一种适用于可动态重构电池储能系统的管理系统及其方法

摘要

本发明公开了一种适用于可动态重构电池储能系统的管理系统及其方法。其中，适用于可动态重构电池储能系统的管理系统，包括由储能电池组及与其相连的功率调节系统构成的储能系统；及电池管理系统，其与储能电池组和主控制器分别相连；所述功率调节系统还与主控制器相连；所述主控制器被配置为：根据电网当前状态、电网储能需求和储能电池组当前状态，协同控制电池管理系统和功率调节系统，完成储能电池组的工作模式和充放电功率的综合决策，实现储能电池组保养及维护的自动化。

说明书

技术领域

本发明属于电池储能领域，尤其涉及一种适用于可动态重构电池储能系统的管理系统及其方法。

背景技术

随着化石能源的逐渐枯竭和人类对环境问题的日益关注，清洁的可再生能源发电迅速扩大，新一轮的能源变革逐步推进。然而，可再生能源具有波动性和随机性的固有特征，给电网的安全、稳定、经济运行提出了诸多挑战。储能技术是应对上述挑战的有效手段，构建大规模经济性储能系统是意义重大的研究课题。除抽水蓄能外，电池储能是现阶段最具备工程应用前景的储能技术之一。

受限于目前的技术水平，电池储能系统需要基于大量储能容量和功率有限的电池单体(电芯)构建，电池管理和维护压力较大。传统上，电池储能系统使用固定连接方式，将电池单体串联、并联或混连构成电池组，并辅以被动或主动均衡电路，减小电池组不一致性对整体性能的影响。但是，电池储能系统使用固定连接方式存在以下问题：

(1)短板效应和不均衡效应，降低电池组可用容量和使用寿命；

(2)基于均衡电路的方式只能在特定阶段(如动力电池的充电末期)或人工干预(如变电站备用电源定期人工维护)下进行涓流充电，对电池组进行保养维护；

(3)电池组利用效率低、控制灵活性差且维护过程需要人工参与，难以适应充放电方式复杂多变的可再生能源出力波动平抑、削峰填谷等电网储能应用的要求。

为克服传统固定连接成组方法难以灵活调控的缺点，减小短板效应和不均衡效应对电池组整体性能的影响，可采用具有动态重构能力的电池成组方式。具有动态重构能力的电池成组方式在固定连接电池组基础上，将全控型电力电子开关串入电池组，实现电池组可控性改造，使电池组能够根据功率交换需求和电池状态，动态改变电池组拓扑结构，进而明显提高电池组可用容量及寿命。同时，可动态重构电池组也为更加高效的电池储能系统控制管理提供了优秀平台，为智能电网应用等复杂应用环境下的电池储能系统自动维护提供了可能性。

利用动态重构思想可提高电池组可控性，可构建具有灵活管控能力的新型智能电池组。然而，现有的储能装置管理系统也存在以下弊端：

(1)主要通过控制电池接口电路实现充放电状态调整，缺乏与电池组之间的交互手段，难以充分发挥可动态重构电池系统高可控性的技术优势。

(2)不能充分利用电池组高可控性特点，电池储能系统利用效率和管理自动化水平低，储能系统效率低而且灵活性差。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种适用于可动态重构电池储能系统的管理系统，其充分利用电池组高可控性特点，提高了电池储能系统利用效率和管理自动化水平，储能系统更加高效且灵活。

本发明的一种适用于可动态重构电池储能系统的管理系统，包括由储能电池组及与其相连的功率调节系统构成的储能系统；及

电池管理系统，其与储能电池组和主控制器分别相连；所述功率调节系统还与主控制器相连；

所述主控制器被配置为：根据电网当前状态、电网储能需求和储能电池组当前状态，协同控制电池管理系统和功率调节系统，完成储能电池组的工作模式和充放电功率的综合决策，实现储能电池组保养及维护的自动化。

