CN102664401A - 一种基于电池寿命模型的微电网控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统领域的微电网控制方法，具体讲涉及一种基于电池寿命模型的微电网控制方法。该方法包括下述步骤：(1)建立电池寿命模型；(2)判断电池运行参数是否越限；(3)判断所述微电网是否有自平衡度和自平滑度约束；(4)对无自平衡度和自平滑度约束控制；(5)对有自平衡度和自平滑度约束控制；(6)调整所述电池运行参数越限时的电池运行参数。本发明提供的方法根据影响电池循环寿命的各种运行参数，进行优化组合控制，从而能够在响应配电网调度指令的同时，很好的延长储能电池的使用寿命，减少微电网全寿命投资成本，为推广微网的快速发展提供了一种有效的技术支撑。

Description

一种基于电池寿命模型的微电网控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域的微电网控制方法，具体讲涉及一种基于电池寿命模型的微电网控制方法。

背景技术

近年来随着环境的日益恶化和不可再生能源的稀缺，发展微电网(以下简称微网)逐渐成为一种满足负荷增长需求、减少环境污染、提高能源综合利用效率和供电可靠性的有效途径。而储能电池因其技术成熟、使用方便、价格便宜，在微网中得到了广泛应用。通过对储能电池的充放电控制，可实现平抑功率波动、削峰填谷、提高供电可靠性、改善电能质量等。然而，电池的频繁充放和过充过放，将会对电池本体造成极大的损害，减少电池的循环寿命，增大微网的全寿命投资成本。目前对储能电池的控制只是简单基于电池荷电状态(以下简称SOC)的控制，尚未有一套完整的优化控制方法解决上述问题，阻碍了微电网的快速发展和应用。

发明内容

针对上述储能电池控制存在的问题，本发明提供一种基于电池寿命模型的微电网控制方法，该方法根据影响电池循环寿命的各种运行参数，进行优化组合控制，从而能够在响应配电网调度指令的同时，很好的延长储能电池的使用寿命，减少微电网全寿命投资成本，为推广微网的快速发展提供了一种有效的技术支撑。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种基于电池寿命模型的微电网控制方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

(1)建立电池寿命模型；

(2)判断电池运行参数是否越限；

(3)判断所述微电网是否有自平衡度和自平滑度约束；

(4)对无自平衡度和自平滑度约束控制；

(5)对有自平衡度和自平滑度约束控制；

(6)调整所述电池运行参数越限时的电池运行参数。

本发明提供的一种优选的技术方案是：所述步骤(1)的建立电池寿命模型包括下述步骤：

a、通过建模计算和仿真分析，建立电池寿命模型；

b、根据步骤a所述的电池寿命模型，预测不同工况下的电池寿命衰减速度；

c、根据步骤b所述的电池寿命衰减速度，确定电池寿命保护限值。

本发明提供的第二优选的技术方案是：所述步骤(2)中的电池运行参数包括电池荷电状态、充放电电流和电池温度；所述电池运行参数与步骤(1)中所述电池寿命保护限值进行比较，并判断所述电池运行参数是否越限。

本发明提供的一种较优选的技术方案是：若所述电池运行参数没有越限，则进行步骤(3)；否则，进行步骤(6)。

本发明提供的第三优选的技术方案是：所述微电网自平衡度k(t)是指微电网中分布式电源和电池的输出功率与负荷需求功率的比值，是反映微电网输出功率能否满足本地负荷需求的特征值；k(t)表达式如下：

$k\left(t\right)=\frac{P_G\left(t\right)}{P_L\left(t\right)}$ ①；

所述微电网自平滑度s(t)是指微电网并网联络线交换功率的变化率，是反映微电网与配电网交换功率波动的一个特征值，s(t)表达式如下：

$s\left(t\right)=\frac{{\mathrm{dP}}_L\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$ ②；

