CN103904735B - 一种用于间歇式可再生能源发电系统的储能子系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统微电网的储能领域，尤其涉及微电网中储能系统的一种用于间歇式可再生能源发电系统的储能子系统及其控制方法。用于间歇式可再生能源发电系统的储能子系统，包括彼此独立的蓄电池组、双向DC电力变换装置、蓄电池充放电控制器、蓄电池状态监测装置、储能系统集中控制装置以及连接线路。本发明利用全部蓄电池来完成间歇式新能源发电与电力负荷间的瞬时功率平衡、最大限度的提高能源利用率，避免了蓄电池组的闲置浪费，又可以有效保护蓄电池的性能，延长其使用寿命。

Description

一种用于间歇式可再生能源发电系统的储能子系统及其控制方法

技术领域

本发明属于电力系统微电网的储能领域，尤其涉及微电网中储能系统的一种用于间歇式可再生能源发电系统的储能子系统及其控制方法。

背景技术

风、光这类新能源发电设备发电具有间歇性和随机性等特点，为了满足这类高渗透率系统的持续平稳供电需要，储能设备是必须要配备的。目前技术条件下，大容量储能依然以铅酸蓄电池为主。然而铅酸蓄电池在使用过程中，如果控制策略不得当，将直接导致蓄电池的使用寿命明显缩短，大幅减少应有储能能力。而风、光等能源间歇、分布、随机的发电特点，却要求储能装置必须经常处于在随机交替充放电的工作状态，这种工作状态将严重影响蓄电池的储能能力和使用寿命。目前针对以上问题，在独立微电网储能系统的设计中，一般采用以下两种具体解决方案：

第一种方案是使用新型蓄电池或储能装置。某些新型蓄电池可以避免深度放电或频繁充放对其使用寿命所产生的影响。但是其一般价格比较高，同时在使用过程中的其他附加条件要求可能较苛刻，或者有投资成本过高、技术不完善等缺点，单独使用难以满足储能需求。

第二种方案是多种储能设备混合使用，组成混合储能系统。这种方法可以有效规避单一储能工作方式的一些缺点，具有一定的良好效果。但是由于混合储能系统的结构较复杂，组合方式多样，不同组合方式之间的优劣差异目前尚无定论。且其需要针对不同实例专门进行针对性的设计，并且控制策略复杂，实现过程中长时间的稳定性难以保证。同时其扩展性不好，在需要进行容量扩展的情况下一般需要变更控制策略，维护较困难。

针对微电网中铅酸蓄电池为储能元件的储能系统，专利CN201210281726.8提出了一种针对独立式光伏发电系统蓄电池储能的分组控制方法，其核心策略是将蓄电池拆分为多个独立的蓄电池组，在不同的工作状态下使用不同的组以求避免蓄电池交替充放电的情况发生。但是此专利为了满足其保护蓄电池的目的，很大程度上牺牲了储能系统的整体性能。其控制策略只能实现某一时刻对单组蓄电池进行充放，其余蓄电池组则会处于空闲状态，因此为了满足功率需求较大的情况，就需要增加储能系统总体容量，使得建设成本增加，造成不必要的浪费。

发明内容

本发明的目的在于针对现有服务于间歇式可再生能源发电系统的储能子系统的不足提出了一种用于间歇式可再生能源发电系统的储能子系统，本发明的目的还在于提出一种用于间歇式可再生能源发电系统的储能子系统控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

用于间歇式可再生能源发电系统的储能子系统，包括彼此独立的蓄电池组、双向DC电力变换装置、蓄电池充放电控制器、蓄电池状态监测装置、储能系统集中控制装置以及连接线路，一个蓄电池组由大量的单体蓄电池串并联组成，通过线缆连接到双向DC电力变换装置的一侧，双向DC电力变换装置包括双向直流升降压电路及其驱动电路；双向DC变换装置的另一侧通过线缆连接到直流母线；双向DC电力变换装置通过连接到蓄电池组的电压传感器、电流传感器和温度传感器采集蓄电池组的电压、电流和温度信号并进行模数转换和计算蓄电池组的荷电状态数据；蓄电池充放电控制器接收蓄电池状态监测装置提供的荷电状态数据SOC和电压电流数据，输出PWM信号控制双向DC变换电路；储能系统集中控制装置通过双向通信线路连接每一个储能单元的蓄电池充放电控制器，接收荷电状态数据和动作反馈信号，并将充放电指令信号输出至每一个储能单元的蓄电池充放电控制器。

