面向模块化电池储能系统的多端口能源路由与管理系统

1.本发明涉及高频电力电子技术与储能电池能量管理与均衡领域，具体地，涉及一种面向模块化电池储能系统的多端口能源路由与管理系统。


背景技术：

2.在推动实现碳达峰、碳中和目标的背景下，新能源发电与电池储能技术已成为推动能源结构转型的关键技术，在工业界与学术界得到了广泛关注。光伏发电与风力发电的规模日益扩大，并有赶超传统火力发电的趋势。同时，“光伏 储能”系统由于能量获取成本低、灵活性高等先天优势，在部分离网环境中承担着能源供给的重要责任。在离网“光伏 储能”系统中，多个能源设备之间的路由与管理是保证系统长期稳定运行、降低人工维护与储能电池更换频率的重要手段。
3.作为光伏、储能电池与直流负载三者之间的功率接口，电力电子功率变换器是“光伏 储能”系统中的关键设备。如图1所示，通常“光伏 储能”系统中的能量管理设备由三部分组成，分别为：1.光伏发电与储能电池之间的功率接口，负责为储能电池充电；2.储能电池与直流负载之间的功率接口，负责为直流负载提供能量来源；3.储能系统的能量均衡系统，负责实现单体电池单元之间能量均衡，防止由于“木桶效应”带来的电池利用率低等问题。其中，功率接口电路主要采用单向dc/dc变换器实现；而储能电池的能量均衡系统通常采用被动方式实现，即通过耗散电阻将不均衡的电池电量以发热的形式消耗，这种方式成本低廉、易于实现、控制简单，但损耗高、效率低。
4.在现有的“光伏 储能”组成的离网能源系统中，多个复杂能源端口之间的能量路由和管理是通过多个分离式功率变换设备实现的，硬件电路冗余且繁琐，效率低下。综上所述，一个完整的面向模块化电池储能系统的多端口能源路由与均衡系统需要具备以下四个功能：
5.(1)具备面向电网或光伏等能源设备的充电接口，实现储能系统的能量补充；具备面向直流负载的放电接口，实现储能系统的能量利用。
6.(2)具备储能系统的能量均衡管理功能，在充放电过程中基于储能系统内各电池单元的状态，优化其功率流分配，在非充放电时段也可实现高电量电池单元到低电量电池单元的能量主动均衡，以降低电池单元之间的不一致性
7.(3)具备储能系统扩容功能，为电池单元提供模块化接口，在不同需求下能灵活调整储能系统的容量与功率等级
8.(4)具备电气隔离与环流抑制功能，在故障发生时能有效抑制故障的扩散，同时能抑制并联电池组之间的环流，实现系统保护；具备电池自加热与阻抗在线检测功能，延长电池使用寿命
9.在文献《zheng x,liu x,he y,et al.active vehicle battery equalization scheme in the condition of constant-voltage/current charging and discharging[j].ieee transactions on vehicular technology,2017.》中介绍了一种蓄电池均衡电
路及其控制策略。电路中采用了开关电感拓扑。该拓扑结构简单，易于控制。功率开关的反并联二极管可以提供电感电流续流路径，能量可以通过开关传递。蓄电池充放电采用恒压、恒流方式。均衡电路的相应控制策略不同。讨论了其工作原理，分析了在恒压和恒流模式下的控制策略。建立了有源电池均衡方案的仿真模型，并结合电池管理系统设计了均衡电路。并与现有的基于电感的均衡方案进行了比较。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。提出的电池均衡方案能够达到预期的效果。
[0010]
该文献提出了一种电耦合型的电池均衡方案，能够实现电池均衡管理。然而，文献中的多开关电感拓扑没有电气隔离机制，故障容易扩散。另外，该电路不具有可拆分的分立模块，当储能系统扩容时，整个电路需要重新设计制作。同时该电路也不具备与直流母线双向功率接口功能。
[0011]
在文献《chen y,liu x,cui y,et al.a multi-winding transformer cell-to-cell active equalization method for lithiumion batteries with reduced number of driving circuits.2015.》中介绍有：双向单元间均衡方法可以很好地防止串联电池过充和欠充。然而，如何在低复杂度下实现快速均衡和高均衡效率仍然是一个挑战。为了解决这个问题，该文献提出了一种使用多绕组变压器的双向主动电池均衡方法。新方法允许能量通过反激操作或正激操作直接从最高电压单元转移到最低电压单元，从而提供较短的平衡路径，并保证快速的均衡速度。该文献采用低导通损耗的双向开关，以获得高均衡效率。对六个50ah锂离子电池组进行了实验，结果表明，该方法在速度、效率和电路复杂度方面取得了良好的均衡性能。
[0012]
技术要点比较：该文献提出了一种基于多绕组变压器的磁耦合型的电池均衡方案，能够实现电池均衡管理。然而，文献中的多绕组变压器大大增加了电路体积。和文献1类似，该电路同样不具有可拆分的分立模块，当储能系统扩容时，整个电路需要重新设计制作。同时该电路也不具备与直流母线双向功率接口功能。


