CN104253439B - 电池储能电站无功功率分配与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池储能电站无功功率分配与控制方法。该方法包括的步骤如下：首先从电池储能电站监控系统获得当前电池储能电站总无功功率需求值以及电池储能电站中各储能机组的相关数据，并求取各储能机组的当前最大允许无功功率特征值；而后，将当前最大允许无功功率特征值、可控状态值、最大可用视在功率、额定功率、有功功率和最大允许有功功率等作为约束条件，将合理控制各储能机组的无功功率总需求作为控制目标，进行储能电站内部的无功功率协调控制。该发明将储能变流器当前最大允许无功功率特征值考虑到控制策略中，并基于此优化储能电站内各储能变流器的无功功率分配。

Description

电池储能电站无功功率分配与控制方法

技术领域

本发明属于智能电网以及能量存储与转换技术领域，具体涉及一种电池储能电站的无功功率实时分配方法，尤其适用于兆瓦级大规模电池储能电站的无功功率控制方法。

背景技术

国家风光储输示范工程是国家电网公司建设坚强智能电网首批试点工程，以“电网友好型”新能源发电为目标，以“先进性、灵活性、示范性、经济性”为特点，是目前世界上规模最大、集风电、光伏发电、储能及输电工程四位一体的可再生能源综合示范工程。其中，国家风光储输示范工程(一期)拟建设风电100MW、光伏发电40MW和储能装置20MW(包含14MW磷酸铁锂电池储能系统、2MW全钒液流电池储能系统、4MW钠硫电池储能系统)。

随着电池及其集成技术的不断发展，应用电池储能电站去实现平滑风光功率输出、跟踪计划发电、参与系统调频、削峰填谷、暂态有功出力紧急响应、暂态电压紧急支撑等多种应用，已成为了一种可行方案。其中关键问题之一，是掌握大规模电池储能电站能量管理技术及功率协调控制方法。暂态无功功率支撑功能将是大规模电池储能系统的重要应用之一，因为储能机组也可作为无功补偿电源为配电网提供无功功率补偿。

目前有关基于大规模集中式电池储能电站的无功功率实时控制与能量管理方面的专利、文献、技术报告等非常少，需要深入研究和探索大规模电池储能电站无功综合优化控制技术，解决大规模集群式储能变流器的有功与无功综合协调控制的关键问题。不能优化控制电池储能电站中各储能变流器的无功功率，将难以充分利用电池储能电站的有功与无功功率，影响电池储能电站高效、安全、稳定运行。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于公开一种电池储能电站无功功率分配与控制方法，该方法在实时分配储能电站的总无功功率需求的同时，具备可以兼顾各储能机组的当前最大允许有功功率和无功功率限制值的特点。

本发明的控制方法是通过如下技术方案实现的：

步骤1），实时读取电池储能电站的相关数据，并对该数据进行存储；

步骤2），计算各储能机组的最大允许无功功率以及无功功率特征值；

步骤3），判断当前电池储能电站总无功功率需求与该储能电站中各可控储能机组最大允许无功功率总和的比值是否小于预设值，如果是，则基于无功功率特征值、通过排除法计算各储能机组的无功功率命令值；否则，跳转至步骤4）；所述可控储能机组最大允许无功功率为储能机组的可控状态值与最大允许无功功率的乘积；

步骤4），基于最大允许无功功率，直接计算各储能机组的无功功率命令值；

步骤5），对各电池储能机组的无功功率命令值汇总后输出至电池储能电站，以实现对电池储能电站的实时无功功率控制与管理。

进一步地，所述电池储能电站的相关数据包括：电池储能电站总无功功率需求值以及电池储能电站中各储能机组的可控状态值、最大可用视在功率、额定功率、有功功率和最大允许有功功率。

进一步地，所述步骤2）具体包括：

各电池储能机组的最大允许无功功率为：各电池储能机组的最大可用视在功率平方值与当前有功功率平方值的差值的平方根；

各电池储能机组的无功功率特征值为：各电池储能机组的最大可用视在功率平方值与当前最大允许有功功率平方值的差值的平方根，然后乘以各电池储能机组的可控状态值，再除以该电池储能机组最大可用视在功率。

进一步地，所述步骤3）中，通过排除法计算各储能机组的无功功率命令值包括如下步骤：

首先，按照无功功率特征值由小至大的顺序对各储能机组进行排序，从无功功率特征值最小的储能机组开始排除，直至剩余储能机组不能满足下述约束条件，则确定出参与电池储能电站总无功功率分配的最少储能机组数为通过上述排除筛选出的最后一次满足下述约束条件的储能机组个数；

