CN107370171A - 一种独立微网中大规模储能优化配置与协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种独立微网中大规模储能优化配置与协调控制方法，步骤1：确定储能单元的容量配比；步骤2：设计储能电池的最大充放电速率约束函数；步骤3：确定主调控单元调节能力约束条件；步骤4：储能单元功率调度。本发明能够延长电池使用寿命和保证储能系统安全可靠运行，同时保证主调控单元这一缓冲池的持续缓冲能力。

Description

一种独立微网中大规模储能优化配置与协调控制方法

技术领域

本发明属于新能源微电网领域，具体是一种独立微网中大规模储能优化配置与协调控制方法。

背景技术

在海岛、高原等偏远地区，多采用由小水电或柴油发电机组成的小型独立电力系统对居民进行供电，然而，小水电受到地理条件和季节的限制，柴油发电的燃料及其运输成本昂贵，且会对环境造成严重污染。近年来，利用储能系统和可再生能源发电对偏远地区和海岛进行供电发展迅猛，然而，储能系统的投资成本在独立微电网中占据了相当重的比例，经济可行的大规模储能仍然是技术难点，效率、寿命、容量规划、协调运行等问题还有待解决。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种独立微网中大规模储能优化配置与协调控制方法，解决现有的独立微网存在的效率、寿命、容量规划、协调运行等问题，延长电池的使用寿命并确保储能系统安全可靠地允许，同时保证主调控单元的持续缓冲能力。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案实现：

一种独立微网中大规模储能优化配置与协调控制方法，包括以下步骤：

步骤1：确定储能单元的容量配比；

步骤2：设计储能电池的最大充放电速率约束函数；

步骤3：确定主调控单元调节能力约束条件；

步骤4：储能单元功率调度。

进一步地，作为优选技术方案，所述步骤1中的储能单元的容量配比分为主储能单元的容量配比和从储能单元的容量配比。

进一步地，作为优选技术方案，所述主储能单元的容量配比的具体过程为：

步骤1-1-1：计算出电网在某一时刻的最大功率变化 其中，为输出功率，其大小由光伏发电和负荷的瞬时最大功率差决定；

步骤1-1-2：计算出保证超级电容的最大充放电倍率满足逆变器的最大功率输出时的容量比：其中，Q_M为超级电容单元的储能总电量(Wh)，C_d、C_c分别为超级电容的最大放电倍率、最大充电倍率(A/Ah)，V_b为超级电容工作电压(V)，V_rb为超级电容的额定电压(V)，к为安全系数，根据系统需要选取，为主控单元的最大输出功率。

进一步地，作为优选技术方案，所述从储能单元的容量配比的具体过程为：

步骤1-2-1：根据整个微电网的功率平衡和能量平衡关系，得到从储能单元的功率需满足：其中，为从储能系统额定输出功率，为负载最大功率；

步骤1-2-2：根据微电网的备电要求，得到锂离子电池的容量关系式：Q_S≥β·Q_L,day/DOD，其中，Q_s为所有锂离子电池单元的总容量(Wh)，β为需要满足的连续不发电天数，Q_L,day为负荷的日均用电量(Wh)，DOD为蓄电池放电深度；

步骤1-2-3：为了保障蓄电池充电的高效性和发电储能配比的合理性，逆变器的输入应满足最大倍率充电需求，其功率和容量配比需要满足如下关系：其中，C_c为锂离子电池的最大充电倍率(A/Ah)，V_b为锂离子电池工作电压(V)，V_rb为锂离子电池的额定电压(V)。

进一步地，作为优选技术方案，所述步骤2的具体过程为：根据选取的储能电池参数及其充放电特性，计算出储能电池的最大可充放电速率：其中，P_sc为充电速率，P_sd为放电速率，f_cha(soc)为电池处于充电时的荷电状态，f_dis(soc)为电池处于放电时的荷电状态。

进一步地，作为优选技术方案，所述步骤3的具体过程为：

步骤3-1：计算出负载总功率P_L，P_M+P_S+P_V＝P_L，其中，P_M为主控调控单元的输出功率，P_S为从储能单元的输出总功率，P_V为光伏发电单元的输出总功率；

步骤3-2：计算出主调控单元的最大可输出功率以及最大可输入功率：其中，为主调控单元的最大可输出功率，为主调控单元的最大可输入功率，P_M为主调控单元的当前输出功率。