技术实现要素：

[0013]
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种面向模块化电池储能系统的多端口能源路由与管理系统。
[0014]
根据本发明提供的一种面向模块化电池储能系统的多端口能源路由与管理系统，包括：高频多绕组固态变压器、交直流变换器和控制器；
[0015]
所述高频多绕组固态变压器的一次侧和二次侧分别连接多个交直流变换器，且交直流变换器的交流连接端与高频多绕组固态变压器连接，所述高频多绕组固态变压器一次侧的交直流变换器用于连接电源设备和直流负载设备，所述高频多绕组固态变压器二次侧的交直流变换器用于连接储能系统，所述控制器与交直流变换器连接。
[0016]
优选地，还包括断路器，所述断路器用于连接高频多绕组固态变压器和交直流变换器。
[0017]
优选地，所述交直流变换器采用h桥电路。
[0018]
优选地，所述交直流变换器在中小功率场合采用si-mosfet作为开关器件，在大功率场合采用sic-mosfet或igbt作为开关器件。
[0019]
优选地，所述控制器包括各端口功率流优化算法和小信号扰动补偿器，在储能系
统充放电和电池单元主动均衡过程中，通过获取当前个电池单元的状态信息，利用基于博弈论与多智能体建模的优化算法，求解出最有利于储能系统的功率流分配方案；
[0020]
优选地，所述小信号扰动补偿器通过计算各端口的实际功率和参考功率间的误差来确定各个端口的驱动信号相角。
[0021]
优选地，所述优化算法为：读取各个电池单体的参数，包括端口电压、荷电状态以及健康状态，根据参数信息优化各个电池单体的充放电功率。
[0022]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0023]
1、本发明有利于提高电池储能系统的使用寿命，降低人工维护与更换电池单元的频率，在所提出的多端口能源路由与管理系统中，储能系统的充放电过程会得到合理地优化与管理，在未充放电时段也能实现电池单元电量的主动均衡，从而保证各电池单元的工作状态、健康状态等趋于一致，延长储能系统的使用周期，提高系统的可靠性。
[0024]
2、本发明有利于提高电池储能系统的安全性和经济性，所提出的多端口能源路由与管理系统能有效抑制电气故障的扩散与并联环流的产生，由于系统内各直流端口通过固态变压器的绕组线圈耦合，故障部分能够灵活地退出运行，而不是整个系统停机；模块化的电池单元接口能有效管理各单元的充放电电流，起到环流抑制的作用；同时该系统集成了充放电管理与电池单元主动均衡两大主要功能，大幅降低系统硬件体积与成本，集成度与经济性也得以提升。
[0025]
3、本发明有利于实现电池储能系统容量的灵活扩充，所提出的多端口能源路由与管理系统为电池储能系统提供了充足的电池单元接口，只需增加新的电池单元，即可实现储能系统的容量扩充与即插即用。
附图说明
[0026]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0027]
图1为现有技术中储能系统能量管理设备示意图；
[0028]
图2为本发明多端口能量路由与管理系统示意图；
[0029]
图3为本发明控制器能源管理优化算法示意图；
[0030]
图4为本发明控制器小信号闭环控制示意图；
[0031]
图5为本发明控制器自加热功能示意图；
[0032]
图6为本发明阻抗检测功能示意图。
具体实施方式
[0033]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0034]
本发明公开一种面向模块化电池储能系统的多端口能源路由与管理系统，包括：高频多绕组固态变压器、交直流变换器和控制器；储能系统中的各电池单元、光伏或电网输入端口和直流负载均通过模块化交直流变换器与高频多绕组固态变压器相连接；通过变压
器磁芯中的高频磁场耦合，可以实现多路功率流的灵活传输；进而达到储能系统充放电管理与电池单元主动均衡的功能。具体实现手段如下：
[0035]
