CN108365621A - 一种基于储能逆变器的能量管理方法、装置以及系统 - Google Patents

一种基于储能逆变器的能量管理方法、装置以及系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种基于储能逆变器的能量管理方法、装置及系统，首先获取电网的当前频率以及储能电池的当前荷电状态。然后根据所述电网的当前频率，计算得到储能逆变器的调频功率，以及，根据所述储能电池的当前荷电状态，计算得到储能电池的调节功率。并基于所述储能逆变器的调频功率以及所述储能电池的调节功率，确定出所述储能逆变器的功率指令。然后根据所述储能逆变器的功率指令以及预设公式，确定出驱动所述储能逆变器中功率开关管的目标驱动开关信号。可见，本方案考虑了电网一次调频需求，又结合了储能SOC的控制需求，进而提高能量转化效率。

Description

一种基于储能逆变器的能量管理方法、装置以及系统
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，具体涉及一种基于储能逆变器的能量管理方法、装置及系统。
背景技术
随着新能源的快速发展，光伏发电在电力发电系统中的占比也越来越高。然而，由于新能源的随机性和波动性等固有特征，会影响电力发电系统的稳定性。为了降低新能源发电对电力发电系统的稳定性影响，通常采用储能电池对电能进行缓冲，然后通过逆变器并入电网。
然而，发明人发现，储能电池的存储容量固定，而电网频率变化又具有一定的随机性，因此，如何提供一种基于储能逆变器的能量管理方法，以使新能源发电既能满足电网侧的调频需求，又能满足储能电池的荷电状态SOC的控制需求，是本领域技术人员亟待解决的一大技术难题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于储能逆变器的能量管理方法、装置及系统，在储能逆变器参与电网调频时管理储能电池的荷电状态，以使新能源发电既能满足电网侧的调频需求，又能满足储能电池的荷电状态SOC的控制需求。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种基于储能逆变器的能量管理方法，包括：
获取电网的当前频率以及储能电池的当前荷电状态；
根据所述电网的当前频率，计算得到储能逆变器的调频功率；
根据所述储能电池的当前荷电状态，计算得到储能电池的调节功率；
基于所述储能逆变器的调频功率以及所述储能电池的调节功率，确定出所述储能逆变器的功率指令；
根据所述储能逆变器的功率指令以及预设公式，确定出驱动所述储能逆变器中功率开关管的目标驱动开关信号。
可选的，所述获取电网的当前频率，包括：
获取所述储能逆变器的三相交流电网线电压；
基于预设锁相环，计算得到所述电网的当前频率。
可选的，所述获取储能电池的当前荷电状态，包括：
获取所述储能逆变器的直流电压以及直流电流；
根据公式计算得到所述储能电池的当前核电状态，其中，soc为储能电池的当前荷电状态，soc0为所述储能电池初始荷电状态，Qb为所述储能电池的最大可用容量，Idc为储能逆变器的直流电流，Udc为储能逆变器的直流电压。
可选的，所述根据所述电网的当前频率，计算得到所述储能逆变器的调频功率，包括：
根据公式计算得到所述储能逆变器的调频功率，其中，Pf为所述储能逆变器的调频功率，kf为调频系数，f0为电网额定频率，f为所述电网的当前频率，fdb_high为电网频率的死区范围上限值，fdb_low为电网频率的死区范围下限值。
可选的，所述根据所述储能电池的当前荷电状态，计算得到储能电池的调节功率，包括：
根据公式Psoc＝ksoc(soc-socref)，计算得到所述储能电池的调节功率，其中，Psoc为储能电池的调节功率，ksoc为调频系数，soc为储能电池的当前荷电状态，socref为储能荷电状态的理想值，所述理想值为储能电池的储能容量为最大可用容量的一半时对应的SOC数值。
可选的，所述基于所述储能逆变器的调频功率以及所述储能电池的调节功率，确定出所述储能逆变器的功率指令，包括：
