CN103580291A - 兼顾能量型功率型的电池储能系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种兼顾能量型功率型的电池储能系统，该系统包含：电网母线，以及并联在电网母线上的协调型储能子系统、功率型储能子系统和能量型储能子系统；协调型储能子系统、功率型储能子系统、和能量型储能子系统分别串联连接有双向逆变器，分别通过双向逆变器电路连接电网母线。本发明根据电网的功率区间配置复合储能的比例大小管理，分为功率型、协调型、能量型储能子系统，实现在较大范围内满足电网功率需求变化时整个储能电站通过分配功率来满足电网需求，将功率型电池、协调型电池及能量型电池各发挥其优势，劣势互补，达到系统的性能最优化，简单灵活，易于实现，减小电池储能系统设备投资，提高设备利用率，具备较好的经济效益。

Description

兼顾能量型功率型的电池储能系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种主动配电网间歇式能源消纳及优化技术，具体涉及一种兼顾能量型功率型的电池储能系统及其在主动配电网中的控制方法。

背景技术

主动配电网的电压协调控制相比于传统配电网的电压协调控制来讲主要强调其主动的概念。在主动配电网中，由于分布式能源的大量接入，无功调节的需求和控制手段以及目标比起传统无功电压调节更加复杂；控制策略要全局优化和局部自治相结合，满足分布式能源接入或退出运行的快速响应能力，同时还要考虑到未来的状态从而进行提前的控制。在主动配电网中，控制手段已经开始表现为多样化，强耦合这样的特点，在电网中每一时刻有一个相对于该时刻的优化性能目标。

含分布式电源的配电网由于规模较小，接入的电源形式多样，其受外界条件影响较明显。尤其是风力、光伏等间歇式能源由于受自然条件影响较大，不可避免的带来输出功率不稳定的问题。因此在主动配电网中，不仅要完整消纳间歇式能源，还要确保电网内，尤其是重要负荷的电能质量，提高用户的频率质量，减小电压波动和谐波注入。

针对主动配电网下储能系统地应用特征，通过功率型储能系统与能量型储能系统的外部复合储能系统，可通过优化设计储能电池系统，实现电池内部功率能量兼顾和复合，满足主动配电网下消纳间歇式能源的要求。

发明内容

本发明提供一种兼顾能量型功率型的电池储能系统及其在主动配电网中的控制方法，选择多种类型的电池，各形成储能子系统，按照各储能子系统的电池充放电倍率特性及容量设定对应的充放电方法，使整个储能电站的利用率最高，经济效益最大化。

为实现上述目的，本发明提供一种兼顾能量型功率型的电池储能系统，其特点是，该系统包含：电网母线，以及并联在电网母线上的协调型储能子系统、功率型储能子系统和能量型储能子系统；

上述协调型储能子系统、功率型储能子系统、和能量型储能子系统分别串联连接有双向逆变器，分别通过双向逆变器电路连接电网母线。

上述兼顾能量型功率型的电池储能系统电路连接外接的电网外环境，该电网外环境可以是微电网、大电网或电池储能电站。

一种上述兼顾能量型功率型的电池储能系统在主动配电网中的控制方法，其特点是，该方法包含以下步骤：

步骤1、将储能子系统分类为：功率型储能子系统、能量型储能子系统和协调储能子系统；

各储能子系统的允许充放电流由大到小顺序依次为：功率型储能子系统、协调储能子系统、能量型储能子系统；

各储能子系统的最大功率由大到小顺序依次为：P1>P2>P3，其中P1为功率型储能子系统的最大功率，P2为协调储能子系统的最大功率，P3为能量型储能子系统的最大功率；

各储能子系统的容量由小到大顺序依次为：C1<C2<C3，其中C1为功率型储能子系统的容量，C2为协调储能子系统的容量，C3为能量型储能子系统的容量；

各储能子系统的电荷状态的关系为：SOC1 = SOC2 = SOC3 = SOC0，其中SOC1为功率型储能子系统的电荷状态，SOC2为协调储能子系统的电荷状态，SOC3为能量型储能子系统的电荷状态，SOC0根据储能电站充放电计划来变动；

步骤2、选定两个关键节点来定义主动配电网分配给复合储能系统负荷功率绝对值的变化区间，两个关键节点分别为第一功率线、第二功率线，所述第一功率线为 （C1+C2+C3）×P3/C3，第二功率线为（C1+C2）×P2/C2+ P3；

步骤3、判断电网所需功率P0的大小，若0≤P0<第一功率线，则跳转到步骤4，若是第一功率线≤P0<第二功率线，则跳转到步骤5，若是第二功率线≤P0≤储能子系统功率总和P1+P2+P3，则跳转到步骤6；

