小容量数字电池储能系统规模化集成方法及系统

1.本发明涉及数字储能技术领域，尤其涉及一种小容量数字电池储能系统规模化集成方法及系统。


背景技术：

2.随着对大容量的电池储能系统的规模化应用需求日益增长，电压和容量级别低的电池单体通常在“数百万”数量级上进行固定串并联方式连接。通常做法是先将电池单体串并联形成电池模组，电池模组经过固定串并联形成电池簇，再经过储能功率转换系统在交流侧并网，并提高储能系统的电压、电流等级。
3.在百兆瓦级储能电站及兆瓦级分布式储能系统中，通常做法是先将电池单体串并联形成电池模组，电池模组经过固定串并联形成电池簇，再经过储能功率转换系统在交流侧并网，并提高储能系统的电压、电流等级。储能系统运行过程中所需要观测的中间状态变量和需要调节的中间控制变量的种类和数量相当庞大，如果对所有电池模组的状态变量和控制变量进行集中处理，庞大的计算量所产生的延时和误差累积会直接影响整个储能系统的响应速度和控制精度；另外，由于电池单体的固有差异性，由电池单体组成的电池模组之间、各电池簇之间也是具有差异性的，直接固定串并联集成将放大这种差异性，使储能系统的集中式管理效率更差、安全性更低，降低规模化储能系统的效率、可靠性、安全性，不易灵活实现垂直行业的多样性应用需求。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种小容量数字电池储能系统规模化集成方法及系统，改进大规模储能系统对其中电池单体的控制策略，提升大规模储能系统的响应速度和控制精度，提高大规模储能系统的工作效率、可靠性、安全性。
5.本发明实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.一种小容量数字电池储能系统规模化集成系统，所述规模化集成系统包括：电池操作系统、硬件控制系统和数字电池，其中：
7.所述硬件控制系统包括中央处理器和可重构电池网络，还包括与所述中央处理器相连接的可重构电池网络控制器、全局能量控制器、分散协调控制器、数字电池系统放电电路、数字电池系统充电电路，所述数字电池系统充电电路与所述可重构电池网络中的各数字电池系统以及输入侧相连接，所述数字电池系统放电电路与所述可重构电池网络中的各所述数字电池系统以及输出侧相连接，所述可重构电池网络受所述可重构电池网络控制器以及所述全局能量控制器控制；
8.所述电池操作系统嵌入所述中央处理器中，所述电池操作系统支持对外开放api；
9.所述可重构电池网络由m个数字储能子系统与高频电力电子开关阵列耦合而成，所述可重构电池网络控制器根据各所述数字储能子系统的状态信息管理所述高频电力电子开关阵列的电子开关状态，所述高频电力电子开关阵列中的各个高频电力电子开关分别
位于系统直流母线与各所述数字储能子系统的公共直流母线之间的节点处；
10.每个所述数字储能子系统各连接一个所述分散协调控制器，所述全局能量控制器、各所述分散协调控制器、各所述数字储能子系统的消息接口均连接到系统消息总线，所述系统消息总线中的信号形式为时分多路复用信号，所述全局能量控制器和所述分散协调控制器通过滚动时域控制策略控制各所述数字储能子系统的实时出力，所述数字储能子系统独立调控内部各低压数字电池系统的出力，形成自律分散控制结构；
11.所述数字储能子系统由n个小容量的所述低压数字电池系统通过电力电子变流器柔性连接聚合而成，所述数字储能子系统对内部的各级所述低压数字电池系统采取分布式的能量按需控制策略；所述低压数字电池系统由p个所述数字电池串联或并联组成，所述低压数字电池系统对内部各所述数字电池采用充放电电压主动调整和参数自适应控制策略。
12.较优地，所述可重构电池网络控制器由m个子系统投切控制单元组成，m个所述子系统投切控制单元各自对应连接一个所述高频电力电子开关、与所述可重构电池网络控制器的内部can总线通信；
13.所述数字储能子系统内置嵌入式传感装置，所述内置嵌入式传感装置连接子系统投切控制单元的数字能量控制芯片，所述嵌入式传感装置中传感器类型至少包括子系统电压采集器和温度传感器；
