CN102157985B - 多类型大容量兆瓦级电池储能电站的电池功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多类型大容量兆瓦级电池储能电站的电池功率控制方法，包括步骤A数据读取；B通过小波变换控制器模块确定各电池储能系统的总功率命令值；C通过功率分配控制器模块计算出每个储能子单元的电池功率命令值；D通过功率汇总模块对各储能子单元的电池功率命令值进行汇总；E数据输出。本发明通过工控机和通信平台完成基于锂离子、液流、钠硫等多类型大容量兆瓦级储能电站内部的电池功率协调控制，可实现对多类型大容量兆瓦级电池储能电站实时有效控制。且根据不同类型电池的特性，如分别由锂离子、钠硫及液流电池承担当前总功率需求中的低频、中频及高频分量，实现提高不同类型储能电池的使用效率，延长储能电池使用寿命的控制目的。

Description

多类型大容量兆瓦级电池储能电站的电池功率控制方法

技术领域

本发明涉及一种多类型大容量兆瓦级电池储能电站的电池功率控制方法，特别是指适用于含锂离子电池、液流电池、钠硫电池等多类型大容量兆瓦级电池储能电站内储能子单元间的功率分配方法，属于智能电网以及电能量存储与转换技术领域。

背景技术

随着电池及其集成技术的不断发展，应用储能电池系统去平滑风电及太阳能发电输出逐渐成为了一种可行方案。常见的几种储能系统包括，抽水蓄能系统(pumped storage systems，PSS)，飞轮储能系统(flywheel energy storage system，FESS)，超导储能系统(superconducting magnetic energy system，SMES)，电池储能系统(battery energy storagesystem，BESS)，压缩空气储能系统(compressed air energy storage system，CAESS)，超级电容器储能系统(super capacitor energy storage system，SCESS)等。电池储能系统中目前常用的几种大容量储能电池有钠硫电池，液流电池以及锂离子电池等类型。

通过合理控制连接在储能设备上的换流器，高效实现储能系统的充放电，能在很大程度上解决由于风电及光伏发电随机性、间歇性及波动性等带来的风光发电输出功率不稳定问题，以满足风力及太阳能发电的平滑输出要求，并有效解决由于风电及光伏发电波动给电网频率波动带来的电能质量等问题。风光储联合发电系统本质上是一种多能源系统，如何协调各个电源系统的工作，是混合发电系统研发上一个关键问题。

从电池储能的角度来说，过度的充电和过度的放电都会对电池的寿命造成影响。因此，监控好电池荷电状态、在储能电站内部合理分配好总功率需求，并将电池的荷电状态控制在一定范围内是必要的。而且，在风光储联合发电系统中，如果没有合理有效的控制方法去监控储能电池的剩余电量，则会增加不必要的电池容量和使用成本。尤其，当不同特性的多种类型大容量的大规模储能电站投入运行时，有必要开展大规模储能电站内部功率及能量分配的优化控制研究并提出相关控制方法。目前有关多类型大容量兆瓦级电池储能电站控制方法方面的专利、文献、技术报告等非常非常少，需要深入研究和探索。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种多类型大容量兆瓦级电池储能电站的电池功率控制方法，实现对电池功率及能量在各储能子单元间实时优化分配和控制的目标。

为达到上述目的，本发明通过下述技术方案来实现：

一种多类型大容量兆瓦级电池储能电站的电池功率控制方法，该电池储能电站包括各种类型的电池储能系统，其包括以下步骤：

A、数据读取

读取电池储能电站运行的相关实时数据以及当前总功率需求命令值P_总需求；

B、通过小波变换控制器模块确定各电池储能系统的总功率命令值

根据步骤A读取的电池储能电站的当前总功率需求命令值P_总需求，通过小波变换控制器模块实时确定各电池储能系统的总功率命令值，且满足当前总功率需求命令值等于各电池储能系统的总功率命令值之和；

C、通过功率分配控制器模块计算出每个储能子单元的电池功率命令值

每个电池储能系统中包括若干同类型的储能子单元，根据功率分配控制器模块所采集的当前各储能子单元的状态信息以及步骤B确定的各电池储能系统的总功率命令值，计算出每个储能子单元的电池功率命令值，以保证电池储能电站的实时功率分配要求，并防止电池的过充电或过放电；