步骤4、功率型储能子系统、能量型储能子系统和协调储能子系统同时放空或充满，跳转到步骤7；

步骤5、能量型储能子系统以最大功率分担负荷输出或输入，功率型储能子系统和协调储能子系统分配主动配电网需求功率（P0-P3），使功率型储能子系统和协调型储能子系统同时充满或放空，跳转到步骤7；

步骤6、能量型储能子系统和协调储能子系统均以最大功率输出或输入，跳转到步骤7；

步骤7、完成控制并跳转到步骤3。

上述步骤4具体包含：功率型储能子系统、能量型储能子系统和协调储能子系统按照对应容量比例同时放空或充满；

所述对应容量比例为：能量型储能子系统分配功率为C3×P0/(C1+C2+C3)，协调型储能子系统分配功率为C2×P0/(C1+C2+C3)，功率型储能子系统分配功率为C1×P0/(C1+C2+C3)；

由于C3的值会大于C1和C2，能量型储能子系统比协调型储能子系统和功率型储能子系统分配更多的功率负荷。

上述步骤5具体包含：能量型储能子系统以其最大功率P3分配功率输出或输入；

功率型储能子系统和协调储能子系统分配主动配电网需求功率（P0-P3），使功率型储能子系统和协调型储能子系统同时充满或放空；其中协调型储能子系统分配功率为C2×（P0-P3）/（C1+C2），功率型储能子系统分配功率为C1×（P0-P3）/（C1+C2）；

由于C2的值大于C1，协调型储能子系统比功率型储能子系统分配更多的功率负荷。

上述步骤6具体包含：能量型储能子系统分配功率为其最大功率P3，协调型储能子系统分配功率为其最大功率P2，功率型储能子系统分配功率为（P0-P2-P3）。

本发明兼顾能量型功率型的电池储能系统及其控制方法和现有技术的配电网的电压协调控制相比，其优点在于，本发明根据电网的功率区间配置复合储能的比例大小管理，分为功率型、协调型、能量型储能子系统，实现了在较大范围内满足电网功率需求变化时整个储能电站通过分配功率来满足电网需求，可以将功率型电池、协调型电池及能量型电池各发挥其优势，劣势互补，从而达到系统的性能最优化；简单灵活，易于实现，与单独功率型或能量型的储能系统相比，减小了电池储能系统设备投资，提高了设备利用率，具备较好的经济效益；

本发明控制方法制定，充分利用各储能子系统的特点，使功率型储能子系统在电网负荷较大时能够保持更长的在线时间；使能量型储能子系统在电网负荷小但能量总量大时能够吸收或放出更多能量；使协调型储能子系统的使用率更高，充分发挥其协调作用。利用各储能子系统的特点使各储能子系统损耗相对均衡，电站运行利益最大化。减小对储能系统荷电状态精度的要求，运行稳定；一方面保证了电池储能系统在任意时刻都具备功率紧急输出或吸收的能力；另一方面也防止了深充深放现象的发生，保证了各电池储能系统的使用寿命均一化，从而延长整个电站的使用寿命。

附图说明

图1为本发明兼顾能量型功率型的电池储能系统的结构示意图；

图2为本发明兼顾能量型功率型的电池储能系统在主动配电网中控制方法的示意图；

图3为本发明兼顾能量型功率型的电池储能系统在主动配电网中控制方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图1所示，以一种主动配电网的复合储能系统为例，该系统包含：电网母线7，以及并联在该电网母线7上的协调型储能子系统4、功率型储能子系统5和能量型储能子系统6。

协调型储能子系统4串联连接有第一双向逆变器1，功率型储能子系统5串联连接有第二双向逆变器2，能量型储能子系统6串联连接有第三双向逆变器3，并分别通过该些双向逆变器电路连接电网母线7。

兼顾能量型功率型的电池储能系统电路连接外接的电网外环境，该电网外环境可以是微电网、大电网或电池储能电站。

为保证主动配电网稳定可靠，减少负荷变化给电网带来的影响，确保系统的经济性，是储能系统实践的一个重要目的。储能系统正常运行时，通过调节输出功率保持电网的电压和频率稳定，同时为系统提供旋转功率备用，平抑负荷和间歇性电源的功率瞬时波动，具备短时的过载和轻载能力。负荷功率需求相对间歇性能源出力较大时，使其运行在最大功率跟踪模式，提高间歇性新能源利用率；而间歇性新能源相对负荷需求富余时，富余部分优先给电池储能系统充电，若仍有富余，则需限功率运行，甚至切除部分发电机组。具体到电池储能系统，通过控制，一方面，可实现对间歇性新能源的能量搬运，使其尽量跟随负荷需求，提高新能源利用率；另一方面，在系统大扰动情况下，提供紧急功率支持，协助维持系统稳定。因此电网负荷的变化范围很大，而且对储能系统的功率及能量都有一定要求，当使用复合储能方式时可以充分发挥各储能子系统的优势既能满足功率需求，也同时满足能量需求。

