一种基于智慧蓄电池的矩阵式储能系统的构建方法技术方案

一种基于智慧蓄电池的矩阵式储能系统的构建方法。本发明专利技术提出了一种基于智慧蓄电池的矩阵式储能系统的构建方法，主要包括如下内容：智慧蓄电池概念的定义，在所定义的智慧蓄电池的基础上，提出了矩阵式储能系统的构建方法。通过本发明专利技术可以建立起一种新的储能系统组成的体系结构，该体系结构能灵活增减容量，还能通过分布式储能变流器进行SOC调控、均衡，还具有灵活方便的控制算法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于智慧蓄电池的矩阵式储能系统的构建方法
本专利技术涉及一种由蓄电池、超级电容等储能元件组成的储能系统的构建方法。
技术介绍
以锂电池、铅碳电池为代表的电化学储能产业现在急需解决的重要技术问题之一是需要找到一种更经济、效率更高的电池SOC（stateofcharge）均衡方法。对于这个技术问题，非储能专业人士在日常生活中也能体会到：家里电视遥控器的旧电池就算还有较多的电量也不能和新买的电池一起使用，否则整个电池组的性能将被极大的拖累。当前，电池SOC均衡技术分为无源均衡和有源均衡两大类。其中，无源均衡技术成本较低，但在均衡过程中蓄电池间不平衡的电能全部被损失，故该方法效率较低；有源均衡技术不会造成电能损失，但需要在电池组中外加DC-DC变换器等电路，成本较高。在电池SOC均衡技术中，成本和性能似乎是一个不可调和的矛盾。为了解决这个矛盾，先看看现有的储能系统的组成体系结构。现有的储能系统的体系结构可以分为2种：传统储能系统和级联储能系统。下面分别简介这2种储能系统的体系结构的优缺点。传统储能系统由蓄电池包（batterypack）和集中式储能变流器构成。蓄电池包由串、并联的蓄电池模组(batterymodule)和复杂的BMS(batterymanagementsystem)构成。传统储能系统的优点是储能变流器可以借用常规的DC-DC或DC-AC的设计思路；缺点是：在电池SOC均衡技术中，成本和性能是一个不可调和的矛盾；蓄电池组工作在较高的电压下，易引发安全问题；对蓄电池的一致性要求很高，需为同一厂家、同一批次、相同使用状况的电池；集中式储能变流器一旦发生故障，整个系统停机。级联储能系统（cascadedenergystoragesystem）的储能变流器由N个全桥变换器级联构成，将蓄电池也分成N组，分别接到N个变换器的直流侧。级联储能系统的优点是可以通过N个级联变换器对N组电池的SOC（stateofcharge）进行均衡,较好的简化了BMS，降低了BMS的成本；且蓄电池工作在较低的电压，提高了安全性。级联储能系统的不足是：尽管比传统储能系统有所进步，级联储能系统的容量增减还是不够灵活；级联储能系统尽管在电路结构上对传统储能系统进行了一定的分布式的改进，但革命不彻底，其控制仍然采用的是集中控制的思路和经典线性控制理论，经典控制理论面对分布式的电路有些力不从心，其控制算法的灵活性较差，性能受限；该方案在控制的过程中，N组电池的检测信号需要以电气隔离的方式送入中央控制器，N个变换器的驱动信号也要以电气隔离的方式从中央控制器送出，造成控制线路也比较复杂。为了进一步提高级联储能系统的性能，同时也解决电池SOC均衡技术中成本和性能的矛盾问题，本专利技术提出了一种基于智慧蓄电池的矩阵式储能系统，但矩阵式储能系统并不仅仅是一个SOC均衡电路，而是一种新的储能系统的体系结构，SOC均衡只是该体系结构的重要优点之一。打个比喻：与西医看病“头疼医头，脚疼医脚”的思路不同，矩阵式储能系统采用的是中医的整体观和辨证施治，针对“电池SOC均衡”的局部问题，对“储能系统”进行了全身调理，有望在治好局部病的同时，在全身其它部位也产生有益的影响。矩阵式储能系统可以灵活增减容量；不再需要外加储能变流器和BMS（batterymanagementsystem），有效降低了储能系统的成本；可实现不同状态的蓄电池的方便接入；故障不停机运行。智慧蓄电池概念的产生也来源于仿生学的启示：人类在制造某一个产品或物品时，是先制造出这个产品的各个宏观部件，再组装起来，这是一种宏观层面的制造；而大自然对于生物体的构造是一种微观层面的制造，是先构造出具有一定功能的细胞，再由这些细胞协同工作构成具有一定功能的生物体。可以把智慧蓄电池看成是一个储能“细胞”，由这些储能“细胞”协同工作可以构造出矩阵式储能系统。为了建立起基于智慧蓄电池的矩阵式储能系统的理论和方法，需要提出一种智慧蓄电池的概念和实现方法，建立一种基于智慧蓄电池的矩阵式储能系统的理论和实现方法。