一种应用于梯次利用电池储能系统的电池分组管理方法

1.本发明涉及动力电池梯次利用技术领域，尤其是涉及一种应用于梯次利用电池储能系统的电池分组管理方法。


背景技术：

2.电池储能系统作为一种灵活实现电力系统能量存储与转移的技术手段，近年来已经得到了广泛的关注与研究。然而，配置成本过高是当前制约电池储能系统市场化建设的主要因素。以电动汽车退役动力电池为储能单元，构建梯次利用电池储能系统，既可节约储能系统配置成本，又能进一步发挥退役动力电池剩余能量价值，兼具经济效益与生态效益，是当前电池储能系统的重要研究方向。
3.受车主驾驶习惯、驾驶环境等因素影响，动力电池退役时老化程度不一，不同退役电池的健康状态存在较大差异。结合储能单元个体差异性进行梯次利用电池储能系统电池管理方法设计，有利于提升梯次利用电池储能系统控制效果，降低梯次利用电池储能系统运行成本。中国专利cn105932346a公开了一种模块化梯次利用储能电池控制方法，通过构造基本均衡单元，使任意相邻两梯次利用电池的可用容量保持一致，实现各梯次利用电池的容量均衡。但在工程实际应用中，各梯次利用电池的可用容量难以实现精确估算，这就容易导致梯次利用电池由于容量限制而无法达到预计功率值，或由于容量冗余过大而增加储能系统运行成本。


技术实现要素：

4.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应用于梯次利用电池储能系统的电池分组管理方法，以有效减低可用容量估算误差带来的不良影响，充分提升梯次利用电池储能系统控制效果、降低梯次利用电池储能系统运行成本。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种应用于梯次利用电池储能系统的电池分组管理方法，包括以下步骤：
6.s1、根据上级调度平台向电池管理平台发布的功率调度数据，计算储能系统各时刻净能量需求值，进一步得到储能系统净能量需求曲线；
7.s2、将储能系统净能量需求曲线划分为多个预分段曲线，其中，各个预分段曲线起始时刻的净能量需求值为该预分段曲线内的最大值或最小值；
8.s3、将每一预分段曲线视为独立的载荷历程，采用雨流计数法将其进一步分为多个载荷循环，计算每一载荷循环的幅度以及起始时刻和结束时刻；
9.s4、以各载荷循环的起始时刻和结束时刻作为储能系统运行过程的分段时刻，将储能系统运行过程分为多个时间区间；
10.s5、确定出各时间区间所属载荷循环；
11.s6、分别计算各载荷循环的最大功率需求和最大容量需求；
12.s7、分别计算载荷循环的电池储能单元数目需求和可用容量需求；
13.s8、根据设定的约束条件，确定出参与载荷循环能量响应的梯次利用电池或梯次利用电池组合方案；
14.s9、根据各时间区间所属载荷循环，选择对应的梯次利用电池或梯次利用电池组合方案进行储能系统能量响应。
15.进一步地，所述步骤s1中储能系统净能量需求曲线具体为：
[0016][0017]
其中，为储能系统t时刻净能量需求值，t0为起始计量时刻，为上级调度平台在t时刻向电池管理平台发布的功率调度数据。
[0018]
进一步地，所述步骤s2的具体过程为：
[0019]
首先在储能系统净能量需求曲线上作一条直线，该直线穿过储能系统净能量需求曲线起始点、且平行于时间轴；
[0020]
得到该直线与储能系统净能量需求曲线的相交时刻依次为na为交点数，以为分段时刻，将储能系统净能量需求曲线分为na个预分段曲线，记为个预分段曲线，记为其中，当j≠na时，e
j-t为储能系统净能量需求曲线在时间区间(σj,σ
j 1
]内的预分段曲线；当j＝na时，e
j-t为时刻σj至储能系统净能量需求曲线末端时刻的预分段曲线。
[0021]
进一步地，所述步骤s3具体包括以下步骤：
[0022]
s31、提取载荷历程中所有极值点和两端边界点，依次记录每一点的时刻信息其中，ne为载荷历程的总点数；
[0023]
s32、计算载荷历程中n
