考虑电池状态反馈的电化学储能系统簇级均衡控制方法与流程

本发明涉及电化学储能，尤其是涉及一种考虑电池状态反馈的电化学储能系统簇级均衡控制方法。

背景技术：

1、为解决日益严峻的能源紧缺、环境污染问题，我国大力发展新能源与可再生能源。风力发电、光伏发电作为主要的清洁能源利用形式，是解决能源和环境问题的关键，但其出力的波动性和不确定性使得电力系统的稳定运行面临严峻的挑战。储能系统提供了能量高效利用和灵活转换的方式，是可再生能源并网消纳及分布式发电高效利用问题的关键环节，将成为支撑我国清洁能源发展战略的重大关键技术。电化学储能作为电能存储的重要方式，具有配置灵活、响应速度快、不受地理资源限制等优势，成为目前最受关注、发展最迅速的储能技术之一。

2、安全性是电化学储能系统面临的首要问题，实际运行的电化学储能系统中，储能电池被看作能量、功率受限的电压源，安全性与经济性通常不可兼得。在大容量电池储能技术领域，需要将电池单体串并联成储能单元使用，储能单元包含多个并联的电池簇，每个电池簇由电池单体串联而成。目前的电池均衡策略主要解决串联电池的不一致性问题，能够实现电池簇内部的能量均衡。电池簇间的能量均衡同样重要，簇间能量不平衡会造成开路电压的差异，引发电池簇间不平衡电流，进一步加剧电池簇间的电池状态不一致性，导致部分电池簇出现过流、过充放等现象，严重危害储能系统的安全运行。但是，受到拓扑结构和布置方式的影响，在实际储能系统中缺乏电池簇间均衡电路，储能单元中电池簇能量不平衡现象较为普遍。

3、因此，基于储能单元中的电气装置，通过簇级均衡控制缓解电池簇间的能量不一致性问题，将有利于提升电化学储能系统的安全性。

技术实现思路

1、本发明提供一种考虑电池状态反馈的电化学储能系统簇级均衡控制方法，以解决在目前的电化学储能系统中，储能单元的电池簇之间能量不均衡的问题。本发明提出的电池簇切换方式重用了储能单元中原有的直流接触器，无需任何额外设备，可在较低的成本下实现电池簇间soc均衡。同时，通过设置动作次数约束，降低了直流接触器的开关频率，能够确保电池簇均衡控制具有较高可靠性。

2、本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的:

3、一种考虑电池状态反馈的电化学储能系统簇级均衡控制方法，包括如下步骤：

4、s1、根据电池簇控制机制，将电池簇均衡控制的荷电状态soc区间设置为从到（到）；其中：为锂电池的平台区上限、为锂电池的平台区下限；为电池簇充电检查点，为电池簇放电检查点。

5、s2、在电池簇均衡控制期间，当储能单元满足触发条件时，将启动电池簇切换过程。

6、以储能单元i为例，当两个触发条件都满足时，储能单元i中的部分电池簇应被切出以限制其soc值，提高电池簇间的soc一致性。

7、对于上述触发条件，其公式如下：

8、;

9、其中参数如下：是储能单元i在t时刻的soc，为储能单元i电池簇j在t时刻的soc，为电池簇的均衡阈值，可根据电池簇间电流差异和电池截止电压确定。

10、为了避免电池簇过流，储能单元内的电池簇电流差应小于电池簇额定电流的5%；由电池簇soc不平衡引起的电池簇间电流差异可以计算为：

11、;

12、其中参数如下：为储能单元i电池簇j的开路电压，为电池簇的额定电阻，为电池簇的额定电流。

13、根据电池簇的ocv-soc曲线，电池簇间的soc差异应被限制为：

14、

15、同时，为了防止电池超过截止电压，考虑簇间电流差异和截止电压的限制，电池簇的均衡阈值可以计算为：

16、;

