兼容不同倍率和不同电压的储能系统及方法与流程
1.本发明是关于一种兼容不同倍率和不同电压的储能系统及方法，涉及储能技术领域。
背景技术：
2.随着新能源发展日新月异，新能源的消纳成为亟待解决的重要问题，储能系统作为新能源消纳的关键环节其重要性也逐渐凸显出来。集装箱式储能系统，拥有占地面积小、安装运输方便、建设周期短、环境适应能力强、集成化程度高、扩容方便灵活等特点，能大大降低新能源电站项目建设周期以及节约项目经费，故在新能源电站的建设中越来越常见。而集装箱储能系统的成本问题是企业市场推广的关键制约因素之一。储能技术经过多年的发展，有了较大的进步，但是储能系统在能量精细化管理方便依然存在不足，依然存在系统效率低、寿命短等问题，而这些问题都间接增加了不少经济成本。
3.现有技术大多采用多电池簇并联组成电池堆再集中接入储能变流器(pcs)的思路。由于锂电芯出厂的不一致性以及长期使用运行中较大温差等导致的内阻差异进一步加大，都加剧了储能系统的内耗。由于木桶效应，也导致储能系统的使用寿命大幅缩短。现有集中式电池堆如图1所示，dc bus表示直流母线，n表示电池簇的簇数，m表示每个电池簇中电池模组的串数。m个电池模组串联组成一个电池簇，n个电池簇直接通过直流母线进行并联汇流，组成一个电池堆，再经过pcs转换为交流电接入电网。
4.现有集中式电池堆实现方式存在以下缺点，主要包括：1)由于锂电芯的不一致性，电池簇直接并联将导致容量失配，由于木桶效应，电池堆的可用容量将低于预期，无法充分利用储能电池性能，故往往需要对储能电池进行超配以满足老化后的性能要求，增加了不少经济成本；2)电池内阻的不一致性，将导致簇间环流内耗，降低储能系统充放电效率；3)内阻偏大的电芯运行时发热量更大，温度环境更恶劣，将使电芯加速老化，陷入恶性循环，由于木桶效应，将明显缩短储能系统寿命；4)电池堆由电池模组串并联组成，有时候依据实际需要的电量确定好电池簇的模组串联数时，会发现电池簇最低电压低于pcs直流工作电压范围，且差距的电压并不大，而每一簇多增加一个模组使簇电压能满足要求又会导致电池堆容量超配，提高系统成本。
技术实现要素：
5.针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够支持簇间均衡，避免环流导致容量损失，有效降低储能系统成本，提高储能系统使用寿命的兼容不同倍率和不同电压的储能系统及方法。
6.为了实现上述目的，本发明提供的技术方案：
7.第一方面，本发明提供的一种兼容不同倍率和不同电压的储能系统，该系统包括n个电池簇和svb，每一所述电池簇中均包括串联连接的m个电池模组；每一所述电池簇的一端均连接到直流母线的正极或负极，每一所述电池簇的另一端均通过所述svb后连接到直
流母线负极或正极，n个所述电池簇通过直流母线进行并联汇流形成电池堆，所述svb用于实现dc/dc直流变换。
8.进一步地，每个所述svb设置有一个以上的输出接口且支持并联扩容使用。
9.进一步地，根据倍率的不同，任一所述电池簇串联或并联连接所述svb的输出接口；或者，两个以上的所述电池簇串联连接所述svb的多个输出接口。
10.进一步地，所述svb还设置有控制器单元，所述控制器单元通过通信接口与bms通讯。
11.进一步地，所述svb包括两种拓扑结构：
12.第一种拓扑结构：所述svb采用两个双绕组隔离变压器，实现两路支路之间的独立控制，输入侧从不同的地方取电，输入侧in1、输入侧in2以及输出侧out1和输出侧out2均进行并联使用，实现扩容；
13.第二种拓扑结构：所述svb采用一个三绕组隔离变压器，1路输入2路输出，输入侧为一路，从dc bus直接取电，两路独立输出控制，输出侧out1和输出out2进行并联使用，实现扩容。
14.第二方面，本发明还提供兼容不同倍率和不同电压的储能系统的簇间均衡方法，包括如下步骤：
15.储能系统接收到调度功率p；
16.bms根据直流母线电压u，计算直流侧总电流ia＝p/u；
17.bms根据第n簇的socn和sohn，计算第n簇的放电电流分配系数dsoxn和充电电流分配系数csoxn：
18.判断调度功率p是否为放电，如果是则设置第n簇的实时电流分配系数soxn＝dsoxn，如果否，则设置第n簇的实时电流分配系数soxn＝csoxn；
19.bms计算第n簇的出力电流in；
