CN105226695A - 含梯次利用电池的多类型储能系统能量管理方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供含梯次利用电池的多类型储能系统能量管理方法和系统，该方法包括：(1)接收储能电池相关运行数据；(2)存储和管理所述储能电池相关运行数据；(3)随机确定储能电池的功率分配系数；(4)基于自适应功率分配方法，计算储能电池总功率分配给梯次利用动力电池储能系统和锂电池储能系统的功率值；(5)实时调节所述储能电池的功率分配系数；(6)修正储能电池功率命令值；(7)输出所述储能电池功率命令值。本发明达到了既能防止对储能系统的过充和过放电，又能保持储能系统良好性能，从而实现含常规电池与梯次利用动力电池的多类型储能电池电站的协调控制与能量管理的控制目的。

Description

含梯次利用电池的多类型储能系统能量管理方法和系统

技术领域

本发明涉及智能电网、储能技术及能源互联网领域，具体涉及含梯次利用电池的多类型储能系统能量管理方法和系统。

背景技术

储能对于实现电网运营的安全可靠、经济高效是不可或缺的。储能技术尤其大规模储能技术可以有效实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷，不仅可以提高电力设备运行效率，降低供电成本，还能促进可再生能源的应用，提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动等。

梯次利用电池的出力特性、倍率特性、可靠性等有别于目前使用的常规储能电池特性，各种特性随使用时间的变化规律也不同于常规储能电池。目前已有的电池储能系统协调控制与能量管理方法未充分考虑梯次利用电池的健康状态及其变化规律，如何实现梯次利用电池与其他常规储能电池的特性互补及协调控制与能量优化管理目前尚无经验。

从电池储能的角度看，过度的充电和放电都会对电池的寿命造成影响。因此监控好储能电池荷电状态，在储能电站内部合理的分配好总功率需求，并将电池的荷电状态控制在一定范围是很有必要的。针对梯次利用动力电池健康状态差异大、容量衰减明显的特点，需结合梯次利用电池的特点，开展充放电功率控制，以减缓梯次利用电池的容量衰减，延长使用时间。

在锂离子储能电池和梯次利用动力电池混合的多类型电池储能电站中，如何进行两种类型电池储能系统间的实时功率与存储能量的优化分配是核心技术问题。目前缺少有关于锂离子电池与梯次利用动力电池联合的多类型储能电站实时功率与存储能量管理方面的技术，如何优化控制梯次利用电池储能系统是亟待解决的关键问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种梯次利用电池储能系统和常规电池储能系统混合的多类型储能系统能量管理方法和系统。本发明方法达到了既能防止对储能系统的过充和过放电，又能尽量确保梯次利用电池储能系统良好性能，从而实现含常规电池与梯次利用动力电池的多类型储能电池电站的协调控制与能量管理的控制目的。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种含梯次利用电池的多类型储能系统能量管理方法，所述方法包括如下步骤：

(1)接收储能电池相关运行数据；

(2)存储和管理所述储能电池相关运行数据；

(3)随机确定储能电池的功率分配系数；

(4)基于自适应功率分配方法，计算储能电池总功率分配给梯次利用动力电池储能系统和锂电池储能系统的功率值；

(5)实时调节所述储能电池的功率分配系数；

(6)修正储能电池功率命令值；

(7)输出所述储能电池功率命令值。

优选的，所述步骤(1)中，所述储能电池包括梯次利用动力电池和锂电池，所述相关运行数据包括储能电池实际功率、储能电池荷电状态。

优选的，所述步骤(4)中，计算所述梯次利用动力电池储能功率，公式如下：

P_梯次＝ω_梯次P_总+ΔP_梯次

式中P_梯次为梯次利用动力电池的储能功率，ω_梯次为梯次利用动力电池功率分配系数，ΔP_梯次为梯次利用动力电池修正功率，P_总为储能总功率；

计算所述锂电池储能功率，公式如下：

P_锂＝ω_锂P_总+ΔP_锂

式中P_锂为锂电池功率，ω_锂为锂电池功率分配系数，ΔP_锂为锂电池修正功率，P_总为储能总功率。

优选的，所述步骤(5)中，所述储能电池的功率分配系数包括梯次利用动力电池功率分配系数ω_梯次和锂电池功率分配系数ω_锂，公式如下：

ω_梯次＝u_梯次fuzzy(SOC_梯次,P_梯次)