D、通过功率汇总模块对各储能子单元的电池功率命令值进行汇总

通过汇总模块将步骤C所得各储能子单元的电池功率命令值汇总后，将相关的各储能子单元电池功率命令值信号通过数据存储与管理模块反馈给通讯模块。

E、数据输出

通过通讯模块将步骤D汇总后的各储能子单元电池功率命令值信号发送给监控平台，以执行对各电池储能系统的功率控制。

其中，所述步骤B中，当前总功率需求命令值通过小波变换控制器分为低频，中频和高频三部分，分别对应于各电池储能系统的总功率命令值，通过下式分别求取低频部分所对应的电池储能系统的总功率P_低频总、中频部分所对应的电池储能系统的总功率P_中频总和高频部分所对应的电池储能系统P_高频总：

式中，P_总需求为电池储能电站的当前总功率需求命令值，

和

分别为P_总需求的低频、中频和高频分量。

其中，所述步骤C中，先通过功率分配控制器模块判断各电池储能系统处于放电或充电状态，再计算各电池储能系统中每个储能子单元的电池功率命令值：

1)当任一电池储能系统的总功率命令值为正值时，表示该电池储能系统将处于放电状态，则所有电池储能系统中各储能子单元的电池功率命令值分别基于各储能子单元的荷电状态，再通过下式计算电池储能系统中每个储能子单元的电池功率命令值：

式中，P_低频i、P_中频i和P_高频i分别为低频、中频和高频部分所对应的电池储能系统中第i个储能子单元的电池功率命令值，SOC_低频i、SOC_中频i和SOC_高频i分别为低频、中频和高频部分所对应的电池储能系统中第i个储能子单元的荷电状态，L、N和R分别为低频、中频和高频部分所对应的电池储能系统中储能子单元的个数；u_低频i、u_中频i、u_高频i分别为低频、中频和高频部分所对应的电池储能系统中第i个储能子单元的启停状态(当第i个储能子单元运行时、启停状态值为1；其他为0)；

2)当任一电池储能系统的总功率命令值为负值时，表示该电池储能系统将处于充电状态，则所有电池储能系统中各储能子单元的电池功率命令值分别基于各储能子单元的放电状态，再通过下式计算电池储能系统中每个储能子单元的电池功率命令值：

式中，SOD_低频i、SOD_中频i和SOD_高频i分别为低频、中频和高频部分所对应的电池储能系统中第i个储能子单元的放电状态。

本发明的有益效果在于：

本发明具有在多种不同类型的电池储能系统间实时分摊储能电站总功率需求的功能，以及在每个电池储能系统中同种类型的储能子单元间，基于电池储能系统处于充电或放电状态时、实时计算各储能子单元电池功率命令值的功能，从而实现了对多类型大容量兆瓦级电池储能电站的便捷、有效的控制管理模式。而且，根据不同类型电池的特性，例如分别由锂离子电池，钠硫电池及液流电池承担总功率需求P总需求中的低频，中频及高频分量，能实现提高不同类型储能电池的使用效率，延长储能电池使用寿命的控制目的。

附图说明

图1是多类型大容量兆瓦级电池储能电站的结构示意图；

图2是本发明多类型大容量兆瓦级电池储能电站的电池功率控制方法的实施框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的多类型大容量兆瓦级储能电站的电池功率控制方法进行详细说明。

本发明的电池储能电站中的电池储能系统可以采用多种类型，每种类型分别对应于当前总功率需求命令值P_总需求的低频、中频和高频部分，其中低频部分可以采用能量型电池储能系统，中频部分可以采用能量型电池储能系统或功率型电池储能系统或这两种电池储能系统的组合方式，高频部分可以采用功率型电池储能系统。

本例中以锂离子电池储能系统、钠硫电池储能系统和液流电池储能系统为例进行说明。

如图1所示，本发明的电池储能电站包括电网、变压器和三种不同类型的电池储能系统：锂离子电池储能系统、钠硫电池储能系统和液流电池储能系统，每个电池储能系统中均包含多个相互并联的储能子单元，每个储能子单元又串联有一双向变流器。其中，锂离子电池储能系统包括1号锂离子电池储能子单元……L号锂离子电池储能子单元，L为锂离子电池储能子单元的个数；钠硫电池储能系统包括1号钠硫电池储能子单元……N号钠硫电池储能子单元，N为钠硫电池储能子单元的个数；液流电池储能系统包括1号液流电池储能子单元……R号液流电池储能子单元，R为液流电池储能子单元的个数。

如图2所示，本发明是通过设置在工控机中的通讯模块10、数据存储与管理模块20、小波变换控制器模块30、功率分配控制器模块40及功率汇总模块50实现的。

通讯模块10负责接收储能电池相关运行数据(包括各储能子单元电池启停信号、各储能子单元电池SOC值信号和各储能子单元电池温度信号)、以及当前总功率需求。并且向监控平台发送各储能子单元电池功率命令值信号。