如图2所示，为上述一种主动配电网的复合储能系统在主动配电网中的控制方法，其包含：选定两个关键节点来定义主动配电网分配给复合储能系统负荷功率绝对值的变化区间，两个关键节点分别为第一功率线、第二功率线。当负荷功率绝对值在第一功率线以下时，主动配电网需求功率较低，储能系统可以用较缓慢的速度吸收或释放较大的能量，充分利用能量型储能子系统的特点；负荷功率绝对值在第二功率线与第一功率线之间时，主动配电网需求功率适中，储能系统既可以满足功率需求，同时也可以吸收或释放较大的能量，利用协调型储能子系统的特点使整个储能系统保持最长在线时间；负荷功率绝对值在第二功率线以上时，主动配电网需求功率较大，储能系统可以用较大的功率迅速吸收或释放能量来减少电网侧电压或者频率抖动，充分利用功率型储能子系统的特点。

如图3所示，上述控制方法具体包含以下步骤：

步骤1、复合储能系统中包含有若干储能子系统，该些储能子系统分类为：功率型储能子系统、能量型储能子系统和协调储能子系统。

三类储能子系统的允许充放电流由大到小顺序依次为：功率型储能子系统、协调储能子系统、能量型储能子系统。

各储能子系统的最大功率由大到小顺序依次为：P1>P2>P3，其中P1为功率型储能子系统的最大功率，P2为协调储能子系统的最大功率，P3为能量型储能子系统的最大功率。

各储能子系统的容量由小到大顺序依次为：C1<C2<C3，其中C1为功率型储能子系统的容量，C2为协调储能子系统的容量，C3为能量型储能子系统的容量。

各储能子系统的电荷状态的关系为：SOC1 = SOC2 = SOC3 = SOC0，其中SOC1为功率型储能子系统的电荷状态，SOC2为协调储能子系统的电荷状态，SOC3为能量型储能子系统的电荷状态，SOC0根据储能电站充放电计划来变动，尽量使储能电站更好的配合电网计划。

步骤2、按照电网所需的功率P0分为三个区间，选定两个关键节点来定义主动配电网分配给复合储能系统负荷功率绝对值的变化区间，两个关键节点分别为第一功率线、第二功率线，所述第一功率线为 （C1+C2+C3）×P3/C3，第二功率线为（C1+C2）×P2/C2+ P3。

步骤3、判断电网所需功率P0的大小，若0≤P0<第一功率线，则跳转到步骤4，若是第一功率线≤P0<第二功率线，则跳转到步骤5，若是第二功率线≤P0≤储能子系统功率总和P1+P2+P3，则跳转到步骤6。

步骤4、功率型储能子系统、能量型储能子系统和协调储能子系统按照对应容量比例同时放空或充满。

上述对应容量比例为：能量型储能子系统分配功率为C3×P0/(C1+C2+C3)，协调型储能子系统分配功率为C2×P0/(C1+C2+C3)，功率型储能子系统分配功率为C1×P0/(C1+C2+C3)。

由于C3的值会大于C1和C2，能量型储能子系统比协调型储能子系统和功率型储能子系统分配更多的功率负荷，充分发挥能量型子系统的特点来实现系统能量在长时间尺度内的供需平衡。

完成后步骤4后跳转到步骤7。

步骤5、能量型储能子系统以其最大功率P3分配功率输出或输入。

功率型储能子系统和协调储能子系统分配主动配电网需求功率（P0-P3），使功率型储能子系统和协调型储能子系统同时充满或放空。其中协调型储能子系统分配功率为C2×（P0-P3）/（C1+C2），功率型储能子系统分配功率为C1×（P0-P3）/（C1+C2）。

由于C2的值大于C1，协调型储能子系统比功率型储能子系统分配更多的功率负荷，发挥其协调能力，兼顾了能量搬运与功率紧急控制的两种功能。

完成后步骤5后跳转到步骤7。

步骤6、能量型储能子系统和协调储能子系统均以最大功率输出或输入。

能量型储能子系统分配功率为其最大功率P3，协调型储能子系统分配功率为其最大功率P2，功率型储能子系统分配功率为（P0-P2-P3）。

紧急功率控制属于系统大扰动情况下的过渡过程。在系统大扰动发生而触发电池储能系统进入紧急功率控制工况后，应通过系统控制和调度管理技术，逐渐消除扰动产生的后果，尽快使电池储能系统回复到能量搬运的正常运行状态，避免电池长时间的较大充放电倍率运行工况。