用于间歇式可再生能源发电系统的储能子系统控制方法：

（1）全部蓄电池组标记为充电或放电两个属性，两个属性为互补关系，定义充电组的充电优先级序列C()，放电组的放电优先级序列D1()和D2()，D1与D2串接，组成序列D()，定义第一放电深度S1，第二放电深度S2，并满足SOC_max>S1>S2>0；

（2）检测每一个蓄电池组的开路电压V_B和最大允许电流I_B，计算各组的荷电状态数据；

（3）判断需要对储能子系统执行充电或放电动作：检测此时刻系统中发电总功率和负荷用电总功率，当总发电功率大于总负荷功率时，进行充电动作；当总发电功率小于总负荷功率时，进行放电动作；如果需要进行充电动作则执行步骤（4），如果需要进行放电动作则执行步骤（5）；

（4）对蓄电池进行充电时：

（4.1）集中控制器通过传感器采集系统中全部发电设备的输出功率和全部负荷的功率需求，计算出需要对蓄电池进行充电的功率P(t)：

P(t)＝P_G(t)-P_L(t)，

式中：P(t)为需要充电的功率，P_G(t)为全部发电设备输出的总功率，P_L(t)为全部负荷消耗的总功率；属性为充电组的蓄电池组数量为N，C()按照进入先后的原则排序，先进入充电组的蓄电池组在优先级序列中将位置靠前，C()中每一组蓄电池的最大充电功率分别对应为P(n)_max；

（4.2）当不等式P(t)≤∑P(N)_max满足时，使用循环计算的方法计算出最小的n值，n≤N，使得P(t)≤∑P(n)_max，则对序列C()中前n组进行充电动作；

（4.3）当不等式P(t)≤∑P(N)_max不满足时，则从放电组中选择SOC最低的k个组，使得P(t)≤∑P(n+k)_max满足，并且k值最小，将这k组的属性转变为充电组，并排入充电优先级序列中，当全部可充电的蓄电池组的最大充电功率之和小于P(t)时，SOC<SOC_max并且非D(1)，对全部可充电蓄电池组进行充电；

（4.4）当充电组中蓄电池组达到时SOC_max，则将其移出充电组，C()中位于其后序列的蓄电池组依次前移；

（4.5）移入充电组的蓄电池组，其充电优先级排在C()最后；

（5）对蓄电池进行放电时：

（5.1）集中控制器通过传感器采集这一时刻系统中全部发电设备的输出功率和全部负荷的功率需求，计算出蓄电池需要进行放电的功率P(t)：

P(t)＝P_L(t)-P_G(t)

式中：P(t)为需要放电的功率，P_G(t)为全部发电设备输出的总功率，P_L(t)为全部负荷消耗的总功率；属性为放电组的组数为M，放电优先级序列D1()和D2()串接为D()，D1()除D1(1)之外，按照SOC由低到高的原则排序，D2()按照SOC由高到低的原则排序，D()中每一组蓄电池的最大放电功率分别对应为P(m)_max；

（5.2）当不等式P(t)≤∑P(M)_max满足时，使用循环计算的方法找到最小的m值，n≤M，使得P(t)≤∑P(m)_max，则对D()中前m组进行放电动作；

（5.3）当不等式P(t)≤∑P(M)_max不满足时，则从充电组中选择SOC最高的j个组，使得P(t)≤∑P(m+j)_max满足，时将这j组的属性转变为放电组，并排入放电优先级序列中。当全部可放电的蓄电池组的最大充电功率之和依然不能大于等于P(t)时，SOC＞S2并且非C(1)，则同时对全部可放电蓄电池组进行放电，缺失的能量需求将不会被满足；