17、s3、在电池簇状态模型的基础上，建立以簇soc平衡为目标的电池簇优化控制模型；将优化目标设置为下一时刻储能单元中各个电池簇soc的方差，其优化函数如下所示：

18、;

19、其中参数如下：m为储能单元电池簇的数量。

20、基于库仑计数模型，同时考虑电池簇的健康状态soh对荷电状态soc估计的影响，的计算公式如下：

21、;

22、其中参数如下：为电池簇的额定容量，为储能单元i电池簇j的soh，为电池簇均衡控制的指令周期时间，和为电池簇的库仑效率和放电容量的修正系数，为储能单元i电池簇j的电流，为储能单元i簇j在 t+1 时刻的荷电状态soc。

23、电池簇由电池单体串联而成，均衡模块实现电池簇内所有电池单体的能量平衡，可根据各个串联电池单体的电池状态，建立电池簇的电池状态模型，如下：

24、电池簇的开路电压和等效内阻分别为电池簇内各个串联电池单体的开路电压和等效内阻之和，其中，单体电池电压可根据电池的ocv-soc曲线获得；由于存在均衡模块，电池簇内的各个电池单体的soc差异较小，电池簇的soc为簇内电池单体soc的平均值；为了降低电池安全风险，电池簇的soh为最小电池单体soh；储能单元i电池簇j的开路电压、等效内阻、荷电状态和健康状态分别表示为：

25、;

26、式中，l为电池簇内的串联电池单体数量，、、和分别为储能单元i电池簇j单体k的开路电压、内阻、荷电状态和健康状态。

27、储能单元由m个电池簇并联而成，每个并联支路由一个随soc变化的电压源和电池簇等效内阻构成，根据储能单元的等效电路模型可确定电池簇控制模型的基本约束，包括：

28、(1)总功率约束：储能单元的总功率为单元中所有接入的电池簇功率之和,其约束方程如下：

29、;

30、其中参数如下：为储能单元i的输出功率（放电时），为单元i簇j的输出功率，表示单元i簇j的接触器状态（0-1变量，且闭合时）。

31、(2)支路功率约束：基于电池簇等效电路模型可确定储能单元每条并联支路的输出功率，在充电和放电情况下，电池簇充放电的输出功率均可计算为：

32、;

33、其中参数如下：为储能单元i电池簇j的电流，储能单元i电池簇j等效内阻，为储能单元i电池簇j的开路电压。

34、(3)端电压约束：储能单元中所有接入的电池簇具有相同的端电压。因此，当接触器闭合时，该电池簇的支路电压应等于储能单元端电压；当接触器断开时，电池簇支路不需要满足端电压约束，由此得其约束方程如下：

35、;

36、其中参数如下：为储能单元i的端电压。

37、(4)电池簇soc运行约束：在储能单元中，为了避免发生电池过充放电现象，各个电池簇均应满足soc约束，其约束方程如下：

38、;

39、其中参数如下：和分别为电池簇的soc运行范围的上限和下限。

40、(5)电池簇电流与功率约束：为了防止储能电池过载，应该对储能单元的各个电池簇电流和功率进行限制。分别设置电池簇电流和功率约束如下：

41、;

42、其中参数如下：式中，和分别为电池簇的电流上限和功率上限。

43、(6)动作次数约束：储能单元中直流接触器频繁动作将缩短其使用寿命，为了提升接触器动作的可靠性，应尽量减少电池簇的动作次数，定义接触器动作变量为储能电池中接触器的变化状态，其动作次数约束公式如下：

44、;

45、其中参数如下：为电池簇的初始状态,为0-1变量，且,时表示接触器的状态发生变化。

46、在某些充放电快速切换的运行场景下，对储能单元中接触器的总动作次数进行限制，其限制公式如下：

47、;

48、其中参数如下：为储能单元的接触器动作次数的上限。

49、同时，为了避免储能单元动作次数约束中的绝对值运算，动作次数约束使用如下公式：

50、;