14.所述数字能量控制芯片根据所述嵌入式传感装置的采样数据计算出所述数字储能子系统的状态信息，并根据所述数字储能子系统的状态信息控制所述高频电力电子开关的开关状态、以控制所述数字储能子系统的投切状态，其中，所述数字储能子系统的状态信息包括电池荷电状态soc和电池健康状态soh，所述电池荷电状态soc是根据所述子系统电压采集器的电压采样数据计算得到，所述电池健康状态soh是根据所述子系统电压采集器的温度采样数据计算得到。
15.较优地，所述可重构电池网络控制器对各所述数字储能子系统的公共直流母线的控制策略为集中式稳压控制策略，所述集中式稳压策略的控制系统由电压外环和电流内环组成，其中，所述电压外环的控制输出量是所述电流内环的指令电流量，所述电流内环具有前馈控制和解耦控制、以加速系统动态响应。
16.较优地，所述数字储能子系统的所述能量按需控制策略包括恒压模式、恒流模式、恒功率模式。
17.较优地，所述全局能量控制器，受所述中央处理器控制，用于向所述系统消息总线发送k 1时刻系统实时出力要求
18.第i分散协调控制器，通过所述系统消息总线获得所有所述数字储能子系统的k时刻子系统实际出力{y
1,k
,y
2,k
,...,y
m,k
}、所述在所述规模化集成系统当前所处的全局出力控制模式下，根据{y
1,k
,y
2,k
,...,y
m,k
}、所述k时刻系统实际出力计算出第i数字储能子系统的k 1时刻控制输入变量ui(k 1)，其中，将所述k 1时刻控制输入变量ui(k 1)输入至所述第i数m字储能子系统；
19.所述第i数字储能子系统，用于根据所述ui(k 1)独立调控所述第i数字储能子系统中各所述低压数字电池系统的出力，并在所述k 1时刻将k 1时刻子系统实际出力y
i,k 1
发
送至所述系统消息总线。
20.较优地，所述全局出力控制模式包括外部电气系统暂态响应模式、外部电气系统实时调度模式、数字储能系统能量管理模式。
21.较优地，所述规模化集成系统的状态方程描述为：
[0022][0023]
其中，xi(k)为所述第i数字储能子系统控制的k时刻状态变量，矩阵a、矩阵b均为矩阵参数。
[0024]
本发明还提供一种小容量数字电池储能系统规模化集成方法，包括：
[0025]
构建可重构电池网络，所述可重构电池网络由m个数字储能子系统与高频电力电子开关阵列耦合构成，所述高频电力电子开关阵列中的各个高频电力电子开关分别位于系统直流母线与各所述数字储能子系统的公共直流母线之间的节点处，所述数字储能子系统由n个小容量的所述低压数字电池系统通过电力电子变流器柔性连接聚合而成，所述低压数字电池系统由p个所述数字电池串联或并联组成；
[0026]
为所述可重构电池网络连接可重构电池网络控制器，所述可重构电池网络控制器与所述高频电力电子开关阵列相连接、用于根据各所述数字储能子系统的状态信息管理所述高频电力电子开关阵列的电子开关状态；
[0027]
为所述可重构电池网络中各所述数字储能子系统连接分散协调控制器；
[0028]
构建规模化集成系统，所述规模化集成系统包括电池操作系统、硬件控制系统和数字电池，所述硬件控制系统包括中央处理器和所述可重构电池网络，还包括与所述中央处理器相连接的所述可重构电池网络控制器、所述全局能量控制器、各所述分散协调控制器、数字电池系统放电电路、数字电池系统充电电路，所述数字电池系统充电电路与所述可重构电池网络中的各数字电池系统以及输入侧相连接，所述数字电池系统放电电路与所述可重构电池网络中的各数字电池系统以及输出侧相连接；所述全局能量控制器、各所述分散协调控制器、各所述数字储能子系统的消息接口均连接到系统消息总线；所述中央处理器内嵌入所述电池操作系统，所述电池操作系统支持对外开放api。
[0029]
较优地，所述可重构电池网络控制器对各所述数字储能子系统的公共直流母线的控制策略为集中式稳压控制策略，所述集中式稳压策略的控制系统由电压外环和电流内环组成，其中，所述电压外环的控制输出量是所述电流内环的指令电流量，所述电流内环具有前馈控制和解耦控制、以加速系统动态响应；
