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CN112910026A - 一种考虑分布式储能系统电池组均衡性的储能电池充放电方法 - Google Patents

一种考虑分布式储能系统电池组均衡性的储能电池充放电方法 Download PDF

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张珍珍
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Abstract

本发明提供了一种考虑分布式储能系统电池组均衡性的储能电池充放电方法以及充放电控制系统。储能电池充放电方法包含以下步骤：采集分布式储能系统各节点电流电压数据，计算需要储能系统吸收/发出的功率以及各电池组的SOC(荷电状态)；根据各电池组的SOC计算电池组均衡性充放电所能承受的最大功率；在BMS对部分电池组进行切断或接入动作后，电池组能够实现均衡性充放电；设计的控制流程有一定刷新频率，控制流程回到第一步重新采集数据并循环操作。本发明根据储能系统吸收/发出的需求功率自发实现电池组均衡充放电，不需系统停机操作，不依靠额外的均衡性充放电电路，能够充分利用能量，具有结构简单，易实现，无能量浪费，提高电池组寿命的优点。

Description

一种考虑分布式储能系统电池组均衡性的储能电池充放电 方法
技术领域
本发明主要涉及分布式储能的技术领域，具体为一种考虑分布式储能系统电池组均衡性的储能电池充放电方法。
背景技术
分布式新能源发电是当前研究和工程建设的一个热点，为提高新能源消纳率，实现新能源平滑并网，常为分布式新能源发电设备配备储能系统。但大量电池单体经过串并联后形成的电池堆在充放电过程中容易出现充放电深度不均衡的现象，降低了电池储能系统的循环寿命和运行能力。由于电池储能系统造价昂贵，为分布式储能系统配置合适的均衡管理系统具有重要意义。分布式储能系统中的储能设备可采用铅蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、钒液流电池等二次电池，但目前铅蓄电池和锂离子电池在储能工程上的应用最多。针对铅蓄电池和锂离子电池组均衡管理问题，目前已有专利公开了多种储能电池主动均衡方法、被动均衡方法、均衡电路结构、均衡装置、均衡控制算法，但专门针对分布式储能系统的专利较少，没有充分考虑分布式微电网的电源特性和功率波动性，不能完全适用于分布式微电网系统。同时，分布式储能系统的电池数量往往十分巨大，如果考虑每个电池单体的均衡性，可能造成电路结构复杂以及经济性低的问题。不同于直接利用大电网为二次电池充电以及汽车动力电池充放电的情况，分布式微网的联络线功率波动更加明显，储能电池系统的充放电状态转化更加频繁，现有均衡充放电方式一方面难以实现分布式储能系统中各电池组的有效均衡，另一方面容易降低储能系统的运行效率，因此针对分布式储能系统研究并设计一种合适的均衡充放电方法具有必要性
发明内容
本发明主要提供了一种考虑电池均衡性的分布式储能充放电控制方法及系统，用以解决上述背景技术中提出的技术问题。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
步骤S1，启动均衡性充放电系统。
步骤S2，采集分布式储能系统中各节点的电压和电流数据，根据采集到的电压和电流数据计算各分布式电源的功率、联络线功率、需要储能系统发出/吸收的功率P_s以及各储能电池组SOC。
步骤S3，根据采集到的各储能电池组SOC，计算用于均衡充放电所允许的最大功率P_a。
步骤S4，判断需要储能系统发出/吸收的功率P_s的绝对值是否小于用于均衡充放电所允许的最大功率P_a。
步骤S5，若P_s小于或等于P_a，则利用BMS控制电池组的投入或切断，对电池进行均衡充放电。
步骤S6，若P_s大于P_a，则不进行均衡充放电，所有电池组都接入电池储能系统，使得电池储能系统能够以功率P_s工作。
步骤S7，随着充放电过程的进行，各电池组SOC改变，系统刷新，重新检测各数据，回到步骤S2。
进一步地，所述步骤S2的需要储能系统发出/吸收的功率P_s，该功率由联络线功率、本地负载功率、分布式电源功率共同决定，即需要储能系统发出或吸收的功率，以维持分布式储能系统的功率平衡。