基于所述储能逆变器的调频功率以及所述储能电池的当前荷电状态，确定调频功率修正系数；
根据所述调频功率修正系数、所述储能电池的调节功率以及所述储能逆变器的调频功率，确定所述储能逆变器的功率指令。
可选的，所述根据所述储能逆变器的功率指令以及预设公式，确定出驱动所述储能逆变器中功率开关管的目标驱动开关信号，包括：
根据所述储能逆变器的功率指令，计算得到储能逆变器的三相电流指令；
获取所述储能逆变器的三相输出电流；
基于所述三相电流指令以及所述三相输出电流，确定出储能逆变器的调制信号；
基于所述储能逆变器的调制信号，确定出所述目标驱动开关信号。
可选的，所述根据所述储能逆变器的功率指令，计算得到储能逆变器的三相电流指令，包括：
根据公式计算得到所述储能逆变器的三相电流指令，其中，iaref、ibref以及icref为储能逆变器的三相电流指令，Pref为储能逆变器的功率指令，Vm为电网线电压幅值，f为所述电网的当前频率，ωg为线电压Uab相角。
可选的，所述基于所述三相电流指令以及所述三相输出电流，确定出储能逆变器的调制信号，包括：
计算所述三相电流指令以及所述三相输出电流的差值；
根据所述差值以及公式计算的到所述储能逆变器的调制信号，其中，Gpr(S)为所述储能逆变器的调制信号，kpr_p为调节器比例系数，kpr_r为调节器谐振系数，ωc为转折频率，ωn为谐振频率，s为所述三相电流指令以及所述三相输出电流的差值。
一种基于储能逆变器的能量管理装置，包括：
第一获取模块，用于获取电网的当前频率以及储能电池的当前荷电状态；
第一计算模块，用于根据所述电网的当前频率，计算得到储能逆变器的调频功率；
第二计算模块，用于根据所述储能电池的当前荷电状态，计算得到储能电池的调节功率；
第一确定模块，用于基于所述储能逆变器的调频功率以及所述储能电池的调节功率，确定出所述储能逆变器的功率指令；
第二确定模块，用于根据所述储能逆变器的功率指令以及预设公式，确定出驱动所述储能逆变器中功率开关管的目标驱动开关信号。
一种基于储能逆变器的能量管理系统，包括上述的基于储能逆变器的能量管理装置。
基于上述技术方案，本发明实施例提供了一种基于储能逆变器的能量管理方法，首先获取电网的当前频率以及储能电池的当前荷电状态。然后根据所述电网的当前频率，计算得到储能逆变器的调频功率，以及，根据所述储能电池的当前荷电状态，计算得到储能电池的调节功率。并基于所述储能逆变器的调频功率以及所述储能电池的调节功率，确定出所述储能逆变器的功率指令。然后根据所述储能逆变器的功率指令以及预设公式，确定出驱动所述储能逆变器中功率开关管的目标驱动开关信号。可见，本方案考虑了电网一次调频需求，又结合了储能SOC的控制需求，进而提高能量转化效率。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于储能逆变器的能量管理方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于储能逆变器的能量管理方法的又一流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种锁相环的原理示意图；
图4为采用本发明实施例提供的一种基于储能逆变器的能量管理方法的系统硬件结构的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于储能逆变器的能量管理装置的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种基于储能逆变器的能量管理方法的流程示意图，包括步骤：
S11、获取电网的当前频率以及储能电池的当前荷电状态。
具体的，获取电网的当前频率可以通过如下步骤实现：
获取所述储能逆变器的三相交流电网线电压；
基于预设锁相环，计算得到所述电网的当前频率。