本发明提供的还一较优选的技术方案是：所述步骤(3)根据自平衡度和自平滑度约束条件判断微电网是否有自平衡度和自平滑度约束。

所述自平衡度和自平滑度约束条件分别为：

自平衡度k(t)与k_min(t)和k_max(t)进行比较；当k_min(t)≤k(t)≤k_max(t)时，表示微电网输出功率正好在k_min(t)至k_max(t)内波动，则满足本地或远程负荷需求；当k(t)＜k_min(t)时，表示微电网输出功率不能满足本地或远程负荷需求(注，此处负荷需求是指微电网自平衡度下的负荷需求)，则加大微电网输出功率出力或减少已投入的可控负荷；当k(t)＞k_max(t)时，表示微电网输出功率大于本地或远程负荷需求，则减少微电网输出功率或投入已切除的可控负荷；

其中：k_min(t)为自平衡度最小边界值；k_max(t)为自平衡度最大边界值；

自平滑度的绝对值|s(t)|与s_min和s_max进行比较；当s_min≤|s(t)|≤s_max时，所述微电网并网联络线交换功率曲线平滑；当|s(t)|＜s_min时，所述微电网并网联络线交换功率曲线平滑；当|s(t)|＞s_max时，所述微电网并网联络线交换功率波动曲线不平滑，需要加大电池的调节力度，以减少对区域配电网的扰动影响；

其中：s_min为自平滑度最小边界值；s_max为自平滑度最大边界值。

本发明提供的再一较优选的技术方案是：所述步骤(3)判断无自平衡度和自平滑度约束时，进入步骤(4)；判断有自平衡度和自平滑度约束时，进入步骤(5)。

本发明提供的第四优选的技术方案是：所述步骤(4)对无自平衡度和自平滑度约束控制包括下述步骤：

i、选择电池的寿命衰减速度；所述电池寿命衰减速度由电池的使用时间、参与调节的程度、分担的出力的情况确定；

ii、根据步骤(1)所述的电池寿命模型计算电池衰减速度对应的电池运行参数；

iii、根据步骤(ii)计算的电池运行参数，对电池进行充放电控制。

本发明提供的第五优选的技术方案是：对步骤(5)有自平衡度和自平滑度约束控制包括：根据自平衡度和自平滑度约束条件计算出相应电池运行参数，计算不同电池运行参数对应的电池寿命衰减速度，最终选择所述电池寿命衰减速度最小的工况运行。

本发明提供的第六优选的技术方案是：步骤(6)所述的电池运行参数越限包括电池荷电状态越限、电池充放电电流越限和电池温度越限；当电池运行参数越限时，调整所述的电池运行参数。

本发明提供的另一较优选的技术方案是：所述电池荷电状态越限包括电池荷电状态小于所述电池寿命保护限值和大于所述电池寿命保护限值；

当电池荷电状态小于所述电池寿命保护限值时，为电池充电；当充电不能完成时，则电池停止充电，进入停机状态；

当电池荷电状态大于所述电池寿命保护限值，即电池荷电状态值为满值时，给电池放电；若不需要放电，则停止充电，进入待机状态。

本发明提供的又一较优选的技术方案是：所述电池充放电电流越限包括电池充放电电流小于所述电池寿命保护限值和大于所述电池寿命保护限值；

当电池充放电电流小于所述电池寿命保护限值时，则增加所述微电网中分布式电源出力并减少可控负荷；

当电池充放电电流大于所述电池寿命保护限值时，则减小所述微电网中分布式电源出力并增加可控负荷。

本发明提供的还一较优选的技术方案是：所述电池温度越限包括电池温度小于所述电池寿命保护限值和大于所述电池寿命保护限值；当电池温度小于所述电池寿命保护限值或大于所述电池寿命保护限值时，则调节微电网中风扇空调，使电池工作在0℃～40℃温度范围内。

注：此处电池为泛指化学电池，其因种类、型号不同，最佳工作温度范围也不尽相同，所以很难给出一个具体的数据范围。以锂离子电池为例，其最佳工作温度，一般在常温下25℃左右。当工作温度超过一定范围(此工作范围可以由寿命模型进行推算)，锂电池循环寿命会迅速下降。但实际应用时，锂电池会因工程地点不同，而工作于0℃～40℃之间。