e-1个变程大小，构造初始变程集合
[0024][0025]
其中，lm为第m变程大小；
[0026]
s33、当变程集合l中元素个数小于3时，结束当前流程、执行步骤s4；
[0027]
当变程集合l中元素个数不小于3时，取出变程集合l中三个连续变程当变程集合l中元素个数不小于3时，取出变程集合l中三个连续变程
①
若满足设置的提取条件：且执行步骤s34；
[0028]
②
若不满足设置的提取条件，则以m2和m3变程为基础继续向后读取一变程，作为新的重复步骤s33；
[0029]
s34、以m2变程左端时刻为端点，提取载荷循环ζn(n＝1,2
…
)，得到载荷循环ζn的幅度dn和起始时刻αn：
[0030][0031][0032]
s35、计算载荷循环ζn的结束时刻βn：
[0033]
①
若dn》0，表示载荷循环ζn为“先充后放”循环过程，则由αn的下一时刻开始向后推移，逐一计算各时刻能量净值，直至第一次出现某时刻能量净值不大于αn时刻的净能量需求值，记录该时刻为βn；
[0034]
②
若dn《0，表示载荷循环ζn为“先放后充”循环过程，则由αn的下一时刻开始向后推移，逐一计算各时刻能量净值，直至第一次出现某时刻能量净值不小于αn时刻的净能量需求值，记录该时刻为βn；
[0035]
s36、将和合并为新的删去和更新变程集合l，返回执行步骤s33。
[0036]
进一步地，所述步骤s4的具体过程为：
[0037]
以各载荷循环的起始时刻和结束时刻作为储能系统运行过程的分段时刻，得到分段时刻集合并将分段时刻集合按时间先后顺序进行排序、去除重复元素，得到有序分段时刻集合根据有序分段时刻集合γb，将储能系统运行过程分为多个时间区间其中，ti＝(τi,τ
i 1
]，n
t
＝2n
c-na，nc为载荷循环的总个数。
[0038]
进一步地，所述步骤s5中确定各时间区间所属载荷循环的判断条件为：
[0039]
当时间区间ti的左端点为某载荷循环的起始时刻αn时，表明时间区间ti属于载荷循环ζn的工作时段；
[0040]
当时间区间ti的左端点为某载荷循环的结束时刻βn时，表明载荷循环ζn已在时间区间t
i-1
中结束，时间区间ti属于上一未结束载荷循环的工作时段。
[0041]
进一步地，所述步骤s5具体采用进/出栈算法进行计算判断，所述步骤s5具体包括以下步骤：
[0042]
s51、设定s为空栈，初始载荷循环编号n＝1；
[0043]
s52、依次读取每一时间区间的左端时刻：
[0044]
①
若时间区间ti的左端时刻为载荷循环ζn的起始时刻αn，执行进栈操作，使栈指针top加1，栈顶元素赋值为n，时间区间ti所属载荷循环编号
[0045]
②
若时间区间ti的左端时刻为载荷循环ζn的结束时刻βn时，执行出栈操作，使栈指针top减1，时间区间ti所属载荷循环编号
[0046]
进一步地，所述步骤s6中载荷循环的最大功率需求为：
[0047][0048]
其中，p
dm,n
为载荷循环ζn的最大功率需求，tn为载荷循环ζn所包含全部时间区间构成的并集；
[0049]
载荷循环的最大容量需求为：
[0050][0051]
其中，e
dm,n
为载荷循环ζn的最大容量需求。
[0052]
进一步地，所述步骤s7中载荷循环的电池储能单元数目需求为：
[0053]ndm,n
＝min{nb,f
ceil
(λnp
dm,n
/p
lim
)}
[0054]
其中，n
dm,n
为载荷循环ζn的电池储能单元数目需求，nb为储能系统梯次利用电池配置数目，f
ceil
(
·
)为向上取整函数，p
lim
为单组梯次利用电池的最大功率限值，λn为电池储能单元数目需求冗余系数；
[0055]
载荷循环的可用容量需求为：
[0056][0057]
其中，c
dm,n
为载荷循环ζn的可用容量需求，nb为储能系统梯次利用电池配置数目，c
bat,k
为梯次利用电池k的可用容量，λc为可用容量需求冗余系数。
[0058]