示意性的，采集逆变器出口处的三相交流电网线电压Uab，Ubc，Uca，通过锁相环计算得到电网当前频率f。其中，如图2所示，锁相环的计算方法为：将线电压通过旋转坐标系变换得到其在两相旋转坐标系下的电压Ud和Uq，再将Uq经过比例积分(PI)调节器放大并叠加工频f0后得到旋转坐标系计算频率fc。需要说明的是，当Uq为零时，计算频率fc等于电网频率f。
而，获取储能电池的当前荷电状态可以通过如下步骤实现：
获取所述储能逆变器的直流电压以及直流电流；
根据公式计算得到所述储能电池的当前核电状态。
其中，soc为储能电池的当前荷电状态，soc0为所述储能电池初始荷电状态，Qb为所述储能电池的最大可用容量，其单位为W.s，Idc为储能逆变器的直流电流，Udc为储能逆变器的直流电压。
S12、根据所述电网的当前频率，计算得到储能逆变器的调频功率。
具体的，根据所述电网的当前频率，计算得到所述储能逆变器的调频功率，可以通过如下方式实现：
根据公式计算得到所述储能逆变器的调频功率。
其中，Pf为所述储能逆变器的调频功率，kf为调频系数，f0为电网额定频率，f为所述电网的当前频率，fdb_high为电网频率的死区范围上限值，fdb_low为电网频率的死区范围下限值。
需要说明的是，在本实施例中，频率调节目的在于，当f位于死区范围内时，调频功率为0即不参与电网调节；当f不在死区范围时，根据电网频率与死区限值的差值输出比例功率，当电网频率低于频率死区下限时，调频功率为正，差值越大则调频功率越高，当电网频率高于死区频率上限时，调节功率为负，差值越大则调节功率越低。
S13、根据所述储能电池的当前荷电状态，计算得到储能电池的调节功率。
具体的，根据所述储能电池的当前荷电状态，计算得到储能电池的调节功率，可以采用如下实现方式：
根据公式Psoc＝ksoc(soc-socref)，计算得到所述储能电池的调节功率。
其中，Psoc为储能电池的调节功率，ksoc为调频系数，soc为储能电池的当前荷电状态，socref为储能荷电状态的理想值，所述理想值为储能电池的储能容量为最大可用容量的一半时对应的SOC数值。
需要说明的是，SOC调节目的在于，控制储能SOC回归理想点socref，当前SOC大于socref时，SOC调节功率为正，差值越大，则SOC调节功率越高，反之亦然。
S14、基于所述储能逆变器的调频功率以及所述储能电池的调节功率，确定出所述储能逆变器的功率指令。
具体的，基于所述储能逆变器的调频功率以及所述储能电池的调节功率，确定出所述储能逆变器的功率指令，可以通过如下方式实现:
基于所述储能逆变器的调频功率以及所述储能电池的当前荷电状态，确定调频功率修正系数；
根据所述调频功率修正系数、所述储能电池的调节功率以及所述储能逆变器的调频功率，确定所述储能逆变器的功率指令。
示意性的，首先根据SOC以及Pf得到调频功率修正系数mf，如下表所示
其中sochigh和soclow分别为以电池socref为中心的安全运行范围上下限。然后计算Pref，计算公式为Pref＝Psoc+Pfmf。
除此，在本实施例中，需要将Pref限制在逆变器额定功率范围内即-1≤Pref≤1。从上述公式不难发现，本实施例对Pf修正后叠加Psoc作为储能逆变器的功率指令Pref，其中修正系数mf考虑了电池的运行安全。
以Pf≥0为例进行分析，当电池SOC在[soclow，sochigh]内时，认为电池处于安全区域，mf为1即无需对Pf进行额外修正。当电池SOC低于soclow时，说明电池电量偏低，需要对电池进行充电，此时将mf设置为0即让本身为正的调频功率Pf修正后为零，保证逆变器不会处于放电状态，当电池SOC高于sochigh时，说明电池电量偏高，需要对电池放电，此时将mf设置为2即让调频功率Pf修正后翻倍，逆变器调频能力提高且更快的放电有利于电池SOC尽快回复至安全区域。
同理，当Pf＜0时，其原理类似。
S15、根据所述储能逆变器的功率指令以及预设公式，确定出驱动所述储能逆变器中功率开关管的目标驱动开关信号。
具体的，结合图3，所述根据所述储能逆变器的功率指令以及预设公式，确定出驱动所述储能逆变器中功率开关管的目标驱动开关信号，可以通过如下方式实现：
根据所述储能逆变器的功率指令，计算得到储能逆变器的三相电流指令；