20.bms通过控制svb的电压值使得第n簇的电流值进行改变，使其按照计算的电流值出力，完成电池簇间均衡。
21.进一步地，第n簇的放电电流分配系数dsoxn和第n簇的充电电流分配系数csoxn：
22.dsoxn＝socn*sohn；
23.csoxn＝(1-socn)*sohn；
24.其中，socn为第n簇的电池剩余电量百分比，sohn为第n簇的电池健康状态百分比。
25.进一步地，bms计算第n簇的出力电流in＝soxn/(sox1+sox2+
…
+soxn)*ia。
26.进一步地，当第k簇无法依据出力电流ik，其中k≤n，第k簇的svb向bms反馈信号，bms向其他簇的svb发出信号，抬升其他簇svb的电压；或，当第k簇无法依据出力电流ik，其中k≤n，第k簇的svb从外部取电以补偿出力电流ik。
27.第三方面，本发明提供的兼容不同倍率和不同电压的储能系统的电压补偿方法，包括如下步骤：
28.获取初始第n簇svb实时输出电压为usvb(n)，电池簇最低实时电压为ubat；
29.依据pcs直流侧最低电压umin及电池簇理论最低电压ul，计算补偿电压ub和实时压差
△
u；
30.判断
△
u是否小于uc，uc为电池簇最低电压与pcs直流侧最低电压之间的压差限
值，当实时压差
△
u小于uc时，启动电压补偿，对svb输出电压全部抬高一个电压补偿值ub，则第n簇svb的实时输出电压：usvb(n)＝usvb(n)+ub。
31.进一步地，补偿电压ub＝umin-ul；实时压差
△
u＝ubat-umin。
32.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下特点：
33.1、本发明提供的储能系统，兼容支持不同倍率(如0.5c/1c)电池，方便灵活扩容；支持簇间均衡，降低并联容量损失，避免环流导致能量损耗，支持新旧电池混用，使能分期部署，有效降低初始成本；支持低电压补偿，使储能系统电池配置更加灵活，有利于降低电池容量超配，间接降低储能系统成本。
34.2、本发明提供的储能系统支持并联扩容，一个svb(串联电压均衡器)中包含有不止1路输出接口，且输出接口支持并联使用，比如svb中，包含有2路独立输出接口，可以分别接入两簇电池簇，当单路接口功率不够时，支持2路接口并联使用，实现电流扩容，从而实现支持不同倍率电池。
35.3、本发明提供的储能系统电池簇串联svb后，通过簇间均衡策略可以实现簇间均衡，通过电压补偿策略可以实现电池簇低电压时进行电压补偿。
36.4、本发明的储能系统在簇间增加svb，通过控制svb实现簇间均衡，使电池簇的容量得到尽可能的充分利用，能有效提高电池堆的可用容量，充分利用储能系统性能，降低储能系统成本，通过svb的控制实现簇间解耦，每一簇都可以独立控制，基本不存在簇间环流，降低了系统内部损耗，提高了系统的充放电效率；通过svb的簇间均衡策略，实现不同簇充放电电流的精细化控制，使内阻较大的电池簇(老化较严重的电池簇)出力少一些(充放电电流小一些)，使内阻较小的电池簇(老化不严重的电池簇)出力大一些(充放电电流大一些)，从而缓和簇间电池不一致性的加剧，补偿木桶效应中的短板，延长储能系统寿命，当电池簇最低电压稍微低于pcs直流侧最低电压要求时，通过在电池簇中串联svb，可以对电池簇进行电压补偿，使电池簇的最低电压高于pcs直流侧最低电压要求，从而实现与pcs的适配。
37.综上，本发明可以广泛应用于储能系统中。
附图说明
38.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
39.图1为现有技术的集中式电池堆结构示意图。
40.图2为本发明实施例的电池堆结构示意图。
41.图3为本发明实施例的电池堆结构示意图。
42.图4(a)和(b)分别为本发明实施例的svb拓扑结构示意图。
43.图5为本发明实施例的llc谐振型双向全桥dc/dc结构示意图。
44.图6为本发明实施例的簇间均衡策略的控制流程示意图。
45.图7为本发明实施例的电压补偿策略控制流程示意图。
具体实施方式
46.应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
47.为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。