其中，电网当前状态可采用电网状态采集器来采集，电网状态采集器实时采集电网当前状态数据，并上传至主控制器，为储能电池组的充放电决策提供基础数据。

主控制器可采用工控机来实现。

需要说明的是，主控制器除了采用工控机之外，还可采用其他现有的数据处理器来实现。

进一步的，所述储能电池组是由多个储能容量和功率参数有限的电池单体经可控开关连接而构成的电池网络。

进一步的，所述电池管理系统被配置为：采集各个电池单体的运行信息，进而在线估算荷电状态和健康状态，并传送至主控制器；

接收主控制器下发的工作模式指令，控制可控开关的通断状态来实现电池网络拓扑的调整，从而使储能电池组处于不同模式，以适应不同充放电需要。

其中，根据开关工作方式的不同，储能电池组主要有三种工作模式：直连模式、均衡模式和空闲模式。

(1)直连模式下，所有串联开关闭合，并联开关打开，所有电池按照先串后并方式连接，并联于直流母线上，该模式下电池组可以以最大功率与外部交换能量。

(2)均衡模式下，并联和串联开关轮次开合，逐次为电量较少的单体补充电量，直至所有电池单体状态一致，该模式下可以对电池状态进行调整维护，提高电池组使用寿命和可用容量。

(3)空闲模式下，所有开关打开，各电池单体从电池网络中切除而处于备用状态，该模式主要用作模式切换时的中间状态。

进一步的，所述功率调节系统被配置为：电网的电能形式和储能电池组的电能形式间变换，同时匹配电网电压，并控制储能电池组充电过程中的充电电压和电流。

通常，电池储能系统接入公用电网，在中国为50Hz交流电网(alternativecurrent，AC)，而电池组能够接受的电能为直流电(direct current，DC)，因此功率调节系统需要完成AC/DC变换；同时储能系统与电网交换功率的多少需要根据应用需要和电池组状态综合确定，因此功率调节系统需要具备电压电流控制能力。

进一步的，所述主控制器，包括：

监视模块，其被配置为接收电池状态及电网状态信息并本地显示；及

命令计算及下发模块，其被配置为生成功率调节系统和储能电池组控制指令，并通过对应通信接口下发给相应对象；及

录波模块，其被配置为记录过程储能装置工作过程。

本发明的第二目的是提供一种适用于可动态重构电池储能系统的管理系统的工作方法。

本发明的适用于可动态重构电池储能系统的管理系统的工作方法，包括：

阶段(1)：储能系统状态调整阶段；

在储能系统重新开机或出现异常后，检测储能系统是否满足预设运行条件，并在不满足预设运行条件时自动调整当前状态，直至条件满足而进入正常工况；

阶段(2)：储能电池组主动均衡维护阶段；

当各电池单体剩余电量差值超过预设阈值时，以电池单体中最多剩余电量为基准电量，通过开关控制对电量少于基准电量的电池单体进行补充，最终达到电池组各电池单体的电量一致状体；

阶段(3)：储能系统应用控制阶段；

根据储能系统具体应用场景和目标，采用相应算法来调整储能系统充放电功率，以发挥储能系统调节的功能；

阶段(4)：储能系统定期维护阶段；

在电网对储能调节需要小于预设阈值的时段对储能系统进行定期维护。

进一步的，所述阶段(1)储能系统状态调整阶段的具体过程，包括：

步骤(1.1)：储能系统上电，主控制器与电池管理系统通信，查询储能电池组状态；

步骤(1.2)：根据储能电池组状态判断是否满足储能应用条件，其判断标准为储能SOC是否在设定的范围内；若满足应用条件，储能系统控制进入储能电池组主动均衡维护阶段，否则进入步骤(1.3)；

步骤(1.3)：设置储能电池组进入直连模式，功率调节系统进入功率跟随模式；且所有电池均应投入，以预先设计的预案进行充放电；

步骤(1.4)：将当前SOC与预设最大SOC阈值及预设最小SOC阈值分别比较，若当前SOC小于预设最小SOC阈值，则转步骤(1.5)；若当前SOC大于预设最大SOC阈值，则转步骤(1.6)；

