CN108365632A - 一种基于储能电池的电力系统及运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于储能电池的电力系统及运行方法，电力系统包括：多个风电机组、两个电池储能系统、功率检测单元、储能检测单元及控制系统，多个风电机组和两个电池储能系统均通过母线并入用电系统，功率检测单元检测风电机组集中出力，储能检测单元检测每个电池储能系统的储能状态；控制系统的一个输入端同功率检测单元的输出端连接，控制系统的另一个输入端同储能检测单元的输出端连接，控制系统根据风电机组集中出力和每个电池储能系统能量状态发出指令，指令用于控制两个电池储能系统的工作状态。本发明以风电机组集中出力状态和电池储能系统的能量状态发出指令，可避免电池储能系统中储能电池过度放电，延长储能电池的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及电池储能技术领域，更具体地，涉及一种基于储能电池的电力系统及运行方法。
背景技术
风力发电技术具有清洁、可再生等特点，在全世界范围内得到广泛的应用和发展，装机规模不断扩大，是解决当今能源危机和环境污染的有效途径。然而风力发电系统的输出功率具有间歇性和随机性，大规模风电并网对电网的稳定运行和电能质量造成不利影响，因此需要配备一定容量的储能系统用以平抑风电功率波动。现有的以蓄电池为代表的储能系统，具有较高的比容量，可较长时间充放电，满足平抑风电功率波动的要求。但是，在实际应用中，由于风电功率变化的不确定性，如何合理配置储能功率和容量具有重要的实际意义。储能剩余能量过高时，无法满足充电指令，过低时无法满足放电指令，另外，过充过放也会对其使用寿命产生影响，经济性不高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于储能电池的电力系统及运行方法。旨在解决放电深度过大会严重削减储能电池的使用寿命的技术问题。
为实现上述目的，作为本发明的一方面，本发明提供了一种基于储能电池的电力系统，包括：
多个风电机组、第一电池储能系统、第二电池储能系统、功率检测单元、储能检测单元及控制系统，多个风电机组、第一电池储能系统及第二电池储能系统均通过母线并入用电系统，功率检测单元检测风电机组集中出力，储能检测单元检测第一电池储能系统的能量状态和第二电池储能系统的能量状态；
控制系统的一个输入端同功率检测单元的输出端连接，控制系统的另一个输入端同储能检测单元的输出端连接，控制系统根据风电机组集中出力、第一电池储能系统的能量状态及第二电池储能系统的能量状态发出指令，指令用于控制第一电池储能系统的工作状态和第二电池储能系统的工作状态。
优选地，电池储能系统包括储能电池、DC/DC变换器及双向整流逆变器，储能电池同DC/DC变换器的一端连接，DC/DC变换器的另一端同双向整流逆变器的直流侧连接，双向整流逆变器的交流端通过母线并入用电系统，DC/DC变换器的控制端接收控制系统发出指令。
优选地，电池储能系统的工作状态包括充电状态、放电状态及不工作状态。
作为本发明的另一方面，本发明提供了一种基于上述电力系统的运行方法，包括如下步骤：
S100：检测指定时间风电场有功功率变化量，判断变化量是否超过国家风电并网标准允许的最大变化量；若是，则发出指令，并进入S200；否则，两个电池储能系统均处于不工作状态；
S200：判断指令是否为充电指令；若是，则进入S300；否则，进入S400；
S300判断第一电池储能系统的所储能量是否大于第二电池储能系统的所储能量；若是，则第二电池储能系统中DC/DC变换器工作在降压模式，控制第二电池储能系统以恒功率充电，同时控制第一电池储能系统中DC/DC变换器切除第一电池储能系统，并进入S100；否则，进入步骤S500；
S400判断第一电池储能系统的所储能量是否大于第二电池储能系统的所储能量；若是，则第一电池储能系统中DC/DC变换器工作在升压模式，控制第一电池储能系统以恒功率放电，同时控制第二电池储能系统中DC/DC变换器切除第二电池储能系统，并进入步骤S100；否则，进入步骤S600；
