CN105871072A - 储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种储能系统。该包括电池的储能系统包括电池管理系统，其监测电池的电池状态并控制电池的充电操作和放电操作；以及电力调节系统，其确定电池的期望控制值，获取与包括储能系统的电力市场相关的电力市场调整规则信息，基于所获取的电力市场调整规则信息来计算期望控制值的死区值，并基于所计算出的期望控制值的死区值和所监测到的电池状态对控制电池的充电操作和放电操作的电池管理系统进行控制。
Description
技术领域
本公开涉及一种能量系统。
背景技术
能量系统是将所生成的电力存储在包括发电站、变电站和输电线路的各种相关系统中然后选择地和高效地根据需要来使用所存储的电力以提高能量效率的系统。
当具有因时区和季节而显著变化的电负载经均衡以增强总负载因子时，储能系统可以减小电力成本、节省因增加电力设施所需的投资成本和操作成本，因此可以减少电费并节省能量。
这种储能系统正安装在电气系统中的发电站、输电和配电站以及住宅中，并执行诸如频率调整、利用新的可再生能源实现发电机输出稳定化、削峰、负载均衡、应急电源等功能。
储能系统根据储存方式基本可以分为物理储能和化学储能。物理储能采用泵式发电、压缩储气、飞轮等，化学储能采用锂离子电池、铅蓄电池、钠硫电池等。
与电力市场中的电价出价相关联，储能系统还对使用电价昂贵的时区处所储存的能量以及在电价便宜的时区处储能执行时间规划操作。其优点是可以利用电价因发电量和用电量而变化这一事实来减少电力使用成本。
由于采用电价的储能系统的时间规划操作仅能够利用基于时区的电价来维持所需控制值，因此未根据电力市场的调整规则而采用所需控制值的死区。从而，储能系统为了保持所需控制值而进行重复操作，且由于重复的操作而存在的局限性在于其未能高效地进行操作。此外，由于储能系统未能根据电力市场的调整规则来采用误差范围，因此存在的局限性在于不必要地重复了电池控制操作。
从而，需要一种在死区这个所需控制值的可允许范围内操作储能系统的控制设备和控制方法。
发明内容
各实施例提供了一种储能系统。
在一个实施例中，一种包括电池的储能系统包括电池管理系统(BMS)，其监测电池的电池状态并控制电池的充电操作和放电操作；以及电力调节系统(PCS)，其确定电池的期望控制值，获取与包括储能系统的电力市场相关的电力市场调整规则信息，基于所获取的电力市场调整规则信息来计算期望控制值的死区值，并基于所计算出的期望控制值的死区值和所监测到的电池状态对控制电池的充电操作和放电操作的BMS进行控制。
根据各个实施例，由于本发明构思的储能系统能够使电池将电池的SOC级别维持在所确定的期望控制值的死区值内，因此可以避免不必要的电池控制操作。
此外，由于本发明构思可以基于所获取的电力市场调整规则信息来计算电池的期望控制值的死区值，因此可以根据储能系统的操作使收益最大化。
在下文的附图和说明书中阐述了一个或多个实施例的细节。其他的特征从说明书和附图以及从权利要求是显而易见的。
附图说明
图1是表示根据实施例的储能系统的配置的框图。
图2是根据实施例的电力市场构成的概念图。
图3是根据实施例的储能系统的控制设备的操作的流程图。
图4至图6是表示根据实施例的死区值的图表。
具体实施方式
在具体实施方式和权利要求中采用的术语或词汇不应当限制性地理解为典型的意思或词典中标注的意思，而是应当基于发明人可以适当地界定术语的概念以采用最好的方式来描述其发明的原则，将其理解为符合本发明构思的技术精神的意思和概念。
从而，由于在具体实施方式中所描述的实施例和附图中所示出的配置仅仅是示例，其并不覆盖实施例的所有技术精神，因此应理解在提交本申请时可以存在各种等同形式或变形将其替代。
图1是表示根据实施例的储能系统10的配置的框图。
参照图1，储能系统10可以包括电力调节系统(PCS)100、发电系统200、电池300、电池管理系统(BMS)310、系统400以及负载500。
PCS 100可以是储能系统10的控制设备。
PCS 100可以将发电系统200所生成的电力储存在电池300中或者向系统400或负载500发送该电力。此外，PCS 100可以向系统400或向负载500发送电池300中所储存的电力。PCS 100也可以将从系统400供应的电力储存在电池300中。
此外，PCS 100可以基于电池300的荷电状态(SOC)级别来控制电池300的充电或放电。
此外，PCS 100可以基于电力市场的电价、发电系统200的发电计划以及系统400的电力需求来针对储能系统的操作做出时间规划。下文提供了相关描述。