[0030]
所述系统消息总线中的信号形式为时分多路复用信号，所述全局能量控制器和所述分散协调控制器通过滚动时域控制策略控制各所述数字储能子系统的实时出力，所述数字储能子系统独立调控内部各低压数字电池系统的出力，形成自律分散控制结构；
[0031]
所述数字储能子系统对内部的各级所述低压数字电池系统采取分布式的能量按需控制策略，所述能量按需控制策略包括恒压模式、恒流模式、恒功率模式；所述低压数字电池系统对内部各所述数字电池采用充放电电压主动调整和参数自适应控制策略。
[0032]
较优地，所述规模化集成系统的状态方程描述为：
[0033][0034]
其中，xi(k)为第i数字储能子系统控制的k时刻状态变量，矩阵a、矩阵b均为矩阵参数，ui(k)为所述第i数字储能子系统的k时刻控制输入变量，所述ui(k)是根据所述全局能量控制器的k 1时刻系统实时出力要求k时刻子系统实际出力{y
1,k
,y
2,k
,...,y
m,k
}、k时刻系统实际出力计算所得。
[0035]
由上述技术方案可知，本发明实施例提供的小容量数字电池储能系统规模化集成方法及系统，规模化集成系统由电池操作系统、硬件控制系统和数字电池组成，其中：硬件控制系统包括中央处理器和可重构电池网络，还包括与中央处理器相连接的可重构电池网络控制器、全局能量控制器、分散协调控制器、数字电池系统放电电路、数字电池系统充电电路，数字电池系统充电电路与可重构电池网络中的各数字电池系统以及输入侧相连接，数字电池系统放电电路与可重构电池网络中的各数字电池系统以及输出侧相连接，可重构电池网络受可重构电池网络控制器以及全局能量控制器控制；可重构电池网络由数个数字储能子系统构成，数字储能子系统则是由低压数字储能系统集成构成，低压数字储能系统是由电池单体串联或并联构成，本发明改进了大规模储能系统对其中电池单体的控制策略，采取了集中式和分布式相结合的自律协同控制，系统仅对可重构电池网络中各数字储能子系统采取集中式控制策略，数字储能子系统独立调控自身出力、对其子系统内各低压数字储能系统采取充放电压主动调制以及参数自适应控制的分布式控制策略，减小了规模化集成系统对电池控制的颗粒度，提升系统响应速度和控制精度。
附图说明
[0036]
图1为小容量数字电池储能系统规模化集成系统架构图。
[0037]
图2为由低压数字储能系统集成构成的数字储能子系统架构图。
[0038]
图3为可重构电池网络控制器与可重构电池网络的连接图。
[0039]
图4为全局出力控制以及各子系统自律控制的示意图。
[0040]
图5为数字储能子系统底层控制模式图。
[0041]
图6为公共直流母线电压稳定控制框图。
[0042]
图7为规模化集成系统的均衡化控制策略示意图。
具体实施方式
[0043]
以下结合本发明的附图，对本发明的技术方案以及技术效果做进一步的详细阐述。
[0044]
本发明提供一种小容量数字电池储能系统规模化集成系统，对低压数字电池系统采取即插即用的分级分层控制架构，小容量的数字电池的规模化集成单位从小到大依次为：数字电池、低压数字电池系统、数字储能子系统、可重构电池网络，具体的，如图1所示，可重构电池网络由m个数字储能子系统与高频电力电子开关阵列耦合构成，如图2所示，数
字储能子系统由n个小容量的低压数字电池系统通过电力电子变流器柔性连接聚合而成，进一步地，低压数字电池系统由p个数字电池串联或并联组成。本发明还包括规模化集成系统的构建方案，电化学储能系统的通信架构方案、软硬件系统集成方案，电化学储能系统稳压控制方法等。
[0045]
如图1所示，本发明提供的小容量数字电池储能系统规模化集成系统(这里简称规模化集成系统)包括：软件操作系统、硬件控制系统和数字电池，其中：
[0046]
硬件控制系统包括中央处理器和可重构电池网络，还包括与中央处理器相连接的可重构电池网络控制器、全局能量控制器、分散协调控制器、数字电池系统放电电路、数字电池系统充电电路，可重构电池网络受可重构电池网络控制器以及全局能量控制器控制；采用对可重构电池网络中各数字储能子系统的状态变量和控制变量进行分布式集中式相结合的控制方法，即对数字储能子系统内的各级低压数字电池系统进行能量按需控制，对每级数字储能子系统的公共直流母线进行稳压控制。
