CN107895805B - 一种大规模液流电池系统停机保护设备及其控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模液流电池系统停机保护设备及其控制策略，控制策略包括：由电站监控系统下发储能电站充放电功率值以及充放电状态，电池管理系统根据储能电站充/放电功率及充电系数K将需要停机的电池单元分为充电电池单元以及停机放电电池单元，并利用停机放电电池单元给充电电池单元充电，并反复执行上述步骤直至所有需要停机的电池单元均实现停机放电。本发明解决了大规模液流电池系统停机后能量不回馈电网，有效处理了电堆内能量，避免了电堆内温度骤然升高，进而保护了电堆，延长了电池系统使用寿命，同时最大限度的提高了液流电池系统的使用率和效率，降低了系统能量损失。

Description

一种大规模液流电池系统停机保护设备及其控制策略

技术领域

本发明涉及液流电池系统，具体涉及一种大规模液流电池系统停机保护设备及其控制策略。

背景技术

全钒液流电池系统内部存在大量管路及电解质，系统停机后电堆内必然残留有一定量的电解质，形成的漏电电流以热量形式转化，导致电解液温度升高。当液流电池系统带电停机时，电堆内剩余电能将以漏电的形式释放，此时电解液不再流动，使其温度急速上升，一旦温度超过电堆材料的承受范围，势必对电堆材料造成不可逆转的伤害，进而烧坏电堆。因此针对液流电池系统停机时电堆内参与能量的处理，是保护电堆、延长电池寿命的关键技术。

由于基于全钒液流电池规模储能电站在停机后，需要对电网进行放电，这一行业内的普遍采用的做法在国内以及国外某些场合并不允许。专利号为CN103247814的中国专利公开了采用对负载放电处理方式，但其对于数十、数百KW级的全钒液流电池系统较为有效，但随着全钒液流电池系统的不断发展，对于MW+级的大规模电池系统，上述方法很难达到预期的技术效果，根本原因在于相应的匹配负载很难找到。此外上述方法造成了巨大的能量损失，降低了电池系统的工作效率。综上所述，大规模全钒液流电池系统停机后，为了保护电堆，需要把电堆的能量释放，常规方式在某些场合不允许。而在系统停机后采用卸荷电阻或者负荷放电的方式，只适用于小型系统，而大规模全钒液流电池系统停机放电功率较大，无法找到合适的负荷。

发明内容

鉴于已有技术存在的不足，本发明采用多个电池单元之间停机后互相充放的方法，提供一种解决大规模全钒液流电池系统停机后能量既不回馈电网，也不采用卸荷负载消耗，既能有效保护电堆，又能最大限度抑制电能浪费的停机保护设备及相应的控制策略。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种大规模全钒液流电池储能系统停机控制策略，其特征在于步骤包括：

步骤1、由电池管理系统接收电站监控系统下发的储能电站充放电功率值及充放电指令，判断储能电站工作状态，若储能电站充电，且目标充电功率小于当前充电功率值，则执行步骤2，若储能电站放电，且目标放电功率小于当前放电功率值，则执行步骤3；

步骤2、储能电站充电时，由电池管理系统接收储能电站目标充电功率P_总充，并根据储能电站当前充电功率判断需要停机的电池单元数量，根据充电系数K将需要停机的电池单元分为充电电池单元以及停机放电电池单元，并依次利用停机放电电池单元给充电电池单元充电，反复执行根据充电系数K将上级充电电池单元分为充电电池单元及停机放电电池单元两部分并利用停机放电电池单元给充电电池单元充电的步骤，直至所有需要停机的电池单元停机放电完成，其中0<K≤2/3；

步骤3、储能电站放电时，由电池管理系统接收储能电站目标放电功率P_总放，并根据储能电站当前放电功率判断需要停机的电池单元数量，根据充电系数K将需要停机的电池单元分为充电电池单元以及停机放电电池单元，并依次利用停机放电电池单元给充电电池单元充电，反复执行根据充电系数K将上级充电电池单元分为充电电池单元及停机放电电池单元两部分并利用停机放电电池单元给充电电池单元充电的步骤，直至所有需要停机的电池单元停机放电完成，其中0<K≤2/3。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明有效处理了大规模液流电池系统停机后电堆内能量，避免了电堆内温度骤然升高，进而保护了电堆，延长了电池系统使用寿命；