发电系统200利用能量源来发电。
例如，发电系统200可以利用矿物燃料、原子能燃料以及可再生能源中的一个或多个来发电。
在一实施例中，发电系统200可以是利用诸如太阳能发电系统、风力发电系统、潮汐能发电系统等可再生能源的可再生发电系统。
系统400可以包括发电站、变电站、输电线路等。系统400可以向PCS 100和负载500供应中的一个或多个供电，并且还从PCS 100接收电力。在异常状态中，系统400可以不向PCS 100和负载500中的一个或多个供电，也可以不从PCS 100接收电力。
负载500从发电系统200、电池300以及系统400中的一个或多个接收电力并消耗所接收的电力。
例如，负载500可以包括住宅、大厦、工厂等。
在下文中，详细描述了控制上述储能系统10的PCS 100。
PCS 100可以包括电力变换单元110、集成控制单元160、第一变换器130、第二变换器140、第一开关150和第二开关170。
电力变换单元110可以连接至发电系统200和第一节点N1之间。电力变换单元100可以向第一节点N1发送发电系统200所生成的电力，并将输出到第一节点N1的输出电压变换成直流(DC)链电压。因此，电力变换单元110可以工作以便于发电系统200产生的电力可以供应至电池300、系统400和负载500中的一个或多个。
根据发电系统200的类型，电力变换单元110可以包括变换器和整流器电路中的一个或多个。例如，电力变换单元110可以包括在发电系统200产生DC电力时将DC电力变换成DC电力的DC/DC变换器。作为另一示例，电力变换单元110可以包括在发电系统200生成AC电力时将交变电流(AC)电力变换成DC电力的整流器电路。
此外，电力变换单元110可以包括最大电力点追踪(MPPT)变换器，其执行MPPT控制为了能够根据太阳辐射、温度、风速等量的变化使发电系统200所生成的电力最大化。
电力变换单元110可以在发电系统200没有生成电力时使电力消耗最小化。
集成控制单元160可以与控制电池300的充电和放电的BMS 310连接，并可以获取与电池300的SOC相关的SOC信息。此外，集成控制单元160可以使储存在电池300中的能量传送至系统400和负载500中的一个或多个。此外，集成控制单元160可以使发电系统200生成的电力能够用于对电池300充电。
集成控制单元160可以将从电力变换单元110输出的电力与逆变器输出指令值进行比较，并根据比较的结果来控制第二变换器140和第一变换器130中的一个或多个。
例如，当从电力变换单元110输出的电力超出逆变器输出指令值时，集成控制单元160可以控制第二变换器140和第一变换器130中的一个或多个以便于与输出电力和逆变器输出指令值之间的差值对应的电力充入到电池300中。从而,第二变换器140可以以充电模式工作且第一变换器130可以向负载500或系统400供应与逆变器输出指令值对应的电力。
由于逆变器输出指令值为低于发电系统200生成的电力的值，集成控制单元160可以控制第二变换器140以便于除了逆变器输出指令值之外的剩余电力被充入到电池300中。从而，电池300的SOC级别可以对应于期望值。
作为另一示例，当从电力变换单元110输出的电力低于逆变器输出指令值时，集成控制单元160可以控制第二变换器140和第一变换器130中的一个或多个以便于电池300释放与逆变器输出指令值和输出电力之间的差值对应的电力。从而，第二变换器140以放电模式工作且第一变换器130向负载500或系统供应与逆变器输出指令值对应的电力。在这种情况下，由于逆变器输出指令值为高于发电系统200生成的电力的值，集成控制单元160可以使电池300能够放电。从而，电池300的SOC级别可以对应于期望值。
此外，集成控制单元160可以控制PCS 100的总体操作并确定储能系统10的操作模式。集成控制单元160可以确定对于第一操作模式、第二操作模式、第三操作模式、第四操作模式等的操作，其中在第一操作模式中所生成的电力供应至系统400，在第二操作模式中所生成的电力供应至负载500，在第三操作模式中所生成的电力储存在电池300中，在第四操作模式中从系统400发送的电力储存在电池300中。
集成控制单元可以发送控制电力变换单元110、第一变换器130、第二变换器140、第一开关150和第二开关160中的每个的开关操作的控制信号。控制信号可以指可以通过根据每个变换器或逆变器的输入电压对占空比的最优控制而根据变换器或逆变器的电力变换使损耗最小化的信号。集成控制单元160可以从电力变换单元、第一变换器110和第二变换器140中每个的输入和输出中的一个或多个来接收感测电压、电流和温度的信号，并基于所接收的感测信号来发送控制信号。