[0047]
软件操作系统即为电池操作系统，作为支撑系统整体运行的关键，其软件程序嵌入于中央处理器中，实现与系统硬件的无缝衔接。此外，电池os支持对外开放api(application programming interface)，用户可以根据需求自定义电池充放电使用策略。
[0048]
本发明中，可重构电池网络由m个数字储能子系统与高频电力电子开关阵列耦合而成，可重构电池网络控制器根据各数字储能子系统的状态信息管理高频电力电子开关阵列的电子开关状态，高频电力电子开关阵列中的各个高频电力电子开关分别位于系统直流母线与各数字储能子系统的公共直流母线之间的节点处；如图3所示，可重构电池网络控制器由m个子系统投切控制单元组成，m个子系统投切控制单元各自对应连接一个高频电力电子开关、与可重构电池网络控制器的内部can总线通信；数字储能子系统内置嵌入式传感装置，内置嵌入式传感装置连接子系统投切控制单元的数字能量控制芯片，例如，嵌入式传感装置中传感器类型至少包括子系统电压采集器和温度传感器，采集数据形式为电压采样数据以及温度采样数据；
[0049]
数字能量控制芯片根据嵌入式传感装置的采样数据计算出数字储能子系统的状态信息，并根据数字储能子系统的状态信息对应控制高频电力电子开关的开关状态、以控制数字储能子系统在可重构电池网络内的投切状态，其中，数字储能子系统的状态信息包括电池荷电状态soc(state of charge)和电池健康状态soh(state of health)，电池荷电状态soc是根据子系统电压采集器的电压采样数据计算得到，电池健康状态soh是根据子系统电压采集器的温度采样数据计算得到。
[0050]
大规模储能系统的充放电都是基于稳定直流电压而设计的，超范围的直流电压波动会产生系统失稳的风险，因此，规模化集成系统对各数字储能子系统的公共直流母线进行稳压控制，如图6所示，集中式稳压策略的控制系统由电压外环和电流内环组成，其中，电压外环的控制输出量是电流内环的指令电流量，电流内环具有前馈控制和解耦控制、用于加速系统的动态响应，直流电压控制器通过分解，id(s)、iq(s)分别对有功电流分量进行控制，进而转化成离散时间域控制方法，实现对控制对象的控制。图6中根据负荷特性匹配要求通过时分复用方式选择不同的数字储能子系统进行轮换串联输出，并结合图2中电压微调单元(电压微调单元连接于数字能量控制芯片)来实现对数字储能子系统输出电压的精细化调整，从而实现软件定义数字储能子系统直流电压输出端口的目的。
[0051]
系统对于各数字储能子系统的出力控制策略为，在自律分散控制结构下，实现不同单体/模组电池的能量流碎片化重组：每个数字储能子系统各连接一个分散协调控制器，全局能量控制器、各分散协调控制器、各数字储能子系统的消息接口均连接到系统消息总线，系统消息总线中的信号形式为时分多路复用信号，全局能量控制器和分散协调控制器通过滚动时域控制策略控制各数字储能子系统的实时出力以及系统的全局整体出力，通过各分散协调控制器计算各数字储能子系统下一时刻的控制输入数字储能子系统独立调控内部各低压数字电池系统的出力，形成自律分散控制结构。
[0052]
具体的，如图4所示，全局能量控制器，向系统消息总线发送k 1时刻系统实时出力要求第i分散协调控制器通过系统消息总线获得所有数字储能子系统的k时刻子系统实际出力{y
1,k
,y
2,k
,...,y
m,k
}、在规模化集成系统当前所处的全局出力控制模式下，根据{y
1,k
,y
2,k
,...,y
m,k
}、k时刻系统实际出力计算出第i数字储能子系统的k 1时刻控制输入变量ui(k 1)，其中，(k 1)，其中，将k 1时刻控制输入变量ui(k 1)输入至第i数m字储能子系统；第i数字储能子系统根据ui(k 1)独立调控第i数字储能子系统中各低压数字电池系统的出力，并在k 1时刻将k 1时刻子系统实际出力y