48.本发明提供的兼容不同倍率和不同电压的储能系统及方法，该系统包括n个电池簇和svb，每一电池簇中均包括串联连接的m个电池模组；每一电池簇的一端均连接到直流母线正极或负极，每一电池簇的另一端均通过svb后连接到直流母线的负极或正极，n个电池簇通过直流母线进行并联汇流形成电池堆，svb用于实现dc/dc直流变换。电池堆经过pcs转换为交流电用于接入电网。本发明提供的储能系统，兼容支持不同倍率(如0.5c/1c)电池，方便灵活扩容；支持簇间均衡，降低并联容量损失，避免环流导致能量损耗，支持新旧电池混用，使能分期部署，有效降低初始成本；支持低电压补偿，使储能系统电池配置更加灵活，有利于降低电池容量超配，间接降低储能系统成本。
49.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
50.如图2所示，本实施例提供的兼容不同倍率和不同电压的储能系统，包括n个电池簇，n个电池簇并联连接，每一电池簇中均串联连接m个电池模组，且每个电池簇均连接svb后连接到dc bus组成电池堆，再经过pcs转换为交流电接入电网。需要说明的是本实施例的电池簇中没有体现接触器、熔断器等常规控制及保护器件，电池簇回路中可以有不止一个接触器和熔断器，这些器件可以不设置在svb进行独立配置，也可以设置在svb中，在此不做限定，可以根据实际需要进行选择。
51.在一个优选的实施例中，考虑到应用的灵活性，为了方便扩容，每个svb设置有一个以上的输出接口且支持并联扩容使用，可以根据实际需要选择设置一个输出接口、两个输出接口或多个输出接口，在此不做限定。
52.进一步地，根据倍率的不同，任一电池簇串联或并联连接svb的输出接口；或者，两个以上的电池簇分别串联连接svb的多个输出接口，具体为：一个svb中包含有不止1路输出接口，且输出接口支持并联使用，比如svb中，包含有2路独立输出接口，可以分别接入两簇电池簇；当单路接口功率不够时，支持2路接口并联使用，实现电流扩容，从而实现支持不同倍率电池。例如，当svb接收到2组电池簇消息，高压侧检测到2个高压，可以实现分组运行，svb的直流输入回路不进行直连，进入低倍率模式，如图2所示；当svb只接收到1组电池簇消
息，高压侧只检测到一个高压，则认为svb仅接入1簇，可运行高倍率模式，将svb电池测原本独立的2个接入回路可以直连，这样可以提高svb在单组高功率的情况下的转化效率，如图3所示。
53.更进一步地，如图2所示，本实施例以svb包含两路独立输出接口为例进行说明，svb的两路独立输出接口分别接两簇电池簇，具体为：
54.svb设置有2路独立的输出接口，svb的每一路输出接口分别串联接入两簇电池簇中例如图2中的电池簇1和电池簇2，当1路输出接口功率不够时，支持2路接口并联使用，实现电流扩容，从而实现支持不同倍率电池。
55.在一个优选的实施例中，如图3所示，svb包括有控制器单元，控制器单元可以使用单片机或spi。控制器单元通过rs485或rs232或can接口与bms(电池管理系统)通讯。
56.在一个优选的实施例中，svb实际上是一个dc/dc直流变换单元，svb的电源输入直接从电池侧或dc bus侧取电，svb的输出侧直接串联到电池簇直流回路中。svb通过控制输出电压来间接控制电池簇的充放电电流，svb可以有以下两种拓扑结构：
57.如图4所示的拓扑(a)，拓扑(a)的svb是使用两个双绕组隔离变压器，实现两路支路之间的独立控制，输入侧可以分别从不同的地方取电，输入侧in1、输入侧in2以及输出侧out1和输出侧out2均可以进行并联使用，从而实现扩容。
58.如图4所示的拓扑(b)，拓扑(b)的svb是使用一个三绕组隔离变压器，1路输入2路输出，输入侧只有一路，可以从dc bus直接取电，两路独立输出可以独立控制，输出侧out1和输出out2可以进行并联使用，从而实现扩容。
59.当然，如果不止2路输出接口，则可以使用多绕组隔离变压器，在此不做赘述。
60.进一步地，svb的dc/dc拓扑可以有多种实现方式，一般使用两级拓扑变换实现，例如可采用buck-boost电路+llc电路实现功率变换，如图5所示，本实施例的svb的dc/dc拓扑使用llc谐振型双向全桥dc/dc变换进行实现，以此为例，不限于此。
