一种基于蓄电池功率模块单元的储能系统构建和控制方法

技术领域

本发明属于储能系统领域，涉及一种由蓄电池、超级电容或其它储能元件组成的储能系统的构建和控制方法，涉及到蓄电池均衡技术。

背景技术

当前，蓄电池均衡技术分为无源均衡和有源均衡两大类。无源均衡技术虽然成本较低，效率也很低；有源均衡技术的技术路线可以分为两类：能量转移型和输出功率调控型。目前绝大多数蓄电池均衡的文献都属于能量转移型的技术路线，其本质特点是将能量从一部分蓄电池转移到另一部分蓄电池上，从而使蓄电池的能量达到均衡。能量转移型技术路线存在如下难以克服的问题：需要增加较复杂的额外的均衡电路，提高了储能系统的成本；能量在转移的过程中也存在一定的损耗，这使得储能系统效率有一定下降。目前输出功率调控型技术路线的文献较少，但近年来人们开始关注这一领域。输出功率调控型技术路线的特点是：采用众多的小容量的模块化变流器代替集中式的大容量的储能变流器，每个模块化变流器连接一个蓄电池单元，通过模块化变流器对所连接的蓄电池单元的输出功率进行调控，从而达到蓄电池SOC（state of charge）均衡；模块化变流器“一物两用”，除了对蓄电池均衡，还可以对储能系统的总输出电压或电流进行调节，故该技术路线没有额外的均衡电路的成本；蓄电池的能量直接传递给负载，大多数情况下不需要在蓄电池之间进行能量转移，故该技术路线没有额外的能量转移的损耗；因此，输出功率调控型技术路线在原理上有望克服前述能量转移型技术路线的成本较高、效率有所下降的问题。但输出功率调控型技术路线需要解决如何让众多的模块化变流器一起协同工作的问题。基于输出功率调控型技术路线，本发明提出一种蓄电池功率模块单元 (unit of battery withConverter，UBC)，以及基于UBC的储能系统的构建方法和控制方法。

发明内容

本发明的目的及拟解决的技术问题：

蓄电池有源均衡技术中的能量转移型技术路线存在如下难以克服的问题：需要增加较复杂的额外的均衡电路，提高了储能系统的成本；能量在转移的过程中也存在一定的损耗，这使得储能系统效率有一定下降。蓄电池有源均衡技术中的输出功率调控型技术路线在原理上有望克服前述能量转移型技术路线的成本较高、效率有所下降的问题。但输出功率调控型技术路线需要解决如何让众多的模块化变流器一起协同工作的问题。基于输出功率调控型技术路线，本发明提出一种蓄电池功率模块单元 (unit of battery withConverter，UBC)，以及基于UBC的储能系统的构建和控制方法。本发明所提的基于UBC的储能系统的构建方法和控制方法可以灵活的组建基于UBC的储能系统，并让众多的串并联的DC-DC变换器一起稳定的协同工作，并达到以下控制目标：1、使储能系统的总输出电压恒压或总输出电流恒流；2、使储能系统内的UBC并联组中并联的各个UBC的输出电流按照给定的比例进行分配；3、使储能系统内的UBC串联组中串联的各个UBC的输出电压按照给定的比例进行分配。

本发明技术原理及技术方案：

本发明涉及到的一些概念和技术原理在现有技术中没有相关描述，因此，为了便于理解本发明的技术方案，在阐述技术方案的同时，会说明一下本发明有关的概念和技术原理：

蓄电池功率模块单元UBC的概念及技术原理：

如图1，所定义的蓄电池功率模块单元(unit of battery with Converter，UBC)由电气部分和储能元件构成；储能元件是蓄电池、超级电容或其它具有类似功能的储能元件；UBC中的储能元件的输出接UBC电气部分的输入，UBC电气部分的输出接负载，或与其它UBC的输出进行串联或并联；UBC的电气部分可以对储能元件的输出电压、电流进行变换和调控，使得UBC的输出电压u和电流i满足式（1）或式（2）所示的下垂函数：