步骤(1.5)：以预设的功率充电，充电功率应兼顾调整时间和充放电倍率，实现两方面的平衡；

步骤(1.6)：以预设的功率放电，放电倍率同步骤(1.5)；

步骤(1.7)：查询调整之后的储能电池组状态，转步骤(1.1)继续判断。

进一步的，所述阶段(2)储能电池组主动均衡维护阶段，包括：

步骤(2.1)：设置功率调节系统进入恒压控制模式，储能电池组进入主动均衡模式；

步骤(2.2)：主控制器与电池管理系统通信，查询储能电池组状态；

步骤(2.3)：判断主动均衡是否完成，若是则进入储能系统应用控制阶段，否则，回到步骤(2.2)；其中，判断主动均衡是否完成的条件为比较各电池单体SOC差异是否小于或等于预设阈值。

进一步的，所述阶段(3)储能系统应用控制阶段，包括：

步骤(3.1)：设置储能电池组进入直连模式，功率调节系统进入功率跟随模式；

步骤(3.2)：结合储能应用目标，根据电网状态和储能系统状态，计算储能系统充放电功率指令；

步骤(3.3)：将功率计算结果通过通信接口发送给功率调节系统；

步骤(3.4)：查询储能电池组状态，为储能系统定期维护阶段充放电控制提供基础数据；

步骤(3.5)：检查电池组状态是否正常，若不正常，则进入储能系统定期维护阶段的步骤(1.2)；若正常，则转到储能系统状态调整阶段。

进一步的，所述阶段(4)储能系统定期维护阶段，包括：

步骤(4.1)：判断是否启动主动均衡维护；

步骤(4.2)：设置功率调节系统进入恒压控制模式，储能电池组进入主动均衡模式；

步骤(4.3)：主控制器与电池管理系统通信，查询储能电池组状态；

步骤(4.4)：判断主动均衡是否完成，若是，则进入储能系统应用控制阶段的步骤(3.1)，否则，回到步骤(4.3)，继续进行储能电池组均衡。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明旨在充分利用可动态重构电池组高可控性特征，提出一种同时与功率调节系统和电池组管理系统交互的储能管理系统。该系统通过协同控制电池组和功率调节系统的工作状态，提升电池组可用容量和寿命，进而提升储能系统整体使用效率，通过综合电池状态信息和功率交换需求信息优化决策电池组维护状态起始时刻和时间，实现电池储能系统保养维护自动化。

(2)本发明可完成状态监视、模式切换、功率跟踪、电池维护等电池储能系统管理过程的各个环节，并成功协调储能系统在面向配网的功率跟随能力与自身单体差异性驱动的均衡调整要求在安排调度上的矛盾，对于实际工程具有极高的实用价值。

(3)对于基于退役动力电池构成的储能系统，由于退役电池差异性远大于新电池而可靠性又低于新电池，本发明提出的储能系统管理系统及其方法将具有应用优势，这将进一步促进可再生能源发电、电动汽车等资源节约型、环境友好型低碳技术的发展，推动经济与社会效益的同步增长。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为适用于可动态重构电池储能系统的管理系统的实施例结构示意图。

图2为功率调节系统拓扑图。

图3为可动态重构电池组拓扑图。

图4为适用于可动态重构电池储能系统的管理系统的工作流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

术语解释：

PCS：Power conditioning system，功率调节系统；

BMS：battery management system，电池组管理系统；

SOC：state of charge，荷电状态；

SOH：state of health，健康状态。

图1给出了适用于可动态重构电池储能系统的管理系统的实施例结构示意图。如图1所示，适用于可动态重构电池储能系统的管理系统包括储能系统主电路、监控电路和主控制器(例如：工控机)。