2.本发明充分利用了需停机放电的各电池单元中的残余能量，最大限度的提高了液流电池系统的工作效率，减少了系统能量损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电池储能系统控制架构；

图2为本发明充放电子程序切换流程图；

图3为本发明充电时电池系统停机放电策略流程图；

图4为本发明放电时电池系统停机放电策略流程图；

图5为本发明电池电源停机放电策略示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明是基于电池储能系统公开号为CN103390920的中国专利所公开的技术基础上进行的进一步研究。本发明的控制系统架构包括一个用于判断电站充电电流大小并发出储能电站充/放电功率的电站监控系统、若干用以采集各电池单元SOC数值并监控各电池单元工作状态的电池单元管理系统以及一个分别与电站监控系统、各电池单元管理系统连接用以对电池单元进行统一管理的电池管理系统。

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明的技术方案：

一种大规模全钒液流电池储能系统停机控制策略，其特征在于步骤包括：

步骤1、由电池管理系统接收电站监控系统下发的储能电站充放电功率值及充放电指令，判断储能电站工作状态，若储能电站充电，且目标充电功率小于当前储能电站充电功率值，则执行步骤2，若储能电站放电，且目标放电功率小于当前储能电站放电功率值，则执行步骤3；如图2所示，根据储能电站充电电流I_充判断储能电站的工作状态，若I_充≥0时，储能电站充电，则系统执行充电子程序；否则，储能电站放电，系统执行放电子程序。

步骤2、储能电站充电时，由电池管理系统接收储能电站目标充电功率P_总充，并根据储能电站当前充电功率判断需要停机的电池单元数量，根据充电系数K将需要停机的电池单元分为充电电池单元以及停机放电电池单元，并依次利用停机放电电池单元给充电电池单元充电，如图5所示，反复执行根据充电系数K将上级充电电池单元分为充电电池单元及停机放电电池单元两部分，并利用停机放电电池单元给充电电池单元充电的步骤，直至所有需要停机的电池单元停机放电完成，其中0<K≤2/3。如图3所示为充电时电池系统停机放电策略流程图。

其中根据储能电站充电功率判断需要停机的电池单元数量步骤包括：

步骤211、储能电站充电时，将电池单元根据SOC从小到大排序，得到第一最大可充电功率P_{1-charged-max}，第二最大可充电功率P_{2-charged-max}，…，第M最大可充电功率P_{M-charged-max}；

步骤212、判断各电池单元可充功率是否满足

P_{1-charged-max}+P_{2-charged-max}+......P_{M-charged-max}≥P_总充

且

P_{1-charged-max}+P_{2-charged-max}+......P_{(M-1)-charged-max}<P_总充

若满足，则需要参与充电的电池单元数量为M；

步骤213、根据运行的电池单元总量N与参与充电的电池单元数量M计算得到需要停机的电池单元数量为N-M。进一步地，结合充电系数K将需要停机的电池单元分为K(N-M)个停机放电电池单元及(1-K)(N-M)个充电电池单元，如不能整除，采用四舍五入，且满足

P_{1-discharged+}P_2-discharged+。。。。。。P_{K(N-M)-discharged}≤P_{1-charged-max}+P_{2-charged-max}+……P_{(1-K)(N-M)-charged-max}

其中P_{L_discharged}为第L停机放电电池单元的放电功率，1≤L≤K(N-M)。

此时，利用停机放电电池单元给充电电池单元充电，反复执行根据充电系数K将充电电池单元分为充电电池单元及停机放电电池单元两部分并利用停机放电电池单元给充电电池单元充电的步骤，直至需要停机的电池单元数量减至1个，此时可以利用专利号为CN103247814的中国专利公开的采用负载放电处理方式，对该电池单元进行放电。

当某个充电电池单元故障时，将该单元自动转为停机放电电池单元，并将SOC最低的停机放电单元自动调整为充电电池单元。进一步地，当某个充电电池单元SOC达到100％时，该充电单元不再参与停机充放电分配，直接按额定功率放电，同时将储能电站充电功率调整为P_总充+P_单元额定；如果有X个充电电池充电单元SOC达到100％，则此时储能电站充电功率调整为P_总充+P_单元额定*X。当P_单元额定等于500KW时，即当某个充电电池单元SOC达到100％时，该充电单元不再参与停机充放电分配，直接按额定功率放电，并将储能电站充电功率调整为P_总充+500；如果有X个充电电池充电单元SOC达到100％，则此时储能电站充电功率调整为P_总充+500X。