进一步地，步骤S3所述的用于均衡充放电所允许的最大功率P_a，具体计算方式如下：首先计算各电池组SOC的均方根平均数，将此均方根平均数作为SOC基准值；将SOC大于SOC基准值a％以上的电池组归为组1，将SOC小于SOC基准值b％以上的电池组归为组2；若储能系统处于发电状态，则令P_a等于组1的电池组数量乘以单组电池最大放电功率；若储能系统处于充电状态，则令P_a等于组2的电池组数量乘以单组电池最大充电功率。其中a和b可根据电池特性和工况设定。
进一步地，步骤S5中所述的利用BMS控制电池组的投入或切断，具体原理为：每一组电池串的上安装有可被BMS控制的开关组件，当S5的判断条件成立时，若储能系统处于发电状态，则只保留组1的电池组，切断其余电池组的连接；当S5的判断条件成立时，若储能系统处于充电状态，则只保留组2的电池组，切断其与电池组的连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明充分考虑了分布式储能系统的功率波动特性，在电池系统发出/吸收功率较小时，利用小功率实现电池组均衡充放电，不需额外停机操作，充分利用能量。
2、考虑到分布式储能系统电池数量巨大的特点，本发明主要考虑电池组之间的电量均衡而不是电池单体的均衡，与现有主动式和被动式均衡电路相比，本发明仅依靠BMS控制电池组串的开关，避免复杂的电路结构，可提高系统可靠性，降低损耗，提高电池寿命。
以下将结合附图与具体的实施例对本发明进行详细的解释说明。
附图说明
图1为本发明的均衡充放电控制流程图；
图2为本发明的一种分布式储能系统；
图3为本发明的电池储能系统结构；
图4为本发明的储能系统电路结构。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更加全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于文本所描述的实施例，相反的，提供这些实施例是为了使对本发明公开的内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上也可以存在居中的元件，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件，本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常连接的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语知识为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明涉及的分布式储能系统拓扑如图2所示，包含至少一个光伏发电系统、至少一个分布式储能系统，功率联络线连接外部的负荷，可以是区域负荷，可以是大电网，也可以是其他微网。储能系统结构如图3所示，包含电池系统、BMS、变流器以及监控系统。BMS实时检测电池组的SOC和健康状态，并可控制电池组串的接入和切断。储能系统电路结构如图4所示，每条电池串支路上有可被BMS控制的开关元件。
下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步详细说明。
步骤S1，均衡充放电系统启动。
步骤S2，采集分布式储能系统中各节点的电压和电流数据，根据采集到的电压和电流数据计算各分布式电源的功率、联络线功率、需要储能系统发出/吸收的功率P_s以及各储能电池组SOC。
步骤S3，根据采集到的各储能电池组SOC，计算用于均衡充放电所允许的最大功率P_a。
步骤S4，判断需要储能系统发出/吸收的功率P_s的绝对值是否小于用于均衡充放电所允许的最大功率P_a。
步骤S5，若P_s小于或等于P_a，则利用BMS控制电池组的投入或切断，对电池进行均衡充放电。
步骤S6，若P_s大于P_a，则不进行均衡充放电，所有电池组都接入电池储能系统，使得电池储能系统能够以功率P_s工作。
步骤S7，随着充放电过程的进行，各电池组SOC改变，系统刷新，重新检测各节点电流电压数据，回到步骤S2。
进一步地，所述步骤S2的需要储能系统发出/吸收的功率P_s，该功率由联络线功率、本地负载功率、分布式电源功率共同决定，即需要储能系统发出或吸收的功率，以维持分布式储能系统的功率平衡。具体的，定义联络线上流入分布式储能系统的功率为负，流出分布式储能系统的功率为负。分布式储能系统需要发出或吸收的功率可表示为：