数据存储与管理模块20用于存储和管理储能电池运行时的实时数据和历史数据，并且负责将计算出的各储能子单元的功率命令值，按事先设定的协议赋值给相关接口变量，以便通过通讯模块10向监控平台发送功率命令值。

小波变换控制器模块30内包含高中低通的三种滤波器。当前总功率需求P_总需求先通过低、中、高通滤波器进行分解，分别得到低频，中频和高频三种系数；然后利用分解得到的低频、中频和高频系数进行重构，最后分别得到P_总需求的低频分量，中频分量及高频分量，所述P_{总 需求}的低频分量、中频分量及高频分量分别对应锂离子电池总功率命令值P_锂总、钠硫电池总功率命令值P_钠硫总及液流电池总功率命令值P_液流总，且应满足P_总需求＝P_锂总+P_钠硫总+P_液流总。

功率分配控制器模块40用来采集锂离子、钠硫及液流电池储能系统中各储能子单元的状态信息以及小波变换控制器模块30确定的锂离子电池总功率命令值P_锂总、钠硫电池总功率命令值P_钠硫总及液流电池总功率命令值P_液流总，并通过上述参数计算出各储能子单元的电池功率命令值，以保证电池储能电站的实时功率分配要求，并防止电池的过充电或过放电。

功率汇总模块50用于将各储能子单元的电池功率命令值汇总，并将相关的各储能子单元的电池功率命令值信号反馈给数据存储与管理模块20。

本发明提供了一种适用于锂离子电池、钠硫电池、液流电池等多类型大容量兆瓦级电池储能电站的电池功率控制方法，该方法主要是结合小波变换控制器及储能电池SOC信息，对多类型大容量储能电池进行在线功率分配和充放电状态监控，具体步骤如下：

步骤A：通过通讯模块10及数据存储与管理模块20，实时读取和管理电池储能电站运行的相关实时数据以及当前总功率需求命令值P_总需求(注：此值为电池储能电站当前需充放电的总功率命令值。在本专利中，负值表示充电，正值表示放电)。

步骤B：根据步骤A读取的电池储能电站的当前总功率需求命令值P_总需求，通过小波变换控制器模块30实时确定锂离子电池总功率命令值P_锂总、钠硫电池总功率命令值P_钠硫总以及液流电池总功率命令值P_液流总，且满足P_总需求＝P_锂总+P_钠硫总+P_液流总。

当前总功率需求命令值P_总需求通过小波变换控制器分为低频，中频和高频三部分，分别对应于锂离子、钠硫和液流电池储能系统的总功率命令值P_锂总、P_液流总、P_钠硫总，所述方法如下式(1)、(2)、(3)所示：

上式中，P_总需求为电池储能电站的当前总功率需求命令值，

和

分别为P_总需求的低频、中频和高频分量。

步骤C：根据采集的当前各储能子单元的状态信息(如电池运行状况、当前各储能子单元电池SOC值、当前各储能子单元电池温度值)和步骤B确定的各类型电池储能系统的总功率命令值，通过功率分配控制器模块40，有效地计算出各储能子单元的电池功率命令值，以保证电池储能系统的实时功率分配要求，并防止电池的过充或过放电，确保电池储能电站正常、安全、可靠的工作；

所述各储能子单元的电池功率命令值的计算方法如下所示：

1)当任一电池储能系统的总功率命令值P_锂总、P_钠硫总或P_液流总为正值时，表示该电池储能系统将处于放电状态，则所有锂离子电池、液流电池及钠硫电池储能子单元的电池功率命令值分别基于各储能子单元的荷电状态(State of Charge：SOC)，如下式(4)、(5)、(6)计算：

上式中，P_锂i、P_钠硫i和P_液流i分别为锂离子、钠硫和液流电池储能系统中第i个储能子单元的电池功率命令值，SOC_锂i、SOC_钠硫i和SOC_液流i分别为锂离子、钠硫和液流电池储能系统中第i个储能子单元的荷电状态，L、N和R分别为锂离子、钠硫和液流电池储能系统中储能子单元的个数；u_锂i、u_钠硫i、u_液流i分别为锂离子、钠硫和液流电池储能系统中第i个储能子单元的启停状态(当第i个储能子单元运行时、启停状态值为1；其他为0)。

2)当任一电池储能系统的总功率命令值P_锂总或P_钠硫总或P_液流总为负值时，表示该电池储能系统将处于充电状态，则所有锂离子电池、液流电池及钠硫电池储能子单元的电池功率命令值分别基于各储能子单元的放电状态(State of Discharge：SOD)，根据下式(7)、(8)、(9)计算：

