子电池内阻值最低时对应的soc区域具体为40％～50％的中程soc区域。

14、进一步地，所述步骤s3的具体过程为：

15、假设其余电池单元模块的电压vmodule-new大于发生故障的电池单元模块电压vmodule-old，vdod表示电池电压随电池放电深度dod的变化，vrack表示电池簇总电压，vmodule-max表示电池单元模块的最大电压，n为串联的电池单元模块数量：

16、

17、考虑电池单元模块的最大电压wmodule-max，确定接入冗余模块之前的电池单元模块电压水平vmodule-old与接入冗余模块之后的电池单元模块电压水平之差，即应用于冗余电池的设计范围α：

18、

19、确定发生故障的电池单元模块电压vmodule-old和其余各电池单元模块的额定电压vmodufe-new：

20、vmodule-old＝vmodule-α

21、vmodule-new＝vmodule+α×(n-1)

22、其中，wmodule表示任意荷电状态下的电池单元模块电压。

23、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

24、本发明在锂离子电池储能系统中设置多个串联连接的电池单元模块和一个冗余模块，该冗余模块的两端分别可通断地连接至各电池单元模块，当某个电池单元模块发生故障后，则由冗余模块接入替换该电池单元模块，之后通过控制各电池单元模块的工作电压，即可控制各电池单元模块工作时产生的热量，进而提高整个储能系统的使用寿命。

25、本发明设计在接入冗余模块后，分别针对发生故障的电池单元模块和其余电池单元模块进行电压控制，使得发生故障的电池单元模块保持在最低内阻状态，而利用其余电池单元模块来补偿整个电池簇电压，由此能够确保储能系统的工作稳定性，同时提高其循环寿命。