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计及电池参数不一致性的35 kV大容量无变压器储能系统主电路参数优化设计
Main Circuit's Parametric Optimal Design Counting Inconsistent Battery Parameters and Control of 35 kV Large-Capacity Transformer-Less BESS
| 作者 | Chang Liu · Xianqiang Shi · Rui Li · Xu Cai |
| 期刊 | IEEE Transactions on Energy Conversion |
| 出版日期 | 2024年8月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 大容量无变压器电池储能系统 电池参数不一致 主电路参数优化 系统评估模型 能量均衡控制策略 |
语言:
中文摘要
基于级联 H 桥变流器(CHBC)的 35 kV 大容量无变压器电池储能系统(LCTL - BESS)各相需要大量电池单体,且电池单体参数存在不一致性。在主电路参数设计中应充分考虑电池参数的不一致性,以提高系统对其的适应性,从而延缓电池的老化速度,确保电池全生命周期内的安全高效利用。系统每相功率模块的级联数量是系统最重要的主电路参数,对系统性能有显著影响,应综合考虑系统效率和安全性对其进行优化。由于系统效率和安全性评估模型与电池参数的不一致性密切相关,无法基于每个电池单体的详细参数在不同功率模块数量下建立这些模型。因此,提出了一种基于电池单体容量分布建立系统效率和安全性评估模型的方法,避免了大量的电池单体参数辨识和数据处理。该方法为 LCTL - BESS 主电路的优化设计提供了理论指导。此外,对 35 kV LCTL - BESS 的功率和能量均衡控制进行了研究,提出了一种在最近电平调制(NLM)下考虑直流母线电压和荷电状态(SOC)的模块间能量均衡控制策略,该策略既能保证均衡效果,又能保证交流侧输出性能。最后,通过离线仿真模型验证了所提参数设计方法和控制策略的有效性。
English Abstract
A large quantity of battery cells are required by each phase of the 35 kV large-capacity transformer-less battery energy storage system (LCTL-BESS) based on cascaded H-bridge converter (CHBC) and the parameters of battery cells are inconsistent. The inconsistencies of battery parameters should be fully considered in main circuit parameter design to improve the system's adaptability to them, thus delaying the aging rate of battery and ensuring the safety and high efficiency utilization during the whole life cycle of battery. The cascaded number of power modules in per phase is the most important main circuit parameter of system and has a significant influence on system performance, which should be optimized by considering system efficiency and safety comprehensively. Since the system efficiency and safety evaluation model are closely related to inconsistent battery parameters, it is impossible to establish them under different number of power modules based on the detailed parameters of each battery cell. Therefore, a method to establish system efficiency and safety evaluation model based on the capacity distribution of the battery cells is proposed. The massive battery cell parameter identifications and data processing are avoided. Our proposed method provides theoretical guidance for the optimization design of main circuit for LCTL-BESS. Additionally, the power and energy balancing control of 35 kV LCTL-BESS are investigated, and a novel energy balancing control strategy among modules considering the DC link voltage and state of charge (SOC) are proposed under the nearest level modulation (NLM), which can promise both the balancing effect and AC side output performance. Finally, the validity of the proposed parameter design method and the control strategy are proved through off-line simulation model.
S
SunView 深度解读
从阳光电源储能系统业务视角来看,这项针对35kV大容量无变压器级联H桥储能系统的研究具有重要的战略参考价值。该技术方案与我司PowerTitan等高压储能产品的技术路线高度契合,为进一步提升系统性能提供了理论支撑。
论文的核心创新在于将电池单体参数不一致性纳入主电路参数设计的全生命周期考量。这对阳光电源具有直接应用价值:一方面,基于电池容量分布建立效率和安全评估模型的方法,可显著简化我司大规模储能系统的设计流程,避免海量电池参数识别和数据处理的工程复杂度;另一方面,通过优化级联模块数量平衡系统效率与安全性,有助于延缓电池老化速率,这与我司追求储能系统全生命周期经济性的目标完全一致。
所提出的考虑直流侧电压和SOC的模块间能量均衡控制策略,在保证交流侧输出性能的同时实现功率和能量双重均衡,这对提升我司液冷储能系统PowerStack等产品在电池不一致性工况下的运行稳定性具有借鉴意义。特别是在最近电平调制策略下的控制优化,可为我司高压级联拓扑产品的控制算法升级提供方向。
技术挑战方面,论文仅停留在仿真验证阶段,工程化应用还需解决实际电网环境下的动态响应、热管理协同以及长期运行数据验证等问题。建议我司研发团队可结合现有产品平台,在实验室环境下开展小规模验证测试,评估该参数设计方法在实际产品中的可行性,并探索与我司智慧能量管理系统的深度融合路径。