上式中，SOD_锂i、SOD_钠硫i和SOD_液流i分别为锂离子、钠硫和液流电池储能系统中第i个储能子单元的放电状态。

步骤D：将步骤C确定的锂离子电池储能子单元电池功率命令值(P_锂1、P_锂2----P_锂L；L为锂离子电池储能子单元个数)、钠硫电池储能子单元电池功率命令值(P_钠硫1、P_钠硫2----P_钠硫N；N为钠硫电池储能子单元个数)以及液流电池储能子单元电池功率命令值(P_液流1、P_液流2----P_{液 流R}；R为液流电池储能子单元个数)，通过功率汇总模块50进行汇总后，将相关命令值信号反馈给数据存储与管理模块20，再由数据存储与管理模块20反馈到通讯模块10；

步骤E：通过通讯模块10，将步骤D汇总出的储能电站中各储能子系统电池功率命令值发送给监控平台，以执行对各储能电池单元的功率控制。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，结合上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员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，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (3)

1.一种多类型大容量兆瓦级电池储能电站的电池功率控制方法，该电池储能电站包括各种类型的电池储能系统，其包括以下步骤：

A、数据读取

读取电池储能电站运行的相关实时数据以及当前总功率需求命令值P_总需求；

B、通过小波变换控制器模块确定各电池储能系统的总功率命令值

根据步骤A读取的电池储能电站的当前总功率需求命令值P_总需求，通过小波变换控制器模块实时确定各电池储能系统的总功率命令值，且满足当前总功率需求命令值等于各电池储能系统的总功率命令值之和；

C、通过功率分配控制器模块计算出每个储能子单元的电池功率命令值

每个电池储能系统中包括若干同类型的储能子单元，根据功率分配控制器模块所采集的当前各储能子单元的状态信息以及步骤B确定的各电池储能系统的总功率命令值，计算出每个储能子单元的电池功率命令值，以保证电池储能电站的实时功率分配要求，并防止电池的过充电或过放电；

D、通过功率汇总模块对各储能子单元的电池功率命令值进行汇总

通过汇总模块将步骤C所得各储能子单元的电池功率命令值汇总后，将相关的各储能子单元电池功率命令值信号通过数据存储与管理模块反馈给通讯模块；

E、数据输出

通过通讯模块将步骤D汇总后的各储能子单元电池功率命令值信号发送给监控平台，以执行对各电池储能系统的功率控制。

2.如权利要求1所述的多类型大容量兆瓦级电池储能电站的电池功率控制方法，其特征在于：所述步骤B中，当前总功率需求命令值通过小波变换控制器分为低频，中频和高频三部分，分别对应于各电池储能系统的总功率命令值，通过下式分别求取低频部分所对应的电池储能系统的总功率P_低频总、中频部分所对应的电池储能系统的总功率P_中频总和高频部分所对应的电池储能系统P_高频总：

P_低频总=f_低频小波(P_总需求）

P_中频总=f_中频小波(P_总需求）

P_高频总=f_高频小波(P_总需求）

式中，P_总需求为电池储能电站的当前总功率需求命令值，f_低频小波(P_总需求）、f_中频小波(P_总需求）和f_高频小波(P_总需求）分别为P_总需求的低频、中频和高频分量。

3.如权利要求1所述的多类型大容量兆瓦级电池储能电站的电池功率控制方法，其特征在于：所述步骤C中，先通过功率分配控制器模块判断各电池储能系统处于放电或充电状态，再计算各电池储能系统中每个储能子单元的电池功率命令值：

1）当任一电池储能系统的总功率命令值为正值时，表示该电池储能系统将处于放电状态，则所有电池储能系统中各储能子单元的电池功率命令值分别基于各储能子单元的荷电状态，再通过下式计算电池储能系统中每个储能子单元的电池功率命令值：

式中，P_低频i、P_中频i和P_高频i分别为低频、中频和高频部分所对应的电池储能系统中第i个储能子单元的电池功率命令值，SOC_低频i、SOC_中频i和SOC_高频i分别为低频、中频和高频部分所对应的电池储能系统中第i个储能子单元的荷电状态，L、N和R分别为低频、中频和高频部分所对应的电池储能系统中储能子单元的个数；u_低频i、u_中频i、u_高频i分别为低频、中频和高频部分所对应的电池储能系统中第i个储能子单元的启停状态，运行时值为1，其他为0；

2）当任一电池储能系统的总功率命令值为负值时，表示该电池储能系统将处于充电状态，则所有电池储能系统中各储能子单元的电池功率命令值分别基于各储能子单元的放电状态，再通过下式计算电池储能系统中每个储能子单元的电池功率命令值：

式中，SOD_低频i、SOD_中频i和SOD_高频i分别为低频、中频和高频部分所对应的电池储能系统中第i个储能子单元的放电状态。

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