（1）

（2）

式（1）为一次函数，以电流i为自变量，电压u为函数值；如果以电压u为自变量，电流i为函数值，由式（1）可推出下垂函数的另一种表示形式如式（2）；式（1）中b为下垂函数的纵轴截距，R为下垂函数的一次项系数的相反数，本文将b简称为下垂开路电压，R简称为下垂电阻；式（2）中G=1/R，本文将G称为下垂电导。R和G的值均为正数。UBC中的储能元件可以充电或放电，所以UBC输出电流i的方向可以改变，因此，i为有符号的量，需要规定i的正方向，反方向时的i用负数表示。UBC输出电压u的参考方向与储能系统的总输出电压，也就是负载电压的参考方向保持一致；UBC输出电流i的参考方向满足以下要求：当UBC输出电压u和输出电流i均为正值时，UBC中储能元件在放电。

设UBC所接负载的等效电阻为R

（3）

由（1）（3）可得：

（4）

（5）

由（4）可知，当UBC的下垂电阻R、所接负载电阻R

由（5）可知，当UBC的下垂电阻R、所接负载电阻R

为了叙述方便，下面再定义几个概念：

实体UBC与等效UBC的概念定义

1个实体UBC指的是物理上存在的1个UBC，它不是等效UBC，1个实体UBC内部只含有1个UBC。

1个等效UBC指的是按照本发明所提的基于UBC的储能系统的构建方法，由多个实体UBC组成的储能系统，该储能系统的总输出电压和电流满足下垂函数，因此，该储能系统可以等效成1个UBC，即等效UBC。1个等效UBC的内部含有多个实体UBC。

UBC级的概念定义

在基于UBC的储能系统中，整个储能系统的总输出电压和电流满足下垂函数，可以等效成1个UBC，这个等效UBC称为第0级UBC。第0级UBC可能是1个UBC串联组，或者是1个UBC并联组，直接通过并联或串联构成第0级UBC的实体UBC或等效UBC称为第1级UBC。以此类推，第n级的某个等效UBC可能是1个UBC串联组，或者是1个UBC并联组，直接通过并联或串联构成第n级的这个UBC的实体UBC或等效UBC称为第n+1级UBC，其中，n为0或正整数。在一个基于UBC的储能系统中，如果在第H级的UBC中，全部都是实体UBC，没有等效UBC，则该储能系统的最高UBC级为H。

