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CN111313109A - 一种改进的电池网络系统及方法 - Google Patents

一种改进的电池网络系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种改进的电池网络系统，由多个电池单元串并联组成，且每列相邻电池单元之间连接有并联开关，当某一个或者多个电池单元故障时，闭合与其相连行的所有开关。本发明大大提高了电池网络系统应对故障的能力。

Description

一种改进的电池网络系统及方法
技术领域
本发明涉及一种改进的电池网络系统及方法。
背景技术
由于风光等可再生能源发电受风速、辐照强度、温度等因素的影响，其出力具有间歇性、波动性和不可预测性的特点，规模化并网会影响电力系统的安全可靠运行，这给储能技术的发展提供很好的契机。储能系统的功率可以双向流动，能够吸收或放出电能，稳定和平滑系统频率和电压的波动，改善电能质量，提高电力系统的安全稳定性；可以维持电力系统发电与负荷的动态平衡，在负荷高峰期也可以参与调峰，提高现有电网设备的利用率；可以降低系统备用容量，有效减少电网的大规模建设投资，提高可再生能源并网的经济效益等。目前储能在“发-输-配-用-储”环节中的作用越来越突出，研究和开发储能技术，成为维持电力能源可持续发展的关键。其中电池储能以其建造周期短、安装方便快捷、环境适应能力强、安全可靠、技术相对成熟等优点，在众多储能中脱颖而出，在电源备用、可再生能源发电和微电网等领域中得到了应用广泛。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种改进的电池网络系统及方法，以提高系统应对故障的能力，其提升能力与系统的列数成正比。
本发明技术解决方案：一种改进的电池网络系统，由多个电池单元串并联组成，其特征在于：每列相邻电池单元之间接有并联的开关S，当某一个或者多个电池单元故障时，闭合与其相连行的所有开关S。系统的故障应对具体步骤为：(1)故障发生后，计算故障后系统的总功率和总电流；(2)根据步骤(1)中的总功率和总电流计算故障后系统各电池单元的电压和电流；(3)给出系统各电池单元的电压和电流运行限制；(4)基于步骤(3)中得到的电压和电流的运行限制和步骤(2)中的各电池单元的电压和电流，来计算系统所能承担的电池单元最大故障数。
1.常规电池网络系统
常规电池网络系统由m行n列个电池单元串并联组成。每个电池单元的电压为U，电流为I，功率为P＝U×I。
(1)故障支路各电池单元的电压和电流
当电池单元发生故障时，传统的应对策略是将该电池单元短路，此时的支路电流为
Figure BDA0002392027750000021
其中，l为故障的电池单元数，j为故障的列数编号，Pj为该支路的总功率，Ij为该支路j的总电流。
此时，没故障的电池单元电压相同，即：
Figure BDA0002392027750000022
(2)系统各电池单元的电压和电流运行限制
假定电池单元的电流限制为(1+α)×I，其中α＞0，为电流耐受因子；电压下限限制为(1-β1)×U，上限限制为(1+β2)×U，其中β1＞0，β2＞0分别为电压下限和上限耐受因子。
(3)系统所能承担的电池单元最大故障数
当第j列有故障发生时，需要同时满足以下电流和电压限制：
①电流限制
Figure BDA0002392027750000023
即电流一定满足要求
②电压限制
Figure BDA0002392027750000024
即
Figure BDA0002392027750000025
因此，对于一个给定的电池网络系统，其能够承受的最大故障数为
Figure BDA0002392027750000026
为克服现有技术的缺点，本发明提出一种改进的电池网络系统及方法，基于常规的电池网络系统，本发明在每列相邻电池单元之间增加了开关S。
2.本发明的电池网络系统
(1)系统的总功率和总电流
假定故障的电池单元数为k(k>0)
当故障发生后，闭合与其相连行的所有开关S。
总功率为：
Pt＝(n×m-k)×P (3)
总电流为
Figure BDA0002392027750000031
(2)系统各电池单元的电压和电流
对于第i行，如果故障的电池单元数为r(0<r<n)个，即r为有故障的列数(支路数)，则每条正常运行的支路电流为：
Figure BDA0002392027750000032
因此，第i行中故障的电池单元数越多，其对应正常运行支路的电流越大。
正常运行支路上每个电池单元的电压为：
Figure BDA0002392027750000033
对于第i行，如果没有发生故障的电池单元，其每条支路的电流为：
Figure BDA0002392027750000034
每条支路上的电池单元电压为：
Figure BDA0002392027750000035
对于第i行，如果故障的电池单元数r等于n，则相当于删除该行。其他行的电流和电压参照上述公式(5)-(8)求解。
(3)系统电池单元的电压和电流运行限制
假定电池单元的电流限制为(1+α)×I，其中α＞0，为电流耐受因子；电压下限限制为(1-β1)×U，上限限制为(1+β2)×U，其中1＞β1＞0，1＞β2＞0分别为电压下限和上限耐受因子。该假定和常规系统相同。
(4)系统所能承担的电池单元最大故障数。
当第i行有故障发生时，实际运行过程中应同时满足以下电流和电压限制：
①电流限制
Figure BDA0002392027750000036
即
Figure BDA0002392027750000037
由于电池可以多倍率进行放电，即α的取值很大，因此该项约束能够满足。
②电压限制
Figure BDA0002392027750000041
即
Figure BDA0002392027750000042
当第i行没有故障发生时，也应同时需要满足以下限制
③电流限制
Figure BDA0002392027750000043
即电流一定小于限制值。
④电压限制
Figure BDA0002392027750000044
即
Figure BDA0002392027750000045