进一步地，所述步骤s8中设定的约束条件具体为：
[0059][0060]
其中，分别为梯次利用电池或梯次利用电池组合方案kn的电池数目和可用容量。
[0061]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0062]
一、本发明将储能系统净能量需求划分为多个预分段曲线，以作为多个独立的载荷历程，采用雨流计数法将储能系统运行过程分为多段充电量与放电量相等的载荷循环，选取不同梯次利用电池进行各载荷循环能量响应，使各梯次利用电池在进行分段能量响应后均可恢复至初始荷电状态，从而有效降低容量估算误差对梯次利用电池储能系统控制效果的影响。
[0063]
二、本发明将储能系统运行过程分为多段变化幅度各异的载荷循环，便于根据各载荷循环的变化幅度，判断各分段过程的电池容量需求，从而结合不同梯次利用电池的健康状态实现不同容量需求的分级响应，实现了梯次利用电池储能系统“新电池深充深放、旧电池浅充浅放”的优化运行目标。
[0064]
三、本发明采用分段响应的方式进行梯次利用电池储能系统能量优化分配，各梯次利用电池在不同载荷循环响应过程中存在一定静置时间，有利于消除电池内部极化作用，恢复电池充放电能力，提高梯次利用电池能量转换效率。
附图说明
[0065]
图1为本发明的方法流程示意图；
[0066]
图2为实施例中上级调度平台向电池管理平台发布的24h功率调度曲线图；
[0067]
图3为实施例中储能系统净能量需求曲线图；
[0068]
图4为实施例中储能系统净能量需求曲线预分段结果示意图；
[0069]
图5为实施例中各载荷循环的净能量需求曲线图；
[0070]
图6为实施例中各时间区间所属载荷循环的判断流程图；
[0071]
图7为实施例中各载荷循环的最大功率需求示意图；
[0072]
图8为实施例中各载荷循环的最大容量需求示意图；
[0073]
图9a、9b分别为实施例中两类循环模式的最大容量需求排序结果示意图；
[0074]
图10为实施例中各梯次利用电池的充放电功率变化曲线图；
[0075]
图11为实施例中各梯次利用电池的荷电状态变化曲线图。
具体实施方式
[0076]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0077]
实施例
[0078]
如图1所示，一种应用于梯次利用电池储能系统的电池分组管理方法，包括以下步骤：
[0079]
s1、根据上级调度平台向电池管理平台发布的功率调度数据，计算储能系统各时刻净能量需求值，进一步得到储能系统净能量需求曲线
[0080][0081]
式中，为储能系统t时刻净能量需求值；t0为起始计量时刻；为上级调度平台t时刻向电池管理平台发布的功率调度数据。
[0082]
s2、将储能系统净能量需求曲线分为多个预分段曲线，其中，各预分段曲线起始时刻的净能量需求值需为该预分段曲线内的最大值或最小值，步骤s2的具体过程为：
[0083]
作穿过储能系统净能量需求曲线起始点且平行于时间轴的直线，得到该直线与储能系统净能量需求曲线的相交时刻依次为(na为交点数)，以为分段时刻将分为na段预分段曲线，记为其中，当j≠na时，e
j-t表示在时间区间(σj,σ
j 1
]内的预分段曲线；当j＝na时，e
j-t表示时刻σj至末端时刻的预分段曲线。
[0084]
s3、将每一预分段曲线视为独立的载荷历程，采用雨流计数法将其进一步分为多个载荷循环计算每一载荷循环的幅度以及每一载荷循环的起始时刻和结束时刻其中，nc为储能系统净能量需求曲线所分解的载荷循环总数，具体的，步骤s3包括以下步骤：
[0085]
s31、提取载荷历程中所有极值点和两端边界点，依次记录每一点的时刻信息(ne为总点数)。
[0086]
s32、计算载荷历程中n
e-1个变程大小，构造初始变程集合
[0087][0088]
式中，lm为第m变程大小。
[0089]