进一步地，作为优选技术方案，所述步骤4的具体过程为：

步骤4-1：判断主调控单元的输出功率与蓄电池状态，计算需要调度的目标功率；

步骤4-2：对从储能单元进行功率调度；

步骤4-3：计算并执行对光伏发电单元的功率调度。

进一步地，作为优选技术方案，所述步骤4-1的具体过程为：

步骤4-1-1：将主调控单元的输出功率表示为上一次清零操作到当前时刻微电网的功率变化；

步骤4-1-2：当输出功率的变化在一定范围内时不进行功率操作；当输出功率超出这一范围时，则进行功率调度控制。

进一步地，作为优选技术方案，所述步骤4-2的具体过程为：

步骤4-2-1：计算出从储能单元SSU当前的输出功率P_s

步骤4-2-2：根据当前各个从储能单元SSU的蓄电池的SOC状态，计算出当前的可充电功率P_sc和可放电功率P_sc；

步骤4-2-3：从储能单元SSU当前需要调调度功率P_{s_reg}等于当前输出的功率P_s加上需要节的功率ΔP_grid，当P_{s_reg}<0时，进行步骤4-2-4，当P_{s_reg}>0时，则进行步骤4-2-5；

步骤4-2-4：从储能单元SSU将设置为充电，当最大的可充电功率P_sc能满足P_{s_reg}时，通过从储能单元SSU功率优化调度算法将P_{s_reg}分配到各个单元，当最大可充电功率不能满足P_{s_reg}时，将各单元的充电功率设置到最大，不足的功率部分通过限制光伏发电单元PVU的供电实现调节；

步骤4-2-5：从储能单元SSU单元将被进行放电，当最大可放电功率能够满足P_{s_reg}时，将功率分配到各个单元，当设置到最大放电功率仍不能满足P_{s_reg}时，将从储能单元SSU各单元的放电功率设置到最大。

进一步地，作为优选技术方案，所述步骤4-3的具体过程为：

步骤4-3-1：判断SSU处于充电还是放电状态，若处于充电状态，则进行步骤4-3-2，否则进行步骤4-3-3；

步骤4-3-2：根据第二步的执行结果，如果所有从储能单元SSU单元充电功率调节到最大功率，微电网功率仍有富余时，对光伏发电进行限功率操作，并保存限制功率

步骤4-3-3：当光伏发电单元PVU正处于限制功率状态，先调度光伏发电功率，再进行从储能单元SSU的功率调度；如果当光伏发电单元PVU和从储能单元SSU调节到最大仍不能满足预期功率调度目标时，不能调控的部分仍由主调控单元MCU单元输出，同时，启动负载管理来判断当前情况是否需要进行负载供电限制。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明提供一种独立微网中大规模储能优化配置与协调控制方法，该方法采用储能系统容量规划，按新能源发电和负荷的瞬时最大功率差决定主调控单元的容量，根据总容量需要满足微电网的备电要求确定从储能单元的容量，并根据电池SOC及其性能参数设计其最大充放电速率约束函数，延长了电池使用寿命和保证储能系统安全可靠运行。

(2)本发明通过提供一种独立微网中大规模储能优化配置与协调控制方法，通过对其他储能单元和发电单元的功率重新设置，及时对主调控单元这一缓冲池的功率进行清理，保证了其持续的缓冲能力。

附图说明

图1为大规模混合储能独立微电网的系统结构；

图2为多主调控单元逆变器并联控制框图；

图3为从储能单元逆变器控制框图；

图4为储能单元协调控制流程图；

图5为主控单元锂电池不同SOC区间功率波动范围。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

如图1～图5所示，本实施例所述的一种独立微网中大规模储能优化配置与协调控制方法，包括以下步骤：

步骤1：确定储能单元的容量配比；

步骤2：设计储能电池的最大充放电速率约束函数；

步骤3：确定主调控单元调节能力约束条件；

步骤4：储能单元功率调度。

具体地，本实施例的步骤1中的储能单元的容量配比分为主储能单元的容量配比和从储能单元的容量配比。

本实施例的主储能单元的容量配比的具体过程为：

步骤1-1-1：计算出电网在某一时刻的最大功率变化其中，为输出功率，主调控单元的功率配比需要满足瞬时能够抑制的最大功率，因此，输出功率的大小由光伏发电和负荷的瞬时最大功率差决定；

步骤1-1-2：由于超级电容成本较高，主调控单元主要功率是负责瞬时功率平衡，其容量配比仅需要保证超级电容的最大充放电倍率满足逆变器的最大功率输出：其中，Q_M为超级电容单元的储能总电量(Wh)，C_d、C_c分别为超级电容的最大放电倍率、最大充电倍率(A/Ah)，V_b为超级电容工作电压(V)，V_rb为超级电容的额定电压(V)，к为安全系数，根据系统需要选取，为主控单元的最大输出功率。