步骤3、储能电站放电时，由电池管理系统接收储能电站目标输出功率P_总放，并根据储能电站当前输出功率判断需要停机的电池单元数量，根据充电系数K将需要停机的电池单元分为充电电池单元以及停机放电电池单元，并依次利用停机放电电池单元给充电电池单元充电，如图5所示，反复执行根据充电系数K将上级充电电池单元分为充电电池单元及停机放电电池单元两部分并利用停机放电电池单元给充电电池单元充电的步骤，直至所有需要停机的电池单元停机放电完成，其中0<K≤2/3。如图4所示为放电时电池系统停机放电策略流程图。

其中根据储能电站充电功率判断需要停机的电池单元数量步骤包括：

步骤311、储能电站放电时，将电池单元根据SOC从大到小排序，得到第一最大可放电功率P_{1-discharged-max}，第二最大可放电功率P_{2-discharged-max}，…，第M最大可放电功率P_{M-discharged-max}；

步骤312、判断各电池单元可放功率是否满足

P_{1-discharged-max}+P_{2-discharged-max}+......P_{M-discharged-max}≥P_总放

且

P_{1-discharged-max}+P_{2-discharged-max}+......P_{(M-1)-discharged-max}<P_总放

若满足，则需要参与放电的电池单元数量为M；

步骤313、根据运行的电池单元总量N与参与放电的电池单元数量M计算得到需要停机的电池单元数量为N-M。进一步的根据充电系数K将需要停机的电池单元分为充电电池单元以及停机放电电池单元包括将需要停机的电池单元分为前K(N-M)个停机放电电池单元及后(1-K)(N-M)个充电电池单元，如不能整除，采用四舍五入，且满足

P_{1-discharged+}P_2-discharged+。。。。。。P_{K(N-M)-discharged}≤P_{1-charged-max}+P_{2-charged-max}+……P_{(1-K)(N-M)-charged-max}

其中P_{L_discharged}为第L停机放电电池单元的放电功率，1≤L≤K(N-M)。

此时，利用停机放电电池单元给充电电池单元充电，反复执行根据充电系数K将充电电池单元分为充电电池单元及停机放电电池单元两部分并利用停机放电电池单元给充电电池单元充电的步骤，直至需要停机的电池单元数量减至1个，此时可以利用专利号为CN103247814的中国专利公开的采用负载放电处理方式，对该电池单元进行放电。

当某个充电电池单元故障时，将该单元自动转为停机放电电池单元，并将SOC最低的停机放电单元自动调整为充电电池单元。当某个充电电池单元SOC达到100％时，该充电单元不再参与停机充放电分配，直接按额定功率放电，同时将储能电站充电功率调整为P_总放-P_单元额定；如果有X个充电电池充电单元SOC达到100％，则此时储能电站充电功率调整为P_总放-P_单元额定*X。当P_单元额定等于500KW时，即当某个充电电池单元SOC达到100％时，该充电单元不再参与停机充放电分配，直接按额定功率放电，同时将储能电站充电功率调整为P_总放-500；如果有X个充电电池充电单元SOC达到100％，则此时储能电站充电功率调整为P_总放-500X。

下面以液流电池储能系统充电过程的应用实例对本发明进行进一步说明。电池管理系统接收电站监控系统下发的储能电站充放电功率值及充放电指令，判断储能电站工作状态，若I_充≥0则储能电站充电，且目标充电功率小于当前充电功率值时，则系统执行充电停机子程序。本实施例中，电池储能系统共包括多组电池单元，且每组电池单元均连接用于采集电池单元可充电功率的电池管理系统。各电池单元根据SOC从小到大排序,SOC₁＝31％,SOC₂＝33％,SOC₃＝34％,SOC₄＝36％,SOC₅＝41％,SOC₆＝42％,SOC₇＝45％,SOC₈＝49％,SOC₉＝53％,SOC₁₀＝55％,对应得到第一最大可充电功率P_{1-charged-max}，第二最大可充电功率P_{2-charged-max}…第十最大可充电功率P_{10-charged-max}。本实施例中各电池单元的最大可充电功率按SOC从小到大对应分别为500KW、500KW、500KW、500KW、500KW、500KW、500KW、500KW、500KW、500KW.各电池单元的最大可放电功率按SOC从小到大分别为500KW、500KW、500KW、500KW、500KW、500KW、500KW、500KW、500KW、500KW。本实施例中有10套电池单元在运行，电站监控系统下发的储能电站充电功率值目标值P_总充为800KW。

