CN105205218A - 一种基于复杂网络理论的模块化储能***扩展分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于复杂网络理论的模块化储能***扩展分析方法，针对模块化储能***的拓扑结构，将模块化储能***中的对象抽象成为复杂网络中的节点，对象间的相互作用抽象为网络节点间的连边，采用二分网络模型建立模块化储能***网络模型，该网络模型的物理意义清晰，易于工程人员操作和实现；针对在总单体电池节点数量扩增条件下，通过串联模组的串联倍增扩展，扩展模块化储能***的电压/功率/容量等级；并联模组的并联倍增扩展，扩展模块化储能***的电流/功率/容量等级两种扩展模式，利用扩展评价指标可以有效发现模块化储能***结构的扩展规律，揭示影响模块化储能***结构扩展。

Description

一种基于复杂网络理论的模块化储能***扩展分析方法

技术领域

本发明属于电力***储能电池技术领域，具体涉及一种基于复杂网络理论的模块化储能***扩展分析方法。

背景技术

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。各类电化学电池储能技术为满足实际需求须采用若干个电池模块串并联组合而成的模块化储能***。模块化储能***的结构包括：基本构成元素(电池单体与其相互间的连接)、基本元素组成的网络支路(串并联支路)、多层支路构成的子网络(满足实际要求的最小网络单元)和多个子网络构成的储能***(满足负荷需求的多个子网络***)。当模块化储能***中的组成单元(电池单体)数量稳定的线性增长时，组成单元之间的关系(串并联方案)却呈加速增长趋势，***扩展的复杂性随之增加。

复杂网络理论用于研究受各种机制控制并动态变化的***。借鉴模块化储能***实证的设计经验和***科学的理论研究成果，构建模块化储能***网络扩展模型，利用复杂网络基本特征参数和模块化储能***评价指标，对于如何增加电池单体数量和调整连接方式，如何与实际需求和条件相结合实现大规模模块化储能***的扩展进行分析和评价，从而实现模块化储能***优化设计具有重要的现实意义。

现有的基于复杂网络理论的复杂***网络结构扩展分析与评价方法未明显涉及到通过模块化储能***网络模型构建、扩展方式和评价指标等开展模块化储能***网络结构扩展分析与评价。

发明内容

为了能够简单、准确的进行模块化储能***网络结构随电池节点数量扩增而扩展的分析，本发明提供一种基于复杂网络理论的模块化储能***扩展分析方法，获取模块化储能***单体电池数量和拓扑结构，并采用二分网络模型构建模块化储能***网络模型；计算不同扩展模式下的模块化储能***的扩展评价指标，最后根据扩展评价指标对模块化储能***进行扩展分析。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种基于复杂网络理论的模块化储能***扩展分析方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：获取模块化储能***单体电池数量和拓扑结构；

步骤2：采用二分网络模型构建模块化储能***网络模型；

步骤3：根据扩展评价指标对模块化储能***进行扩展分析。

所述步骤2中，模块化储能***网络模型中的节点类型包括单体电池节点和单体电池间的连接点节点，单体电池节点的连接关系作为连边，单体电池节点分别接入相邻连接点节点，同类节点间不存在连边；单个电池节点和连接点节点依次相连构成串联模组，连边分别接入相临连接点节点的两个以上单体电池节点构成并联模组，串联模组和并联模组经并/串联构成模块化储能***网络模型。

在总单体电池节点数量扩增条件下，扩展模式包括第一扩展模式和第二扩展模式；

所述第一扩展模式是指通过串联模组的串联倍增扩展，扩展模块化储能***的电压/功率/容量等级；

所述第二扩展模式是指通过并联模组的并联倍增扩展，扩展模块化储能***的电流/功率/容量等级。

所述步骤3包括以下步骤：

步骤3-1：计算不同扩展模式下的模块化储能***的扩展评价指标；

步骤3-2：根据扩展评价指标对模块化储能***进行扩展分析。

所述步骤3-1中，在第一扩展模式下，模块化储能***的扩展评价指标为串并联结构耦合系数，串并联结构耦合系数用η_SP表示，有：

${\mathrm{\η}}_{SP}=\frac{N_{SP}}{N}---\left(1\right)$

其中，N_SP表示串并联结构中节点度的总和，N表示模块化储能***相应的全局耦合网络中节点度的总和；

对于m个单体电池先串联构成串联模组，之后n个串联模组并联的串并联结构，串并联结构中节点度的总和N_SP表示为：

N_SP＝n(m-1)+n(n-1)(3)