本实施例的从储能单元的容量配比的具体过程为：

步骤1-2-1：根据整个微电网的功率平衡和能量平衡关系，在光伏不发电时段，所有储能单元的输出功率总和需要大于负载的最大功率因此，从储能单元的功率需满足：其中，为从储能系统额定输出功率，为负载最大功率；

步骤1-2-2：锂离子电池的总容量需要满足微电网的备电要求，得到锂离子电池的容量关系式：Q_S≥β·Q_L,day/DOD，其中，Q_s为所有锂离子电池单元的总容量(Wh)，β为需要满足的连续不发电天数，Q_L,day为负荷的日均用电量(Wh)，DOD为蓄电池放电深度；

步骤1-2-3：由于锂离子电池的充电倍率较低，充电时间较长，而光伏发电时段时长有限，为了保障蓄电池充电的高效性和发电储能配比的合理性，逆变器的输入应满足最大倍率充电需求，其功率和容量配比需要满足如下关系：其中，C_c为锂离子电池的最大充电倍率(A/Ah)，V_b为锂离子电池工作电压(V)，V_rb为锂离子电池的额定电压(V)。

本实施例的步骤2的具体过程为：储能电池是能量管理系统的核心，为了保证其安全性能和延长其使用寿命，必须同时对其荷电状态(SOC)和功率状态(SOP)进行实时评估和监控，防止其过充、过放和过温。根据选取的储能电池参数及其充放电特性，计算出储能电池的最大可充放电速率：其中，P_sc为充电速率，P_sd为放电速率，f_cha(soc)为电池处于充电时的荷电状态，f_dis(soc)为电池处于放电时的荷电状态。

本实施例的步骤3的具体过程为：

步骤3-1：计算出负载总功率P_L，P_M+P_S+P_V＝P_L，其中，P_M为主控调控单元的输出功率，P_S为从储能单元的输出总功率，P_V为光伏发电单元的输出总功率；在系统的运行过程中，必须满足功率平衡条件，即系统的发电功率与耗电功率相等。P_M+P_S+P_V＝P_L中，任何一部分的功率发生变化时，P_M的值将在几十毫秒内跟随其变化。

步骤3-2：为了维持微电网稳定运行，主调控单元需要具备持续支撑微电网的能力，其主要决定因素是当前具备的对电网中功率变化的调节能力。公式表示主调控单元当前平抑功率波动的能力，式中P_{M_out}表示主调控单元当前可释放的最大功率，P_{M_in}表示主调控单元当前可吸纳的最大功率，它们分别与主调控单元的最大可输出功率最大可输入功率以及当前输出功率P_M相关，当P_M>0即主调控系统放电时，抑制功率负波动的能力大于抑制功率正波动的能力，当P_M<0即主调控系统充电时，抑制功率正波动的能力大于抑制功率负波动的能力。因此，当输出功率P_M趋于0时，主调控单元对正负功率波动抑制的能力相当。

本实施例中，各单元的全称及英文缩写为：光伏发电单元(Photovoltaic Unit，PVU)、从储能单元(Slave Storage Unit，SSU)、主调控单元(Master Control Unit，MCU)。步骤4的具体过程为：

步骤4-1：判断主调控单元的输出功率与蓄电池状态，计算需要调度的目标功率；MCU相当于抑制微电网功率瞬时变化的“缓冲池”，需要及时对“缓冲池”的功率进行清理，通过对其他储能单元和发电单元的功率重新设置，使“缓冲池”功率趋于零，以保持持续的缓冲能力。因此，主调控单元的输出功率可以表示为上一次清零操作到当前时刻微电网的功率变化ΔP_grid。为了避免功率的频繁调度，当输出功率的变化在一定范围内时不进行功率操作。可设置当输出功率在P_d(SOC)和P_c(SOC)之间波动，无需进行功率调度，当输出功率超出这一范围时，方进行功率调度控制。本文将蓄电池的SOC划分为三个区间，SOC为30％—70％时，输出功率运行在-10％—10％之间波动；当SOC<30％时，主调控单元不允许放电，一旦输出功率为正，立刻进行二次功率控制。同理，当锂电池SOC>70％时，主调控单元只运行充电，详见图5。通过这一控制可以将主调控系统的锂电池SOC维持在安全工作区间。