UBC并联组技术原理：

如图2，将N个UBC并联，构成UBC的并联组，其中N为正整数。使N个UBC的输出电压u

（6）

（7）

其中，k为下标变量，k=1,2,…，N；u

下面证明UBC并联组的输出电压u

根据并联支路电压相等，有：

（8）

当k=1,2,…，N时，将式（6）的所有N个式子相加，并结合式（8），得：

（9）

由基尔霍夫定律有：

（10）

由式（9）（10）可得：

（11）

令：

（12）

（13）

式（11）即成为式（7），即UBC并联组的输出电压u

令

由式（6）（8）（14）可得：

（15）

由式（15）可知，此时i

综上所述，N个UBC并联构成的UBC并联组，其输出电压u

用wp

（16）

已知UBC并联组的下垂函数的下垂开路电压b

UBC串联组技术原理：

如图2，将M个UBC串联，构成UBC串联组，其中M为正整数。使串联组中每个UBC的输出电压u

（17）

（18）

其中，j为下标变量，j=1,2,…，M；u

下面证明UBC串联组的输出电压u

根据串联支路电流相等，有：

（19）

当j=1,2,…，M时，将式（17）的所有M个式子相加，并结合式（19），得：

（20）

由基尔霍夫定律有：

（21）

由式（20）和（21），可得：

（22）

令：

（23）

（24）

式（22）即成为式（18），即UBC串联组的输出电压u

令：

b

式（25）中β为常数，即b

（26）

由式（26）可知：u

综上所述，M个UBC串联构成的UBC串联组，其输出电压u

用ws

（27）

由式（24）可得：

（28）

已知UBC串联组的下垂函数的下垂开路电压b

本发明所提的基于UBC的储能系统的构建方法如下：

可以采用以下一种或综合采用几种方式来构建基于UBC的储能系统：

方式一：将N个UBC并联，构成UBC并联组，其中N为正整数；使并联组中并联的每个UBC的输出电压和电流满足式（6）所示下垂函数，则UBC并联组的输出电压u

方式二：将M个UBC串联，构成UBC串联组，其中M为正整数；使串联组中串联的每个UBC的输出电压和电流满足式（17）所示下垂函数，则UBC串联组的输出电压u

方式三：因为按照方式一构建的UBC并联组或按照方式二构建的UBC串联组的输出电压和输出电流也满足下垂函数，因此，UBC的并联组或串联组可以等效成一个UBC；等效UBC可以和其它实体UBC或等效UBC按照方式一或方式二再次串联或并联构成更大的UBC串联组或并联组。

本发明所提的基于蓄电池功率模块单元的储能系统采用如下方法使UBC并联组中并联的各个UBC的输出电流i

UBC并联组中并联的各个UBC的输出功率p

本发明所提的基于蓄电池功率模块单元的储能系统采用如下方法使UBC串联组中串联的各个UBC的输出电压u

UBC串联组中串联的各个UBC的输出功率p

本发明所提的基于蓄电池功率模块单元的储能系统采用以下控制方法：

所提控制方法为基于下垂控制的两层复合控制策略，包括底层控制策略和上层控制策略；其底层控制策略在每个实体UBC上本地执行，不依赖于通信网络，使每个实体UBC的输出电压和电流满足下垂函数；其上层控制策略在通信网络正常时，更新UBC并联组中各个UBC输出电流分配比例的给定值和UBC串联组中各个UBC输出电压分配比例的给定值，并使储能系统的总输出电压恒压或总输出电流恒流。

所述的上层控制策略其算法流程如下：

步骤1：把整个储能系统看成1个等效UBC，其输出满足下垂函数，其下垂电阻为R

步骤2：判断各UBC间的通信是否正常，若正常，则开始执行步骤3；若不正常，则跳转到步骤2。

步骤3：若储能系统为恒压输出模式，检测储能系统总输出电压u

步骤4：步骤4的作用是根据下垂电导G

（29）

对于UBC并联组，令wp

（14）

（16）

对于UBC串联组，令ws

（27）

（28）

步骤5：用G

步骤6：将步骤4计算出的每个实体UBC的下垂开路电压和下垂电导赋给各个实体UBC，跳转到步骤2。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、蓄电池有源均衡技术中的能量转移型技术路线存在如下难以克服的问题：需要增加较复杂的额外的均衡电路，提高了储能系统的成本；能量在转移的过程中也存在一定的损耗，这使得储能系统效率有一定下降。蓄电池有源均衡技术中的输出功率调控型技术路线在原理上有望克服前述能量转移型技术路线的成本较高、效率有所下降的问题。但输出功率调控型技术路线需要解决如何让众多的模块化变流器一起协同工作的问题，现有技术还没有一个完善的方案能解决该问题，本发明所提方案较好的解决了该问题，本发明所提的基于UBC的储能系统具有很好的稳定性，当UBC间的通信网络延时或故障时，储能系统中众多的模块化变流器的协同工作不会发生崩溃，能保持稳定，且能保持UBC并联组中各个UBC的输出电流分配比例和UBC串联组中各个UBC的输出电压分配比例不变。

2、本发明所提的基于UBC的储能系统不含有如中央控制器、组串控制器等层级式的结构，是一种结构上完全对等的分布式的储能系统，可以通过串联、并联或等效嵌套的形式灵活的组成储能系统，储能系统连接关系、容量配置、容量增减非常灵活。

3、本发明所提的方案可使储能系统中并联的各个UBC的输出电流按照给定的比例进行分配，并可使串联的各个UBC的输出电压按照给定的比例进行分配，在此基础上，搭配适当的SOC均衡算法便可实现UBC中储能元件的SOC均衡。