ω_锂＝1-ω_梯次

式中u_梯次为梯次利用动力电池的启停状态、SOC_梯次为梯次利用动力电池的荷电状态、P_梯次为梯次利用动力电池的储能功率,fuzzy()为模糊控制器。

优选的，所述步骤(6)中，当判断出储能电池处于过充电或过放电状态时，基于下列公式，实时修正储能电池功率命令值：

ΔP_梯次＝u_梯次Ar_梯次P_梯次

ΔP_锂＝u_锂Ar_锂P_锂

式中ΔP_梯次和ΔP_锂分别是梯次利用动力电池和锂电池的修正功率命令值，A为目标功率值修正系数，u_梯次为梯次利用动力电池的启停状态，u_锂为锂电池的启停状态，r_梯次为梯次利用动力电池基于荷电状态反馈的自适应修正系数；r_锂为锂电池基于荷电状态反馈的自适应修正系数；SOC_ref梯次为梯次利用动力电池的参考荷电状态值，SOC_ref锂为锂电池的参考荷电状态值，SOC_梯次为梯次利用动力电池的荷电状态，SOC_锂为锂电池的荷电状态，分别是已设定的锂电池储能荷电状态最大值和最小值，分别是已设定的梯次利用电池储能荷电状态最大值和最小值。

优选的，一种含梯次利用电池的多类型储能系统能量管理系统，所述系统包括：通讯模块、数据存储与管理模块、数据存储与管理模块和模糊自适应控制器模块；

所述通讯模块，用于接收储能电池相关运行数据，以及输出所述储能电池的功率命令值；

所述数据存储与管理模块，用于存储和管理所述储能电池相关运行数据，将储能电池实际功率发送给所述多类型储能功率分配控制器模块，将储能电池实际功率、储能电池荷电状态和储能电池启停信号发送给所述模糊自适应控制器模块；

所述多类型储能功率分配控制器模块，基于自适应功率分配方法，计算储能电池总功率分配给梯次利用动力电池储能系统和锂电池储能系统的功率值，并将功率值发给送所述数据存储与管理模块和所述模糊自适应控制器模块；

所述模糊自适应控制器模块，随机确定储能电池的功率分配系数，根据储能电池荷电状态和储能电池实际功率实时调节所述储能电池的功率分配系数，同时修正储能电池功率命令值，并将所述功率分配系数和所述修正储能电池功率命令值发给所述多类型储能功率分配控制器模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明主要是基于自适应功率分配方法，并通过模糊控制实时优化梯次利用动力电池储能系统与常规电池储能系统间的功率分配系数，协同优化控制梯次利用动力电池和锂电池储能系统的实时充放电功率，从而达到既能防止对不同类型储能系统的过充和过放电问题，使不同类型储能系统工作在我们所期待的各自SOC工作范围之内,同时又能保持储能系统良好性能，从而实现含常规电池与梯次利用动力电池的多类型储能电池电站的功率协调控制与能量优化管理的控制目的。

附图说明

图1是本发明提供的一种含梯次利用电池的多类型储能系统能量管理方法的流程图，

图2是本发明提供的一种含梯次利用电池的多类型储能系统能量管理系统的方框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，为本发明提供的一种含梯次利用电池的多类型储能系统能量管理系统，该系统包括通讯模块10、数据存储与管理模块20、多类型储能功率分配控制器模块30及模糊自适应控制器40。