由于500+500>800且500<800，即：

P_{1-charged-max}+P_{2-charged-max}≥P_总充

且

P_{1-charged-max}<P_总充

因此需要参与充电的电池单元为数目M＝2套，此时运行的电池单元数目为N＝10套，则剩余需要停机的电池单元总数量为8套。作为本发明较佳的实施方案，优选充电系数K＝1/3，则需要停机放电的电池单元数目为K(N-M)并四舍五入，即为SOC高的3套，需要停机充电的电池单元数目为(1-K)(N-M)并四舍五入，即为按SOC排序低的5套。

参与放电的电池单元的停机放电功率数值P_{L_discharged-Stop}均可调节，考虑到停机放电时间越短越好，因此三套参与放电的电池单元P_{L_discharged-Stop}默认值取P_单元功率＝500kW，当电池单元可放最大功率P_{L_discharged-Max}<P_单元功率时，P_{L_discharged-Stop}＝P_{L_discharged-MAX}，

此时，电池单元满足

P_{1_discharged-Stop}+P_{2_discharged-Stop}+P_{3_discharged-Stop}≤P_{1_charged-Maxx}+P_{2_charged-Max}+…+

P_{5_charged-Max}

由此可以判断调节参数K＝1/3选取合适，如果不满足上式则需调节放电单元的数量直至满足

P_{1_discharged-Stop}+P_{2_discharged-Stop}+。。。。。。

P_{K(N-M)_discharged-Stop}≤P_{1_charged-Max}+P_{2_charged-Max}+……P_{(1-k)(N-M)_charged-Max}

此时3个电池单元放电、5个电池单元充电，3个电池单元放电过程结束后，则不再参与停机充放电分配，剩余的5个电池单元再次按照SOC自低到高重新排序进行电池单元的充放电分配。K＝1/3，此时有2个电池单元放电，3个电池单元充电，利用停机放电电池单元给充电电池单元充电，反复执行根据充电系数K将充电电池单元分为充电电池单元及停机放电电池单元两部分并利用停机放电电池单元给充电电池单元充电的步骤，直至需要停机的电池单元数量减至0个或1个。当需要停机的电池单元数量减至0个时，即最后充电的电池SOC达到100％，调节总充电功率为P_总充+500，此时其与各电池单元刚好可以实现完全放电。当需要停机的电池单元数量减至1个时，即最后仍有一个电池单元存在剩余电量时，可以利用专利号为CN103247814的中国专利公开的采用负载放电处理方式，对该电池单元进行放电。

液流电池储能系统放电过程与充电过程类似，仅在调整储能电站目标充电功率为P_总放时，与充电过程相反，此处不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种大规模全钒液流电池储能系统停机控制策略，其特征在于步骤包括：

步骤1、由电池管理系统接收电站监控系统下发的储能电站充放电功率值及充放电指令，判断储能电站工作状态，若储能电站充电，且目标充电功率小于当前充电功率值，则执行步骤2，若储能电站放电，且目标放电功率小于当前放电功率值，则执行步骤3；

步骤2、储能电站充电时，由电池管理系统接收储能电站目标充电功率P_总充，并根据储能电站当前充电功率判断需要停机的电池单元数量，根据充电系数K将需要停机的电池单元分为充电电池单元以及停机放电电池单元，并依次利用停机放电电池单元给充电电池单元充电，反复执行根据充电系数K将上级充电电池单元分为充电电池单元及停机放电电池单元两部分并利用停机放电电池单元给充电电池单元充电的步骤，直至所有需要停机的电池单元停机放电完成，其中0<K≤2/3，其中根据储能电站当前充电功率判断需要停机的电池单元数量步骤包括：

步骤211、储能电站充电时，将电池单元根据SOC从小到大排序，得到第一最大可充电功率P_{1-charged-max}，第二最大可充电功率P_{2-charged-max}，…，第M最大可充电功率P_{M-charged-max}，