上述集成控制单元160可以包含在PCS 100中或者也可以是分离的部件。
第一变换器130可以变换电压的大小，并且还可以将AC电力变换成DC电力或将DC电力变换成AC电力。
第一变换器130可以包括变换器和逆变器中的一个或多个。
在实施例中，第一变换器130可以置于电力变换单元110和第一开关150之间。第一变换器130可以包括电力变换器。
从而，第一变换器130可以以放电模式将从发电系统200或从电池300输出的DC链电压变换成AC电压并向系统400输出AC电压。
此外，第一变换器130可以将系统400的AC电压整流成能够以充电模式将系统400的电力储存在电池300中，将AC电压变换成DC链电压并向电池300输出DC链电压。
第一变换器130可以包括用于去除输出至系统400的AC电压中的谐波的滤波器。
特别地，第一变换器130可以包括用于使第一变换器130输出的AC电压的相位与系统400的AC电压的相位同步从而抑制无功电力的生成的锁相环电路。
此外，第一变换器130可以执行电压变化范围限制、功率因数改进、DC成分移除、暂态现象保护等功能。
第一变换器130可以在不需要向负载500和系统400中的一个或多个供应发电系统200生成的电力和在电池300中所储存的电力中的一个或多个时来最小化电力消耗。此外，第一变换器130可以在不需要系统400的电力同时对电池300充电时来最小化电力消耗。
第二变换器140可以变换电压的大小，并且还可以将AC电力变换成DC电力或将DC电力变换成AC电力。
第二变换器140可以包括变换器和逆变器中的一个或多个。
在实施例中，第二变换器140可以以放电模式将储存在电池300中的电力变换成与第一变换器对应的电压电平并输出变换后的电力。例如，第二变换器140可以通过DC/DC变换将储存在电池300中的电力变换成DC链电压并输出变换后的电力。
第二变换器140可以以充电模式将流经第一节点N1的流入充电电力变换成与电池300对应的电压电平并输出变换后的电力。例如，第二变换器140可以通过DC/DC变换将流入充电电力变换成充电电压并输出变换后的电力。在这种情况下，充电电力可以是由发电系统200生成的电力或经由第一变换器130从系统400供应的电力。
第一开关150和第二开关170可以在第一变换器130和第二节点N2之间串联连接。第一开关150和第二开关170中的每个可以从集成控制单元160接收控制信号并基于所接收的控制信号来执行开关操作。从而，第一开关150和第二开关170中的每个可以执行开/关操作来控制发电系统200和系统400之间的电流流动。第一开关150和第二开关170中的每个可以基于发电系统200、电池300和系统400中的一个或多个的状态来执行开关操作。
在实施例中，在负载500所要求的电力量大于发送至负载500的电力量的情况下，第一开关150和第二开关170可以打开以便于电力从发电系统200和系统400中的每个发送至负载500。此外，当从发电系统200和系统400发送至负载500的电力小于负载500所要求的电力时，第一开关150和第二开关170中的一个或多个可以执行开关操作以便于储存在电池300中的电力供应至负载500。
在另一实施例中，在系统400具有电力断供时，第二开关170可以关闭且第一开关150可以打开。从而，可以向发电系统200和电池300中的一个或多个供电。此外，由于可以中断到系统400的电力供应，因此可以防止在系统400处工作时发生的事故。
BMS 310可以连接至电池300来控制电池300的充电或放电操作。此外，BMS 310可以监测包括SOC级别即电池300的荷电状态的电池状态。此外，BMS 310可以向集成控制单元160发送与电池300的状态相关的电池状态信息。例如，BMS 310可以监测电池300的电压、电流、温度、电力余量、寿命和荷电状态中的一个或多个，并向集成控制单元160发送所监测到的电池状态信息。
BMS 310可以执行保护电池300的保护操作。例如，BMS 310可以对电池300执行过充电保护、、过放电保护、过电流保护、过电压保护、过热保护和电芯均衡功能中的一个或多个。
此外，BMS 310可以调节电池300的SOC级别。特别地，BMS 310可以从集成控制单元160接收控制信号并基于所接收的控制信号来调节电池300的SOC级别。下文提供了相关描述。
电池300可以接收并储存发电系统生成的电力和系统400的电力中的一个或多个。电池300可以向系统400和负载500中的一个或多个供应所储存的电力。电池300可以包括至少一个电池电芯(batterycell)且每个电池电芯可以包括多个裸电芯。