61.储能系统中增加了svb后，本实施例还可以通过控制svb实现电压补偿和簇间均衡，下面进行详细说明。
62.储能系统中增加了svb后，svb可以进行电压补偿，使电池簇的最低电压高于pcs直流侧最低电压要求，从而实现与pcs的适配，本实施例提供储能系统的电压补偿方法，包括：
63.a1、初始获取第n簇svb实时输出电压为usvb(n)，电池簇最低实时电压为ubat；
64.a2、依据pcs直流侧最低电压umin及电池簇理论最低电压ul，计算补偿电压和实时压差：
65.补偿电压ub＝umin-ul
66.实时压差
△
u＝ubat-umin；
67.a3、判断
△
u是否小于uc，uc为电池簇最低电压与pcs直流侧最低电压之间的压差限值，uc最小为0，一般考虑到留有一定的动态响应余量，uc可以取1或其他正值，可以根据实际情况进行设置，当实时压差
△
u小于uc时，bms启动电压补偿，对n簇的svb输出电压全部抬高一个电压补偿值ub，则第n簇svb的实时输出电压：usvb(n)＝usvb(n)+ub。其中，svb的电压补充值可以通过该电池簇正负极进行获取，也可以通过外部电源获取。
68.综上所述，电池堆由电池模组串并联组成，有时候依据实际需要的电量确定好电池簇的模组串联数时，会发现电池簇最低电压低于pcs直流工作电压范围，且差距的电压并
不大，而每一簇多增加一个模组使簇电压能满足要求又会导致电池堆容量超配，提高系统成本。电池处于放电末端时，电压较低，此时电池簇电压可能低于pcs直流侧工作电压范围，导致pcs无法正常工作。电池簇串联svb后，svb可以进行电压补偿，使电池簇的最低电压高于pcs直流侧最低电压要求，从而实现与pcs的适配。
69.如图6所示，本实施例还提供储能系统的簇间均衡方法，包括：
70.s1、储能系统接收来自ems的调度功率p；
71.s2、bms根据直流母线电压u，计算直流侧总电流ia＝p/u；
72.s3、bms根据第n簇的socn和sohn，计算第n簇的放电电流分配系数dsoxn和充电电流分配系数csoxn：
73.dsoxn＝socn*sohn
74.csoxn＝(1-socn)*sohn；
75.其中，socn为第n簇的电池剩余电量百分比，sohn为第n簇的电池健康状态百分比；
76.s4、根据储能系统调度功率数值判断调度功率p是否为放电(通过储能系统调度功率数值的正负来判断是充电还是放电，一般储能系统调度功率为正值代表放电，功率为负值代表充电)，如果是则设置第n簇的实时电流分配系数soxn＝dsoxn，如果否，则设置第n簇的实时电流分配系数soxn＝csoxn；
77.s5、bms计算第n簇的出力电流为：
78.in＝soxn/(sox1+sox2+
…
+soxn)*ia；
79.s6、bms控制第n簇svb的出力电流，使第n簇按照计算的电流值出力，完成电池簇间均衡。
80.进一步地，当第k簇无法依据出力电流ik，其中k≤n，第k簇的svb向bms反馈信号，bms向其他簇的svb发出信号，抬升其他簇svb的电压。
81.具体地，svb在接收到bms计算出的电流值，对该簇的电流控制器件(如开关管等)下发命令，控制其工作状态达到控制簇输出电流，可以通过主动抬高或者降低svb的电压值使得电池簇的电流值进行改变，降低簇间差异性。单簇电压较高时，bms控制svb主动抬升高该电池簇电压，使其输出电压略高于其他电池簇，从而增大该簇的输出，降低簇间差异性；单簇电压较低时，bms控制svb主动降低电池簇电压，使其输出电压略低于其他簇，从而减小该簇的输出，降低簇间差异性。
82.更进一步地，当第k簇无法依据出力电流ik，其中k≤n，第k簇的svb从外部电源取电以补偿出力电流ik。
83.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一个优选的实施例”、“进一步地”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
84.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管
参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
技术特征：