步骤212、判断各电池单元可充功率是否满足

P_{1-charged-max}+P_{2-charged-max}+......P_{M-charged-max}≥P_总充

且

P_{1-charged-max}+P_{2-charged-max}+......P_{(M-1)-charged-max}＜P_总充

若满足，则需要参与充电的电池单元数量为M，

步骤213、根据运行的电池单元总量N与充电的电池单元数量为M计算得到需要停机的电池单元数量为N-M；

步骤3、储能电站放电时，由电池管理系统接收储能电站目标放电功率P_总放，并根据储能电站当前放电功率判断需要停机的电池单元数量，根据充电系数K将需要停机的电池单元分为充电电池单元以及停机放电电池单元，并依次利用停机放电电池单元给充电电池单元充电，反复执行根据充电系数K将上级充电电池单元分为充电电池单元及停机放电电池单元两部分并利用停机放电电池单元给充电电池单元充电的步骤，直至所有需要停机的电池单元停机放电完成，其中0<K≤2/3，其中根据储能电站当前放电功率判断需要停机的电池单元数量步骤包括：

步骤311、储能电站放电时，将电池单元根据SOC从大到小排序，得到第一最大可放电功率P_{1-discharged-max}，第二最大可放电功率P_{2-discharged-max}，…，第M最大可放电功率P_{M-discharged-max}，

步骤312、判断各电池单元可放功率是否满足

P_{1-discharged-max}+P_{2-discharged-max}+......P_{M-discharged-max}≥P_总放

且

P_{1-discharged-max}+P_{2-discharged-max}+......P_{(M-1)-discharged-max}＜P_总放

若满足，则需要参与放电的电池单元数量为M，

步骤313、根据运行的电池单元总量N与参与放电的电池单元数量为M计算得到需要停机的电池单元数量为N-M。

2.根据权利要求1所述的一种大规模全钒液流电池储能系统停机控制策略，其特征在于所述步骤1中判断储能电站工作状态包括根据充电电流I_充判断储能电站的工作状态，若I_充≥0时，储能电站充电；否则，储能电站放电。

3.根据权利要求1所述的一种大规模全钒液流电池储能系统停机控制策略，其特征在于所述步骤2中根据充电系数K将需要停机的电池单元分为充电电池单元以及停机放电电池单元包括：将需要停机的电池单元分为前K(N-M)个停机放电电池单元及后(1-K)(N-M)个充电电池单元，如不能整除，采用四舍五入，且满足

其中P_{L_discharged}为第L停机放电电池单元的放电功率，1≤L≤K(N-M)。

4.根据权利要求1所述的一种大规模全钒液流电池储能系统停机控制策略，其特征在于所述步骤2还包括当某个充电电池单元故障时，将该单元自动转为停机放电电池单元，并将SOC最低的停机放电单元自动调整为充电电池单元。

5.根据权利要求1所述的一种大规模全钒液流电池储能系统停机控制策略，其特征在于所述步骤2还包括当某个充电电池单元SOC达到100％时，该充电单元不再参与停机充放电分配，直接按额定功率放电，同时将储能电站充电功率调整为P_总充+P_单元额定；如果有X个充电电池充电单元SOC达到100％，则此时储能电站充电功率调整为P_总充+P_{单元额定*}X。

6.根据权利要求1所述的一种大规模全钒液流电池储能系统停机控制策略，其特征在于所述步骤3中根据充电系数K将需要停机的电池单元分为充电电池单元以及停机放电电池单元包括将需要停机的电池单元分为前K(N-M)个停机放电电池单元及后(1-K)(N-M)个充电电池单元，如不能整除，采用四舍五入，且满足

其中P_{L_discharged}为第L停机放电电池单元的放电功率，1≤L≤K(N-M)。

7.根据权利要求1所述的一种大规模全钒液流电池储能系统停机控制策略，其特征在于所述步骤3还包括当某个充电电池单元故障时，将该单元自动转为停机放电电池单元，并将SOC最低的停机放电单元自动调整为充电电池单元。

8.根据权利要求1所述的一种大规模全钒液流电池储能系统停机控制策略，其特征在于所述步骤3还包括当某个充电电池单元SOC达到100％时，该充电单元不再参与停机充放电分配，直接按额定功率放电，同时将储能电站充电功率调整为P_总放-P_单元额定；如果有X个充电电池充电单元SOC达到100％，则此时储能电站充电功率调整为P_总放-P_单元额定*X。

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