（5.4）当D1()中的SOC低于S1时，则将其移动至D2()中，D1中位于其后的蓄电池组依次前移；当的SOC低于S2时，则移出放电组，D2中位于其后的蓄电池组依次前移；

（5.5）移入放电组的蓄电池，如果其SOC大于S1，则其放电优先级排入D1，按照SOC从低到高的原则排序；如果其SOC小于S1并大于S2，则其放电优先级排入D2，按照SOC从高到低的原则排序。

本发明的有益效果在于：本发明根据电网能量剩余/缺失的实时情况，选择储能系统充电/放电动作，监测每一个储能单元的荷电状态，设置充放电优先级序列，在需要对储能系统进行充电的时刻，根据每一个蓄电池组的荷电状态，选择出最佳的一组或几组进行充电动作，在需要储能系统放电的时刻，根据每一个蓄电池组的荷电状态，选择出最佳的一组或几组进行放电动作，设定蓄电池组荷电状态的上限以及下限，避免使其发生过充过放。

这样既可以充分利用全部蓄电池来完成间歇式新能源发电与电力负荷间的瞬时功率平衡、最大限度的提高能源利用率，避免了蓄电池组的闲置浪费，又可以有效保护蓄电池的性能，延长其使用寿命。

附图说明

图1为蓄电池分组系统结构图。

图2为蓄电池分组管理充电流程图。

图3为蓄电池分组管理放电流程图。

具体实施方式

下面结合附图1-3对本发明做进一步描述。

针对现有服务于间歇式可再生能源发电系统的储能子系统的不足，本发明提出了一种大规模储能系统分组式工作方式的系统结构，并针对其提出一种全新的控制策略，能够对分组蓄电池系统的工作状态进行灵活地控制，实现对多组蓄电池组同时进行充电或放电。这样既可以充分利用全部蓄电池来完成间歇式新能源发电与电力负荷间的瞬时功率平衡、最大限度的提高能源利用率，避免了蓄电池组的闲置浪费，又可以有效保护蓄电池的性能，延长其使用寿命。下面结合附图具体说明本发明的实施方法。除本实施方法以外，本发明还有其他实施方案，凡是采用同等方法或类似方案的方法，均在本发明要求的保护范围之内。

图1为本发明的储能系统一种实现的结构图。系统采用直流母线的结构，发电设备将能量经过电力变换设备传递到直流母线上，每一个蓄电池组通过双向DC/DC电力变换装置与直流母线相连，负载通过DC/AC变换装置从直流母线取得能量。

蓄电池组由大量蓄电池串并联组成。双向DC变换装置通过线缆一侧连接蓄电池组，另一侧连接直流母线。发电设备的能量通过电力变换装置和线缆连接直流母线。负荷设备通过DC/AC变换设备和线缆连接直流母线。以上设备的功能是进行能量传输、储存、变换。

集中控制器通过双向通信线路连接每一个储能单元的充放电控制器。充放电控制器通过数字信号线路连接电池状态检测装置。电池状态检测装置通过模拟信号线路连接温度传感器、电压传感器、电流传感器。以上设备的功能是进行信号的采集并传输，以及控制信号的产生并传输。

图2为蓄电池分组管理的充电流程图。

本发明的蓄电池分组充放电控制策略，包括以下步骤：

首先检测每一个蓄电池组的开路电压V_B和最大允许电流I_B，计算各组的SOC状态。

全部蓄电池组标记为充电或放电两个属性，两个属性为互补关系，可以在某些条件下相互转变。定义充电组的充电优先级序列C()，放电组的放电优先级序列D1()和D2()，D1与D2串接，组成序列D()。定义第一放电深度S1，第二放电深度S2，并满足SOC_max>S1>S2>0。

判断某一时刻对储能子系统执行充电或放电动作的方法是：检测此时刻系统中发电总功率和负荷用电总功率。当总发电功率大于总负荷功率时，进行充电动作；当总发电功率小于总负荷功率时，进行放电动作。