51、其中参数如下：为一个极大数，α和β均为0-1变量；表示储能单元i电池簇j的接触器状态，0-1变量，且闭合时。

52、经过上述化简后，电池簇优化控制模型转化为混合整数规划问题，对模型求解后可以确定均衡控制过程中每个直流接触器的工作状态。

53、s4、根据电池簇优化控制模型的求解结果，确定储能单元内各直流接触器的工作状态，当储能单元中任意两个电池簇之间的能量差大于均衡阈值时，在充电过程中，通过开断电池簇直流接触器的方式来停止荷电状态较高的电池簇充电，让荷电状态较低的电池簇继续充电；在放电过程中，通过开断电池簇直流接触器的方式来停止荷电状态较低的电池簇放电，让荷电状态较高的电池簇继续放电。

54、当储能单元中所有电池簇的soc值均达到或时，储能单元中的所有直流接触器应重新闭合，代表电池簇均衡控制过程结束，此时可以实现储能单元内电池簇间的soc均衡。

55、本发明的设计思路如下：

56、根据电池簇控制机制，将电池簇均衡控制的soc区间定义为从到（到）；在电池簇均衡控制期间，当储能单元满足触发条件时，将启动电池簇切换过程；以电池簇状态模型为基础，建立以簇soc平衡为目标的电池簇优化控制模型，电池簇优化控制模型的优化目标为下一时刻储能单元中各个电池簇soc的方差。电池簇优化控制模型的基本约束包括：储能单元的总功率约束；基于电池簇等效电路模型的储能单元支路功率约束；电池簇的端电压约束；为了避免发生电池过充放电现象，各个电池簇均应满足的soc约束；为了防止储能电池过载，对储能单元的各个电池簇电流和功率的约束；为了提升接触器动作的可靠性，设置电池簇的动作次数约束；对电池簇的输出功率约束和动作次数约束进行化简，模型求解后可以确定均衡控制过程中每个直流接触器的工作状态，并实现储能单元内电池簇间的soc均衡。

57、本发明提供一种考虑电池状态反馈的电化学储能系统簇级均衡控制方法，在充电或放电过程中，储能单元满足触发条件时，将启动电池簇均衡控制过程。根据电池簇优化控制模型的求解结果，确定储能单元内各直流接触器的工作状态，当储能单元中任意两个电池簇之间的能量差大于均衡阈值时，在充电过程中，通过开断电池簇直流接触器的方式来停止荷电状态较高的电池簇充电，让荷电状态较低的电池簇继续充电；在放电过程中，通过开断电池簇直流接触器的方式来停止荷电状态较低的电池簇放电，让荷电状态较高的电池簇继续放电；当储能单元中所有电池簇的soc值均达到或时，储能单元中的所有直流接触器应重新闭合，此时可以实现储能单元内电池簇间的soc均衡。

58、本发明的有益效果如下：

59、现有的均衡电路只在由电池单体串联而成的电池簇内起作用，无法解决电池簇之间能量不均衡的问题。组串式变流器可以为电池组提供灵活的控制，实现电池簇间的soc均衡，但由于电子元器件数量多，其设计和制造成本高昂。

60、本发明提出了一种基于电池簇切换的储能单元内部能量平衡控制方法。以电池簇为基本控制单元，建立了基于电池状态的电池簇均衡控制优化模型。在仿真跟实验结果中表明：

61、1）将储能单元中的接触器作为控制对象，将电池簇切换机制作为实现单元内能量平衡的控制方法。同时，充分考虑了电池soc与soh，建立了储能单元电池簇均衡控制优化模型。

62、2）所提出的控制方法在不同的充放电场景中，能够以较低的接触器动作频率实现电池簇间的能量平衡，并在一定程度上抑制了电池簇间不平衡电流，延长了储能电池的使用寿命，降低了储能系统的安全风险。