[发明专利]一种大容量电池储能系统的网络拓扑及控制方法

说明书

本发明提供的一种大容量电池储能系统的网络拓扑及控制方法，该网络拓扑包括：若干个电池组串支路，每个电池组串支路由若干个串联连接的电池组构成多级结构，每个电池组由若干个单体电池串联连接组成，作为网络拓扑的基本单元。其中，对于每个电池组串支路，除末端电池组外，其他电池组的负极通过连接开关模块不仅与下一级电池组的正极连接，而且同时与下一级其他所有电池组串支路电池组的负极连接；对于每个电池组串支路，其正负极端子与外部充放电设备的正负极端子对应连接。与常规可重构电池网络设计方案相比，不仅具备更多的电池组间的连同路径，而且网络整体的复杂度相比传统基于单体的方案大幅降低。

技术领域

本发明涉及新型电力系统运行与控制技术领域，具体涉及一种大容量电池储能系统的网络拓扑及控制方法。

背景技术

构建以新能源为主体的新型电力系统是实现“双碳”目标的重要保障，但是新能源发电具备很强的随机性、波动性和间歇性，电力系统的调频、调峰能力随着新能源发电占比的快速提升而大幅下降。在此背景下，以蓄电池为代表的储能系统凭借其快速充放电的优良特性，将在提升新型电力系统频率稳定性上发挥极其重要的作用。

蓄电池中，锂离子电池凭借单体电池电压高、比能量大、循环寿命长和安全性能好等优点在实际中获得广泛应用。为了实现大容量储能系统并网运行，锂离子电池需要经过串并联的方式接入电力电子变流器。然而，电池储能运行的安全性和效率是限制其在电力系统大规模实际应用的两个重要因素，而两个因素间又存在相互影响和制约，具体表现为：一方面，为了抑制新能源发电表现出的间歇性、随机性和波动性，要求储能系统的充放电速率快、充放电的频次高，而电池的充放电次数直接决定了电池的使用寿命，频繁的充放电容易使电池温度快速上升，甚至引发火灾，并加速电池老化；另一方面，由于电池差异化导致的系统“短板效应”，使得电池的真实效率较低。目前，基于可重构电池网络的储能系统运行控制技术获得了很多关注，通过电力电子半导体器件将电池单体产生的连续能量流进行离散化和数字化处理，形成数学上的映射关系，利用网络重组消除电池单体物理和化学属性所造成的差异性，克服电池系统的“短板效应”，并可通过电池网络拓扑结构的灵活调整能力实现与多种应用场景需求的匹配进而设计了可重构电池网络系统，可以实现单体电池串并联的运行优化与控制。

上述基于可重构电池网络的储能系统运行控制技术虽然很好地提高了电池单体的能量效率，但是随着单体电池数量的增加，控制系统的复杂度也随之快速增加。在以新能源为主体的新型电力系统中，百兆瓦级以上大规模储能并网将对提升新型电力系统稳定性起到至关重要的作用。储能容量的大幅提升必然导致单体电池数量的激增，这就导致上述电池重构网络的方法受到很大的限制。这主要是因为考虑到重构电池网络需要配置新的开关及相应的控制系统，大容量电池储能系统中每个电池储能单元的单体数量很多，如果对每个电池进行运行控制管理，会导致控制成本和复杂度大幅增加，不利于工程实际应用。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中大容量电池储能系统中网络拓扑复杂的缺陷，从而提供一种大容量电池储能系统的网络拓扑及控制方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种大容量电池储能系统的网络拓扑，包括：若干个电池组串支路，每个所述电池组串支路由若干个串联连接的电池组构成多级结构，每个所述电池组由若干个单体电池串联连接组成，其中，对于每个电池组串支路，除末端电池组外，其他电池组的负极通过连接开关模块不仅与下一级电池组的正极连接，而且同时与下一级其他所有电池组串支路电池组的负极连接；对于每个电池组串支路，其所有电池组串支路与外部充放电设备的正负极端子对应连接。

优选地，所述连接开关模块包括多个开关，其中，对于每个电池组串支路，除末端电池组外，其他电池组的负极均通过一个开关与下一级电池组的正极连接；对于每个电池组串支路，除末端电池组外，其他电池组的负极与位于其他电池组串支路上相同位置的电池组的负极均通过一个开关连接。

优选地，所述电池组包括多个正负极依次串联连接的单体电池。