与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明在电池寿命模型的基础上，提出了一种新的微电网协调控制方法。该方法系统化的提出了影响电池循环寿命的运行参数和对应的调整措施，从而使电池工作在相对最优工况下，延长了其在实际应用中的循环寿命，节省了微电网全寿命投资费用，为微电网技术的应用和推广，提供了有力的技术支撑；

2、本发明中提出的延长电池循环寿命的优化控制与其他分布式电源和可控负荷相结合，通过优化组合和协调控制，在延长电池循环寿命的同时也提高了微电网的供电可靠性和能源利用效率，并响应了区域配电网对微电网自平衡度和自平滑度的调度指令，从而减少了大量微电网并网后对区域配电网的冲击和不利影响；

3、本发明提出的一种基于电池寿命模型的微电网控制方法，阐述了微网中分布式电源、储能电池和可控负荷在延长电池循环寿命时的控制关系，从另一种角度为微电网中分布式电源、储能及负荷的功率和容量配比提供了相应的理论依据，从而为微电网的优化规划设计也提供了技术参考。

附图说明

图1是本发明提供的基于电池寿命模型的微电网控制方法的流程图；

图2是本发明提供实施例的一种含风光储气型微电网系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明采用的是锂离子电池(以下简称锂电池)寿命模型来加以说明。需要指出的是本发明不局限于锂电池，可以是铅酸电池、镍氢电池等；也不局限于目前的化学电池，只要通过数据计算分析后，可以得到储能装置的寿命模型，并在寿命保护限值和调度指令约束下进行优化控制的，都属于本发明应用范畴。

本发明的关键在于：基于锂电池寿命模型，在电池寿命保护限值、微网自平衡度和自平滑度的多约束条件下，寻找出一种最优的控制方法，使锂电池在相对最优的工况下运行，从而延长它的使用寿命。具体如下：

如图1所示，图1是本发明提供的基于电池寿命模型的微电网控制方法的流程图。本发明的控制方法包括下述步骤：

1、建立锂电池寿命模型。

首先确定微网中选用锂电池的类型、型号，然后根据厂家提供的该型号锂电池不同工况下的循环寿命数据，通过建模仿真和计算分析，建立该型号锂电池寿命模型。锂电池寿命模型跟锂电池的荷电状态SOC、充放电电流大小、电池温度等因素相关。根据该锂电池寿命模型，可预测不同工况下的电池寿命衰减情况；然后由电池寿命衰减分析，可得到锂电池在什么样的运行工况下，循环电池寿命衰减速度，从而确定电池寿命保护限值；在什么样的工况下，循环电池寿命衰减变缓慢，从而达到相对最优运行。

2、判断锂电池运行参数是否越限。

根据目前锂电池的运行参数，如锂电池的荷电状态SOC、充放电电流、电池温度等，与步骤1中确定的电池寿命保护限值进行比较，并判断锂电池目前的运行参数是否越限。

如果锂电池的运行参数没有越限，则继续进行步骤3微网自平衡和平滑度约束判定；如果锂电池的运行参数越限，则进行步骤6中所述调整控制。

3、判断微电网是否有自平衡度和自平滑度约束。

微电网自平衡度k(t)是指微电网中分布式电源和电池的输出功率与负荷需求功率的比值，是反映微电网输出功率能否满足本地负荷需求的特征值；k(t)表达式如下：

$k\left(t\right)=\frac{P_G\left(t\right)}{P_L\left(t\right)}$ ①；

微电网自平滑度s(t)是指微电网并网联络线交换功率的变化率，是反映微电网与配电网交换功率波动的一个特征值，s(t)表达式如下：

$s\left(t\right)=\frac{{\mathrm{dP}}_L\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$ ②；

步骤3根据自平衡度和自平滑度约束条件判断微电网是否有自平衡度和自平滑度约束。

自平衡度和自平滑度约束条件分别为：

自平衡度k(t)与k_min(t)和k_max(t)进行比较；当k_min(t)≤k(t)≤k_max(t)时，表示微电网输出功率正好在k_min(t)至k_max(t)内波动，则满足本地或远程负荷需求；当k(t)＜k_min(t)时，表示微电网输出功率不能满足本地或远程负荷需求，则加大微电网输出功率出力或减少已投入的可控负荷；当k(t)＞k_max(t)时，表示微电网输出功率大于本地或远程负荷需求，则减少微电网输出功率或投入已切除的可控负荷；