s33、当变程集合l中元素个数小于3时，结束步骤s3；当变程集合l中元素个数不小于3时，取出变程集合l中三个连续变程
[0090]
①
若满足提取条件且转至步骤s34；
[0091]
②
若不满足提取条件，则以m2和m3变程为基础继续向后读取一变程，作为新的重复步骤s33。
[0092]
s34、以m2变程左端时刻为端点，提取载荷循环ζn(n＝1,2
…
)，得到载荷循环ζn的幅度dn和起始时刻αn：
[0093]
[0094][0095]
s35、计算载荷循环ζn的结束时刻βn：
[0096]
①
若dn》0，表示载荷循环ζn为“先充后放”循环过程，则由αn的下一时刻开始向后推移，逐一计算各时刻能量净值，直至第一次出现某时刻能量净值不大于αn时刻的净能量需求值，记录该时刻为βn；
[0097]
②
若dn《0，表示载荷循环ζn为“先放后充”循环过程，则由αn的下一时刻开始向后推移，逐一计算各时刻能量净值，直至第一次出现某时刻能量净值不小于αn时刻的净能量需求值，记录该时刻为βn。
[0098]
s36、将和合并为新的删去和更新变程集合l，返回转至步骤s33。
[0099]
s4、以各载荷循环的起始时刻和结束时刻作为储能系统运行过程的分段时刻，得到分段时刻集合并将分段时刻集合按时间先后顺序、并去除重复元素，得到有序分段时刻集合根据有序分段时刻集合γb将储能系统运行过程分为多个时间区间其中ti＝(τi,τ
i 1
]，n
t
＝2n
c-na。
[0100]
s5、判断各时间区间所属载荷循环。当时间区间ti的左端点为某载荷循环的起始时刻αn时，表明时间区间ti属于载荷循环ζn的工作时段；当时间区间ti的左端点为某载荷循环的结束时刻βn时，表明载荷循环ζn已在时间区间t
i-1
中结束，时间区间ti属于上一未结束载荷循环的工作时段。
[0101]
s6、分别计算载荷循环的最大功率需求和最大容量需求：
[0102][0103]
式中，p
dm,n
为载荷循环ζn的最大功率需求；e
dm,n
为载荷循环ζn的最大容量需求；tn为载荷循环ζn所包含全部时间区间构成的并集。
[0104]
s7、分别计算载荷循环的电池储能单元数目需求和可用容量需求：
[0105][0106]
式中，n
dm,n
、c
dm,n
分别为载荷循环ζn的电池储能单元数目需求和可用容量需求；nb为储能系统梯次利用电池配置数目；c
bat,k
为梯次利用电池k的可用容量；f
ceil
(
·
)为向上取整函数；p
lim
为单组梯次利用电池的最大功率限值；λn、λc分别为电池储能单元数目需求和可用容量需求冗余系数。
[0107]
s8、根据下述约束条件，确定参与载荷循环ζ1、ζ2…
ζ
nc
能量响应的梯次利用电池或梯次利用电池组合方案
[0108][0109]
式中，分别为梯次利用电池或梯次利用电池组合方案kn的电池数目和可用容量。
[0110]
s9、对于任意时刻t∈tn(n＝1,2
…
nc)，选取梯次利用电池或梯次利用电池组合方案kn进行储能系统能量响应。
[0111]
本实施例采用上海某光储充电站24h运行数据及原搭载于荣威marvel x的退役三元锂动力电池(额定容量c
bn
＝52.5kwh)，以实施上述电池分组管理方法。其中，光储充电站能量管理系统向电池管理平台发布的调度功率曲线如图2所示，储能系统设定为6组健康状态s
oh
为0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80的梯次利用电池。
[0112]
1)计算储能系统各时刻净能量需求值，绘制储能系统净能量需求曲线如图3所示：
[0113][0114]
式中，为储能系统t时刻净能量需求值；t0为起始计量时刻；为上级调度平台t时刻向电池管理平台发布的功率调度数据。
[0115]
2)作穿过储能系统净能量需求曲线起始点且平行于时间轴的直线，得到该直线与储能系统净能量需求曲线的相交时刻依次为σ1～σ8，以σ1～σ8为分段时刻将分为8段预分段曲线(如图4所示)。
