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清华大学慈松等:基于可重构电池网络的数字储能系统建模与运行控制——基站储能应用案例研究

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基于可重构电池网络的数字储能系统建模与运行控制——基站储能应用案例研究

慈松,周杨林,王红军,石清良

清华大学)

文章导读

基于可重构电池网络的数字储能技术通过高频高效的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,完成电池从物理域到数字域的映射,进而在数字域里消除电池单体物理和化学属性上的差异,因此可以从原理上克服电池系统的“短板效应”,并可通过动态调整电池网络拓扑结构实现储能系统与多种应用场景的高效匹配。本文研究基于可重构电池网络的数字储能系统建模与运行控制方法,并结合通信基站储能的应用案例展示效果。

研究成果

1

可重构电池网络模组能够实现基于电池单体层面的SOC精准估算, 可以得出任意给定电池网络拓扑的等效荷电容量模型,进而考虑电池单体及其之间的拓扑连接状态结构与电池储能系统性能之间的关系,并得出可重构电池网络在实践中的工程简化应用设计。

2

电池网络拓扑动态重构是影响系统特性的重要因素,其性能优化可建立电池网络拓扑动态重构优化问题,通过采用有向无环图的建模方法,在每个拓扑变换周期内,储能系统可在连续运行过程中寻找有向无环图中最短加权路径,作为电池网络拓扑变换控制策略。

主要内容

基于可重构电池网络的规模化电池储能系统,为实现精确控制在电池模组内每个最小控制单元需要连接k个可控开关,同时电池模组之间也可以采用电力电子开关连接,实现对整体模组的精准管控。

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? 图1 可重构电池网络设计

数字储能系统构建基于断路电压检测的单体电池和任意电池网络拓扑等效的电池SOC数学模型,通过分布式并行计算体系架构支撑规模化数字储能系统的实时精准管控。

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? 图2 基于可重构电池网络SOC估计原理

可重构电池网络模组能够实现基于电池单体/模组层面的SOC精准估算,可以得出任意给定电池网络拓扑的等效荷电容量模型。任意给定的电池网络拓扑,电池网络拓扑等效串并联原理示意如下。

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? 图3 电池网络拓扑的等效串并联原理模型

在4并80串的通信基站梯次利用数字储能系统中,在0.3C的放电倍率条件下,电池SOC最大差异为1%,最大统计标准差为0.508%;电池端电压最大差异为28mV,最大统计标准差为6.631mV。

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? 图4 电池SOC和端电压一致性测试

本文引文信息

慈松,周杨林,王红军,石清良. 基于可重构电池网络的数字储能系统建模与运行控制——基站储能应用案例研究[J]. 全球能源互联网,2021,4(5):427-435.

CI Song, ZHOU Yanglin, WANG Hongjun, SHI Qingliang. Modeling and operation control of digital energy storage system based on reconfigurable battery network——base station energy storage application[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2021, 4(5): 427-435(in Chinese).

研究团队

清华大学电机系信息能源教育部-中国移动联合实验室(筹)率先在国际上提出“能量信息化和数字储能”的理念,拥有数字储能领域多项核心发明专利,致力于能量信息化、能量与信息融合的基础理论研究,为垂直行业提供多场景5G数字供电解决方案。实验室已研制出一系列可重构电池网络关键核心装备,开发了基于可重构电池网络技术的数字储能系统的多个“首台套”解决方案,并在移动通信基站、电网、梯次利用等多个垂直行业开展规模化示范应用。实验室目前正在承担省部级项目十余项,其中面向可持续5G供电的智能数字储能系统方案已获国际电联ITU L.1210标准采纳,目前正牵头承担中国通信标准化协会(CCSA)相关数字储能标准。

作者简介

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慈松

研究员,信息能源教育部-中国移动联合实验室(筹)主任

主要研究方向为大规模复杂系统建模、控制与优化理论研究及其在信息能源交叉研究领域中的应用

E-mail:

sci@tsinghua.edu.cn

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周杨林

助理研究员

从事分布式能量管控技术与绿色通信技术研究

E-mail:

zhouylstu@tsinghua.edu.cn

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王红军

高级工程师

研究方向为信息通信系统、分布式能量管控及嵌入式软件开发

E-mail:

wanghongjun@tsinghua.edu.cn

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石清良

工程师

主要研究方向为分布式数据存储、大数据分析

E-mail:

sqlzy@mail.tsinghua.edu.cn

编辑:张鹏

审核:周舟

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