模块化储能***相应的全局耦合网络中节点度的总和N表示为：

$N=\frac{nm(nm-1)}{2}---\left(4\right).$

所述步骤3-2中，在第二扩展模式下，模块化储能***的扩展评价指标为并串联结构耦合系数，并串联结构耦合系数用η_PS表示，有：

${\mathrm{\η}}_{PS}=\frac{N_{PS}}{N}---\left(5\right)$

其中，N_PS表示并串联结构中节点度的总和；

对于n个单体电池先并联构成并联模组，之后m个并联模组串联的并串联结构，并串联结构中节点度的总和N_PS表示为：

$N_{PS}=m\frac{n(n-1)}{2}+n^2(m-1)----\left(6\right).$

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明针对模块化储能***的拓扑结构，将模块化储能***中的对象抽象成为复杂网络中的节点，对象间的相互作用抽象为网络节点间的连边，采用二分网络模型建立模块化储能***网络模型，该网络模型的物理意义清晰，易于工程人员操作和实现；

针对在总单体电池节点数量扩增条件下，通过串联模组的串联倍增扩展，扩展模块化储能***的电压/功率/容量等级；并联模组的并联倍增扩展，扩展模块化储能***的电流/功率/容量等级两种扩展模式，利用扩展评价指标可以有效发现模块化储能***结构的扩展规律，揭示影响模块化储能***结构扩展。

附图说明

图1是本发明实施例中基于复杂网络理论的模块化储能***扩展分析方法流程图；

图2是本发明实施例中串并联结构耦合系数的分布图；

图3是本发明实施例中并串联结构耦合系数的分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种基于复杂网络理论的模块化储能***扩展分析方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：获取模块化储能***单体电池数量和拓扑结构；

步骤2：采用二分网络模型构建模块化储能***网络模型；

步骤3：根据扩展评价指标对模块化储能***进行扩展分析。

所述步骤2中，模块化储能***网络模型中的节点类型包括单体电池节点和单体电池间的连接点节点，单体电池节点的连接关系作为连边，单体电池节点分别接入相邻连接点节点，同类节点间不存在连边；单个电池节点和连接点节点依次相连构成串联模组，连边分别接入相临连接点节点的两个以上单体电池节点构成并联模组，串联模组和并联模组经并/串联构成模块化储能***网络模型。

在总单体电池节点数量扩增条件下，扩展模式包括第一扩展模式和第二扩展模式；

所述第一扩展模式是指通过串联模组的串联倍增扩展，扩展模块化储能***的电压/功率/容量等级；

所述第二扩展模式是指通过并联模组的并联倍增扩展，扩展模块化储能***的电流/功率/容量等级。

所述步骤3包括以下步骤：

步骤3-1：计算不同扩展模式下的模块化储能***的扩展评价指标；

步骤3-2：根据扩展评价指标对模块化储能***进行扩展分析。

所述步骤3-1中，在第一扩展模式下，模块化储能***的扩展评价指标为串并联结构耦合系数，串并联结构耦合系数用η_SP表示，有：

${\mathrm{\η}}_{SP}=\frac{N_{SP}}{N}---\left(1\right)$

其中，N_SP表示串并联结构中节点度的总和，N表示模块化储能***相应的全局耦合网络中节点度的总和；

对于m个单体电池先串联构成串联模组，之后n个串联模组并联的串并联结构，串并联结构中节点度的总和N_SP表示为：

N_SP＝n(m-1)+n(n-1)(3)

模块化储能***相应的全局耦合网络中节点度的总和N表示为：

$N=\frac{nm(nm-1)}{2}---\left(4\right).$

所述步骤3-2中，在第二扩展模式下，模块化储能***的扩展评价指标为并串联结构耦合系数，并串联结构耦合系数用η_PS表示，有：

${\mathrm{\η}}_{PS}=\frac{N_{PS}}{N}---\left(5\right)$

其中，N_PS表示并串联结构中节点度的总和；

对于n个单体电池先并联构成并联模组，之后m个并联模组串联的并串联结构，并串联结构中节点度的总和N_PS表示为：

$N_{PS}=m\frac{n(n-1)}{2}+n^2(m-1)---\left(6\right).$

实施例

采用y＝2^x，x＝2、3～10方式对单体电池节点的数量y进行扩展，构建mSnP串并联和nPmS并串联方式的拓扑结构。以512个电池节点为例：

mSnP串并联方式：512S1P，256S2P，128S4P…4S128P，2S256P；

nPmS并串联方式：512P1S，256P2S，128P4S…4P128S，2P256S；

计算y＝2^x，x＝2、3～10共9组电池节点全部网络结构的串并联结构耦合系数η_SP和并串联结构耦合系数η_PS。

采用mSnP串并联方式的网络结构的串并联结构耦合系数η_SP和模块化储能***相应的全局耦合网络中节点度的总和的分布图，如图2所示(log2的双对数图)。随着节点数量倍增，模块化储能***相应的全局耦合网络中节点度的总和N呈幂函数N～f(y²)趋势增加：例如，当y由4增加到1024时，各数量级节点所构成的模块化储能***相应的全局耦合网络中节点度的总和N由12个增加到523776个。以并联数量n为基础，即***的电流等级不变，增加串联数量m，实现(m×n)个节点的网络结构在电压等级上的扩展。随着串联数量m的增加，串并联结构耦合系数η_SP呈现幂函数η_SP～f(y^-1)衰减趋势；以串联数量m为基础，即***的电压等级不变，增加并联数量n，实现(m×n)个节点的网络结构在电流等级上的扩展。随着并联数量n的增加(n<m时)，串并联结构耦合系数η_SP呈现幂函数η_SP～f(y^-1)衰减趋势。由上可见，采用mSnP串并联方式所构成的网络结构中，随着节点数量(储能***的功率/容量)的增加，在n<m时，电池节点间耦合关系的增加与节点数量的增加呈线性关系增加。

