一种考虑电池相关性的电池储能模块可靠性评估方法与流程

1.本发明涉及电池可靠性分析领域，具体涉及一种考虑电池相关性的电池储能模块可靠性评估方法。


背景技术：

2.在全球能源利用向着清洁低碳、安全高效转型的大背景下，构建由电力、天然气、冷、热等多种能源形式在生产、传输、消费等环节互补协调利用的综合能源系统具有重大意义，有助于降低能源利用成本，提升能源利用效率。随着我国配电网负荷的不断增加，电网负荷峰谷效应也在逐步扩大；与此同时，具有随机性、波动性的可再生能源大规模接入电网，使得电力系统调峰问题更加严峻。储能电池在电力系统中起到削峰填谷、改善电力供需矛盾等功能，其作为智能配电网的技术支撑环节发挥的作用日益凸显。研究储能电站经济性与可靠性分析问题，对于提高电力系统供电可靠性和运行经济性具有重要意义。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种考虑电池相关性的电池储能模块可靠性评估方法，能有效提高电池储能模块可靠性评估效率。
4.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种考虑电池相关性的电池储能模块可靠性评估方法，包括以下步骤：
6.步骤s1:获取电池储能模块拓扑结构，并通过copula理论构建储能单元中电池簇相关性的可靠模型；
7.步骤s2:建立储能模块中储能单元电池模块的可靠性函数；
8.步骤s3:根据储能模块的结构拓扑建立整个储能模块的可靠性函数，并对储能模块的可靠性进行评估。
9.进一步的，所述步骤s1具体为：
10.对储能单元的电池模块进行数学建模，用一个非负的随机变量x 来描述电池的运行年限，随机变量的分布函数为：
11.f(t)＝p{x≤t},t≥0
ꢀꢀꢀ
(1)
12.分布函数f(t)的物理意义是电池的使用寿命小于等于t年的分布函数，求出电池在时刻内正常运行的概率，即系统的可靠性函数r(t) 为：
13.r(t)＝p(x＞t)＝1-f(t)
ꢀꢀꢀ
(2)
14.设储能模块的各储能单元中的元件处于寿命曲线中的稳定运行期，其可靠性函数服从指数分布，则元件的可靠性为
15.r(t)＝e-λt
ꢀꢀꢀ
(3)
16.其中λ为器件故障率
17.并设电池模块为的m
×
n矩阵排布，m个电池串联为一簇，n簇并联形成电池模块，λ
b.uj
为电池故障率，λ
l.uj
为电池连接线故障率，则第u个储能单元的单个电池簇的可靠性模
型为：
[0018][0019]
进一步的，所述步骤s2具体为：
[0020]
设每个电池模块含有n个电池簇，第i个电池簇的寿命为xi，寿命分布为fi(t)＝p{xi≤t}，i＝1,2...,n，各电池簇间是相关的，在初始时刻t＝0，所有器件都处于理想状态且同时开始工作，则该电池模块的寿命为：
[0021]
x＝min{x1,x2,...,xn}
ꢀꢀꢀ
(8)
[0022]
n个电池簇中使用寿命最短的电池发生故障，即存在一个电池簇不能正常工作；在t时刻，电池簇的可靠性等于寿命最短的电池使用时间x大于t，即所有的子模块寿命x1,x2,...,xn均大于t，由加法公式得电池簇可靠性函数为
[0023][0024]
根据copula理论知，存在n维copulacn[f1(x1),f2(x2),...,fn(xn)], 使得
[0025][0026]
同时，由于该分布为同分布，故求和符号里面的公式不加区别，每一项的求和的次数即为选择数；
[0027]
电池簇可靠性函数表示为
[0028][0029]
式中f＝(f1,f2,...,fn),由于fi(∞)＝1，因此fi＝fi(t)或fi＝1，p为 fi＝fi(t)的个数
[0030]
将上式中的cn(f)改写为
[0031][0032]
得到一个电池模块的可靠性函数为
[0033][0034]
其中λ
bs.ui
＝λ
b.ui
×
m λ
l.ui
×
(m-1)。
[0035]
进一步的，所述步骤s3具体为：
[0036]
设一个储能单元由m
×