获取所述储能逆变器的三相输出电流；
基于所述三相电流指令以及所述三相输出电流，确定出储能逆变器的调制信号；
基于所述储能逆变器的调制信号，确定出所述目标驱动开关信号。
其中，所述根据所述储能逆变器的功率指令，计算得到储能逆变器的三相电流指令，包括：
根据公式计算得到所述储能逆变器的三相电流指令，其中，iaref、ibref以及icref为储能逆变器的三相电流指令，Pref为储能逆变器的功率指令，Vm为电网线电压幅值，f为所述电网的当前频率，ωg为线电压Uab相角。
在此基础上，本实施例还提供了一种基于所述三相电流指令以及所述三相输出电流，确定出储能逆变器的调制信号的具体实现步骤：
计算所述三相电流指令以及所述三相输出电流的差值；
根据所述差值以及公式计算的到所述储能逆变器的调制信号，其中，Gpr(S)为所述储能逆变器的调制信号，kpr_p为调节器比例系数，kpr_r为调节器谐振系数，ωc为转折频率，ωn为谐振频率，s为所述三相电流指令以及所述三相输出电流的差值。
即，储能逆变器三相电流指令iaref，ibref，icref与逆变器采集的实际输出三相电流ia，ib，ic进行比较，将比较偏差经过PR调节器后作为储能逆变器调制信号。
除此，基于所述储能逆变器的调制信号，确定出所述目标驱动开关信号。可以通过将储能逆变器调制信号，在数字信号处理器中与三角波载波进行比较，得到PWM驱动开关信号。然后，驱动储能逆变器三相桥臂的功率开关管，实现逆变器控制，如图2所示。
可见，本方案考虑了电网一次调频需求，又结合了储能SOC的控制需求，进而提高能量转化效率。
上文介绍了基于储能逆变器的能量管理方法，本实施例还提供了一种基于储能逆变器的能量管理装置，如图5所示，包括：
第一获取模块51，用于获取电网的当前频率以及储能电池的当前荷电状态；
第一计算模块52，用于根据所述电网的当前频率，计算得到储能逆变器的调频功率；
第二计算模块53，用于根据所述储能电池的当前荷电状态，计算得到储能电池的调节功率；
第一确定模块54，用于基于所述储能逆变器的调频功率以及所述储能电池的调节功率，确定出所述储能逆变器的功率指令；
第二确定模块55，用于根据所述储能逆变器的功率指令以及预设公式，确定出驱动所述储能逆变器中功率开关管的目标驱动开关信号。
该装置的工作原理请参见上述方法实施例，在此不进行详述。
在上述实施例的基础上，本实施例还提供了一种基于储能逆变器的能量管理系统，包括上述的基于储能逆变器的能量管理装置。该系统的工作原理以及技术效果请参见上述装置的工作原理以及技术效果，在此不重复叙述。
综上，本发明实施例提供了一种基于储能逆变器的能量管理方法，首先获取电网的当前频率以及储能电池的当前荷电状态。然后根据所述电网的当前频率，计算得到储能逆变器的调频功率，以及，根据所述储能电池的当前荷电状态，计算得到储能电池的调节功率。并基于所述储能逆变器的调频功率以及所述储能电池的调节功率，确定出所述储能逆变器的功率指令。然后根据所述储能逆变器的功率指令以及预设公式，确定出驱动所述储能逆变器中功率开关管的目标驱动开关信号。可见，本方案考虑了电网一次调频需求，又结合了储能SOC的控制需求，进而提高能量转化效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种基于储能逆变器的能量管理方法，其特征在于，包括：
获取电网的当前频率以及储能电池的当前荷电状态；
根据所述电网的当前频率，计算得到储能逆变器的调频功率；
根据所述储能电池的当前荷电状态，计算得到储能电池的调节功率；
基于所述储能逆变器的调频功率以及所述储能电池的调节功率，确定出所述储能逆变器的功率指令；
根据所述储能逆变器的功率指令以及预设公式，确定出驱动所述储能逆变器中功率开关管的目标驱动开关信号。
2.根据权利要求1所述的基于储能逆变器的能量管理方法，其特征在于，所述获取电网的当前频率，包括：
获取所述储能逆变器的三相交流电网线电压；
基于预设锁相环，计算得到所述电网的当前频率。