高频多绕组固态变压器是用来实现储能系统与其充放电接口，以及储能系统内各电池单元间的能量交互的核心器件。高频多绕组固态变压器为储能系统的多个直流端口提供了磁场耦合路径，进而实现多向功率的灵活流动；同时，磁场耦合也为功率变换器提供了天然的电气隔离，能有效防止电气故障的扩散。此外，由于功率变换器开关频率较高，可达数百千赫兹，固态变压器的体积可以大幅缩减，进而提高系统功率密度。
[0036]
所述高频多绕组固态变压器的一次侧和二次侧分别连接多个交直流变换器，且交直流变换器的交流连接端与高频多绕组固态变压器连接，所述高频多绕组固态变压器一次侧的交直流变换器用于连接电源设备和直流负载设备，所述高频多绕组固态变压器二次侧的交直流变换器用于连接储能系统，所述控制器与交直流变换器连接。
[0037]
交直流变换器是储能电池单元等直流端口与固态变压器交流端口之间的功率变换装置。交直流功率变换器通常采用经典h桥电路，在特高开关频率下也可采用其他拓扑。交直流变换器可工作在逆变或整流两种状态，来实现功率的双向流动。在中小功率场合，交直流变换器可使用si-mosfet作为开关器件；在大功率场合，开关器件可选择sic-mosfet或igbt。断路器用于连接固态变压器和交直流变换器，在直流端口未使用或出现故障等情况下断开，正常运行时保持闭合。
[0038]
控制器包括各端口功率流优化算法与小信号扰动补偿器两部分，在储能系统充放电与电池主动均衡过程中，控制器通过获取当前各电池单元的状态信息，包括：端口电压、荷电状态、健康状态、工作温度、放电时长等，利用基于博弈论与多智能体建模的优化算法，求解出最有利于储能系统的功率流分配方案，如图3所示。例如，当系统读取到各个电池单体的参数后，能根据这些信息优化出各个电池单体的充放电功率；比如将荷电状态高、健康状态好的电池单体放电功率高，荷电状态低、健康状态差的电池充电功率大等等。
[0039]
该功率流求解结果将作为各端口功率的参考信号，使小信号扰动补偿器实现系统功率流的误差调节与闭环控制，如图4所示。在所提出的多端口能量路由与均衡系统中，各端口的交直流功率变换器之间的驱动信号相位差决定了各端口之间的功率流。小信号扰动补偿器通过计算实际功率与参考功率间的误差来确定各个端口的驱动信号相角，进而达到参考信号追踪与闭环控制的目的。
[0040]
本系统的工作模式可以初步分为以下三类：
[0041]
(1)充电模式：当光伏或电网等外部能源需要给储能系统充电时，直流负载端断路器断开，系统控制器读取当前各电池单元的状态信息，并执行基于博弈理论与多智能体建模的优化算法，求解各端口充电功率流的纳什均衡点，使各电池单元效用函数最大化；再通过多绕组固态变压器与交直流变换器，实现多路电池单元的灵活充电与闭环控制；此时与电池单元端口相连的功率变换器具有近似相位的驱动信号，且均滞后于充电端口的驱动信号。
[0042]
(2)放电模式：当储能系统需要给直流负载放电时，外部电源端断路器断开，与充电模式类似，各端口的最优放电功率流也通过系统控制器中的优化算法求解并执行；此时与电池单元端口相连的功率变换器也具有近似相位的驱动信号，且均超前于充电端口的驱动信号。
[0043]
(3)主动均衡模式：当储能系统停止充放电时，直流负载与外部电压端的断路器均断开，系统控制器通过调节各电池单元端口功率变换器的驱动信号，电池单元之间将通过电池侧的交直流变换器和高频固态变压器进行能量交换，实现能量从高电量电池单元到低电量电池单元的主动均衡。
[0044]
在一种具体的应用场景中，本系统还具有电池自加热功能以及阻抗检测能功能，参照图5所示，自加热功能可以用在电池放电前，有助于延长电池寿命，预防老化等。加热步骤：通过改变交直流变换器的移相命令，可以在不同的电池单元之间产生一个较小的自热电流，用于电池单元之间的能量均衡与自加热。
[0045]
参照图6，为阻抗检测原理图，阻抗检测可以用于电池的soc、soh估计等，不需要额外的设备来测量，有助于降低成本。检测步骤：通过改变交直流功率变换器的相位差phi1、phi2，可以产生出一个正弦扰动电流，该电流可以在电池上激发出交流扰动电压；通过对着两个交流量的采样和傅里叶分析，即可计算出电池的交流阻抗。
[0046]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。