由此可得，①和③的电流约束能够满足运行条件，而②和④的电压约束为：
Figure BDA0002392027750000046
公式(9)中，由于r一般数值较小，在和常规系统对比时，r为1；n一般数值很大，即r-β1×n一般小于0，进而
Figure BDA0002392027750000047
一般小于0；因为k为故障数值，所以
Figure BDA0002392027750000048
的下限约束一定满足。
由此，常规系统所能够承担的电池单元最大故障数为
Figure BDA0002392027750000049
而本发明的系统所能够承担的电池单元最大故障数为
Figure BDA00023920277500000410
因此本发明的系统比常规系统有优势。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明在常规系统的基础上，在每列相连的电池单元之间增加了连接开关，当故障发生后，和其相连行的所有开关闭合，由此提高了本发明所提改进的电池网络系统应对故障的能力。
附图说明
图1为常规电池网络系统；
图2为常规电池网络系统的故障应对策略；
图3为本发明的电池网络系统；
图4为本发明电池网络系统的故障应对策略。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
1.常规电池网络系统
常规电池网络系统如图1所示，由m行n列个电池单元串并联组成。每个电池单元的电压为U，电流为I，功率为P＝U×I。
(1)故障支路各电池单元的电压和电流
当电池单元发生故障时，传统的应对策略是将该电池单元短路，如图2所示，此时的支路电流为：
Figure BDA0002392027750000051
其中，l为故障的电池单元数，j为故障的列数编号，Pj为该支路的总功率，Ij为该支路j的总电流。
此时，没故障的电池单元电压相同，即：
Figure BDA0002392027750000052
(2)系统各电池单元的电压和电流运行限制
假定电池单元的电流限制为(1+α)×I，其中α＞0，为电流耐受因子；电压下限限制为(1-β1)×U，上限限制为(1+β2)×U，其中β1＞0，β2＞0分别为电压下限和上限耐受因子。
(3)系统所能承担的电池单元最大故障数
当第j列有故障发生时，需要同时满足以下电流和电压限制
①电流限制
Figure BDA0002392027750000053
即电流一定满足要求
②电压限制
Figure BDA0002392027750000054
即
Figure BDA0002392027750000055
因此，对于一个给定的电池网络系统，其能够承受的最大故障数为
Figure BDA0002392027750000056
为克服现有技术的缺点，本发明提出一种改进的电池网络系统，如图3所示。基于常规系统，本发明在每列相邻电池单元之间增加了开关S，当某一个或者多个电池单元故障时，闭合与其相连行的所有开关S。
2、本发明的电池网络系统
(1)系统的总功率和总电流
假定故障的电池单元数为k(k>0)
当故障发生后，电池网络按照图4连接。
总功率为：
Pt＝(n×m-k)×P (3)
总电流为：
Figure BDA0002392027750000061
(2)系统各电池单元的电压和电流
对于第i行，如果故障的电池单元数为r(0<r<n)个，即r为有故障的列数(支路数)，则每条正常运行的支路电流为：
Figure BDA0002392027750000062
因此，第i行中故障的电池单元数越多，其对应正常运行支路的电流越大。
正常运行支路上每个电池单元的电压为：
Figure BDA0002392027750000063
对于第i行，如果没有发生故障的电池单元，其每条支路的电流为：
Figure BDA0002392027750000064
每条支路上的电池单元电压为：
Figure BDA0002392027750000065
对于第i行，如果故障的电池单元数r等于n，则相当于删除该行。其他行的电流和电压参照上述公式(5)-(8)求解。
(3)系统电池单元的电压和电流运行限制
假定电池单元的电流限制为(1+α)×I，其中α＞0，为电流耐受因子；电压下限限制为(1-β1)×U，上限限制为(1+β2)×U，其中1＞β1＞0，1＞β2＞0分别为电压下限和上限耐受因子。该假定和常规系统相同。
(4)系统所能承担的电池单元最大故障数
当第i行有故障发生时，需要同时满足以下电流和电压限制：
①电流限制
Figure BDA0002392027750000071
即
Figure BDA0002392027750000072
由于电池可以多倍率进行放电，α的取值可以很大，因此这项约束可以忽略。
②电压限制
Figure BDA0002392027750000073
即
Figure BDA0002392027750000074
当第i行没有故障发生时，也应同时需要满足以下限制
③电流限制
Figure BDA0002392027750000075
即电流一定小于限制值。
④电压限制
Figure BDA0002392027750000076
即
Figure BDA0002392027750000077
由此可得，①和③的电流约束能够满足运行条件，而②和④的电压约束为：
Figure BDA0002392027750000078
公式(9)中，由于r一般数值较小，在和常规系统对比时，r为1；n一般数值很大，即r-β1×n一般小于0，进而
Figure BDA0002392027750000079
一般小于0；因为k为故障数值，所以
Figure BDA00023920277500000710
的下限约束一定满足。
常规系统所能够承担的电池单元最大故障数为
Figure BDA00023920277500000711
而本发明的系统所能够承担的电池单元最大故障数为
Figure BDA00023920277500000712
因此本发明的电池网络系统更有优势。
当m＝20，n＝20，β1＝β2＝0.2时，常规拓扑能够承受的最大故障数为10/3，本发明的新型拓扑能够承受的最大故障数为200/3。