1.一种兼容不同倍率和不同电压的储能系统，其特征在于，该系统包括n个电池簇和svb，每一所述电池簇中均包括串联连接的m个电池模组；每一所述电池簇的一端均连接到直流母线的正极或负极，每一所述电池簇的另一端均通过所述svb后连接到直流母线负极或正极，n个所述电池簇通过直流母线进行并联汇流形成电池堆，所述svb用于实现dc/dc直流变换。2.根据权利要求1所述的兼容不同倍率和不同电压的储能系统，其特征在于，每个所述svb设置有一个以上的输出接口且支持并联扩容使用。3.根据权利要求2所述的兼容不同倍率和不同电压的储能系统，其特征在于，根据倍率的不同，任一所述电池簇串联或并联连接所述svb的输出接口；或者，两个以上的所述电池簇串联连接所述svb的多个输出接口。4.根据权利要求1所述的兼容不同倍率和不同电压的储能系统，其特征在于，所述svb还设置有控制器单元，所述控制器单元通过通信接口与bms通讯。5.根据权利要求1所述的兼容不同倍率和不同电压的储能系统，其特征在于，所述svb包括两种拓扑结构：第一种拓扑结构：所述svb采用两个双绕组隔离变压器，实现两路支路之间的独立控制，输入侧从不同的地方取电，输入侧in1、输入侧in2以及输出侧out1和输出侧out2均进行并联使用，实现扩容；第二种拓扑结构：所述svb采用一个三绕组隔离变压器，1路输入2路输出，输入侧为一路，从dc bus直接取电，两路独立输出控制，输出侧out1和输出out2进行并联使用，实现扩容。6.基于权利要求1～5任一项所述的兼容不同倍率和不同电压的储能系统的簇间均衡方法，其特征在于包括：储能系统接收到调度功率p；bms根据直流母线电压u，计算直流侧总电流ia＝p/u；bms根据第n簇的soc
n
和soh
n
，计算第n簇的放电电流分配系数dsoxn和充电电流分配系数csoxn：判断调度功率p是否为放电，如果是则设置第n簇的实时电流分配系数soxn＝dsoxn，如果否，则设置第n簇的实时电流分配系数soxn＝csoxn；bms计算第n簇的出力电流in；bms通过控制svb的电压值使得第n簇的电流值进行改变，使其按照计算的电流值出力，完成电池簇间均衡。7.根据权利要求6所述的簇间均衡方法，其特征在于，第n簇的放电电流分配系数dsoxn和第n簇的充电电流分配系数csoxn：dsoxn＝socn*sohn；csoxn＝(1-socn)*sohn；其中，socn为第n簇的电池剩余电量百分比，sohn为第n簇的电池健康状态百分比。8.根据权利要求6或7所述的簇间均衡方法，其特征在于，bms计算第n簇的出力电流in＝soxn/(sox1+sox2+
…
+soxn)*ia。9.根据权利要求8所述的簇间均衡方法，其特征在于，当第k簇无法依据出力电流ik，其
中k≤n，第k簇的svb向bms反馈信号，bms向其他簇的svb发出信号，抬升其他簇svb的电压；或，当第k簇无法依据出力电流ik，其中k≤n，第k簇的svb从外部取电以补偿出力电流ik。10.基于权利要求1～5任一项所述的兼容不同倍率和不同电压的储能系统的电压补偿方法，其特征在于包括：获取初始第n簇svb实时输出电压为usvb(n)，电池簇最低实时电压为ubat；依据pcs直流侧最低电压umin及电池簇理论最低电压ul，计算补偿电压ub和实时压差
△
u；判断
△
u是否小于uc，uc为电池簇最低电压与pcs直流侧最低电压之间的压差限值，当实时压差
△
u小于uc时，启动电压补偿，对svb输出电压全部抬高一个电压补偿值ub，则第n簇svb的实时输出电压：usvb(n)＝usvb(n)+ub。11.根据权利要求10所述的簇间均衡方法，其特征在于，补偿电压ub＝umin-ul；实时压差
△
u＝ubat-umin。
技术总结
本发明涉及一种兼容不同倍率和不同电压的储能系统及方法，包括n个电池簇和SVB，每一电池簇中均包括串联连接的m个电池模组；每一电池簇的一端均连接到直流母线，每一电池簇的另一端均通过SVB后连接到直流母线，n个电池簇通过直流母线进行并联汇流形成电池堆，SVB用于实现DC/DC直流变换，电池堆经过PCS转换为交流电用于接入电网。本发明兼容支持不同倍率(如0.5C/1C)电池，方便灵活扩容；支持簇间均衡，降低并联容量损失，避免环流导致能量损耗，支持新旧电池混用，使能分期部署，有效降低初始成本；支持低电压补偿，使储能系统电池配置更加灵活，有利于降低电池容量超配，间接降低储能系统成本。储能系统成本。储能系统成本。