n个电池，1个一级bms,n个二级bms， 1个pcs、组成，且n个bms之间存在n-1个通讯链接，设bms 通讯故障率λ
lb.ui
，则第u个储能单元可靠性函数为
[0037][0038]
其中r
bm.u
(t)为电池模块的可靠性函数，r
pe.u
(t)为pcs主电路可靠性函数，r
pa.u
(t)为pcs控制器可靠性函数，r
bu1.u
(t)为一级bms的bmu 可靠性函数，r
bm1.ui
(t)为一级bms的bmm可靠性函数，r
bu2.u
(t)为二级bms的bmu可靠性函数，r
bm2.ui
(t)为二级bms的bmm可靠性函数,r
lb.ui
(t)为bms间通讯链路的可靠性函数；
[0039]
设一个储能模块由ems、k个储能单元与一个变压器构成， ems的换流控制部分有主电路与控制器组成，故障率分别为λ
ee
、λ
ea
，信息采集与由这k个储能单元之间存在k条通讯链路完成，设单元间通讯链路可靠性为r
lo.u
(t)，变压器的可靠性为r
tran
(t)则该储能模块的可靠性模型为：
[0040][0041]
因此，得出一个储能模块整体可靠性。
[0042]
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0043]
本发明能有效提高电池储能模块可靠性评估效率。
附图说明
[0044]
图1是本发明一实施例中电池储能电站架构图；
[0045]
图2是本发明方法流程图；
[0046]
图3是本发明一实施例中储能模块层级。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0048]
请参照图1，电池储能电站的数据主要由三个部分组成：电池管理系统(bms)、功率交换系统(pcs)、能量管理系统(ems)。bms 由电池管理单元(bmm)与电池管理模块(bmu)两部分构成；pcs由主电路与控制器两部分构成；ems主要分为三大类信号采集，模块级通信，能流控制。站内以储能单元为基础，具体可以分为：电池簇、电池管理系统(bms)、变流器(pcs)。各个bms之间需要进行通讯以保证各个电池簇的状态维持在同一水平。然后这些储能单元经通讯链路连接起来接入变压器构成储能模块。
[0049]
在本实施例中，参考图2，提供一种考虑电池相关性的电池储能模块可靠性评估方法，包括以下步骤：
[0050]
步骤s1:获取电池储能模块拓扑结构，并通过copula理论构建储能单元中电池簇相关性的可靠模型；
[0051]
步骤s2:建立储能模块中储能单元电池模块的可靠性函数；
[0052]
步骤s3:根据储能模块的结构拓扑建立整个储能模块的可靠性函数，并对储能模块的可靠性进行评估。
[0053]
在本实施例中，首先对储能单元的电池模块进行数学建模，由电池的运行状态，假
设单个电池只分为运行状态与故障状态，则可以用一个非负的随机变量x来描述电池的运行年限，则随机变量的相应分布函数为
[0054]
f(t)＝p{x≤t},t≥0
ꢀꢀꢀ
(1)
[0055]
累计分布函数f(t)的物理意义是电池的使用寿命小于等于t的分布函数，那么就可以求出电池在时刻内正常运行的概率，即系统的可靠性函数r(t)为
[0056]
r(t)＝p(x＞t)＝1-f(t)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0057]
设储能模块的各储能单元中的元件处于寿命曲线中的稳定运行期，其可靠性函数服从指数分布，则元件的可靠性为
[0058]
r(t)＝e-λt
ꢀꢀꢀ
(3)
[0059]
其中λ为器件故障率
[0060]
电池模块为的m
×
n矩阵排布，m个电池串联为一簇，n簇并联形成电池模块，λ
b.uj
为电池故障率，λ
l.uj
为电池连接线故障率，则第u 个储能单元的单个电池簇的可靠性模型为：
[0061][0062]
在本实施例中，针对电池簇，取生成元的 gumbel-archimedean函数，则对应的二维函数为
[0063]c1/θ
(u,v)＝exp{-[(-lnu)
1/θ
(-lnv)
1/θ