某一时刻对蓄电池进行充电时，其控制步骤包括：

S101集中控制器通过传感器采集这一时刻系统中全部发电设备的输出功率和全部负荷的功率需求，用总发电功率减总负载功率，计算出需要对蓄电池进行充电的功率P(t)。属性为充电组的蓄电池组数量为N，C()按照进入先后的原则排序，先进入充电组的蓄电池组在优先级序列中将位置靠前。C()中每一组蓄电池的最大充电功率分别对应为P(n)_max。

S102当不等式P(t)≤∑P(N)_max满足时，使用循环计算的方法计算出最小的n值（n≤N），使得P(t)≤∑P(n)_max。则对序列C()中前n组进行充电动作。

S103当不等式P(t)≤∑P(N)_max不满足时，则从放电组中选择SOC最低的k个组，使得P(t)≤∑P(n+k)_max满足，并且k值最小。此时将这k组的属性转变为充电组，并排入充电优先级序列中。当全部可充电的蓄电池组（SOC<SOC_max并且非D(1)）的最大充电功率之和依然不能大于等于P(t)时，则同时对全部可充电蓄电池组进行充电，剩余的能量将不会被储存。

S104当充电组中某蓄电池组达到时SOC_max，则将其移出充电组，C()中位于其后序列的蓄电池组依次前移。

S105移入充电组的蓄电池组，其充电优先级排在C()最后。

某一时刻对蓄电池进行放电时，其控制步骤包括：

S201集中控制器通过传感器采集这一时刻系统中全部发电设备的输出功率和全部负荷的功率需求，用总负载功率减总发电功率，计算出蓄电池需要进行放电的功率P(t)。属性为放电组的组数为M，放电优先级序列D1()和D2()串接为D()。D1()除D1(1)之外，按照SOC由低到高的原则排序，D2()按照SOC由高到低的原则排序，D()中每一组蓄电池的最大放电功率分别对应为P(m)_max。

S202当不等式P(t)≤∑P(M)_max满足时，使用循环计算的方法找到最小的m值（n≤M），使得P(t)≤∑P(m)_max。则对D()中前m组进行放电动作。

S203当不等式P(t)≤∑P(M)_max不满足时，则从充电组中选择SOC最高的j个组，使得P(t)≤∑P(m+j)_max满足。时将这j组的属性转变为放电组，并排入放电优先级序列中。当全部可放电的蓄电池组（SOC＞S2并且非C(1)）的最大充电功率之和依然不能大于等于P(t)时，则同时对全部可放电蓄电池组进行放电，缺失的能量需求将不会被满足。

S204当D1()中某一组的SOC低于S1时，则将其移动至D2()中，D1中位于其后的蓄电池组依次前移；当某一组的SOC低于S2时，则移出放电组，D2中位于其后的蓄电池组依次前移。

S205移入放电组的蓄电池，如果其SOC大于S1，则其放电优先级排入D1，按照SOC从低到高的原则排序；如果其SOC小于S1并大于S2，则其放电优先级排入D2，按照SOC从高到低的原则排序。

Claims (1)

1.一种用于间歇式可再生能源发电系统的储能子系统控制方法，包括彼此独立的蓄电池组、双向DC电力变换装置、蓄电池充放电控制器、蓄电池状态监测装置、储能系统集中控制装置以及连接线路，一个蓄电池组由大量的单体蓄电池串并联组成，通过线缆连接到双向DC电力变换装置的一侧，双向DC电力变换装置包括双向直流升降压电路及其驱动电路；双向DC电力变换装置的另一侧通过线缆连接到直流母线；双向DC电力变换装置通过连接到蓄电池组的电压传感器、电流传感器和温度传感器采集蓄电池组的电压、电流和温度信号并进行模数转换和计算蓄电池组的荷电状态数据；蓄电池充放电控制器接收蓄电池状态监测装置提供的荷电状态数据SOC和电压电流数据，输出PWM信号控制双向DC电力变换装置；储能系统集中控制装置通过双向通信线路连接每一个蓄电池组的蓄电池充放电控制器，接收荷电状态数据和动作反馈信号，并将充放电指令信号输出至每一个蓄电池组的蓄电池充放电控制器；