Claims (6)

1.一种改进的电池网络系统，由多个电池单元串并联组成，其特征在于：每列相邻电池单元之间接有并联的开关S，当某一个或者多个电池单元故障时，闭合与其相连行的所有开关S。
2.一种基于权利要求1所述系统的故障应对方法，其特征在于，实现步骤为：
(1)故障发生后，计算故障后系统的总功率和总电流；
(2)根据步骤(1)中的总功率和总电流计算故障后系统各电池单元的电压和电流；
(3)给出系统各电池单元的电压和电流运行限制；
(4)基于步骤(3)中得到的电压和电流的运行限制和步骤(2)中的各电池单元的电压和电流，计算系统所能承担的电池单元最大故障数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，计算系统总功率和总电流方法为：对于一种m行n列的改进电池网络系统，其每个电池单元的电压为U，电流为I，功率为P＝U×I，
当k个电池单元发生故障后，系统的总功率为：
Pt＝(n×m-k)×P (1)
总电流为：
Figure FDA0002392027740000011
其中，t为总功率和总电流的下标，m为改进电池网络的总行数，n为总列数。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，计算系统各电池单元的电压和电流的方法为：对于第i行，如果故障的电池单元数为r个，0<r<n，即r为有故障的列数即支路数，则每条正常运行的支路电流为：
Figure FDA0002392027740000012
因此，第i行中故障的电池单元数越多，其对应正常运行支路的电流越大；
正常运行支路上每个电池单元的电压为：
Figure FDA0002392027740000013
对于第i行，如果没有发生故障的电池单元，其每条支路的电流为：
Figure FDA0002392027740000021
每条支路上的电池单元电压为：
Figure FDA0002392027740000022
对于第i行，如果故障的电池单元数r等于n，则相当于删除该行；其他行的电流和电压也采用公式(3)-(6)求解。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，系统各电池单元的电压和电流运行限制为：确定电池单元的电流限制为(1+α)×I，其中α＞0，为电流耐受因子；电压下限限制为(1-β1)×U，上限限制为(1+β2)×U，其中1＞β1＞0，1＞β2＞0，分别为电压下限和上限耐受因子。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，系统所能承担的电池单元最大故障数：当第i行有故障发生时，实际运行过程中应同时满足以下电流和电压限制：
①电流限制
Figure FDA0002392027740000023
即
Figure FDA0002392027740000024
②电压限制
Figure FDA0002392027740000025
即
Figure FDA0002392027740000026
当第i行没有故障发生时，也应同时满足以下电流和电压限制：
③电流限制
Figure FDA0002392027740000027
即电流一定小于限制值；
④电压限制
Figure FDA0002392027740000028
即
Figure FDA0002392027740000029
由此得，①和③的电流约束能够满足运行条件，而②和④的电压约束为：
Figure FDA0002392027740000031
k为故障数值，
Figure FDA0002392027740000032
而电池单元最大故障数为
Figure FDA0002392027740000033
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