]
θ
}
ꢀꢀꢀ
(5)
[0064]
该二维copula函数表示的物理意义即为二维下的分布函数，用公式表达为
[0065]c1/θ
(u,v)＝p(u≤t,v≤t)
ꢀꢀꢀ
(6)
[0066]
推广到n个元件，则对应的n维copula函数为
[0067][0068]
式中：θ∈(0,1)，θ＝1表示所有设备均独立，θ＝0表示所有设备均完全相关
[0069]
优选的，在本实施例中，根据信息量最大和结构简洁的综合准则，选择gumbel-aechimedean copula函数对电池模块的可靠性进行分析设每个电池模块含有n个电池簇，第i个电池簇的寿命为xi，寿命分布为fi(t)＝p{xi≤t}，i＝1,2...,n，电池模块如图1(b)所示。假定各电池簇间是相关的，在初始时刻t＝0，所有器件都处于理想状态且同时开始工作，则该电池模块的寿命为：
[0070]
x＝min{x1,x2,...,xn}
ꢀꢀꢀ
(8)
[0071]
n个电池簇中使用寿命最短的电池发生故障，即存在一个电池簇不能正常工作，此时储能单元供电不能满足要求，认为不可靠。在t时刻，电池簇的可靠性等于寿命最短的电池使用时间x大于t，即所有的子模块寿命x1,x2,...,xn均大于t，由加法公式得电池簇可靠性函数为
[0072][0073]
根据copula理论知，存在n维copulacn[f1(x1),f2(x2),...,fn(xn)], 使得
[0074][0075]
同时，由于该分布为同分布，故求和符号里面的公式不加区别，每一项的求和的次数即为选择数。因此，电池簇可靠性函数可以表示为
[0076][0077]
式中f＝(f1,f2,...,fn),由于fi(∞)＝1，因此fi＝fi(t)或fi＝1，p为 fi＝fi(t)的个数
[0078]
根据前文的推导可将上式中的cn(f)改写为
[0079][0080]
因此可得到一个电池模块的可靠性函数为
[0081][0082]
其中λ
bs.ui
＝λ
b.ui
×
m λ
l.ui
×
(m-1)
[0083]
在本实施例中，能模块的可靠性分析，具体如下：
[0084]
组成储能单元的设备都可以分成电池簇、电池管理系统(bms)、功率转换系统(pcs)，这些模块的层级关系具体关系如图3所示：
[0085]
一级bms中λ
bu1.u
为bmu故障率，λ
bm1.ui
为bmm故障率。二级 bms中，用λ
bu2.ui
表示bms中bmu的故障率，用λ
bm2.uj
表示bms中 bmm的故障率。用λ
pe.u
表示pcs中主电路的故障率，用λ
pa.u
表示pcs 中控制器的故障率。
[0086]
设一个储能单元由m
×
n个电池，1个一级bms,n个二级bms， 1个pcs、组成，且n个bms之间存在n-1个通讯链接，设bms 通讯故障率λ
lb.ui
，则第u个储能单元可靠性函数为
[0087][0088]
其中r
bm.u
(t)为电池模块的可靠性函数，r
pe.u
(t)为pcs主电路可靠性函数，r
pa.u
(t)为pcs控制器可靠性函数，r
bu1.u
(t)为一级bms的 bmu可靠性函数，r
bm1.ui
(t)为一级bms的bmm可靠性函数，r
bu2.u
(t) 为二级bms的bmu可靠性函数，r
bm2.ui
(t)为二级bms的bmm可靠性函数,rlb.ui
(t)为bms间通讯链路的可靠性函数。
[0089]
由图1中(a)可知，一个储能模块由ems、k个储能单元与一个变压器构成，ems的换流控制部分有主电路与控制器组成，故障率分别为λ
ee
、λ
ea
，信息采集与由这k个储能单元之间存在k条通讯链路完成，设单元间通讯链路可靠性为r
lo.u
(t)，变压器的可靠性为r
tran
(t) 则该储能模块的可靠性模型为：
[0090][0091]
因此，得出一个储能模块整体可靠性，以一个储能模块的可靠性为代表对电站的可靠性进行分析。
[0092]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。