(1)全部蓄电池组标记为充电或放电两个属性，两个属性为互补关系，定义充电组的充电优先级序列C()，放电组的放电优先级序列D1()和D2()，D1与D2串接，组成序列D()，定义第一放电深度S1，第二放电深度S2，并满足SOC_max>S1>S2>0；

(2)检测每一个蓄电池组的开路电压V_B和最大允许电流I_B，计算各组的荷电状态数据；

(3)判断需要对储能子系统执行充电或放电动作：检测此时刻系统中发电总功率和负荷用电总功率，当总发电功率大于总负荷功率时，进行充电动作；当总发电功率小于总负荷功率时，进行放电动作；如果需要进行充电动作则执行步骤(4)，如果需要进行放电动作则执行步骤(5)；

(4)对蓄电池进行充电时：

(4.1)集中控制器通过传感器采集系统中全部发电设备的输出功率和全部负荷的功率需求，计算出需要对蓄电池进行充电的功率P(t)：

P(t)＝P_G(t)-P_L(t)，

式中：P(t)为需要充电的功率，P_G(t)为全部发电设备输出的总功率，P_L(t)为全部负荷消耗的总功率；属性为充电组的蓄电池组数量为N，C()按照进入先后的原则排序，先进入充电组的蓄电池组在优先级序列中将位置靠前，C()中每一组蓄电池的最大充电功率分别对应为P(n)_max；

(4.2)当不等式P(t)≤∑P(N)_max满足时，使用循环计算的方法计算出最小的n值，n≤N，使得P(t)≤∑P(n)_max，则对序列C()中前n组进行充电动作；

(4.3)当不等式P(t)≤∑P(N)_max不满足时，则从放电组中选择SOC最低的k个组，使得P(t)≤∑P(n+k)_max满足，并且k值最小，将这k组的属性转变为充电组，并排入充电优先级序列中，当全部可充电的蓄电池组的最大充电功率之和小于P(t)时，SOC<SOC_max并且非D(1)，对全部可充电蓄电池组进行充电；

(4.4)当充电组中蓄电池组达到时SOC_max，则将其移出充电组，C()中位于其后序列的蓄电池组依次前移；

(4.5)移入充电组的蓄电池组，其充电优先级排在C()最后；

(5)对蓄电池进行放电时：

(5.1)集中控制器通过传感器采集这一时刻系统中全部发电设备的输出功率和全部负荷的功率需求，计算出蓄电池需要进行放电的功率Q(t)：

Q(t)＝Q_L(t)-Q_G(t)

式中：Q(t)为需要放电的功率，Q_G(t)为全部发电设备输出的总功率，Q_L(t)为全部负荷消耗的总功率；属性为放电组的组数为M，放电优先级序列D1()和D2()串接为D()，D1()除D1(1)之外，按照SOC由低到高的原则排序，D2()按照SOC由高到低的原则排序，D()中每一组蓄电池的最大放电功率分别对应为Q(m)_max；

(5.2)当不等式Q(t)≤∑Q(M)_max满足时，使用循环计算的方法找到最小的m值，m≤M，使得Q(t)≤∑Q(m)_max，则对D()中前m组进行放电动作；

(5.3)当不等式Q(t)≤∑Q(M)_max不满足时，则从充电组中选择SOC最高的j个组，使得Q(t)≤∑Q(m+j)_max满足，时将这j组的属性转变为放电组，并排入放电优先级序列中；当全部可放电的蓄电池组的最大充电功率之和依然不能大于等于Q(t)时，SOC＞S2并且非C(1)，则同时对全部可放电蓄电池组进行放电，缺失的能量需求将不会被满足；

(5.4)当D1()中的SOC低于S1时，则将其移动至D2()中，D1中位于其后的蓄电池组依次前移；当的SOC低于S2时，则移出放电组，D2中位于其后的蓄电池组依次前移；

(5.5)移入放电组的蓄电池，如果其SOC大于S1，则其放电优先级排入D1，按照SOC从低到高的原则排序；如果其SOC小于S1并大于S2，则其放电优先级排入D2，按照SOC从高到低的原则排序。