采用nPmS并串联方式的网络结构的并串联结构耦合系数η_PS的分布图，如图3所示(log2的双对数图)。由图3可知，以并联数量n为基础，即***的电流等级不变，增加串联级数m，实现(m×n)个节点的网络结构在电压等级上的扩展，随着串联数量m的增加，并串联结构耦合系数η_PS呈现幂函数η_PS～f(y^-1)衰减趋势；当采用串联数量m为基础，即模块化储能***的电压等级不变，增加并联数量n，实现(m×n)个节点的网络结构在电流等级上的扩展，随着并联数量n的增加，并串联结构耦合系数η_PS虽未见显著变化，但是其耦合关系的数量绝对值呈现幂函数f(y²)趋势增加。由上可见，采用nPmS并串联方式所构成的网络结构中，随着节点数量(储能***的功率/容量)的增加，串联电池节点间耦合影响因素的增加与节点数量的增加呈线性关系增加，并联电池节点间耦合关系的变化与节点数量y的增加呈2次幂函数关系。

上述各步骤的结果分析表明，本发明方法能有效地对模块化储能***进行网络结构扩展分析，随总电池节点数量扩增，定量地给出了串/并联连接方式在***结构扩展过程中所占的权重，可为改善模块化储能***网络的功率响应提供优化设计依据。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于复杂网络理论的模块化储能***扩展分析方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：获取模块化储能***单体电池数量和拓扑结构；

步骤2：采用二分网络模型构建模块化储能***网络模型；

步骤3：根据扩展评价指标对模块化储能***进行扩展分析。

2.根据权利要求1所述的基于复杂网络理论的模块化储能***扩展分析方法，其特征在于：所述步骤2中，模块化储能***网络模型中的节点类型包括单体电池节点和单体电池间的连接点节点，单体电池节点的连接关系作为连边，单体电池节点分别接入相邻连接点节点，同类节点间不存在连边；单个电池节点和连接点节点依次相连构成串联模组，连边分别接入相临连接点节点的两个以上单体电池节点构成并联模组，串联模组和并联模组经并/串联构成模块化储能***网络模型。

3.根据权利要求2所述的基于复杂网络理论的模块化储能***扩展分析方法，其特征在于：在总单体电池节点数量扩增条件下，扩展模式包括第一扩展模式和第二扩展模式；

所述第一扩展模式是指通过串联模组的串联倍增扩展，扩展模块化储能***的电压/功率/容量等级；

所述第二扩展模式是指通过并联模组的并联倍增扩展，扩展模块化储能***的电流/功率/容量等级。

4.根据权利要求3所述的基于复杂网络理论的模块化储能***扩展分析方法，其特征在于：所述步骤3包括以下步骤：

步骤3-1：计算不同扩展模式下的模块化储能***的扩展评价指标；

步骤3-2：根据扩展评价指标对模块化储能***进行扩展分析。

5.根据权利要求4所述的基于复杂网络理论的模块化储能***扩展分析方法，其特征在于：所述步骤3-1中，在第一扩展模式下，模块化储能***的扩展评价指标为串并联结构耦合系数，串并联结构耦合系数用η_SP表示，有：

${\mathrm{\&eta;}}_{SP}=\frac{N_{SP}}{N}---\left(1\right)$

其中，N_SP表示串并联结构中节点度的总和，N表示模块化储能***相应的全局耦合网络中节点度的总和；

对于m个单体电池先串联构成串联模组，之后n个串联模组并联的串并联结构，串并联结构中节点度的总和N_SP表示为：

N_SP＝n(m-1)+n(n-1)(3)

模块化储能***相应的全局耦合网络中节点度的总和N表示为：

$N=\frac{nm(nm-1)}{2}---\left(4\right).$

6.根据权利要求5所述的基于复杂网络理论的模块化储能***扩展分析方法，其特征在于：所述步骤3-2中，在第二扩展模式下，模块化储能***的扩展评价指标为并串联结构耦合系数，并串联结构耦合系数用η_PS表示，有：

${\mathrm{\&eta;}}_{PS}=\frac{N_{PS}}{N}---\left(5\right)$

其中，N_PS表示并串联结构中节点度的总和；

对于n个单体电池先并联构成并联模组，之后m个并联模组串联的并串联结构，并串联结构中节点度的总和N_PS表示为：

$N_{PS}=m\frac{n(n-1)}{2}+n^2(m-1)---\left(6\right).$