其中，储能系统由储能电池组2及与其相连的功率调节系统1构成；

电池管理系统4，其与储能电池组2和主控制器分别相连；所述功率调节系统1还与主控制器相连；

所述主控制器被配置为：根据电网当前状态、电网储能需求和储能电池组当前状态，协同控制电池管理系统和功率调节系统，完成储能电池组的工作模式和充放电功率的综合决策，实现储能电池组保养及维护的自动化。

其中，电网当前状态可采用电网状态采集器3来采集，电网状态采集器3实时采集电网当前状态数据，并上传至主控制器，为储能电池组的充放电决策提供基础数据。

电网状态采集器3所采集电网状态量包括但不限于：三相电压、三相电流、负荷有功功率、无功功率，以储能装置安装地点的PT、CT输出为输入信号，采用1kHz以上频率完成数据采集和数模转换，并通过通信信道上传给运行于工控机上的储能装置管理系统。储能管理系统综合电网状态数据、储能系统应用目标以及电池状态，实时调整PCS和电池组工作模式，并发送交换功率指令。

具体地，所述储能电池组是由多个储能容量和功率参数有限的电池单体2-1经可控开关2-2连接而构成的电池网络，如图3所示。

所述电池管理系统被配置为：采集各个电池单体的运行信息，进而在线估算荷电状态和健康状态，并传送至主控制器；

接收主控制器下发的工作模式指令，控制可控开关的通断状态来实现电池网络拓扑的调整，从而使储能电池组处于不同模式，以适应不同充放电需要。

在具体实施中，可控开关2-2可为可采用BJT、MOSFET或IGBT等全控型器件，且从电池组效率和成本角度考虑应优先采用MOSFET。

其中，BJT为电流型全控器件，正持续基极电流控制开通，基极电流为0则关断；开关频率适中；双极。

MOSFET为电压型全控器件；正持续栅极电压控制开通，负持续栅极电压控制并保持关断；开关频率高；单极。

IGBT为电压型全控器件；正持续栅极电压控制开通，负持续栅极电压控制并保持关断；开关频率较高；双极。

其中，根据开关工作方式的不同，储能电池组主要有三种工作模式：直连模式、均衡模式和空闲模式。

(1)直连模式下，所有串联开关闭合，并联开关打开，所有电池按照先串后并方式连接，并联于直流母线上，该模式下电池组可以以最大功率与外部交换能量。

(2)均衡模式下，并联和串联开关轮次开合，逐次为电量较少的单体补充电量，直至所有电池单体状态一致，该模式下可以对电池状态进行调整维护，提高电池组使用寿命和可用容量。

(3)空闲模式下，所有开关打开，各电池单体从电池网络中切除而处于备用状态，该模式主要用作模式切换时的中间状态。

具体地，电池管理系统用于电池单体运行状态数据采集、保护和控制指令执行。BMS在电池组与储能管理系统之间充当中间管理接口，它采集电池单体电压、电流、温度等运行信息，并进一步在线估算SOC和SOH等综合信息，上传给储能管理系统，同时BMS根据管理系统下发的工作模式指令，控制电池组中可控开关开通和关断，实现工作模式切换。

具体地，所述功率调节系统被配置为：电网的电能形式和储能电池组的电能形式间变换，同时匹配电网电压，并控制储能电池组充电过程中的充电电压和电流。

通常，电池储能系统接入公用电网，在中国为50Hz交流电网(alternativecurrent，AC)，而电池组能够接受的电能为直流电(direct current，DC)，因此功率调节系统需要完成AC/DC变换；同时储能系统与电网交换功率的多少需要根据应用需要和电池组状态综合确定，因此功率调节系统需要具备电压电流控制能力。图2给出了本发明采用的功率调节系统拓扑，其中1-1为三相电压源型逆变器(Voltage source converter,VSC)、1-2为缓冲电容、1-3为buck-boost双向电路，三者共同完成AC/DC变换、电压调整和电流及功率控制，对外提供恒流、恒压、功率跟随等控制模式接口。

