模块化储能系统的扩展机制研究

Energy storage is one of key technologies for relieving the contradiction of power demand and supply and implementing energy sustainable development. With the enlargement and complication of modular energy storage system development, how to solve the design and evaluation of modular energy storage system, which is composed of the large number of interrelated modular, has become an urgent problem.Based on the theory of complex networks, this study will analyze the network structure and characteristics of the modular energy storage system, and research its evolving mechanisms and reliability. With the network abstracted real modular energy storage systems, the comparative analysis of their network characteristics is done by complex network parameters. From at all levels of the system network, the reliability of the systems are studied. The influencing factors and phenomena of the reliability are explored. And then, the evolving laws influenced by local events of adding a new battery modules, changing the existing connection are researched. The extended mechanisms influenced by constraints phenomena of performance, cost, application ets, are explored. Analysising theoretical simulation results and using the relationship between the network characteristics and the actual engineering characteristics, The purpose of provding the evaluation methods and recommendations for improveing the empirical network, and providing network architecture design reference for the development of modular energy storage system.This study provides a theoretical foundation for designing an reliable modular energy storage system.

储能技术是改善电力供需矛盾和实现能源可持续发展的关键技术之一。当前，由大量相互关联的基本模块组合而成的储能系统，呈现规模扩大化、结构复杂化的发展趋势，迫切需要解决其所面临的设计和评价等方面问题。本研究采用复杂网络理论对模块化储能系统的网络结构与特性进行量化分析，开展演化机制和可靠性研究。通过对实际模块化储能系统的网络抽象，采用复杂网络特性参数，对比分析其网络特征，并从构成系统网络的各层级开展可靠性研究，发现可靠性影响因素和现象；进而研究模块化储能系统网络在增减电池模块和改变模块间连接方式等网络基本局部变化作用下的演化规律，探索该网络在性能、成本和应用等约束条件作用下的扩展机制；回归分析理论仿真结果，利用网络特征表达与实际工程特征的关系，实现为实证网络提供评价方法和改善建议，为模块化储能系统的研发提供网络结构设计参考的目的。本研究为构建可靠的模块化储能系统提供理论基础和依据。

储能技术是智能电网、可再生能源高占比能源系统、“互联网+”智慧能源的重要组成部分和关键支撑技术。本项目首先开展了模块化储能系统实证的功率能量响应能力、模块化集成特性和网络特性等研究；其次就加权模块化储能系统、多态网络结构的演化与扩展及其可靠性影响因素等方面开展了扩展机制研究；最后通过应用工况评价、容错评价和模块重构等方法开展了模块化储能系统的可靠性研究。通过本项目的研究掌握了满足可再生能源的功率平滑等功率型应用和削峰填谷等能量型应用需求的模块化储能系统工作状态；掌握了全钒液流电池在相同功率等级和功率等级扩展两方面串并联集成方式、内阻随功率扩展呈非线性增长规律；采用复杂网络理论构建了模块化储能系统的二分网络模型、单网络模型、加权二分网络模型、通用生成函数，建立了网络特性和性能参数间的耦合关系，掌握了模块化储能系统的加权拓扑网络特性，实现了对系统网络的演化、扩展和可靠性的研究；掌握了可有效辨识出各种应用工况的特征参数的因子分析方法和明晰各种应用中储能系统的工作状态的聚类分析方法，构建与原始工况高度相似的典型工况曲线；有效地将FOR、EFORP和EFORC应用于容错模式下的功率和能量响应能力可靠性评价；掌握了具有不一致性的模块化电池组重构方法。通过本项目的开展，探索了模块化储能系统规模化应用背后的数学问题，描述了模块化储能系统的演化过程，利用数学方法对已知模块化储能系统进行评价与改善，对未知模块化储能系统的设计进行分析与预测。本项目采用的技术方案，以实证为事实依据，侧重数学理论分析，并将理论仿真结果与工程实际相结合，用于系统网络的评价、改善和设计等，适合于系统科学方法在工程领域的模块化储能系统中的应用研究。研究成果对促进大规模模块化储能技术的快速发展具有现实意义，同时也拓展了复杂网络理论的应用领域。