[0116]
3)参考文献《蒋荟,杨晓华.实时雨流计数法的“三变程”计数原则[j].航空计算技术,2008(05):5-7.》，采用雨流计数法“三变程”计数原则分别以对8段预分段曲线作进一步处理，主要包括以下步骤：
[0117]
31)、提取载荷历程中所有极值点和两端边界点，依次记录每一点的时刻信息31)、提取载荷历程中所有极值点和两端边界点，依次记录每一点的时刻信息(ne为总点数)。
[0118]
32)、计算载荷历程中n
e-1个变程大小，构造初始变程集合
[0119][0120]
式中，lm为第m变程大小。
[0121]
33)、当变程集合l中元素个数小于3时，结束步骤s3；当变程集合l中元素个数不小于3时，取出变程集合l中三个连续变程
[0122]
①
若满足提取条件且转至步骤s34；
[0123]
②
若不满足提取条件，则以m2和m3变程为基础继续向后读取一变程，作为新的重复步骤s33。
[0124]
34)、以m2变程左端时刻为端点，提取载荷循环ζn(n＝1,2
…
)，得到载荷循环ζn的
幅度dn和起始时刻αn：
[0125][0126][0127]
35)、计算载荷循环ζn的结束时刻βn：
[0128]
①
若dn》0，表示载荷循环ζn为“先充后放”循环过程，则由αn的下一时刻开始向后推移，逐一计算各时刻能量净值，直至第一次出现某时刻能量净值不大于αn时刻的净能量需求值，记录该时刻为βn；
[0129]
②
若dn《0，表示载荷循环ζn为“先放后充”循环过程，则由αn的下一时刻开始向后推移，逐一计算各时刻能量净值，直至第一次出现某时刻能量净值不小于αn时刻的净能量需求值，记录该时刻为βn。
[0130]
36)、将和合并为新的删去和更新变程集合l，转至步骤s33。
[0131]
经上述处理后，储能系统净能量需求曲线进一步被分解为54个载荷循环ζ1、ζ2…
ζ
54
，其净能量需求曲线如图5所示。根据图5所示结果，记录各载荷循环幅度d1、d2…d54
及起始时刻α1、α2…
α
54
和结束时刻β1、β2…
β
54
。
[0132]
4)以各载荷循环的起始时刻和结束时刻作为储能系统运行过程的分段时刻，得到分段时刻集合γa＝{α1,α2…
α
54
,β1,β2…
β
54
}，并将分段时刻集合按时间先后顺序排列为有序分段时刻集合γb＝{τ1,τ2…
τ
101
}，根据有序分段时刻集合γb将储能系统运行过程分为100个时间区间t1～t
100
，其中ti＝(τi,τ
i 1
](i＝1,2
…
100)。
[0133]
5)采用计算机领域的进/出栈算法判断各时间区间所属载荷循环，如图6所示：
[0134]
51)、设定s为空栈，初始载荷循环编号n＝1；
[0135]
52)、依次读取每一时间区间的左端时刻：
[0136]
①
若时间区间ti的左端时刻为载荷循环ζn的起始时刻αn，执行进栈操作，使栈指针top加1，栈顶元素赋值为n，时间区间ti所属载荷循环编号
[0137]
②
若时间区间ti的左端时刻为载荷循环ζn的结束时刻βn时，执行出栈操作，使栈指针top减1，时间区间ti所属载荷循环编号
[0138]
经上述处理后，得到时间分段结果及其所属载荷循环编号如表1所示。
[0139]
表1时间分段结果及其所属载荷循环编号
[0140][0141]
6)分别计算载荷循环的最大功率需求和最大容量需求：
[0142][0143]
式中，p
dm,n
为载荷循环ζn的最大功率需求；e
dm,n
为载荷循环ζn的最大容量需求；tn为载荷循环ζn所包含全部时间区间构成的并集。
[0144]
本实施例中，54个载荷循环的最大功率需求和最大容量需求分别如图7和图8所示。考虑根据最大容量需求分级，选择不同健康状态的梯次利用电池进行能量响应，因此按最大容量需求对各载荷循环进行由小到大排序；另外，由于“先充后放”循环模式和“先放后充”循环模式对的初始能量储备要求不同，将各载荷循环的最大容量需求按循环模式分为两类，分别如图9a和图9b所示。