步骤4-2：对从储能单元进行功率调度；首先计算出SSU当前的输出功率P_s，并根据当前各个SSU单元蓄电池的SOC状态，计算出当前的可充电功率P_sc和可放电功率P_sc。SSU当前需要调调度功率P_{s_reg}等于当前输出的功率P_s加上需要节的功率ΔP_grid。当P_{s_reg}<0时，SSU将设置为充电，当最大的可充电功率P_sc能满足P_{s_reg}时，通过SSU功率优化调度算法将P_{s_reg}分配到各个单元，当最大可充电功率不能满足P_{s_reg}时，将各单元的充电功率设置到最大，不足的功率部分通过限制光伏发电单元PVU的供电实现调节；当P_{s_reg}>0时，SSU单元将被进行放电，当最大可放电功率能够满足P_{s_reg}时，将功率分配到各个单元，当设置到最大放电功率仍不能满足P_{s_reg}时，将SSU各单元的放电功率设置到最大。

步骤4-3：计算并执行对光伏发电单元的功率调度；当SSU充电时，根据第二步的执行结果，如果所有SSU单元充电功率调节到最大功率，微电网功率仍有富余时，对光伏发电进行限功率操作，并保存限制功率当SSU放电时，当PVU正处于限制功率状态，先调度光伏发电功率，再进行SSU单元的功率调度。如果当PVU单元和SSU单元调节到最大仍不能满足预期功率调度目标时，不能调控的部分仍由MCU单元输出，同时，启动负载管理来判断当前情况是否需要进行负载供电限制。

另外，主调控单元主要维持微电网电压频率稳定和功率瞬时平衡。主调控单元的控制框图如图2所示，逆变器采用恒频恒压(V/f)控制模式，通过集中控制调节各逆变单元的幅值、相位以及均分功率，各逆变器通过锁相环跟踪集中控制单元提供的脉冲同步信号，使它们输出电压幅值、相位和频率保持一致。采用电流闭环来控制逆变器输出电流跟踪电流参考信号，以实现负载的均分。当独立微电网上的功率平衡发生变化时，主调控单元作为电压源迅速响应以维持功率平衡，多个主调控单元逆变器之间均分变化功率。采用这种方式的优点是电压和频率恒定，不会因发电或负载功率变化而发生波动，且由于实时对输出电流进行调节，逆变器之间的均流效果好。

从储能单元的逆变器控制框图如图3所示，逆变器采用双闭环控制，内环为电流环，外环有两种控制方式，当直流侧电压到达恒压点前，逆变器输出根据参考功率进行功率控制；当直流侧电压到达恒压点后，有功功率转变为直流电压控制，无功功率的参考值为0。

从储能单元工作在电流源模式，运行过程中响应EMS功率调度。EMS系统实时采集系统各单元的数据，计算各部分的功率输出，再根据采集的数据和计算结果，每1秒钟执行一次功率调度流程。功率调度流程如图4所示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种独立微网中大规模储能优化配置与协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定储能单元的容量配比；

步骤2：设计储能电池的最大充放电速率约束函数；

步骤3：确定主调控单元调节能力约束条件；

步骤4：储能单元功率调度。

2.根据权利要求1所述的一种独立微网中大规模储能优化配置与协调控制方法，其特征在于，所述步骤1中的储能单元的容量配比分为主储能单元的容量配比和从储能单元的容量配比。

3.根据权利要求2所述的一种独立微网中大规模储能优化配置与协调控制方法，其特征在于，所述主储能单元的容量配比的具体过程为：

步骤1-1-1：计算出电网在某一时刻的最大功率变化 其中，为输出功率，其大小由光伏发电和负荷的瞬时最大功率差决定；

步骤1-1-2：计算出保证超级电容的最大充放电倍率满足逆变器的最大功率输出时的容量比：其中，Q_M为超级电容单元的储能总电量(Wh)，C_d、C_c分别为超级电容的最大放电倍率、最大充电倍率(A/Ah)，V_b为超级电容工作电压(V)，V_rb为超级电容的额定电压(V)，к为安全系数，根据系统需要选取，为主控单元的最大输出功率。

4.根据权利要求2所述的一种独立微网中大规模储能优化配置与协调控制方法，其特征在于，所述从储能单元的容量配比的具体过程为：

步骤1-2-1：根据整个微电网的功率平衡和能量平衡关系，得到从储能单元的功率需满足：其中，为从储能系统额定输出功率，为负载最大功率；

步骤1-2-2：根据微电网的备电要求，得到锂离子电池的容量关系式：Q_S≥β·Q_L,day/DOD，其中，Q_s为所有锂离子电池单元的总容量(Wh)，β为需要满足的连续不发电天数，Q_L,day为负荷的日均用电量(Wh)，DOD为蓄电池放电深度；