其中：k_min(t)为自平衡度最小边界值；k_max(t)为自平衡度最大边界值；

自平滑度的绝对值|s(t)|与s_min和s_max进行比较；当s_min≤|s(t)|≤s_max时，所述微电网并网联络线交换功率曲线平滑；当|s(t)|＜s_min时，所述微电网并网联络线交换功率曲线平滑；当|s(t)|＞s_max时，所述微电网并网联络线交换功率波动曲线不平滑，需要加大电池的调节力度，以减少对区域配电网的扰动影响；

其中：s_min为自平滑度最小边界值；s_max为自平滑度最大边界值。

微电网能量管理系统或上级调度系统制定微电网运行的自平衡度边界曲线k_min(t)-k_max(t)和自平滑度限值s_min和s_max，并以此来进行优化控制，实现微电网和配电网的协调互动。因此需继续判定微电网是否受自平衡度和自平滑度的约束。如果没有约束，则进行步骤4所述的无约束控制；如果存在约束则进行步骤5所述的约束控制。

4、对无微网自平衡度和自平滑度约束控制。

当无微网自平衡度和自平滑度约束时，根据实际应用需求，合理选择锂电池的电池寿命衰减情况，锂电池寿命衰减情况可由锂电池使用时间、参与调节的程度、分担的出力的情况确定；然后基于锂电池寿命模型估算该衰减速度对应的电池运行参数，最后根据估算的运行参数，对电池进行充放电控制。例如对锂电池进行充电，在无约束条件下，为保持电池较小的寿命衰减速度，控制相应的充电电流，即随着荷电状态SOC从低到高，进行充电电流由低到高再到低的变化控制。

5、对有微网自平衡度和自平滑度约束控制。

当有微网自平衡度和自平滑度约束时，根据约束条件推算出相应锂电池运行参数，估算不同运行参数对应的寿命衰减速度，从中选择寿命衰减相对最小的工况运行。例如对锂电池进行放电，在有约束时，限定了锂电池相应的输出功率范围。在该范围中，确定一条寿命衰减最小的输出功率曲线和对应的放电电流，并以此控制锂电池放电。

6、调整所述电池运行参数越限时的电池运行参数。

锂电池运行参数越限在实际应用中分三个部分，即荷电状态值SOC越限、电池充放电流越限和电池温度越限。当电池运行参数越限时，调整所述的电池运行参数。针对不同的越限情况，进行单项或组合调整控制。

1)电池荷电状态越限包括电池荷电状态小于电池寿命保护限值和大于电池寿命保护限值；

当电池荷电状态小于电池寿命保护限值时，为电池充电；当充电不能完成时，则电池停止充电，进入停机状态；

当电池荷电状态大于电池寿命保护限值，即电池荷电状态值为满值时，给电池放电；若不需要放电，则停止充电，进入待机状态。

2)电池充放电电流越限包括电池充放电电流小于电池寿命保护限值和大于电池寿命保护限值；

当电池充放电电流小于电池寿命保护限值时，说明分布式电源出力过多，或者微网中负荷较少，此时应检查是否还有未投入的可控负荷，如果有则投入使用，没有的话则减少微电网中分布式电源的出力。

当电池充放电电流大于电池寿命保护限值时，说明分布式电源出力不足，或微网中的负荷过多，此时检查微电网中分布式电源是否出力最大，如果没有的话，调节分布式电源出力至最大；如果已经最大，则开始切除部分可控负荷。

3)电池温度越限包括电池温度小于电池寿命保护限值和大于电池寿命保护限值；

电池温度小于电池寿命保护限值或大于电池寿命保护限值时，应通过微电网中的风扇、空调等装置，调节电池储存间内的温度，使电池工作在寿命衰减速度较小的温度范围内。

下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例

本发明提供一种含风光储气型微电网系统结构图，该微电网包括风力发电、光伏发电、锂电池组、微型燃气轮机、居民普通用电负荷、可控电加热负荷以及无功补偿装置。其中普通用电负荷指居民家用电器消耗用电，可控电加热负荷指小区内利用富裕电量进行水加热，间接储能所消耗的用电。