图2是根据实施例的电力市场构成的概念图。
参照图2，电力市场构成包括发电集团旗下的发电公司、独立发电业务运营商、购电协议(PPA)业务运营商、区域电业务运营商、韩国电力交易所、韩国电力集团(KEPCO)、消费者、大众消费者以及特定区域消费者。在2014年,上述国内发电公司包括从KEPCO分拆出来的六个发电集团旗下的发电公司以及年288个独立发电业务运营商。
发电集团旗下的发电公司、独立发电业务运营商、PPA业务运营商和区域电业务运营商可以指发电公司，可以通过韩国电力交易所,针对根据属于上述每个的发电设备可能生成的电力量所可能供应的容量进行投标，并根据投标获取收益。
发电集团旗下的发电公司和独立发电业务运营商中的每个可每天通过韩国电力交易所针对每个公司所拥有的发电机所能供应的电力量进行投标，韩国电力交易所管理电力市场。
KEPCO以在电力市场中确定的成本购买电力并将所购买的电力供应给消费者。从而，KEPCO负责输电、配电和销售。
PPA业务运营商可以指购电协议业务运营商并针对可以通过电力市场供应的容量进行投标。此外，PPA业务运营商进行调整以便于电力交易成本根据与KEPCO签署的供求合同而不是在电力市场中确定的量来适用。此外，对应的调整规则可以包含在电力市场调整规则信息中。
区域电业务运营商是通过一定规模的发电设施来发电并在经许可的特定区域中直接销售所生成的电力的业务运营商。此外，区域电业务运营商可以从KEPCO或电力市场直接购买必要的电力，或将过剩电力销售给KEPCO或电力市场。
需要合同需求为30000kW或更多的大众消费者可以直接在电力市场中购买必要的电力，而不是通过KEPCO购买。
在下文中，基于上述配置和细节描述了本发明构思的储能系统的控制设备的控制方法。
图3是根据实施例的储能系统的控制设备的操作的流程图。
参照图3，在步骤S101中集成控制单元160确定对于电池300的期望控制值。
集成控制单元160可以基于根据时区、发电系统200的发电和耗电、系统400和负载500的电价来确定对电池300进行充电或放电的期望控制值。集成控制单元160还可以采用基于时区的时间规划的形式来生成经确定用于电池300的充电和放电操作的期望控制值。
由于集成控制单元160如何确定电池300的期望控制值是已知的，因此省略了相关的详细描述。
在步骤S103中集成控制单元160获取电力市场调整规则信息。
集成控制单元160可以从相关服务器(未示出)获取包括电力市场调整规则信息的电力市场数据。在这种情况下，电力市场数据可以包括基于时区的电价、在电力市场中所投标或拍卖的电力量以及电力市场调整规则中的一个或多个。此外，电力市场调整规则可以包括电力量的调整量、容量的调整量以及额外调整量。例如，电力市场调整规则信息可以包括与频率追踪(G/F)技术相关的调整规则信息。
在非专利文献“调整规则指南”(2009年6月由电交易所发布)中公开了电力市场调整规则。
在步骤S105中集成控制单元160基于所获取的电力市场调整规则信息来计算期望控制值的死区值。
集成控制单元160可以基于所获取的电力市场调整规则信息来计算步骤S101中确定的电池300的期望控制值的死区值。集成控制单元160可以基于所获取的电力市场调整规则信息来计算期望控制值的死区值，其中所需控制值的死区值根据储能系统10的操作来使收益最大化。
在实施例中，集成控制单元160可以基于所获取的电力市场调整规则来获取与可允许误差范围相关的信息并基于与所获取的误差范围相关的信息来计算期望控制值的死区值。例如，集成控制单元160可以在所获取的可允许误差范围为4％时将0.96X、1.04X计算为所确定的期望控制值X的死区值。
集成控制单元160还可以根据所获取的电力市场调整规则信息和所确定的期望控制值中的一个或多个来计算期望控制值的非对称死区值。特别地，集成控制单元160可以计算与期望控制值具有不同差值的多个死区值。例如，集成控制单元160可以在根据所获取的可允许误差范围的死区范围为0.08时将0.94X、1.02X计算为所确定的期望控制值X的死区值。
在本例中，期望控制值的死区值可以指期望控制值的可允许误差范围。从而，集成控制单元160或BMS 310可以在控制电池300的充电操作和放电操作时在期望控制值的死区值内控制电池300的操作。从而，集成控制单元160或BMS 310可以在数值在期望控制值的死区值内时确定与期望控制值对应。
在下文中，参照图4至图6描述了集成控制单元160的死区值的计算。