所述约束条件为：剩余可控储能机组的最大允许无功功率总和与预设值的乘积大于或等于电池储能电站总无功功率需求值；

然后，分别计算剩余各储能机组的无功功率命令值，该值为剩余各可控储能机组的最大允许无功功率与电池储能电站总无功功率需求值的乘积占剩余所有可控储能机组最大允许无功功率总和的比例值；

最后，将其余未参与电池储能电站总无功功率分配的各储能机组无功功率命令值设为0。

进一步地，所述步骤4）中，计算各储能机组无功功率命令值的方法如下：

各可控储能机组的最大允许无功功率占当前所有可控储能机组最大允许无功功率总和的比例值。

与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：

本发明提供一种电池储能电站无功功率的实时分配方法，具有可兼顾不同容量储能变流器的最大允许无功功率特性、从而可优化储能机组无功功率实时分配的优点，该方法主要是结合可表示电池储能机组实时有功功率特性的允许充放电能力（即，各电池储能机组最大允许放电功率，各电池储能机组最大允许充电功率等）、以及可表示储能机组无功工作能力特性的无功功率特征值，并应用排除法对各储能机组的无功功率值进行实时分配，实现了对大规模电池储能电站总无功功率需求的实时分配的功能。

附图说明

图1是大规模电池储能电站实施例的系统示意图；

图2是电池储能电站的无功功率协调控制及其管理方法流程图；

具体实施方式

本发明的控制方法可以应用于大规模电池储能电站或含锂电池、液流电池、超级电容、钠硫电池等储能系统的多类型储能电站的无功功率协调控制与管理中，下面以一个大规模电池储能电站为例、结合附图对本发明的控制方法作进一步的详细说明。

如图1所示，电池储能电站中包括双向变流器和多个电池储能机组，通过双向变流器可执行对电池储能机组的启停控制及充放电功率指令等。

如图2所示为大规模电池储能电站无功功率分配与控制及管理算法的流程图，包含下列步骤：

步骤1），从储能电站监控系统实时读取电池储能电站总无功功率需求值以及电池储能电站中各储能机组的可控状态值、最大可用视在功率、额定功率、有功功率和最大允许有功功率（最大允许有功功率可以是最大允许充电功率或最大允许放电功率）等数据，并对这些数据进行存储；

步骤2），根据各储能机组的最大可用视在功率、最大允许放电功率、最大允许充电功率以及当前有功功率等值，计算各储能机组的最大允许无功功率以及无功功率特征值；

步骤3），判断当前电池储能电站总无功功率需求占该储能电站中各远程可控储能机组最大允许无功功率总和的比例值是否小于预设值α，如果是，基于无功功率特征值、可控状态值，通过排除法计算各储能机组的无功功率命令值；否则跳转至步骤（4）；

步骤4），基于储能机组的最大允许无功功率和可控状态值，直接计算各储能机组的无功功率命令值；

步骤5），对各储能机组的无功功率命令值汇总后输出至电池储能电站，以实现对电池储能电站的实时无功功率控制与管理。

在步骤2）中，各电池储能机组的最大允许无功功率以及无功功率特征值的计算方法如下式（1）和（2）所示：

(1)

(2)

在步骤3）中，各储能机组无功功率命令值的具体计算方法如下：

如果电池储能电站总无功功率需求占该储能电站中各远程可控储能机组最大允许无功功率总和的比例值小于预设值α（即满足下式(3)时），则基于下式(4)-(5)计算各机组的无功功率指令，否则跳转至步骤4）。

(3)

首先，根据值对各储能机组进行升序排列，从值最小的储能机组i开始逐个排除，直至剩余储能机组不能够满足下式（4）的约束条件，则确定出参与电池储能电站总无功功率分配的最少储能机组数等于通过上述排除法挑选出的最后一次能够满足公式（4）约束条件的储能机组个数。

(4)

然后，基于下式(5)，计算个储能机组i的无功功率命令值Q_i：

(5)

其中，为可控储能机组最大允许无功功率总和。

最后，将其余未参与电池储能电站总无功功率分配的各储能机组（即个）无功功率命令值均设为0；然后跳转至步骤4）。

例如：电池储能电站中电池储能机组的总数量为10，按照各储能机组无功功率特征值的大小对各储能机组进行由小至大排序，先排除值最小的第一台储能机组，如果剩余九台储能机组能够满足公式（4）的约束条件，则继续排除值第二小的一台储能机组，如果剩余八台储能机组仍能够满足公式（4）的约束条件，则继续排除值第三小的一台储能机组，如果剩余七台储能机组不能够满足公式（4）的约束条件，则确定出参与电池储能电站总无功功率分配的最少储能机组数为8；然后通过公式（5）计算这8台储能机组的无功功率命令值Q_i；最后将前两台被排除的储能机组的无功功率命令值均设为0。