完成步骤6后跳转到步骤7。

步骤7、完成控制并跳转到步骤3循环进行，实时调整控制策略。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种兼顾能量型功率型的电池储能系统，其特征在于，该系统包含：电网母线（7），以及并联在所述电网母线（7）上的协调型储能子系统（4）、功率型储能子系统（5）和能量型储能子系统（6）；

所述协调型储能子系统（4）、功率型储能子系统（5）、和能量型储能子系统（6）分别串联连接有双向逆变器，分别通过双向逆变器电路连接电网母线（7）。

2.如权利要求1所述的兼顾能量型功率型的电池储能系统，其特征在于，所述兼顾能量型功率型的电池储能系统电路连接外接的电网外环境，该电网外环境可以是微电网、大电网或电池储能电站。

3.一种如权利要求1或2中任意一项权利要求所述的兼顾能量型功率型的电池储能系统在主动配电网中的控制方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

步骤1、将储能子系统分类为：功率型储能子系统、能量型储能子系统和协调储能子系统；

各储能子系统的允许充放电流由大到小顺序依次为：功率型储能子系统、协调储能子系统、能量型储能子系统；

各储能子系统的最大功率由大到小顺序依次为：P1>P2>P3，其中P1为功率型储能子系统的最大功率，P2为协调储能子系统的最大功率，P3为能量型储能子系统的最大功率；

各储能子系统的容量由小到大顺序依次为：C1<C2<C3，其中C1为功率型储能子系统的容量，C2为协调储能子系统的容量，C3为能量型储能子系统的容量；

各储能子系统的电荷状态的关系为：SOC1 = SOC2 = SOC3 = SOC0，其中SOC1为功率型储能子系统的电荷状态，SOC2为协调储能子系统的电荷状态，SOC3为能量型储能子系统的电荷状态，SOC0根据储能电站充放电计划来变动；

步骤2、选定两个关键节点来定义主动配电网分配给复合储能系统负荷功率绝对值的变化区间，两个关键节点分别为第一功率线、第二功率线，所述第一功率线为 （C1+C2+C3）×P3/C3，第二功率线为（C1+C2）×P2/C2+ P3；

步骤3、判断电网所需功率P0的大小，若0≤P0<第一功率线，则跳转到步骤4，若是第一功率线≤P0<第二功率线，则跳转到步骤5，若是第二功率线≤P0≤储能子系统功率总和P1+P2+P3，则跳转到步骤6；

步骤4、功率型储能子系统、能量型储能子系统和协调储能子系统同时放空或充满，跳转到步骤7；

步骤5、能量型储能子系统以最大功率分担负荷输出或输入，功率型储能子系统和协调储能子系统分配主动配电网需求功率（P0-P3），使功率型储能子系统和协调型储能子系统同时充满或放空，跳转到步骤7；

步骤6、能量型储能子系统和协调储能子系统均以最大功率输出或输入，跳转到步骤7；

步骤7、完成控制并跳转到步骤3。

4.如权利要求3所述的兼顾能量型功率型的电池储能系统在主动配电网中的控制方法，其特征在于，所述步骤4包含：

功率型储能子系统、能量型储能子系统和协调储能子系统按照对应容量比例同时放空或充满；

所述对应容量比例为：能量型储能子系统分配功率为C3×P0/(C1+C2+C3)，协调型储能子系统分配功率为C2×P0/(C1+C2+C3)，功率型储能子系统分配功率为C1×P0/(C1+C2+C3)；

由于C3的值会大于C1和C2，能量型储能子系统比协调型储能子系统和功率型储能子系统分配更多的功率负荷。

5.如权利要求3所述的兼顾能量型功率型的电池储能系统在主动配电网中的控制方法，其特征在于，所述步骤5包含：

能量型储能子系统以其最大功率P3分配功率输出或输入；

功率型储能子系统和协调储能子系统分配主动配电网需求功率（P0-P3），使功率型储能子系统和协调型储能子系统同时充满或放空；其中协调型储能子系统分配功率为C2×（P0-P3）/（C1+C2），功率型储能子系统分配功率为C1×（P0-P3）/（C1+C2）；

由于C2的值大于C1，协调型储能子系统比功率型储能子系统分配更多的功率负荷。

6.如权利要求3所述的兼顾能量型功率型的电池储能系统在主动配电网中的控制方法，其特征在于，所述步骤6包含：

能量型储能子系统分配功率为其最大功率P3，协调型储能子系统分配功率为其最大功率P2，功率型储能子系统分配功率为（P0-P2-P3）。

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