通讯模块10负责接收储能电池相关运行数据，以及向监控平台发送储能单元的功率命令值。监控平台设置在通讯模块左侧，与通讯模块连接，实时控制和监测和控制通讯模块作用。

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；而且负责将储能电池功率命令值按事先设定的协议赋给相关接口变量，供电池储能系统接口平台使用，将储能功率信号(包含梯次利用动力电池的储能功率值信号和锂电池的储能功率值信号)发送给多类型储能功率分配控制器模块30和模糊自适应控制器40，将储能电池启停信号(包含梯次利用动力电池的启停状态信号u_梯次和锂电池的启停状态信号u_锂)和储能电池SOC值信号(包含梯次利用动力电池的荷电状态信号SOC_梯次和锂电池的荷电状态SOC_锂)发送给模糊自适应控制器40。

多类型储能功率分配控制器模块30，根据储能总功率需求，计算出自适应分配锂电池与梯次利用动力电池联合储能功率，并将分配的储能功率发送给数据存储与管理模块20和模糊自适应控制器40。

模糊自适应控制器40用于确定功率分配系数，根据储能电池SOC和储能电池充放电状态，调节梯次利用动力电池的功率与锂电池分配系数ω_锂,ω_梯次；同时修正储能电池功率命令值，将分配系数和修正储能电池功率命令值发送给多类型储能功率分配控制器模块30,将修正储能电池功率命令值发送给数据存储与管理模块20。

如图1所示，为本发明提供的一种含梯次利用电池的多类型储能系统能量管理方法，首先读取储能相关数据；确定储能电池功率分配系数；基于自适应功率分配方法，将储能系统总功率需求分给梯次利用动力电池储能系统和锂电池储能系统；基于模糊自适应控制器模块实时调节梯次利用动力电池功率、锂电池与的分配系数ω_锂,ω_梯次；修正储能电池功率命令值；各储能单元功率命令值的数据输出，具体步骤如下：

1、接收储能电池相关运行数据；

2、存储和管理所述储能电池相关运行数据；

3、随机确定储能电池的功率分配系数；

4、基于自适应功率分配方法，计算储能电池总功率分配给梯次利用动力电池储能系统和锂电池储能系统的功率值；

梯次利用动力电池储能功率公式：

P_梯次＝ω_梯次P_总+ΔP_梯次(1)

上式中P_梯次为梯次利用动力电池功率，ω_梯次为梯次利用动力电池功率系数，ΔP_梯次为梯次利用动力电池修正功率，P_总为储能总功率。

锂电池功率：

P_锂＝ω_锂P_总+ΔP_锂(2)

上式中P_锂为锂电池功率，ω_锂为锂电池功率系数，ΔP_锂为锂电池修正功率，P_总为储能总功率

5、实时调节所述储能电池的功率分配系数；

基于模糊自适应控制器模块实时调节步骤3中的锂电池与梯次利用动力电池的功率分配系数ω_梯次,ω_锂；

ω_梯次＝u_梯次fuzzy(SOC_梯次,P_梯次)(3)

ω_锂＝1-ω_梯次(4)

式中ω_梯次为梯次利用动力电池功率系数、u_梯次为梯次利用动力电池的启停状态(具体实施过程中,例如当梯次利用动力电池储能系统处于启动后的运行状态时,u_梯次＝1,处于停机状态时u_梯次＝0)、ω_锂为锂电池功率系数，SOC_梯次为梯次利用动力电池的荷电状态、P_梯次为梯次利用动力电池的储能功率，fuzzy()模糊控制函数。

根据梯次利用动力电池荷电状态SOC以及前一时刻梯次利用动力电池功率值，通过模糊控制规则，确定梯次利用动力电池功率分配系数ω_梯次以及锂电池功率分配系数ω_锂。

所述的模糊控制规则如下：

模糊控制器的作用就是根据电池的荷电状态(SOC)、储能功率得出合适的功率分配系数，从而实时动态平抑风电输出功率，同时控制储能系统吸收和释放功率以及电池的荷电状态，调节风电波动率大小。

