一种电力系统储能站中电池单体的电量计算方法

摘要

本发明涉及一种电力系统储能站中电池单体的电量计算方法，属于电网电池储能管理技术领域。以特定的电池实验数据为基础，在无电流测量的电池单体管理单元中，通过分析实时测量的电池电压值的数学特征值，并根据测量电压值与实验电压值的相关系数对电池的剩余电量和电流做实时估计，较传统的仅依靠电池电压估计电池剩余电量的方法有更高的精度，在不同情况下以不同的权重因子平滑剩余电量和电流的估计结果，改善剩余电量估计结果的不稳定性，提高了电池单体管理单元的性能，降低了电池管理系统的成本。

主权项

一种电力系统储能站中电池单体的电量计算方法，其特征在于，该计算方法包括以下步骤：(1)电池单体从最低电压v(1,i)＝v_min(i)开始，以电流i进行恒流充电，达到最高电压v(k,i)＝v_max(i),1＜k＜n，然后以电流i进行恒流放电，直至达到最低电压v(n,i)＝v_min(i)，得到一个恒流充放电曲线，向电力系统储能站的电池单体管理单元中，输入电池单体在M种不同电流下的M个恒流充放电曲线，并存储，每个恒流充放电曲线包括电池单体电压及对应的电池单体剩余电量，将每个恒流充放电曲线的电池单体电压和剩余电量合并构成一个数据矩阵X(i)：$X\left(i\right)=\left[\begin{array}{cc}v(1,i)& SOC(1,i)\\ v(2,i)& SOC(2,i)\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ v(n,i)& SOC(n,i)\end{array}\right],$i＝i₁,i₂,...,i_M，得到M个数据矩阵；其中，i为电池单体进行恒流充放电的电流，v(l,i),l＝1,2,...,n表示电池单体的第l个电压，SOC(l,i),l＝1,2,...,n表示电池单体的第l个剩余电量，电池单体的相邻两个电压或剩余电量之间的时间间隔记为T_s，T_s为电池单体管理单元的电压采样周期；(2)分别计算M个数据矩阵的特征数组，得到M个特征数组，每个特征数组包括：电池单体的任意m个连续电压的标准差最大值σ_v,max(i),i＝i₁,i₂,...,i_M，以及与该标准差最大值相对应的m个连续电压的电压差最大值Δ_v,max(i),i＝i₁,i₂,...,i_M，并将M个特征数组存储在电池单体管理单元中，m的取值范围为50～300；(3)电池单体管理单元以时间间隔T_s采集电池单体的电压，得到第k个采样电压记为第k‑m+1至第k个采样电压向量计算V_k(m)中的m个连续电压的标准差σ(k)和电压差最大值Δ(k)；(4)将步骤(3)的电压标准差σ(k)与步骤(2)的标准差最大值σ_v,max(i),i＝i₁,i₂,...,i_M比较，将步骤(3)的电压差最大值Δ(k)与步骤(2)的电压差最大值Δ_v,max(i),i＝i₁,i₂,...,i_M比较，若步骤(2)的M个特征数组中存在M₁≥1个特征数组，特征数组中的标准差最大值σ_v,max(i)和电压差最大值Δ_v,max(i)满足以下关系：$\left\{\begin{array}{c}{\sigma }_{v,max}\left(i\right)\ge \sigma \left(k\right)\\ {\Delta }_{v,max}\left(i\right)\ge \Delta \left(k\right)\end{array}\right.,$则称与电压标准差σ(k)和电压差最大值Δ(k)相对应的采样电压向量V_k(m)为可利用采样电压向量，并将与M₁个特征数组相对应的M₁个数据矩阵记为{X(i)|σ_v,max(i)≥σ(k),Δ_v,max(i)≥Δ(k)}，若步骤(2)的M个特征数组中不存在满足上述关系的特征数组，则称与电压标准差σ(k)和电压差最大值Δ(k)相对应的采样电压向量V_k(m)为不可利用采样电压向量；(5)计算上述可利用采样电压向量V_k(m)中的m个采样电压的数学期望值E(k)，并从上述{X(i)|σ_v,max(i)≥σ(k),Δ_v,max(i)≥Δ(k)}中的每个数据矩阵内，分别检索出两个满足以下关系的电压数据v_c(l₁,i)和v_d(l₂,i)：$\left\{\begin{array}{c}{v}_c(l_1,i)\in X\left(i\right),\left\{X\left(i\right)\right|{\sigma }_{v,\max }\left(i\right)\ge \sigma \left(k\right),{\Delta }_{v,\max }\left(i\right)\ge \Delta \left(k\right)\}\\ v_d(l_2,i)\in X\left(i\right),\left\{X\left(i\right)\right|{\sigma }_{v,\max }\left(i\right)\ge \sigma \left(k\right),{\Delta }_{v,\max }\left(i\right)\ge \Delta \left(k\right)\}\\ v_c(l_1,i)\le E\left(k\right)<v_c(l_1+1,i)\\ v_d(l_2,i)\le