在步骤4）中，所述各储能机组的无功功率命令值的计算方法如下所示：

(6)

上式(1)～(6)中，u_i为i号储能机组的可控状态值，该值通过步骤A读取，当储能机组i可控时，此可控装置值为1，否则为0；；为参与电池储能电站总无功功率分配的最少储能机组数；α为预设值；L为电池储能电站内储能机组总数；为最大可用视在功率；P_i为当前有功功率，为当前最大允许有功功率。上式（3）—（4）中，预设值α亦根据电池储能电站的现场运行需求进行更新，一般可取α等于50%。

采用上述技术方案，本发明具有结合各电池储能机组的最大允许有功功率以及最大允许无功功率的工作能力特性，进行大规模电池储能电站的无功功率协调控制与监控管理的功能，从而实现有功与无功功率的协同优化控制目的。

如果不考虑电池储能机组的最大允许有功功率和无功功率的约束条件，将会出现不能有效充分利用大规模电池储能电站的有功与无功功率，影响电池储能电站高效、安全、稳定运行。

正由于本发明增加了“考虑各电池储能机组的最大允许有功与无功功率特性，实时计算各电池储能机组的无功功率特征值，并将其有效考虑进电池储能机组无功功率的分配方法中”等步骤，所以不仅克服了上述弊端，还对电池储能电站中电池储能机组间的无功功率分配产生了更好的效果，更有利于合理控制储能全站内的无功功率。

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 (4)

1.电池储能电站无功功率分配与控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)，实时读取电池储能电站的相关数据，并对该数据进行存储；

步骤2)，计算各储能机组的最大允许无功功率以及无功功率特征值；

步骤3)，判断当前电池储能电站总无功功率需求与该储能电站中各可控储能机组最大允许无功功率总和的比值是否小于预设值α，如果是，则基于无功功率特征值、可控状态值，通过排除法计算各储能机组的无功功率命令值；否则，跳转至步骤4)；所述可控储能机组最大允许无功功率为储能机组的可控状态值与最大允许无功功率的乘积；

步骤4)，基于最大允许无功功率和可控状态值，直接计算各储能机组的无功功率命令值；

步骤5)，对各电池储能机组的无功功率命令值汇总后输出至电池储能电站，以实现对电池储能电站的实时无功功率控制与管理；

所述步骤3)中，通过排除法计算各储能机组的无功功率命令值包括如下步骤：

根据值对各储能机组进行升序排列，从值最小的储能机组i开始逐个排除，直至剩余储能机组不能够满足下式(1)的约束条件，则确定出参与电池储能电站总无功功率分配的最少储能机组数等于通过上述排除法挑选出的最后一次能够满足下式约束条件的储能机组个数；

基于下式计算个储能机组i的无功功率命令值Q_i：

将其余未参与电池储能电站总无功功率分配的各储能机组无功功率命令值设为0；

式中，为可控储能机组最大允许无功功率总和；α为预设值；为参与电池储能电站总无功功率分配的最少储能机组数；u_i为i号储能机组的可控状态值；为i号储能机组的最大允许无功功率；为电池储能电站总无功功率需求。

2.如权利要求1所述的电池储能电站无功功率分配与控制方法，其特征在于，所述电池储能电站的相关数据包括：电池储能电站总无功功率需求值以及电池储能电站中各储能机组的可控状态值、最大可用视在功率、额定功率、有功功率和最大允许有功功率。

3.如权利要求1所述的电池储能电站无功功率分配与控制方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

各电池储能机组的最大允许无功功率为：各电池储能机组的最大可用视在功率平方值与当前有功功率平方值的差值的平方根；

各电池储能机组的无功功率特征值为：各电池储能机组的最大可用视在功率平方值与当前最大允许有功功率平方值的差值的平方根，然后乘以各电池储能机组的可控状态值，再除以该电池储能机组最大可用视在功率。

4.如权利要求1-3任一所述的电池储能电站无功功率分配与控制方法，其特征在于，所述步骤4)中，通过下式计算各储能机组无功功率命令值的方法如下：

式中，L为电池储能电站内储能机组总数。