一种基于复杂网络理论的模块化储能系统演化分析方法

摘要

本发明提供一种基于复杂网络理论的模块化储能系统演化分析方法，将模块化储能系统中的对象抽象成为模块化储能系统网络模型中的节点，模块化储能系统中对象间的相互作用抽象为网络节点间的连边，采用二分网络模型建立模块化储能系统网络模型，模块化储能系统网络模型的物理意义清晰，易于工程人员操作和实现；针对在总单体电池节点数量不变的条件下，模块化储能系统有电压响应能力(串联结构)、电流响应能力(并联结构)两种基本演化方式，定义演化评价指标，可以有效发现系统结构演化规律，揭示影响模块化储能系统结构演化的原因和关键因素，为有针对性的提出模块化储能系统优化设计提供科学依据。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统储能电池技术领域，具体涉及一种基于复杂网络理论的模块化储能 系统演化分析方法。

背景技术

储能技术是改善电力供需矛盾和实现能源可持续发展的关键技术之一。各类电化学电池 储能技术为满足实际需求须采用若干个电池模块串并联组合而成的模块化储能系统。模块化 储能系统的结构包括：基本构成元素(电池单体与其相互间的连接)、基本元素组成的网络支 路(串并联支路)、多层支路构成的子网络(满足实际要求的最小网络单元)和多个子网络构 成的储能系统(满足负荷需求的多个子网络系统)。在总电池单体数量不变的条件下，模块化 储能系统网络有电压响应能力(串联结构)、电流响应能力(并联结构)两种基本演化方式。 当模块化储能系统中的组成单元(电池单体)数量较大时，组成单元之间的关系数量(串并 联方案)呈加速增长趋势，系统演化的复杂性随之增加。

复杂网络理论用于研究受各种机制控制并动态变化的系统。针对在总电池节点数量不变 的条件下，模块化储能系统网络有电压响应能力(串联结构)、电流响应能力(并联结构)两 种基本演化方式，借鉴模块化储能系统实证的设计经验和系统科学的理论研究成果，构建模 块化储能系统网络演化模型，利用复杂网络基本特征参数和模块化储能系统评价指标，对于 满足不同应用场合的不同设计类型，实现对系统网络演化规律进行分析，开展对相应设计类 型的评价，提出模块化储能系统优化设计的方案，指导装置设计和性能改进具有重要的现实 意义。

现有的基于复杂网络理论的复杂系统网络结构演化分析与评价方法未明显涉及到通过模 块化储能系统网络模型构建、演化方式和评价指标等开展模块化储能系统网络结构演化分析 与评价。

发明内容

为了能够简单、准确、有针对性的分析模块化储能系统结构演化，本发明提供基于复杂 网络理论的模块化储能系统演化分析方法，获取模块化储能系统单体电池数量和拓扑结构， 并采用二分网络模型构建模块化储能系统网络模型；计算不同演化模式下的模块化储能系统 的演化评价指标，最后根据演化评价指标对模块化储能系统进行演化分析。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种基于复杂网络理论的模块化储能系统演化分析方法，所述方法包括以下 步骤：

步骤1：获取模块化储能系统单体电池数量和拓扑结构；

步骤2：采用二分网络模型构建模块化储能系统网络模型；

步骤3：根据演化评价指标对模块化储能系统进行演化分析。

所述步骤2中，模块化储能系统网络模型中的节点类型包括单体电池节点和单体电池间 的连接点节点，单体电池节点的连接关系作为连边，单体电池节点分别接入相邻连接点节点， 同类节点间不存在连边；单个电池节点和连接点节点依次相连构成串联模组，连边分别接入 相临连接点节点的两个以上单体电池节点构成并联模组，串联模组和并联模组经并/串联构成 模块化储能系统网络模型。

在总的单体电池节点数量不变的条件下，演化模式包括第一演化模式和第二演化模式；

所述第一演化模式是指通过串联模组的串联倍增演化，扩展模块化储能系统的电压等级；

所述第二演化模式是指通过并联模组的并联倍增演化，扩展模块化储能系统的电流等级。

所述步骤3中包括以下步骤：

步骤3-1：计算不同演化模式下的模块化储能系统的演化评价指标；

步骤3-2：根据演化评价指标对模块化储能系统进行演化分析。

所述步骤3-1中，在第一演化模式下，模块化储能系统的演化评价指标为串联结构耦合 系数，串联结构耦合系数用η_S-P表示，有：

${\eta }_{S-C}=\frac{N_{S-C}}{N_{SP}}---\left(1\right)$

其中，N_S-C表示串联模组内节点间度的总和，N_SP表示串并联结构中节点度的总和；

对于m个单体电池先串联构成串联模组，之后n个串联模组并联的串并联结构，串联模 组内节点间度的总和N_S-C表示为：

N_S-C＝n(m-1)(2)