图4至图6是表示根据本发明的实施例的死区值的图表。
在实施例中，参照图4，集成控制单元160可以基于所获取的电力市场调整规则信息来计算期望控制值的死区范围。此外，集成控制单元160可以基于所计算的死区范围来计算与期望控制值具有相同差值的多个死区值。从而，集成控制单元160可以计算期望控制值的第一死区值-D1和期望控制值的第二死区值+D1。
在另一实施例中，参照图5，集成控制单元160可以基于所获取的电力市场调整规则信息来计算期望控制值的死区范围。此外，集成控制单元160可以基于所计算出的死区范围来计算与期望控制值具有不同差值的多个死区值。从而，集成控制单元160可以计算期望控制值的第三死区值-D2和期望控制值的第四死区值+D3。
在又一实施例中，参照图6，集成控制单元160可以基于所获取的电力市场调整规则信息来计算期望控制值的死区范围。此外，集成控制单元160可以基于所计算出的死区范围来计算与期望控制值具有不同差值的多个死区值。从而，集成控制单元160可以计算期望控制值的第五死区值-D4和期望控制值的第六死区值+D5。
如上所述的期望控制值，死区范围和死区值可以是用于频率控制的频率。此外，死区值还可以是单值或基于表格的表格值。在这种情况下，死区值的表格值还可以具有矢量、矩阵或张量中一个或多个的类型。
死区范围计算的细节和死区值计算仅仅是用于解释的示例且上述集成控制单元160可以根据使用者或设计者的选择的来设定。
再次参考图3。
在步骤S107中，集成控制单元160获取与电池300的状态相关的电池状态信息。
集成控制单元160可以从BMS 310获取包括与电池相关的SOC级别信息的电池状态信息。如上所述，BMS 310可以监测电池300的电压、电流、温度、电力余量、寿命和荷电状态中的一个或多个，并向集成控制单元160发送所监测到的电池状态信息。
在步骤S109中，集成控制单元160基于所计算出的死区值和所获取的电池状态信息来控制电池300的充电操作和放电操作。
集成控制单元160可以基于所获取的电池状态信息中的SOC级别信息来控制电池300的充电或放电操作以便于电池300的SOC级别包含在所计算出的死区值内。例如，集成控制单元160可以基于所获取的电池300的SOC级别信息和所计算出的死区值来控制BMS 310的电池控制操作以便于电池300的SOC级别包含在所计算出的死区值内。在这种情况下，集成控制单元160或BMS 310可以通过频率控制来控制电池300的操作。
因此，由于本发明构思的储能系统10能够使电池300将电池的SOC级别维持在所确定的期望控制值的死区值内，因此可以避免不必要的电池控制操作。此外，由于本发明构思可以基于所获取的电力市场调整规则信息来计算电池的期望控制值的死区值，因此可以最大化根据储能系统的操作的利益。
上文主要描述了示例性实施例，其仅仅是例子，且并不限制本发明构思。本领域技术人员可以理解上文未提到的许多变形和应用可以不背离实施例的必要特征来实施。例如，在实施例中特别表示的每个部件可以变化。此外，应理解与这种变化和这种应用相关的区别点包含到下文权利要求书所界定的本发明构思的范围中。
Claims (6)
1.一种包括电池的储能系统，所述储能系统包括：
电池管理系统，其监测所述电池的电池状态并控制所述电池的充电操作和放电操作；以及
电力调节系统，其确定所述电池的期望控制值，获取与包括所述储能系统的电力市场相关的电力市场调整规则信息，基于所获取的电力市场调整规则信息来计算所述期望控制值的死区值，并基于所计算出的期望控制值的死区值和所监测到的电池状态对控制所述电池的充电操作和放电操作的所述电池管理系统进行控制。
2.根据权利要求1所述的储能系统，其中，所述电池管理系统监测所述电池的电压、电流、温度、电力余量、寿命以及荷电状态中的一个或多个。
3.根据权利要求1所述的储能系统，其中，所述电池状态信息包括与所述电池相关的荷电状态级别信息，并且
所述电池管理系统使所述荷电状态级别维持在所计算出的死区值内。
4.根据权利要求1所述的储能系统，其中，所述电力调节系统基于所获取的电力市场调整规则信息来计算多个死区值，即与所计算的期望控制值具有相同差值的第一死区值和第二死区值。
5.根据权利要求1所述的储能系统，其中，所述电力调节系统基于所获取的电力市场调整规则信息来计算多个死区值，即与所计算的期望控制值具有相同差值的第三死区值和第四死区值。
6.根据权利要求1所述的储能系统，其中，所述电力调节系统将所计算的死区值计算为与所述储能系统的频率控制对应的频率值。
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