S500第一电池储能系统中DC/DC变换器工作在降压模式，控制第一电池储能系统以恒功率充电，同时控制第二电池储能系统中DC/DC变换器切除第二电池储能系统，并进入步骤S100；
S600第二电池储能系统中DC/DC变换器工作在升压模式，控制第二电池储能系统以恒功率放电，同时控制第一电池储能系统中DC/DC变换器切除第一电池储能系统，并进入步骤S100。
优选地，通过控制DC/DC变换器中开关管占空比实现升压模式和降压模式切换。
优选地，通过控制DC/DC变换器中开关管导通时间来控制储能电池充放电功率。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供的基于储能电池的电力系统，通过功率检测单元检测风电场实际输出功率，通过储能检测单元检测每个电池储能系统的储能状态，根据风电场实际输出功率和电池储能系统的储能状态确定每个电池储能系统的工作状态，以此可以避免电池储能系统中储能电池过度放电，延长电池储能系统中储能电池的寿命。
2、本发明提供的运行方法，该方法结合了国家对风电的并网要求，对风电场有功功率输出的实际数据进行处理，根据电池管理系统的能量状态确定其充放电状态，考虑电池放电深度对其寿命的影响动态调整电池储能系统的充放电功率，减少过充过放，本发明能有效延长与风电场配合运行的储能电池的使用寿命，更符合电池储能系统长期运行的实际情况，延长了储能电池的使用寿命，从而提高风储联合系统的运行经济性，对工程应用具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于电池储能的电力系统的结构图；
图2为本发明实施例提供的基于电池储能的电力系统运行方法的流程图；
图3为Buck-Boost型双向DC/DC斩波器标准模型拓扑图；
图4为雨流计数法示意图；
图5为储能电池循环寿命与放电深度的关系示意图；
图6为本发明实施例提供的风电实际输出功率；
图7为采用本发明实施例提供的运行方法后风电输出功率；
图8为本发明提供的对比实施例中储能电池放电深度曲线图；
图9为采用本发明实施例提供的运行方法后两个储能电池BESSA、BESSB放电深度曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供的基于电池储能的电力系统包括如下部分，多个风电机组、第一电池储能系统、第二电池储能系统、功率检测单元、储能检测单元及控制系统，多个风电机组、第一电池储能系统及第二电池储能系统均通过母线并入用电系统，功率检测单元检测风电机组集中出力，储能检测单元检测第一电池储能系统及第二电池储能系统的能量状态；控制系统的一个输入端同功率检测单元的输出端连接，控制系统的另一个输入端同储能检测单元的输出端连接，控制系统根据风电机组集中出力和第一电池储能系统的能量状态及第二电池储能系统的能量状态发出指令，第一电池储能系统及第二电池储能系统均根据控制系统发出指令确定其充放电状态。
第一电池储能系统及第二电池储能系统结构相同，每个电池储能系统包括储能电池、DC/DC变换器和双向整流逆变器，储能电池同DC/DC变换器的一端连接，DC/DC变换器的另一端同双向整流逆变器的直流侧连接，双向整流器逆变器的交流侧连接至用电系统的母线，DC/DC变换器的控制端同控制系统的输出端连接，接收控制系统输出指令，进而实现对储能电池充放电的控制。
PB是储能系统的充/放电功率，它可被视为具有正负出力值的发电机组，出力为正表示电池储能系统放电，反之为负则表示电池储能系统充电；Pw是风电场的出力；PZ是风-储联合系统的总出力。满足如下公式：
PZ＝PW+PB
本发明提供的电力系统目的在于保证风-储联合系统的总出力波动范围在对风电的并网要求内。
基于上述电力系统，如图2所示，本发明提供一种电力系统的运行方法，该运行方法包括：
