大规模电池储能系统可重构拓扑与可靠性优化设计

The existing large-scale battery storage system has a structure with parallel expansion of the energy storage system in the fixed series-parallel battery module, and adopts the centralized control structure. The reliability of the system is not high. Aiming at the reliability requirement of large-scale battery storage system in power system, this project will be studied from three levels of reconfigurable battery module, power electronic flexible control framework and large-scale energy storage system. Firstly, the control granularity of reconfigurable battery module and the design of switch array are studied, and the design optimization method of reconfigurable battery module considering flexibility and economy is proposed. Secondly, the flexible connection method of differential battery module is studied, and the flexible control framework scheme for large-scale battery energy storage is proposed. Finally, the reliability analysis method of the complex connection of battery energy storage system based on decision graph theory is established, and based on the Hamiltonian graph, the reliability optimization design method of energy storage system based on dynamic reconfigurable battery module is established. In this project, the reliability analysis and optimization design method of large-scale energy storage system based on reconfigurable battery energy storage structure is established, which provides an important theoretical basis and engineering basis for the popularization and application of large-scale battery energy storage technology.

现有大规模电池储能系统在固定串并联电池模组结构上，通过储能系统单元并联扩展形成一定规模，并采用集中控制结构，系统的可靠性不高。针对大规模电池储能系统在电力系统中应用的可靠性需求，本项目将从可重构电池模组、电力电子柔性控制架构、规模化储能系统三个层次展开研究。首先研究可重构电池模组的控制颗粒度和开关阵列设计问题，提出考虑灵活性与经济性的可重构电池模组设计优化方法；其次，研究差异化电池模组的柔性连接方法，提出规模化电池储能柔性控制架构方案；最后建立基于决策图论的电池储能系统复杂连接可靠性分析方法，并基于哈密尔顿图理论，建立基于动态可重构电池模组的储能系统可靠性优化设计方法。本项目建立了基于可重构电池储能结构的大规模储能系统可靠性分析和优化设计方法，为大规模电池储能技术的推广应用提供重要的理论基础和工程依据。

本项目针对电池储能系统可靠性优化设计展开基础性理论研究，从可重构电池储能系统可靠性计算模型、控制架构、优化设计方法三方面进行了深入研究。（1）首先建立了可重构电池储能系统可靠性计算模型：从损耗出发，基于电力电子器件失效研究果，计算电力电子器件与其所在电路损耗相关的故障率，建立一种能反映载荷运行状况的影响的模块化级联PCS可靠性模型；考虑电池储能在全寿命的衰退特性，以电池健康状态（state of health, SOH）作为电池可靠度指标将电池运行状态下的动态特性纳入评估范畴，开展电池储能系统可靠性评估理论研究，考虑电池固定拓扑连接以及冗余结构，建立运行工况相依的电池储能本体的可靠性评价模型。（2）提出一种可重构电池储能系统控制架构设计方案：针对电池系统的稳定工作区域，利用电力电子器件构建柔性连接模块，通过充放电电压主动调整和参数自适应控制，扩大电池系统的稳定裕度，实现差异性电池系统的柔性连接，进而组成网格化电池模组（储能子系统），通过电力电子变换装置可以将多个储能子系统集成为电池储能系统。（3）建立兼顾可靠性和经济性的可重构电池模组优化设计方法：根据图形设计理论，将可重构电池模组抽象为一个无循环定向图（Directed Acyclic Graph，DAG），并把放电过程中电流流向作为图的方向。通过研究无循环定向图的连通性和可达性，近似得到电池模组的灵活性特征，进而在无循环定向图基础上，进行传递简约分析，寻找最小等效图（Minimum Equivalent Graph，MEG），得到满足预定重构特性的开关数量最少的开关阵列，进而得到优化的可重构电池模组设计参数，得到其架构优化设计方案；提出可靠性状态指标根据熵权法综合计算出的可靠性指标差异化来找寻电池模组中的短板，对电池本体进行优化。.项目针对大规模电池系统储能的可重构结构展开，为大规模电池储能系统结构优化设计奠定理论和实践基础。