首先根据微网中选用锂电池的类型、型号和厂家提供的该型号锂电池不同工况下的循环寿命数据，即不同的SOC、充放电电流和温度下的锂电池循环寿命；建立该型号锂电池寿命模型。根据此寿命模型，预测不同工况下的寿命衰减情况，设定锂电池寿命保护限值；

当微电网运行在某时刻时，该锂电池组处于放电状态，其运行参数在寿命保护限值以下，此时存在微网自平衡度和自平滑度约束。根据约束条件，即需要锂电池组的放电功率范围，计算出相应锂电池的放电电流值域。根据此时锂电池的SOC、需要放电的电流大小和温度，估算在不同工况下对应的寿命衰减速度，从中选择寿命衰减相对最小的工况运行。

随着时间的变化，负荷用电需求增大。因分布式电源的调节不如锂电池组灵活、方便，因此在自平衡度的限定下，缺额功率由锂电池组来补偿，即增大放电电流。当放电电流增大到超过寿命保护限值时，为了保证锂电池的循环寿命，此时必须增大分布式电源的出力，减少锂电池组分担的放电功率。在该风光储气型微网中，可以调节微燃气轮机的出力来实现上述目的。如果此时微燃气轮机组已经达到最大出力，则减少可控电热负荷。当微电网继续运行，而锂电池SOC值越限时，开始给锂电池组充电；如果不能顺利充电，则锂电池组停止放电，进入停机状态。

本发明首先根据实验数据，建立选用电池的寿命模型；然后由寿命衰减分析，确定电池寿命保护限值。微电网实际运行中，先对电池的运行参数进行判断，是否超出寿命保护限值，如果没有超出寿命保护限值，则继续判定是否有微网自平衡度和自平滑度约束，并根据有无约束情况进行相应控制；如果运行参数超出寿命保护限值，则根据不同的越限参数，进行调节控制。本发明根据影响电池循环寿命的各种参数，进行优化组合控制，从而能够在响应配电网调度指令的同时，很好的延长储能电池的使用寿命，减少微网全寿命投资成本，为推广微网在我国的快速发展提供了一种技术支撑。

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，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (13)

1.一种基于电池寿命模型的微电网控制方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

(1)建立电池寿命模型；

(2)判断电池运行参数是否越限；

(3)判断所述微电网是否有自平衡度和自平滑度约束；

(4)对无自平衡度和自平滑度约束控制；

(5)对有自平衡度和自平滑度约束控制；

(6)调整所述电池运行参数越限时的电池运行参数。

2.如权利要求1所述的微电网控制方法，其特征在于，所述步骤(1)的建立电池寿命模型包括下述步骤：

a、通过建模计算和仿真分析，建立电池寿命模型；

b、根据步骤a所述的电池寿命模型，预测不同工况下的电池寿命衰减速度；

c、根据步骤b所述的电池寿命衰减速度，确定电池寿命保护限值。

3.如权利要求1所述的微电网控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中的电池运行参数包括电池荷电状态、充放电电流和电池温度；所述电池运行参数与步骤(1)中所述电池寿命保护限值进行比较，并判断所述电池运行参数是否越限。

4.如权利要求3所述的微电网控制方法，其特征在于，若所述电池运行参数没有越限，则进行步骤(3)；否则，进行步骤(6)。

5.如权利要求1所述的微电网控制方法，其特征在于，所述微电网自平衡度k(t)是指微电网中分布式电源和电池的输出功率与负荷需求功率的比值，是反映微电网输出功率能否满足本地负荷需求的特征值；k(t)表达式如下：

$k\left(t\right)=\frac{P_G\left(t\right)}{P_L\left(t\right)}$ ①；

所述微电网自平滑度s(t)是指微电网并网联络线交换功率的变化率，是反映微电网与配电网交换功率波动的一个特征值，s(t)表达式如下：

$s\left(t\right)=\frac{{\mathrm{dP}}_L\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$ ②；