[0145]
7)分别计算载荷循环的电池储能单元数目需求和可用容量需求：
[0146][0147]
式中，n
dm,n
、c
dm,n
分别为载荷循环ζn的电池储能单元数目需求和可用容量需求；nb为储能系统梯次利用电池配置数目；c
bat,k
为梯次利用电池k的可用容量；f
ceil
(
·
)为向上取整函数；p
lim
为单组梯次利用电池的最大功率限值；λn、λc分别为电池储能单元数目需求和可用容量需求冗余系数。
[0148]
本实施例中，考虑结合不同梯次利用电池的健康状态s
oh
实现不同容量需求c
dm,n
的分级响应，对λn、λc进行动态设定：
[0149]
由图7可知，储能系统充放电功率集中于动力电池1c充放电倍率(52.5kw)范围内。经计算，电池以1c以上进行充放电的时间累计仅占整个工作区间的0.49％，储能系统所需最大充放电功率分别为71.64kw(1.36c)和60.92kw(1.16c)，因此对λn进行动态设定，使n
dm,n
＝1。
[0150]
为根据容量需求进行退役电池分级利用，利用k-means聚类算法将两类循环模式的最大容量需求分别聚类为三类，将54个载荷循环分为6类，得到容量需求分级如表2所示。其中，循环模式1表示“先充后放”模式，循环模式2表示“先放后充”模式。
[0151]
表2各载荷循环的电池容量需求分级
[0152]
分级123456临界值/kwh0.652.766.1913.9815.7921.53循环模式112122
[0153]
考虑采用健康状态s
oh
分别为0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80的梯次利用电池，以对由低到高的6类容量需求进行分级响应，对λc进行动态设定，使分级1～6所属载荷循环的可用容量需求c
dm,n
＝0.95*s
oh
*c
bn
，依次为27.43kwh、29.93kwh、32.42kwh、34.91kwh、37.41kwh、39.90kwh。
[0154]
8)根据下述约束条件，确定参与载荷循环能量响应的梯次利用电池或梯次利用电池组合方案
[0155][0156]
式中，分别为梯次利用电池或梯次利用电池组合方案kn的电池数目和可用容量。
[0157]
本实施例中，单组梯次利用电池即可满足储能系统各时段的功率需求，因此参与能量响应的电池备选方案如表3所示。其中，c
re
＝s
oh
*c
bn
。
[0158]
表3各载荷循环的电池容量需求分级
[0159]
响应方案s
oh
＝0.55s
oh
＝0.60s
oh
＝0.65s
oh
＝0.70s
oh
＝0.75s
oh
＝0.80n
re
111111c
re
/kwh28.8831.5034.1336.7539.3842.00
[0160]
9)对于任意时刻t∈tn(n＝1,2
…
nc)，选取梯次利用电池或梯次利用电池组合方案kn进行储能系统能量响应，得到各梯次利用电池的充放电功率和荷电状态变化曲线分别如图10和图11所示。
[0161]
由图11可知，各梯次利用电池在进行分段能量响应后均能恢复至初始荷电状态，可降低容量估算误差对梯次利用电池储能系统控制效果的影响；同时，对于不同健康状态的梯次利用电池，其放电深度存在一定分级差异，实现了梯次利用电池储能系统“新电池深
充深放、旧电池浅充浅放”的优化运行目标；此外，结合图10可知，各梯次利用电池交替进行储能系统功率响应，在不同载荷循环响应过程中存在一定静置时间，有利于消除电池内部极化作用，恢复电池充放电能力，提高梯次利用电池能量转换效率。
[0162]
综上可知，本技术方案能够使梯次利用电池在参与各阶段能量响应后恢复至初始荷电状态，从而降低可用容量估算误差对梯次利用电池储能系统控制效果的影响；还可根据梯次利用电池的可用容量衰减特性，控制电池储能单元放电深度，实现“新电池深充深放、旧电池浅充浅放”的优化运行目标。