串并联结构中节点度的总和N_SP表示为：

N_SP＝n(m-1)+n(n-1)(3)。

所述步骤3-1中，在第二演化模式下，模块化储能系统的演化评价指标为并联结构耦合 系数，并联结构耦合系数用η_P-C表示，有：

${\eta }_{P-C}=\frac{N_{P-C}}{N_{PS}}---\left(4\right)$

其中，N_P-C表示并联模组内节点间度的总和，N_PS表示并串联结构中节点度的总和；

对于n个单体电池先并联构成并联模组，之后m个并联模组串联的并串联结构，并串联 模组内节点间度的总和N_P-C表示为：

$N_{P-C}=m\frac{n(n-1)}{2}---\left(5\right)$

并串联结构中节点度的总和N_PS表示为：

$N_{PS}=m\frac{n(n-1)}{2}+n^2(m-1)---\left(6\right).$

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

将模块化储能系统中的对象抽象成为模块化储能系统网络模型中的节点，模块化储能系 统中对象间的相互作用抽象为网络节点间的连边，采用二分网络模型建立模块化储能系统网 络模型，模块化储能系统网络模型的物理意义清晰，易于工程人员操作和实现；针对在总单 体电池节点数量不变的条件下，模块化储能系统有电压响应能力(串联结构)、电流响应能力 (并联结构)两种基本演化方式，定义演化评价指标，可以有效发现系统结构演化规律，揭 示影响模块化储能系统结构演化的原因和关键因素，为有针对性的提出模块化储能系统优化 设计提供科学依据。

附图说明

图1是本发明实施例中基于复杂网络理论的模块化储能系统演化分析方法流程图。

图2是本发明实施例中串联结构耦合系数和并联结构耦合系数的分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种基于复杂网络理论的模块化储能系统演化分析方法，如图1，所述方法 包括以下步骤：

步骤1：获取模块化储能系统单体电池数量和拓扑结构；

步骤2：采用二分网络模型构建模块化储能系统网络模型；

步骤3：根据演化评价指标对模块化储能系统进行演化分析。

所述步骤2中，模块化储能系统网络模型中的节点类型包括单体电池节点和单体电池间 的连接点节点，单体电池节点的连接关系作为连边，单体电池节点分别接入相邻连接点节点， 同类节点间不存在连边；单个电池节点和连接点节点依次相连构成串联模组，连边分别接入 相临连接点节点的两个以上单体电池节点构成并联模组，串联模组和并联模组经并/串联构成 模块化储能系统网络模型。

在总的单体电池节点数量不变的条件下，演化模式包括第一演化模式和第二演化模式；

所述第一演化模式是指通过串联模组的串联倍增演化，扩展模块化储能系统的电压等级；

所述第二演化模式是指通过并联模组的并联倍增演化，扩展模块化储能系统的电流等级。

所述步骤3中包括以下步骤：

步骤3-1：计算不同演化模式下的模块化储能系统的演化评价指标；

步骤3-2：根据演化评价指标对模块化储能系统进行演化分析。

所述步骤3-1中，在第一演化模式下，模块化储能系统的演化评价指标为串联结构耦合 系数，串联结构耦合系数用η_S-C表示，有：

${\eta }_{S-C}=\frac{N_{S-C}}{N_{SP}}---\left(1\right)$

其中，N_S-C表示串联模组内节点间度的总和，N_SP表示串并联结构中节点度的总和；

对于m个单体电池先串联构成串联模组，之后n个串联模组并联的串并联结构，串联模 组内节点间度的总和N_S-C表示为：

N_S-C＝n(m-1)(2)

串并联结构中节点度的总和N_SP表示为：

N_SP＝n(m-1)+n(n-1)(3)。

所述步骤3-1中，在第二演化模式下，模块化储能系统的演化评价指标为并联结构耦合 系数，并联结构耦合系数用η_P-C表示，有：

${\eta }_{P-C}=\frac{N_{P-C}}{N_{PS}}---\left(4\right)$

其中，N_P-C表示并联模组内节点间度的总和，N_PS表示并串联结构中节点度的总和；

对于n个单体电池先并联构成并联模组，之后m个并联模组串联的并串联结构，并串联 模组内节点间度的总和N_P-C表示为：

$N_{P-C}=m\frac{n(n-1)}{2}---\left(5\right)$

并串联结构中节点度的总和N_PS表示为：

$N_{PS}=m\frac{n(n-1)}{2}+n^2(m-1)---\left(6\right).$

本发明基于2、3和5个电池节点构成的最小串/并联模组，分别构建512、729和625个 电池节点的mSnP串并联和nPmS并串联方式的全部网络结构。以512个电池节点为例：

mSnP串并联方式：512S1P，256S2P，128S4P…4S128P，2S256P；

nPmS并串联方式：512P1S，256P2S，128P4S…4P128S，2P256S；

计算512、729和625个电池节点全部网络结构的串联结构耦合系数和并联结构耦合系数， 串/并联结构耦合系数分布如图2所示。

在mSnP串并联方式中，在由最小串联模组扩展的初期，串联耦合关系的数量远小于并 联耦合关系的数量，但随着串联电池模组数量(电压等级)的倍增，η_S-C在m<n区间呈加速 增长趋势；在m≈n时，η_S-C≈0.5，串并联耦合关系数量近似相等；当m>n时，η_S-C增长趋势 变缓，其网络结构随电压响应能力扩展相对稳定。在nPmS并串联方式中，随并联电池数量 (电流等级)的倍增η_P-C增长趋势相对平缓，并联耦合关系随着并联电池模组数量同步线性 增长。

上述各步骤的结果分析表明，本发明方法能有效地对模块化储能系统进行网络结构演化 分析与评价，在总电池节点数量不变的条件下，定量地给出了串/并联连接方式在系统结构演 化过程中所占的权重，可为改善模块化储能系统网络的电压响应能力和电流响应能力提供优 化设计依据。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域 的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换， 这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求 保护范围之内。