需要讨论的内容涉及如下技术：（1）智慧蓄电池概念的定义和实现方法；（2）矩阵式储能系统的构建方法、基本工作原理、电池SOC均衡方法；（3）矩阵式储能系统的控制策略；（4）矩阵式储能系统的通信网络技术。这显然涉及到太多的内容，因此，本专利技术从这套理论中抽取了最关键的一个具体技术点进行阐述，并以此申请专利，该技术点是：如何给出智慧蓄电池概念的定义，在所定义的智慧蓄电池的基础上，矩阵式储能系统的构建方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题：为了解决现有的级联储能系统具有的容量增减不够灵活，控制算法的灵活性较差等问题，同时也解决电池SOC均衡技术中成本和性能的矛盾的问题，本专利技术提出了一种基于智慧蓄电池的矩阵式储能系统的构建方法，主要包括如下内容：智慧蓄电池概念的定义，在所定义的智慧蓄电池的基础上，矩阵式储能系统的构建方法。本专利技术解决其技术问题所采取的技术方案如下：如图1，所定义的智慧蓄电池由电气部分和储能元件构成；储能元件是蓄电池、超级电容或其它具有类似功能的储能元件；智慧蓄电池的电气部分可以对蓄电池的输出进行变换和调控，使得智慧蓄电池的输出可以是电压源模式或电流源模式。根据应用的需要，当负载为直流负载时，智慧蓄电池的输出是直流电，当负载为交流负载时，智慧蓄电池的输出是交流电。可以通过以下3种方式将智慧蓄电池连接成矩阵式储能系统：第1种方式，先把M只智慧蓄电池串联构成电池组，再把N组电池组并联构成矩阵式储能系统，如图2，此处所述的N组电池组包含的智慧蓄电池的数量相等都为M，这只是最常见的情况，在实际使用中，N组电池组包含的智慧蓄电池的数量可以不同，智慧蓄电池内含储能元件的种类也可以不同；第2种方式，先把N只智慧蓄电池并联构成电池组，再把M组电池组串联构成矩阵式储能系统，如图3，此处所述的M组电池组包含的智慧蓄电池的数量相等都为N，这只是最常见的情况，在实际使用中，M组电池组包含的智慧蓄电池的数量可以不同，智慧蓄电池内含储能元件的种类也可以不同；第3种方式，把1个矩阵式储能系统看成1个等效的智慧蓄电池，可以按照前面所述的第1种方式或第2种方式，把若干个智慧蓄电池或等效的智慧蓄电池连接成矩阵式储能系统；在本文中M、N都表示正整数。矩阵式储能系统的总输出可以是电压源模式或电流源模式：按照第1种方式连接而成的矩阵式储能系统，当需要使矩阵式储能系统的总输出为电压源模式时，其内部的智慧蓄电池的输出模式按照如下方法设置：在N组电池组中选择1组，使该组的所有智慧蓄电池的输出都为电压源模式，在其余的N-1组电池组中，每组选1只智慧蓄电池工作于电流源模式，每组剩下的所有智慧蓄电池都工作于电压源模式。按照第1种方式连接而成的矩阵式储能系统，当需要使矩阵式储能系统的总输出为电流源模式时，其内部的智慧蓄电池的输出模式按照如下方法设置：在N组电池组中，每组选1只智慧蓄电池工作于电流源模式，每组剩下的所有智慧蓄电池都工作于电压源模式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于智慧蓄电池的矩阵式储能系统，其特征是：/n智慧蓄电池由电气部分和储能元件构成；储能元件可以是蓄电池、超级电容；智慧蓄电池的电气部分可以对蓄电池的输出进行变换和调控，使得智慧蓄电池的输出可以是电压源模式或电流源模式；矩阵式储能系统由智慧蓄电池通过串联、并联或混联构成；/n可以通过以下3种方式将智慧蓄电池连接成矩阵式储能系统：第1种方式，先把M只智慧蓄电池串联构成电池组，再把N组电池组并联构成矩阵式储能系统，此处所述的N组电池组包含的智慧蓄电池的数量相等都为M，这只是最常见的情况，在实际使用中，N组电池组包含的智慧蓄电池的数量可以不同，智慧蓄电池内含储能元件的种类也可以不同；第2种方式，先把N只智慧蓄电池并联构成电池组，再把M组电池组串联构成矩阵式储能系统，此处所述的M组电池组包含的智慧蓄电池的数量相等都为N，这只是最常见的情况，在实际使用中，M组电池组包含的智慧蓄电池的数量可以不同，智慧蓄电池内含储能元件的种类也可以不同；第3种方式，把1个矩阵式储能系统看成1个等效的智慧蓄电池，可以按照前面所述的第1种方式或第2种方式，把若干个智慧蓄电池或等效的智慧蓄电池连接成矩阵式储能系统；在本文中M、N都表示正整数；/n矩阵式储能系统的总输出可以是电压源模式或电流源模式；/n按照第1种方式连接而成的矩阵式储能系统，当需要使矩阵式储能系统的总输