本专利设计了双输入单输出的模糊控制器，其中两个输入分别为电池的荷电状态(SOC)、储能功率(Pb)，输出为滤波阶数值。

通常情况下，对论域(研究的范围)U中的任一元素x，都有一个数A(x)∈[0，1]与之对应，则称A为U上的模糊集，A(x)称为x对A的隶属度。当x在U中变动时，A(x)就是一个函数，称为A的隶属函数。隶属度A(x)越接近于1，表示x属于A的程度越高，A(x)越接近于0表示x属于A的程度越低。用取值于区间0，1的隶属函数A(x)表征x属于A的程度高低。本专利中，作为实施例，针对SOC，在[0，1]的荷电状态允许的论域范围内建立了VS、S、M、B、VB五个模糊集；针对Pb在[-700，700]的功率变化允许的论域范围内建立了NB、NS、Z、PS、PB五个模糊集五个模糊集；针对ω_梯次，在[0，1]的论域范围内建立了VS、S、MS、MB、B、VB七个模糊集。

模糊控制规则如下表所示：

选择运用面积等分法对该模糊控制法进行解模糊,得到功率分配系数ω_梯次。

面积等分法：通常取隶属度曲线μ(z)的中位线作为z的清晰量，即满足

${\∫}_a^{z_0}\mathrm{\μ}\left(z\right)dz={\∫}_{z_0}^b\mathrm{\μ}\left(z\right)dz$

的点z₀，以z₀为分界，μ(z)与z轴之间面积两边相等。将描述输出模糊集合的隶属函数曲线和横坐标轴围城面积的等分线的横坐标作为输出结果。

6、修正储能电池功率命令值；

当判断出储能系统处于过充电或过放电状态时，基于下列式子实时修正储能电池功率命令值：

ΔP_梯次＝u_梯次Ar_梯次P_梯次(5)

ΔP_锂＝u_锂Ar_锂P_锂(6)

式中ΔP_梯次和ΔP_锂分别是梯次利用动力电池和锂电池的修正功率命令值，u_梯次为梯次利用动力电池的启停状态(具体实施过程中,例如当梯次利用动力电池储能系统处于启动后的运行状态时,u_梯次＝1,处于停机状态时u_梯次＝0)，u_锂为锂电池的启停状态(在具体实施过程中,例如当锂电池储能系统处于启动后的运行状态时,u_锂＝1,处于停机状态时u_锂＝0)，A为目标功率值修正系数，r_梯次为梯次利用动力电池基于荷电状态反馈的自适应修正系数；r_锂为锂电池基于荷电状态反馈的自适应修正系数；SOC_ref梯次为梯次利用动力电池的参考荷电状态值，SOC_ref锂为锂电池的参考荷电状态值，SOC_梯次为梯次利用动力电池的荷电状态，SOC_锂为锂电池的荷电状态，分别是已设定的锂电池储能荷电状态最大值和最小值，分别是已设定的梯次利用电池储能荷电状态最大值和最小值。

上式中储能系统充放电功率的自适应修正量ΔP_梯次、ΔP_锂由下述方法确定，即通过实时监控储能系统荷电状态；当SOC超出了我们设定的范围，本发明提出的策略是，根据当前反馈的梯次利用动力电池和锂电池储能系统SOC、储能系统实际功率值来实时调节ΔP_梯次、ΔP_锂。通过这种方式在线修正储能系统的目标功率值，进一步协同优化梯次利用动力电池和锂电池储能系统的实时充放电功率，使不同类型储能系统各自工作在我们所期待的SOC范围内。

7、输出所述储能电池功率命令值。

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 (6)

1.一种含梯次利用电池的多类型储能系统能量管理方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)接收储能电池相关运行数据；