其中，主控制器可采用工控机5来实现。

具体地，所述主控制器，包括：

(a)监视模块，其被配置为接收电池状态及电网状态信息并本地显示；

其中，需要显示的状态变量包括但不限于：电池部分：电池单体及模组SOC、电流、电压、温度、拓扑结构、充放电功率等；PCS部分：并网点三相电压、三相电流、与电网交换的无功功率指令及实际值、有功功率指令及实际值；电网部分：储能安装点并联支路有功功率和无功功率，储能装设点下游总有功和无功并网功率。监视变量以时间曲线形式展现，并按照设定频率刷新。

(b)命令计算及下发模块，其被配置为生成功率调节系统和储能电池组控制指令，并通过对应通信接口下发给相应对象。

命令计算及下发模块根据储能装置装设目的的差异，功率计算模块可内置多种适应性算法，以实现可再生电源出力平抑、削峰填谷等目标。

(c)录波模块，其被配置为记录过程储能装置工作过程。

录波模块地方具体方式为根据运行员控制将选定变量(全部监视变量或其中一部分)时间波形存入硬盘，并提供录波结果查看工具，实现录波数据历史回放。

需要说明的是，主控制器除了采用工控机之外，还可采用其他现有的数据处理器来实现。

本发明的一种适用于可动态重构电池储能系统的管理系统，其充分利用电池组高可控性特点，提高了电池储能系统利用效率和管理自动化水平，储能系统更加高效且灵活。

本发明旨的该系统通过协同控制电池组和PCS工作状态，提升电池组可用容量和寿命，进而提升储能系统整体使用效率，通过综合电池状态信息和功率交换需求信息优化决策电池组维护状态起始时刻和时间，实现电池储能系统保养维护自动化。

本发明提出的储能装置管理系统的目标是协调控制PCS与电池组，实现电池储能系统的高效运行和自动化维护。图4给出了可动态重构电池储能装置管理系统的工作流程，包括4个主要阶段：

阶段(1)：储能系统状态调整阶段；

在储能系统重新开机或出现异常后，检测储能系统是否满足预设运行条件，并在不满足预设运行条件时自动调整当前状态，直至条件满足而进入正常工况。

具体地，所述阶段(1)储能系统状态调整阶段的具体过程，包括：

步骤(1.1)：储能系统上电，主控制器与电池管理系统通信，查询储能电池组状态；

步骤(1.2)：根据储能电池组状态判断是否满足储能应用条件，其判断标准为储能SOC是否在设定的范围(通常为0.15～0.85)内；若满足应用条件，储能系统控制进入储能电池组主动均衡维护阶段，否则进入步骤(1.3)；

在步骤(1.2)中，为避免模式切换振荡，应采用软件滞环实现SOC比较；

步骤(1.3)：设置储能电池组进入直连模式，功率调节系统进入功率跟随模式；且所有电池均应投入，以预先设计的预案进行充放电；

其中，电池电量不满足要求时，需要调整电量；

步骤(1.4)：将当前SOC与预设最大SOC阈值及预设最小SOC阈值分别比较，若当前SOC小于预设最小SOC阈值，则转步骤(1.5)；若当前SOC大于预设最大SOC阈值，则转步骤(1.6)；

步骤(1.5)：以预设的功率充电，充电功率应兼顾调整时间和充放电倍率(通常可设置1/3C充放电)，实现两方面的平衡；

步骤(1.6)：以预设的功率放电，放电倍率同步骤(1.5)；

步骤(1.7)：查询调整之后的储能电池组状态，转步骤(1.1)继续判断。

阶段(2)：储能电池组主动均衡维护阶段；

池储能系统长时间放置重新投入或多次充放电后，由于自放电率及其它参数存在差异，各单体剩余电量可能显著不同，降低电池组可用容量，本阶段通过合理的开关控制对电量少的单体进行补充，最终达到电池组各单体电量一致状体。