出为电压源模式时，其内部的智慧蓄电池的输出模式按照如下方法设置：在N组电池组中选择1组，使该组的所有智慧蓄电池的输出都为电压源模式，在其余的N-1组电池组中，每组选1只智慧蓄电池工作于电流源模式，每组剩下的所有智慧蓄电池都工作于电压源模式；/n按照第1种方式连接而成的矩阵式储能系统，当需要使矩阵式储能系统的总输出为电流源模式时，其内部的智慧蓄电池的输出模式按照如下方法设置：在N组电池组中，每组选1只智慧蓄电池工作于电流源模式，每组剩下的所有智慧蓄电池都工作于电压源模式；/n按照第2种方式连接而成的矩阵式储能系统，当需要使矩阵式储能系统的总输出为电压源模式时，其内部的智慧蓄电池的输出模式按照如下方法设置：在M组电池组中，每组选1只智慧蓄电池工作于电压源模式，每组剩下的所有智慧蓄电池都工作于电流源模式；/n按照第2种方式连接而成的矩阵式储能系统，当需要使矩阵式储能系统的总输出为电流源模式时，其内部的智慧蓄电池的输出模式按照如下方法设置：在M组电池组中选择1组，使该组的所有智慧蓄电池的输出都为电流源模式，在其余的M-1组电池组中，每组选1只智慧蓄电池工作于电压源模式，每组剩下的所有智慧蓄电池都工作于电流源模式；/n当矩阵式储能系统输出为交流电时，其内含的智慧蓄电池输出交流电压或电流的相位需要进行同步；使工作于电压源模式的智慧蓄电池的输出电压相位与矩阵式储能系统总输出电压的相位相同，使工作于电流源模式的智慧蓄电池的输出电流相位与矩阵式储能系统总输出电流的相位相同。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于智慧蓄电池的矩阵式储能系统，其特征是：
智慧蓄电池由电气部分和储能元件构成；储能元件可以是蓄电池、超级电容；智慧蓄电池的电气部分可以对蓄电池的输出进行变换和调控，使得智慧蓄电池的输出可以是电压源模式或电流源模式；矩阵式储能系统由智慧蓄电池通过串联、并联或混联构成；
可以通过以下3种方式将智慧蓄电池连接成矩阵式储能系统：第1种方式，先把M只智慧蓄电池串联构成电池组，再把N组电池组并联构成矩阵式储能系统，此处所述的N组电池组包含的智慧蓄电池的数量相等都为M，这只是最常见的情况，在实际使用中，N组电池组包含的智慧蓄电池的数量可以不同，智慧蓄电池内含储能元件的种类也可以不同；第2种方式，先把N只智慧蓄电池并联构成电池组，再把M组电池组串联构成矩阵式储能系统，此处所述的M组电池组包含的智慧蓄电池的数量相等都为N，这只是最常见的情况，在实际使用中，M组电池组包含的智慧蓄电池的数量可以不同，智慧蓄电池内含储能元件的种类也可以不同；第3种方式，把1个矩阵式储能系统看成1个等效的智慧蓄电池，可以按照前面所述的第1种方式或第2种方式，把若干个智慧蓄电池或等效的智慧蓄电池连接成矩阵式储能系统；在本文中M、N都表示正整数；
矩阵式储能系统的总输出可以是电压源模式或电流源模式；
按照第1种方式连接而成的矩阵式储能系统，当需要使矩阵式储能系统的总输出为电压源模式时，其内部的智慧蓄电池的输出模式按照如下方法设置：在N组电池组中选择1组，使该组的所有智慧蓄电池的输出都为电压源模式，在其余的N-1组电池组中，每组选1只智慧蓄电池工作于电流源模式，每组剩下的所有智慧蓄电池都工作于电压源模式；
按照第1种方式连接而成的矩阵式储能系统，当需要使矩阵式储能系统的总输出为电流源模式时，其内部的智慧蓄电池的输出模式按照如下方法设置：在N组电池组中，每组选1只智慧蓄电池工作于电流源模式，每组剩下的所有智慧蓄电池都工作于电压源模式；
按照第2种方式连接而成的矩阵式储能系统，当需要使矩阵式储能系统的总输出为电压源模式时，其内部的智慧蓄电池的输出模式按照如下方法设置：在M组电池组中，每组选1只智慧蓄电池工作于电压源模式，每组剩下的所有智慧蓄电池都工作于电流源模式；
按照第2种方式连接而成的矩阵式储能系统，当需要使矩阵式储能系统的总输出为电流源模式时，其内部的智慧蓄电池的输出模式按照如下方法设置：在M组电池组中选择1组，使该组的所有智慧蓄电池的输出都为电流源模式，在其余的M-1组电池组中，每组选1只智慧蓄电池工作于电压源模式，每组剩下的所有智慧蓄电池都工作于电流源模式；
当矩阵式储能系统输出为交流电时，其内含的智慧蓄电池输出交流电压或电流的相位需要进行同步；使工作于电压源模式的智慧蓄电池的输...

【专利技术属性】
技术研发人员：王超，胡浩，班瑜，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42