(2)存储和管理所述储能电池相关运行数据；

(3)随机确定储能电池的功率分配系数；

(4)基于自适应功率分配方法，计算储能电池总功率分配给梯次利用动力电池储能系统和锂电池储能系统的功率值；

(5)实时调节所述储能电池的功率分配系数；

(6)修正储能电池功率命令值；

(7)输出所述储能电池功率命令值。

2.根据权利要求1所述能量管理方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述储能电池包括梯次利用动力电池和锂电池，所述相关运行数据包括储能电池实际功率、储能电池荷电状态。

3.根据权利要求1所述能量管理方法，其特征在于，所述步骤(4)中，计算所述梯次利用动力电池储能功率，公式如下：

P_梯次＝ω_梯次P_总+ΔP_梯次

式中P_梯次为梯次利用动力电池的储能功率，ω_梯次为梯次利用动力电池功率分配系数，ΔP_梯次为梯次利用动力电池修正功率，P_总为储能总功率；

计算所述锂电池储能功率，公式如下：

P_锂＝ω_锂P_总+ΔP_锂

式中P_锂为锂电池的储能功率，ω_锂为锂电池功率分配系数，ΔP_锂为锂电池修正功率，P_总为储能总功率。

4.根据权利要求3所述能量管理方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述储能电池的功率分配系数包括梯次利用动力电池功率分配系数ω_梯次和锂电池功率分配系数ω_锂，公式如下：

ω_梯次＝u_梯次fuzzy(SOC_梯次,P_梯次)

ω_锂＝1-ω_梯次

式中u_梯次为梯次利用动力电池的启停状态、SOC_梯次为梯次利用动力电池的荷电状态、P_梯次为梯次利用动力电池的储能功率,fuzzy为模糊控制函数。

5.根据权利要求4所述能量管理方法，其特征在于，所述步骤(6)中，当判断出储能电池处于过充电或过放电状态时，基于下列式子实时修正储能电池功率命令值：

ΔP_梯次＝u_梯次Ar_梯次P_梯次

ΔP_锂＝u_锂Ar_锂P_锂

式中ΔP_梯次和ΔP_锂分别是梯次利用动力电池和锂电池的修正功率命令值，u_梯次为梯次利用动力电池的启停状态，u_锂为锂电池的启停状态，A为目标功率值修正系数，r_梯次为梯次利用动力电池基于荷电状态反馈的自适应修正系数；r_锂为锂电池基于荷电状态反馈的自适应修正系数；SOC_ref梯次为梯次利用动力电池的参考荷电状态值，SOC_ref锂为锂电池的参考荷电状态值，SOC_梯次为梯次利用动力电池的荷电状态，SOC_锂为锂电池的荷电状态，分别是已设定的锂电池储能荷电状态最大值和最小值，分别是已设定的梯次利用电池储能荷电状态最大值和最小值。

6.一种含梯次利用电池的多类型储能系统能量管理系统，其特征在于，所述系统包括：通讯模块、数据存储与管理模块、数据存储与管理模块和模糊自适应控制器模块；

所述通讯模块，用于接收储能电池相关运行数据，以及输出所述储能电池的功率命令值；

所述数据存储与管理模块，用于存储和管理所述储能电池相关运行数据，将储能电池实际功率发送给所述多类型储能功率分配控制器模块，将储能电池实际功率、储能电池荷电状态和储能电池启停信号发送给所述模糊自适应控制器模块；

所述多类型储能功率分配控制器模块，基于自适应功率分配方法，计算储能电池总功率分配给梯次利用动力电池储能系统和锂电池储能系统的功率值，并将功率值发给送所述数据存储与管理模块和所述模糊自适应控制器模块；

所述模糊自适应控制器模块，随机确定储能电池的功率分配系数，根据储能电池荷电状态和储能电池实际功率，实时调节所述储能电池的功率分配系数，同时修正储能电池功率命令值，并将所述功率分配系数和所述修正储能电池功率命令值发给所述多类型储能功率分配控制器模块。