3.根据权利要求1所述的基于储能逆变器的能量管理方法，其特征在于，所述获取储能电池的当前荷电状态，包括：
获取所述储能逆变器的直流电压以及直流电流；
根据公式计算得到所述储能电池的当前核电状态，其中，soc为储能电池的当前荷电状态，soc0为所述储能电池初始荷电状态，Qb为所述储能电池的最大可用容量，Idc为储能逆变器的直流电流，Udc为储能逆变器的直流电压。
4.根据权利要求1所述的基于储能逆变器的能量管理方法，其特征在于，所述根据所述电网的当前频率，计算得到所述储能逆变器的调频功率，包括：
根据公式计算得到所述储能逆变器的调频功率，其中，Pf为所述储能逆变器的调频功率，kf为调频系数，f0为电网额定频率，f为所述电网的当前频率，fdb_high为电网频率的死区范围上限值，fdb_low为电网频率的死区范围下限值。
5.根据权利要求1所述的基于储能逆变器的能量管理方法，其特征在于，所述根据所述储能电池的当前荷电状态，计算得到储能电池的调节功率，包括：
根据公式Psoc＝ksoc(soc-socref)，计算得到所述储能电池的调节功率，其中，Psoc为储能电池的调节功率，ksoc为调频系数，soc为储能电池的当前荷电状态，socref为储能荷电状态的理想值，所述理想值为储能电池的储能容量为最大可用容量的一半时对应的SOC数值。
6.根据权利要求1所述的基于储能逆变器的能量管理方法，其特征在于，所述基于所述储能逆变器的调频功率以及所述储能电池的调节功率，确定出所述储能逆变器的功率指令，包括：
基于所述储能逆变器的调频功率以及所述储能电池的当前荷电状态，确定调频功率修正系数；
根据所述调频功率修正系数、所述储能电池的调节功率以及所述储能逆变器的调频功率，确定所述储能逆变器的功率指令。
7.根据权利要求1所述的基于储能逆变器的能量管理方法，其特征在于，所述根据所述储能逆变器的功率指令以及预设公式，确定出驱动所述储能逆变器中功率开关管的目标驱动开关信号，包括：
根据所述储能逆变器的功率指令，计算得到储能逆变器的三相电流指令；
获取所述储能逆变器的三相输出电流；
基于所述三相电流指令以及所述三相输出电流，确定出储能逆变器的调制信号；
基于所述储能逆变器的调制信号，确定出所述目标驱动开关信号。
8.根据权利要求7所述的基于储能逆变器的能量管理方法，其特征在于，所述根据所述储能逆变器的功率指令，计算得到储能逆变器的三相电流指令，包括：
根据公式计算得到所述储能逆变器的三相电流指令，其中，iaref、ibref以及icref为储能逆变器的三相电流指令，Pref为储能逆变器的功率指令，Vm为电网线电压幅值，f为所述电网的当前频率，ωg为线电压Uab相角。
9.根据权利要求8所述的基于储能逆变器的能量管理方法，其特征在于，所述基于所述三相电流指令以及所述三相输出电流，确定出储能逆变器的调制信号，包括：
计算所述三相电流指令以及所述三相输出电流的差值；
根据所述差值以及公式计算的到所述储能逆变器的调制信号，其中，Gpr(S)为所述储能逆变器的调制信号，kpr_p为调节器比例系数，kpr_r为调节器谐振系数，ωc为转折频率，ωn为谐振频率，s为所述三相电流指令以及所述三相输出电流的差值。
10.一种基于储能逆变器的能量管理装置，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于获取电网的当前频率以及储能电池的当前荷电状态；
第一计算模块，用于根据所述电网的当前频率，计算得到储能逆变器的调频功率；
第二计算模块，用于根据所述储能电池的当前荷电状态，计算得到储能电池的调节功率；
第一确定模块，用于基于所述储能逆变器的调频功率以及所述储能电池的调节功率，确定出所述储能逆变器的功率指令；
第二确定模块，用于根据所述储能逆变器的功率指令以及预设公式，确定出驱动所述储能逆变器中功率开关管的目标驱动开关信号。
11.一种基于储能逆变器的能量管理系统，其特征在于，包括权利要求10所述的基于储能逆变器的能量管理装置。
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