4、由于本发明所提控制策略对通信故障具有较好的适应性，因此， UBC可以采用低成本低速率的无线通信电路。如果采用无线通信电路，则UBC对外连接只有2根电源线，即电源接口AB，此时，基于UBC的储能系统的构建十分灵活方便。只需要连接2根电源线，即可将UBC通过串、并联或等效嵌套的形式构成储能系统。

5、所提的UBC是一种模块化电源，便于批量化生产。

6、本发明所提的基于UBC的储能系统的总输出可以实现恒压输出或恒流输出。

附图说明

图1为蓄电池功率模块单元 UBC的原理简图。

图2为N个UBC并联构成的UBC并联组的原理图。

图3为M个UBC串联构成的UBC串联组的原理图。

图4为一种蓄电池功率模块单元 UBC实施例的原理简图。

图5为使实体UBC输出电压和电流满足下垂函数的控制结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式以及附图对本发明作进一步详细的说明。

如图4，为一种蓄电池功率模块单元 UBC实施例的原理简图。蓄电池功率模块单元UBC由蓄电池单元、双向DC-DC变换器及驱动电路、控制电路、通信电路、测量电路构成。图4中最大的实线框代表蓄电池功率模块单元UBC，其内的虚线框代表UBC的电气部分。UBC中的测量电路可以对UBC输出电压u和输出电流i进行测量，如果应用需要，还可以对UBC中蓄电池的输出电压u

如图5，为使实体UBC输出电压和电流满足下垂函数的控制结构图。图5中u表示输出电压，u

可以采用以下一种或综合采用几种方式来构建基于UBC的储能系统：

方式一：将N个UBC并联，构成UBC并联组，其中N为正整数；使并联组中并联的每个UBC的输出电压和电流满足式（6）所示下垂函数，则UBC并联组的输出电压u

方式二：将M个UBC串联，构成UBC串联组，其中M为正整数；使串联组中串联的每个UBC的输出电压和电流满足式（17）所示下垂函数，则UBC串联组的输出电压u

方式三：因为按照方式一构建的UBC并联组或按照方式二构建的UBC串联组的输出电压和输出电流也满足下垂函数，因此，UBC的并联组或串联组可以等效成一个UBC；等效UBC可以和其它实体UBC或等效UBC按照方式一或方式二再次串联或并联构成更大的UBC串联组或并联组。

本发明所提的基于UBC的储能系统的控制方法为基于下垂控制的两层复合控制策略，包括底层控制策略和上层控制策略；其底层控制策略在每个实体UBC上本地执行，不依赖于通信网络，使每个实体UBC的输出电压和电流满足下垂函数；其上层控制策略在通信网络正常时，更新UBC并联组中各个UBC输出电流分配比例的给定值和UBC串联组中各个UBC输出电压分配比例的给定值，并使储能系统的总输出电压恒压或总输出电流恒流。

所述的上层控制策略其算法流程如下：

步骤1：把整个储能系统看成1个等效UBC，其输出满足下垂函数，其下垂电阻为R

步骤2：判断各UBC间的通信是否正常，若正常，则开始执行步骤3；若不正常，则跳转到步骤2。

步骤3：若储能系统为恒压输出模式，在基于UBC的储能系统中，储能系统的总输出电压总是可以表示为若干个实体UBC的输出电压之和，由这些实体UBC的输出电压可以计算出储能系统总输出电压u

步骤4：步骤4的作用是根据下垂电导G

（29）

对于UBC并联组，令wp

（14）

（16）

对于UBC串联组，令ws

（27）

（28）

步骤5：用G

步骤6：将步骤4计算出的每个实体UBC的下垂开路电压和下垂电导赋给各个实体UBC，跳转到步骤2。

本发明的具体实施方式可以有很多变化形式，在此不可能逐一列举。本发明的保护范围由权利要求书中的独立权利要求所确定，此处所述的具体实施方式不应被理解为对保护范围的限制。