i,k 1
发送至系统消息总线。
[0053]
规模化集成系统的状态方程描述为：
[0054][0055]
其中，xi(k)为第i数字储能子系统控制的k时刻状态变量，矩阵a、矩阵b均为矩阵参数。依据规模化集成系统的电气、通讯结构，建立各数字储能子系统的关联控制模型，在此基础上建立整体系统全局控制模型，分析储能子系统工作状态、控制性能、系统通讯延迟等因素对整体系统全局响应速度和控制精度的影响。
[0056]
如图7所示，全局出力控制模式包括外部电气系统暂态响应模式、外部电气系统实时调度模式、数字储能系统能量管理模式，通过软件操作系统相应构建的各个模式模型，本发明拟以系统整体出力精度最高为目标，建立储能子系统的群体目标一致性控制策略。为保障数字储能系统可用容量，将数字储能系统整体可用容量最大作为目标，建立各数字储能子系统soc的均衡控制策略。
[0057]
对于整体系统全局出力控制策略，本发明拟针对外部电气系统暂态响应模式、实时调度模式、本地能量管理模式，建立相应的全局控制策略。对于外部电气系统暂态响应模式和实时调度模式，整体系统全局控制策略的关键点在于对控制范围、响应能力的精确估计，以及系统快速控制。拟根据各储能子系统的状态，利用最小二乘支持向量机方法对系统的可行域进行实时估计，包括系统的可用充放电功率、电量和爬坡速率。整体系统快速控制策略基于模型预测控制技术，综合考虑规模化数字储能系统动态性能、控制目标和约束条件，建立在线优化启发式控制方法，利用滚动时域控制策略实现实时控制，提高整体系统全局控制速度。在规模化数字储能本地能量管理模式下，将以经济性和系统寿命为目标建立
系统全局优化能量管理策略。
[0058]
基于规模化集成系统对各数字储能子系统的集中式控制，数字储能子系统对内部的各级低压数字电池系统采取分布式的能量按需控制策略。如图2所示，数字储能子系统由n个小容量的低压数字电池系统通过电力电子变流器柔性连接聚合而成，通过充放电电压主动调整和参数自适应控制，扩大低压数字电池系统的稳定裕度，进而组成较大规模的网格化电池模组；低压数字电池系统由p个数字电池串联或并联组成，低压数字电池系统对内部各数字电池采用充放电电压主动调整和参数自适应控制策略。数字储能子系统的能量按需控制策略包括恒压模式、恒流模式、恒功率模式，并且可实现充放电自由切换，如图5所示，通过开关切换，数字储能子系统中各个低压数字电池系统会处于恒压模式、恒流模式、恒功率模式，低压数字电池系统可以在这三种模式下充放电。各数字电池系统通过数字电池系统充电电路供电、通过数字电池系统放电电路放电，充放电电路满足低功耗、高可靠性、高安全性、低复杂度的要求。
[0059]
本发明还提供一种小容量数字电池储能系统规模化集成方法，首先将单体电池按照可重构电池网络的形式连接起来，然后将各个数字储能子系统连接到可重构电池网络控制器，为可重构电池网络中各数字储能子系统连接分散协调控制器，最后按照图1所示结构构建规模化集成系统，系统放电电路与可重构电池网络以及输出侧相连接；全局能量控制器、各分散协调控制器、各数字储能子系统的消息接口均连接到系统消息总线；中央处理器内嵌入电池操作系统，电池操作系统支持对外开放api。电池操作系统用于为规模化集成系统、各个数字储能子系统、低压数字电池系统构建控制模型，
[0060]
本发明改进了大规模储能系统对其中电池单体的控制策略，采取了集中式和分布式相结合的自律协同控制，系统仅对可重构电池网络中各数字储能子系统采取集中式控制策略，数字储能子系统独立调控自身出力、对其子系统内各低压数字储能系统采取充放电压主动调制以及参数自适应控制的分布式控制策略，减小了规模化集成系统对电池控制的颗粒度，提升系统响应速度和控制精度。可支持数字储能子系统即插即用，不会影响全局出力，具有较好的配置灵活性与可扩展性，本发明可有效提高大规模储能系统的工作效率、可靠性、安全性。
[0061]
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。