S100：结合国家对风电的并网要求，根据风电场有功功率输出的实际数据确定电池储能系统的工作状态，给定每个电池储能系统初始能量状态，初始能量状态分别为0、最大储能容量，至少有一个电池储能系统初始能量状态为最大储能容量。
表1国家风电并网标准
如表1所示，当在指定时间风电场有功功率变化超过最大变化量，则根据且风电场出力状态发出指令，启动电池储能系统，进入S200，否则，电池储能系统处于不工作状态。其中，风电场出力状态为欠功率状态，则指令为放电指令，风电场出力状态为过功率状态，则指令为充电指令，指定时间根据用户需求确定
S200：判断电池储能系统指令为充电指令或者放电指令，若为充电指令则进入S300，否则，进入步骤400；
S300：判断第一电池储能系统的所储能量是否大于第二电池储能系统的所储能量，若是，让第二电池储能系统中DC/DC变换器工作在反向传输(降压模式)控制第二电池储能系统恒功率充电，同时控制第一电池储能系统中DC/DC变换器切除第一电池储能系统，使得最小的电池储能系统充电，其他电池储能系统不工作，并进入S100；否则，进入步骤S500；
S400：判断第一电池储能系统的所储能量是否大于第二电池储能系统的所储能量，若是，让第一电池储能系统中DC/DC变换器工作在正向传输(升压模式)控制该电池储能系统恒功率放电，同时控制第二电池储能系统中DC/DC变换器切除第二电池储能系统，使得最大的电池储能系统放电，其他电池储能系统不工作，并进入S100；否则，进入步骤S600；
S500让第一电池储能系统中DC/DC变换器工作在反向传输(降压模式)控制第一电池储能系统恒功率充电，同时控制第二电池储能系统中DC/DC变换器切除第二电池储能系统，使得最小的电池储能系统充电，其他电池储能系统不工作，并进入S100；
S600让第二电池储能系统中DC/DC变换器工作在正向传输(升压模式)控制该电池储能系统恒功率放电，同时控制第一电池储能系统中DC/DC变换器切除第一电池储能系统，使得最大的电池储能系统放电，其他电池储能系统不工作，并进入S100；
第一电池储能系统中储能电池记为储能电池A或者BESSA，DC/DC变换器记为DC/DC变换器A；第二电池储能系统中储能电池记为储能电池B或者BESSB，DC/DC变换器记为DC/DC变换器B，电力系统完整工作模式如表1所示。
表1电池储能系统的工作模式
包含两个电池储能系统的电力系统中储能电池记为BESSA和BESSB，储能电池BESSA通过DC/DC变换器A与双向整流逆变器相连接入风电场并网点，储能电池BESSB通过DC/DC变换器B与双向整流逆变器相连接入风电场并网点，其中，DC/DC变换器为Buck-Boost型双向DC/DC斩波器变换器，DC/DC变换器A和DC/DC变换器B用于精确控制储能电池的充放电功率，避免过充过放。
Buck-Boost型双向DC/DC斩波器标准模型如图3所示。U1、U2为两侧电源电压；Rs1、Rs2为串联等效电阻。设高压侧、低压侧端电压分别为UC2、UC1，流经电感电流为IL，开关管G1占空比为D，G2占空比为1-D。约定能量正方向为由低压侧到高压侧方向。定义状态向量为X＝(IL,UC1,UC2)T，输入向量为U＝(U1,U2)T。由状态空间平均法得到大信号模型：
式中，
上述方程式的稳态解为：
由稳态解中IL0可知，控制G1、G2通断时间可实现能量双向传输控制：正向传输(升压模式)IL0>0，D>1-U1/U2；反向传输(降压模式)IL0<0，D<1-U1/U2。由稳态解中UC10、UC20可知，两侧端电压大小也可通过对开关管导通时间的控制来实现，保证对储能电池充放电功率的精确控制。
雨流计数法又可称为“塔顶法”，主要用于工程界，特别在疲劳寿命计算中运用非常广泛。这种方法的突出特点是根据所研究对象的应变–时间之间的非线性关系来进行计数，亦即把样本记录用雨流计数法定出一系列循环。
如图4所示，基于雨流计数法计算电池放电深度原理具体如下：