具体地，当各电池单体剩余电量差值超过预设阈值时，以电池单体中最多剩余电量为基准电量，通过开关控制对电量少于基准电量的电池单体进行补充，最终达到电池组各电池单体的电量一致状体。

在具体实施中，所述阶段(2)储能电池组主动均衡维护阶段，包括：

步骤(2.1)：设置功率调节系统进入恒压控制模式，储能电池组进入主动均衡模式；

其中，电池主动均衡过程中内部DC/DC电路工作为缺电单体充电，因而需要外部稳定电压，故先设置PCS工作于恒压模式，维持直流母线电压恒定，随后控制电池进入主动均衡模式；

步骤(2.2)：主控制器与电池管理系统通信，查询储能电池组状态；

步骤(2.3)：判断主动均衡是否完成，若是则进入储能系统应用控制阶段，否则，回到步骤(2.2)；其中，判断主动均衡是否完成的条件为比较各电池单体SOC差异是否小于或等于预设阈值。

阶段(3)：储能系统应用控制阶段；

根据储能系统具体应用场景和目标(如削峰填谷、可再生能源出力波动平抑)，采用相应算法来调整储能系统充放电功率，以发挥储能系统调节的功能。

在具体实施中，所述阶段(3)储能系统应用控制阶段，包括：

步骤(3.1)：设置储能电池组进入直连模式，功率调节系统进入功率跟随模式；

步骤(3.2)：结合储能应用目标，根据电网状态和储能系统状态，计算储能系统充放电功率指令；

步骤(3.3)：将功率计算结果通过通信接口发送给功率调节系统；

步骤(3.4)：查询储能电池组状态，为储能系统定期维护阶段充放电控制提供基础数据；

步骤(3.5)：检查电池组状态是否正常，若不正常，则进入储能系统定期维护阶段的步骤(1.2)；若正常，则转到储能系统状态调整阶段。

由于储能系统定期维护阶段的步骤(1.2)中充放电功率指令计算中计入了电池状态，因此多数情况下，本步检测结果不会是异常。本步骤主要作为一种保护手段而设置。

阶段(4)：储能系统定期维护阶段；

在电网对储能调节需要小于预设阈值的时段对储能系统进行定期维护。

与电动汽车动力电池一次充满随后放电，周而复始的运行不同，应用于电网(比如可再生能源出力波动平抑)的储能系统充放电周期、频率、深度等均与应用需求有关而变得更加复杂。为减少储能系统在第(3)阶段正常应用中出现异常的次数，设计阶段(4)定期对电池组进行维护。该阶段通常在电网对储能调节需要较小的时段进行，比如利用储能平抑光伏出力波动时，可以在深夜光伏不出力时对电池进行定时主动维护。

具体地，所述阶段(4)储能系统定期维护阶段，包括：

步骤(4.1)：判断是否启动主动均衡维护；

通常结合应用场景特点，每天或每周定期维护，故此处实际是时间比较；

步骤(4.2)：设置功率调节系统进入恒压控制模式，储能电池组进入主动均衡模式；

步骤(4.3)：主控制器与电池管理系统通信，查询储能电池组状态；

步骤(4.4)：判断主动均衡是否完成，若是，则进入储能系统应用控制阶段的步骤(3.1)，否则，回到步骤(4.3)，继续进行储能电池组均衡。

本发明可完成状态监视、模式切换、功率跟踪、电池维护等电池储能系统管理过程的各个环节，并成功协调储能系统在面向配网的功率跟随能力与自身单体差异性驱动的均衡调整要求在安排调度上的矛盾，对于实际工程具有极高的实用价值。

对于基于退役动力电池构成的储能系统，由于退役电池差异性远大于新电池而可靠性又低于新电池，本发明提出的储能系统管理系统及其方法将具有应用优势，这将进一步促进可再生能源发电、电动汽车等资源节约型、环境友好型低碳技术的发展，推动经济与社会效益的同步增长。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。