E\left(k\right)<v_d(l_2+1,i)\end{array}\right.,$(6)以步骤(5)检索出的电压数据v_c(l₁,i)和v_d(l₂,i)为中心，分别在上述与M₁个特征数组相对应的M₁个数据矩阵内，选取两组m个连续电压：V_c(i)＝[v_c(l₁‑[m/2],i)…v_c(l₁+m‑[m/2]‑1,i)]和V_d(i)＝[v_d(l₂‑[m/2],i)…v_d(l₂+m‑[m/2]‑1,i)]，其中[m/2]表示m/2向下取整，分别计算采样电压向量V_k(m)与M₁个V_c(i)和M₁个V_d(i)的相关系数，得到2M₁个相关系数，将2M₁个相关系数中的最大的两个相关系数记为r_max1(i₁)和r_max2(i₂)，且r_max1(i₁)≥r_max2(i₂)，将与最大的两个相关系数相对应的V_c(i₁)或V_d(i₁)以及V_c(i₂)或V_d(i₂)记为V_c|dmax1(i₁)以及V_c|dmax2(i₂)，并将V_c|dmax1(i₁)中的l₁和l₂记为l₁₁和l₁₂，V_c|dmax2(i₂)中的l₁和l₂记为l₂₁和l₂₂，计算V_c|dmax1(i₁)与V_c|dmax2(i₂)的相关系数，记为r₁₂(i)；(7)根据步骤(6)中相关系数r_max1(i₁)、r_max2(i₂)和r₁₂(i)以及V_c|dmax1(i₁)和V_c|dmax2(i₂)，计算电池单体的剩余电量和电流将r₁₂(i)与r_max1(i₁)和r_max2(i₂)比较：(a)若r₁₂(i)＞r_max1(i₁)，且V_c|dmax1(i₁)＝V_c(i₁)时，剩余电量和电流按下式计算：$\left\{\begin{array}{c}S\hat{O}C\left(k\right)=\eta ·S\hat{O}C(k-1)+(1-\eta )·SOC(l_{11}+m-[m/2]-1,i_1)\\ \hat{i}\left(k\right)=\eta ·i_1+(1-\eta )·\hat{i}(k-1)\end{array}\right.$若r₁₂(i)＞r_max1(i₁)，且V_c|dmax1(i₁)＝V_d(i₁)时，剩余电量和电流按下式计算：$\left\{\begin{array}{c}S\hat{O}C\left(k\right)=\eta ·S\hat{O}C(k-1)+(1-\eta )·SOC(l_{11}+m-[m/2]-1,i_1)\\ \hat{i}\left(k\right)=\eta ·i_1+(1-\eta )·\hat{i}(k-1)\end{array}\right.$(b)若r_max1(i₁)≥r₁₂(i)≥r_max2(i₂)，且V_c|dmax1(i₁)＝V_c(i₁)时，剩余电量和电流按下式计算：$\left\{\begin{array}{c}S\hat{O}C\left(k\right)={\eta }^{\prime }·S\hat{O}C(l_{11}+m-[m/2]-1,i_1)+(1-{\eta }^{\prime })·S\hat{O}C(k-1)\\ \hat{i}\left(k\right)={\eta }^{\prime }·i_1+(1-{\eta }^{\prime })·\hat{i}(k-1)\end{array}\right.$若r_max1(i₁)≥r₁₂(i)≥r_max2(i₂)，且V_c|dmax1(i₁)＝V_d(i₁)时，剩余电量和电流按下式计算：$\left\{\begin{array}{c}S\hat{O}C\left(k\right)={\eta }^{\prime }·S\hat{O}C(l_{12}+m-[m/2]-1,i_1)+(1-{\eta }^{\prime })·S\hat{O}C(k-1)\\ \hat{i}\left(k\right)={\eta }^{\prime }·i_1+(1-{\eta }^{\prime })·\hat{i}(k-1)\end{array}\right.$(c)若r_max2(i₂)＞r₁₂(i)，且V_c|dmax1(i₁)＝V_c(i₁)时，剩余电量和电流按下式计算：$\left\{\begin{array}{c}S\hat{O}C\left(k\right)={\eta }^{\prime \prime }·SOC(l_{11}+m-[m/2]-1,i_1)+(1-{\eta }^{\prime \prime })·SOC(l_{12}+m-[m/2]-1,i_2)\\ \hat{i}\left(k\right)={\eta }^{\prime \prime }·i_1+(1-{\eta }^{\prime \prime })·i_2\end{array}\right.$若r_max2(i₂)＞r₁₂(i)，且V_c|dmax1(i₁)＝V_d(i₁)时，剩余电量和电流按下式计算：$\left\{\begin{array}{c}S\hat{O}C\left(k\right)={\eta }^{\prime \prime }·SOC(l_{12}+m-[m/2]-1,i_1)+(1-{\eta }^{\prime \prime })·SOC(l_{22}+m-[m/2]-1,i_2)\\ \hat{i}\left(k\right)={\eta }^{\prime \prime }·i_1+(1-{\eta }^{\prime \prime })·i_2\end{array}\right.$其中，和分别表示与第k个采样电压相对应的电池单体剩余电量和电流，η、η'和η”是权重因子，满足以下关系：$\left\{\begin{array}{c}\eta =1-{\left(\frac{r_{\max 1}\left(i_1\right)}{r_{12}\left(i\right)+r_{\max 1}\left(i_1\right)}\right)}^2\\ {\eta }^{\prime }=1-{\left(\frac{r_{12}\left(i\right)}{r_{\max 1}\left(i_1\right)+r_{12}\left(i\right)}\right)}^2\\ {\eta }^{\prime \prime }=1-{\left(\frac{r_{\max 2}\left(i_2\right)}{r_{\max 1}\left(i_1\right)+r_{\max 2}\left(i_2\right)}\right)}^2\end{array}\right.,$(8)对步骤(4)中不可利用采样电压向量，使与V_k(m)中的相对应的电流等于与上一个采样点相对应的电流与相对应的剩余电量根据下式计算：$S\hat{O}C\left(k\right)=S\hat{O}C(k-1)+\frac{\hat{i}(k-1)·T_s}{Q}\times 100\%,$其中，Q表示电池单体的额定容量。