所述步骤(3)根据自平衡度和自平滑度约束条件判断微电网是否有自平衡度和自平滑度约束。

6.如权利要求5所述的微电网控制方法，其特征在于，所述自平衡度和自平滑度约束条件分别为：

自平衡度k(t)与k_min(t)和k_max(t)进行比较；当k_min(t)≤k(t)≤k_max(t)时，表示微电网输出功率正好在k_min(t)至k_max(t)内波动，则满足本地或远程负荷需求；当k(t)＜k_min(t)时，表示微电网输出功率不能满足本地或远程负荷需求，则加大微电网输出功率出力或减少已投入的可控负荷；当k(t)＞k_max(t)时，表示微电网输出功率大于本地或远程负荷需求，则减少微电网输出功率或投入已切除的可控负荷；

其中：k_min(t)为自平衡度最小边界值；k_max(t)为自平衡度最大边界值；

自平滑度的绝对值|s(t)|与s_min和s_max进行比较；当s_min≤|s(t)|≤s_max时，所述微电网并网联络线交换功率曲线平滑；当|s(t)|＜s_min时，所述微电网并网联络线交换功率曲线平滑；当|s(t)|＞s_max时，所述微电网并网联络线交换功率波动曲线不平滑，需要加大电池的调节力度，以减少对区域配电网的扰动影响；

其中：s_min为自平滑度最小边界值；s_max为自平滑度最大边界值。

7.如权利要求5所述的微电网控制方法，其特征在于，所述步骤(3)判断无自平衡度和自平滑度约束时，进入步骤(4)；判断有自平衡度和自平滑度约束时，进入步骤(5)。

8.如权利要求1所述的微电网控制方法，其特征在于，所述步骤(4)对无自平衡度和自平滑度约束控制包括下述步骤：

i、选择电池的寿命衰减速度；所述电池寿命衰减速度由电池的使用时间、参与调节的程度、分担的出力的情况确定；

ii、根据步骤(1)所述的电池寿命模型计算电池衰减速度对应的电池运行参数；

iii、根据步骤(ii)计算的电池运行参数，对电池进行充放电控制。

9.如权利要求1所述的微电网控制方法，其特征在于，对步骤(5)有自平衡度和自平滑度约束控制包括：根据自平衡度和自平滑度约束条件计算出相应电池运行参数，计算不同电池运行参数对应的电池寿命衰减速度，最终选择所述电池寿命衰减速度最小的工况运行。

10.如权利要求1所述的微电网控制方法，其特征在于，步骤(6)所述的电池运行参数越限包括电池荷电状态越限、电池充放电电流越限和电池温度越限；当电池运行参数越限时，调整所述的电池运行参数。

11.如权利要求10所述的微电网控制方法，其特征在于，所述电池荷电状态越限包括电池荷电状态小于所述电池寿命保护限值和大于所述电池寿命保护限值；

当电池荷电状态小于所述电池寿命保护限值时，为电池充电；当充电不能完成时，则电池停止充电，进入停机状态；

当电池荷电状态大于所述电池寿命保护限值，即电池荷电状态值为满值时，给电池放电；若不需要放电，则停止充电，进入待机状态。

12.如权利要求10所述的微电网控制方法，其特征在于，所述电池充放电电流越限包括电池充放电电流小于所述电池寿命保护限值和大于所述电池寿命保护限值；

当电池充放电电流小于所述电池寿命保护限值时，则增加所述微电网中分布式电源出力并减少可控负荷；

当电池充放电电流大于所述电池寿命保护限值时，则减小所述微电网中分布式电源出力并增加可控负荷。

13.如权利要求10所述的微电网控制方法，其特征在于，所述电池温度越限包括电池温度小于所述电池寿命保护限值和大于所述电池寿命保护限值；当电池温度小于所述电池寿命保护限值或大于所述电池寿命保护限值时，则调节微电网中风扇空调，使电池工作在0℃～40℃温度范围内。