P_s＝Pi-Pv\*MERGEFORMAT (0.1)
其中Pl为联络线功率，Pv为光伏发电系统发出的功率，恒为正值
进一步地，步骤S3所述的用于均衡充放电所允许的最大功率P_a，具体计算方式如下：首先计算各电池组SOC的均方根平均数，将此均方根平均数作为SOC基准值；将SOC大于SOC基准值2％以上的电池组归为组1，将SOC小于SOC基准值2％以上的电池组归为组2；若储能系统处于发电状态，则令P_a等于组1的电池组数量Num1乘以单组电池最大放电功率P1；若储能系统处于充电状态，则令P_a等于组2的电池组数量Num2乘以单组电池最大充电功率P2。其中偏离SOC基准值上下2％的阈值设定并非绝对，可根据电池组的容量、电池类型、电池型号、工况等因素具体调整。
假设电池系统有m条电池组串，每条电池组串有n个电芯单体。每条电池组串的SOC依次记为SOC_1,SOC_2,…SOC_m。电池SOC估算方式不受局限，可采用常用的电池组SOC估算方式。电池系统SOC基准值可表示为：
Figure BDA0002849005530000071
进一步地，步骤S5中所述的利用BMS控制电池组的投入或切断，具体原理为：每一组电池串的上安装有可被BMS控制的开关组件，当S5的判断条件成立时，若储能系统处于发电状态，则只保留组1的电池组接入电池系统，切断其余电池组的连接；当S5的判断条件成立时，若储能系统处于充电状态，则只保留组2的电池组接入电池系统，切断其与电池组的连接。
依照上述均衡充放电方式，分布式储能系统能够在电池系统发出/吸收功率较小时，为电池组进行均衡充放电，并不依靠目前主流的主动式和被动式的均衡方式和均衡电路。依靠系统自身功率状态，补足电量不足的电池组，削减电量过多的电池组。同时，本发明中的充电方式对充放电功率有严格约束，避免过大功率的充电放电损害电池寿命。
上述结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种考虑分布式储能系统电池组均衡性的储能电池充放电方法，其特征在于，包括如下步骤：
系统开始启动；
实时采集分布式储能系统各节点的电压电流数据，计算分布式电源发电功率、联络线功率、储能系统需要发出或吸收的功率以及各电池组的SOC值；
根据电池组的均衡状态(各电池组SOC值)计算用于均衡充放电的功率的最大值；
若储能系统需要发出或吸收的功率绝对值小于或等于用于均衡充放电的功率的最大值，则利用BMS接入或切除部分电池组，对选择接入的电池组进行均衡充放电，使得该部分电池组的SOC值趋近于电池系统的SOC基准值；
若储能系统需要发出或吸收的功率绝对值大于用于均衡充放电的功率的最大值，则不进行均衡充放电，电池储能系统中的所有电池组全部投入工作，吸收或发出功率；
随着均衡充放电过程的进行，电池组SOC值改变，系统按照一定刷新频率返回系统启动后的第一步重新检测数据，进行循环。
2.根据权利要求1所述的一种考虑分布式储能系统电池组均衡性的储能电池充放电方法，其特征在于，所述用于均衡充放电的功率的最大值，根据各电池组的SOC状态选择出需要进行均衡充放电的电池组，用于均衡充放电的功率的最大值与选出的电池组的数量成正比，同时也与充电和放电两种状态相关。
3.根据权利要求2所述的一种考虑分布式储能系统电池组均衡性的储能电池充放电方法，所述选择需要进行均衡充放电的电池组的选择标准，其特征在于，选择需要进行均衡充放电的电池组的选择标准，依据电池储能系统的发出/吸收功率状态以及各电池组的SOC与基准值的偏差度，将需要削减/补足电量的电池组进行分组，以便于进行后面步骤的电池组接入和切除。
4.根据权利要求1所述的一种考虑分布式储能系统电池组均衡性的储能电池充放电方法，其特征在于，所述利用BMS接入或切除部分电池组，当选择出的需要均衡充放电的电池组满足储能系统功率需求时，利用BMS自带功能以及电池组电路特点切除不需要均衡充放电电池组，仅接入需要进行均衡充放电的电池组。
5.一种分布式储能系统结构及BMS控制方法，其特征在于，电池系统中的每组电池串线路上具有可被BMS控制的开关元件，电池储能所配套使用的BMS可选择接入或切除每组电池的连接，以便于实现权利要求书中描述的均衡性储能电池充放电功能，当系统运行时，能够实现如权利要求书1～4中任一项的分布式储能充电策略和充电方法。
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