步骤1-2-3：为了保障蓄电池充电的高效性和发电储能配比的合理性，逆变器的输入应满足最大倍率充电需求，其功率和容量配比需要满足如下关系：其中，C_c为锂离子电池的最大充电倍率(A/Ah)，V_b为锂离子电池工作电压(V)，V_rb为锂离子电池的额定电压(V)。

5.根据权利要求1所述的一种独立微网中大规模储能优化配置与协调控制方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为：根据选取的储能电池参数及其充放电特性，计算出储能电池的最大可充放电速率：其中，P_sc为充电速率，P_sd为放电速率，f_cha(soc)为电池处于充电时的荷电状态，f_dis(soc)为电池处于放电时的荷电状态。

6.根据权利要求1所述的一种独立微网中大规模储能优化配置与协调控制方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：

步骤3-1：计算出负载总功率P_L，P_M+P_S+P_V＝P_L，其中，P_M为主控调控单元的输出功率，P_S为从储能单元的输出总功率，P_V为光伏发电单元的输出总功率；

步骤3-2：计算出主调控单元的最大可输出功率以及最大可输入功率：其中，为主调控单元的最大可输出功率，为主调控单元的最大可输入功率，P_M为主调控单元的当前输出功率。

7.根据权利要求1所述的一种独立微网中大规模储能优化配置与协调控制方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程为：

步骤4-1：判断主调控单元的输出功率与蓄电池状态，计算需要调度的目标功率；

步骤4-2：对从储能单元进行功率调度；

步骤4-3：计算并执行对光伏发电单元的功率调度。

8.根据权利要求7所述的一种独立微网中大规模储能优化配置与协调控制方法，其特征在于，所述步骤4-1的具体过程为：

步骤4-1-1：将主调控单元的输出功率表示为上一次清零操作到当前时刻微电网的功率变化；

步骤4-1-2：当输出功率的变化在一定范围内时不进行功率操作；当输出功率超出这一范围时，则进行功率调度控制。

9.根据权利要求7所述的一种独立微网中大规模储能优化配置与协调控制方法，其特征在于，所述步骤4-2的具体过程为：

步骤4-2-1：计算出从储能单元SSU当前的输出功率P_s

步骤4-2-2：根据当前各个从储能单元SSU的蓄电池的SOC状态，计算出当前的可充电功率P_sc和可放电功率P_sc；

步骤4-2-3：从储能单元SSU当前需要调调度功率P_{s_reg}等于当前输出的功率P_s加上需要节的功率ΔP_grid，当P_{s_reg}<0时，进行步骤4-2-4，当P_{s_reg}>0时，则进行步骤4-2-5；

步骤4-2-4：从储能单元SSU将设置为充电，当最大的可充电功率P_sc能满足P_{s_reg}时，通过从储能单元SSU功率优化调度算法将P_{s_reg}分配到各个单元，当最大可充电功率不能满足P_{s_reg}时，将各单元的充电功率设置到最大，不足的功率部分通过限制光伏发电单元PVU的供电实现调节；

步骤4-2-5：从储能单元SSU单元将被进行放电，当最大可放电功率能够满足P_{s_reg}时，将功率分配到各个单元，当设置到最大放电功率仍不能满足P_{s_reg}时，将从储能单元SSU各单元的放电功率设置到最大。

10.根据权利要求7所述的一种独立微网中大规模储能优化配置与协调控制方法，其特征在于，所述步骤4-3的具体过程为：

步骤4-3-1：判断SSU处于充电还是放电状态，若处于充电状态，则进行步骤4-3-2，否则进行步骤4-3-3；

步骤4-3-2：根据第二步的执行结果，如果所有从储能单元SSU单元充电功率调节到最大功率，微电网功率仍有富余时，对光伏发电进行限功率操作，并保存限制功率

步骤4-3-3：当光伏发电单元PVU正处于限制功率状态，先调度光伏发电功率，再进行从储能单元SSU的功率调度；如果当光伏发电单元PVU和从储能单元SSU调节到最大仍不能满足预期功率调度目标时，不能调控的部分仍由主调控单元MCU单元输出，同时，启动负载管理来判断当前情况是否需要进行负载供电限制。