面向梯次异构储能接入的综合能量管理系统及其多维度优化控制研究

In recent years, the energy storage act as an important role in our energy system. However, the consistency of the battery parameters within the entire cycle life and the system compatibility of the multi-type energy storage elements still restrict the development of the energy storage technology. Considering the rapid growth of EVs and renewable energy industry in China, it is not difficult to find that: the retired EV batteries still have an appreciable value in energy storage application and can be used in plenty type of renewable energy consumption areas. However, the re-packing requires a high consistent parameters on the batteries side. In this case, most of the retired EV batteries are cast aside. To solve this problem, our research focus on the structure and control of an integrated energy management unit and the relative system. The research contents include the energy conversion theory, the multi-layer modeling, the multi-dimension coupling theory and the de-coupling control algorithm. Based on the proposed method, a large capacity multi-type retired batteries can be used as the energy storage system in the renewable energy consumption areas to enhanced the energy storage rating in today’s power system.

近年来，储能在能源体系中扮演着越来越重要的角色。但大规模储能成组后单体的全寿命周期一致性、储能系统对异构储能的兼容性等问题依然制约着储能技术的发展。结合近年来国家大力推动的电动汽车和新能源发电两大产业情况：一方面首批退役的电动汽车锂电池仍然具有一定的储能价值，理论上具备消纳新能源发电的可行性；另一方面，梯次利用需要对电池进行二次成组，对退役电池单体参数一致性要求极高，传统大规模串并联成组的方式无法解决梯次利用电池的参数杂散性问题，最终导致大量退役电池被拆解、废弃。为了解决上述问题，本课题将开展针对综合能量管理单元及其系统的研究工作。从能量转换机制、多层级精确建模、多维度耦合机理与解耦控制方法等方面进行深入的研究。为解决梯次异构储能接入分布式发电系统并大幅提高新能源消纳比例提供一种可行的技术路线，并开展相关科学问题的理论研究、仿真分析、实验论证。

综合能量管理单元具有多个电气端口，能够接入不同类型的储能，提高能源利用率，对改善环境和能源问题有重要的意义。本项目对综合能量管理单元的功率传输机制、优化控制方法以及精确建模方法开展了如下研究：.首先，本项目分析了综合能量管理单元的核心拓扑三有源桥（TAB）变换器的功率传输特性，通过理论推导发现了控制参数与传输功率强耦合的问题，从拓扑角度提出了解耦方法，使三端口的TAB变换器的控制、参数设计等问题降维为两端口的双有源桥（DAB）变换器相应问题。为提升变换器效率，针对以MOSFET为开关器件的DAB变换器，提出一种漏感和变压器变比参数的优化设计方法，具有计算简单和效率优化效果好的特点。通过损耗成分及最坏工况分析，简化了参数优化问题，并推导得到了单移相调制（SPS）和统一的三移相调制方法（UTPS）的最优参数表达式。实验结果验证了所提方法的有效性。.随后，本项目以地铁为应用背景，提出一种基于综合能量管理单元的地铁能馈系统架构，并提出了系统控制和能量管理策略。所提架构通过综合能量管理单元引入不间断电源（UPS）电池和超级电容（SC）组成的混合储能系统（H-ESS），解决了传统系统制动能量浪费、牵引直流网压波动大、牵引变电站峰值功率大、UPS电池利用率低的问题。分析了系统电压、功率和能量层面的控制目标，基于直流母线电压信号（DBS）的下垂控制提出了控制方法，有效控制了牵引直流网压，实现了功率的合理分配。提出一种可实现电池荷电状态（SOC）复位的改进下垂控制方法，对电池SOC进行闭环控制，充分利用电池平滑能力的同时保障UPS应急功能不受影响。仿真和实验验证了所提架构及控制方法的可行性和有效性。.最后，为保障系统稳定运行，本项目建立了系统小信号模型，研究了其中的一系列稳定性问题。由DAB变换器降阶模型建立了电流内环小信号模型，提出一种有源阻尼方法，抑制了储能侧LC滤波器的谐振。考虑列车等恒功率负载（CPL）作用，提出了一种改进的电压外环模型，解决了传统电压外环模型低频段误差大的问题，提高了模型低频段的精度。在系统小信号模型基础上，使用根轨迹方法分析了参数对系统稳定性的影响。仿真结果验证了所提模型和稳定性分析的准确性和正确性。