把SOC-t曲线转过90°，数据记录犹如一系列屋面，雨水顺着屋面往下流；雨流依次在每一个峰值位置的内侧沿着斜坡往下流；
雨流从某一个峰值点开始流动，当遇到比其开始时最大值(或最小值)更大的值(或更小的值)时要停止流动；
雨流遇到上面流下的雨流时，必须停止流动；
取出所有的全循环，记下每个循环的幅度。
图4中，黑色粗实线(A-B-C-D-E-F-G)代表电池SOC变化曲线。利用雨流计数法，可得循环计数周期1(B-C-B',放电深度为0.2)、周期2(E-F-G，放电深度为0.3)。
电池使用寿命与放电深度的关系，已知某型号铅酸电池在放电深度下对应的循环寿命，如表2所示：
表2某型号铅酸电池放电深度与循环寿命对应关系
| 放电深度 | 循环寿命 | 放电深度 | 循环寿命 |
| 0.1 | 3800 | 0.6 | 900 |
| 0.2 | 2850 | 0.7 | 750 |
| 0.3 | 2050 | 0.8 | 650 |
| 0.4 | 1300 | 0.9 | 600 |
| 0.5 | 1050 | 1.0 | 550 |
根据表2中数据进行曲线拟合。常用的拟合方法有N阶函数法、幂函数法和分段拟合法等，本文采用下式所示的四阶函数表征循环寿命与放电深度的关系，相应曲线如图5所示。
Nctf＝-3278D4 OD-5D3 OD+12823D2 OD-14122DOD+5112
定义蓄电池第i次循环周期的放电深度为DoDi，则等效循环寿命如下式所示：
N(DODi)＝Nctf(DOD1)/Nctf(DODi)
式中，Nctf(DoDi)为当放电深度为DoDi时的循环寿命，Nctf(DoD1)为当放电深度为1时对应的循环寿命。
电池在工作周期内的等效循环寿命如下式所示：
当N＝Nctf(DoD1)时，则认为本批次电池组寿命耗尽，需要更换电池组。
本发明实施例提供的基于储能电池的电力系统的运行方法，该电力系统中包括两个电池储能系统，包括如下步骤：
1)根据风电场实际历史出力数据，提取风电高频波动部分；如图6，以某装机容量为200MW的风力发电系统一天的实际运行数据高频波动部分(采样间隔10分钟)为例进行分析。
2)结合风电并网要求，根据两个电池储能系统的能量状态以表1中的工作模式平抑风电高频波动部分。
如图7，由风电并网要求可知，200MW风电场每10min钟波动最大变化量为50MW，因此，超出50MW的部分用电池储能平抑。
作为本发明提供的对比实施例，提供一种无能量管理策略的电力系统控制方法，其与本申请提供的基于储能电池的电力系统的运行方法存在如下区别：当风电出现高频波动时，对任意的电池储能系统进行充放电。
下面比较无能量管理策略的电力系统控制方法与本申请中基于储能电池的电力系统的运行方法下电池循环等效寿命：
首先，通过雨流计数法得出无能量管理策略电池储能与双模块电池储能的放电深度曲线，如图8和图9所示；然后，通过拟合公式计算无能量管理策略电池储能与双模块电池储能的电池等效循环寿命。最后，计算得到无能量管理策略电池储能与双模块电池储能的电池等效循环寿命，如下表3所示。
表3等效循环寿命
5.266>2.1106+2.7469＝4.8575
因为当电池等效循环寿命等于放电深度为1时对应的循环寿命(550)时，则认为本批次电池组寿命耗尽，需要更换电池组。所以双模块电池储能的电池使用寿命比无能量管理策略电池储能的使用寿命长。
本发明提供的电力系统运行方法，基于有多个电池储能系统构成的电力系统，两个电池储能系统均承担充放电任务，通过控制系统考虑储能电池放电深度对其寿命的影响动态调整储能电池的充放电功率，减少过充过放，并结合雨流计数法计算电池放电深度，得到电池等效循环使用寿命。可知，本发明提出的能量管理策略可有效减少储能电池的深度放电次数，同时避免频繁充放电，通过实例验证与无能量管理策略的电池储能相比，本发明可以有效延长与风电场配合运行的储能电池的使用寿命。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于储能电池的电力系统，其特征在于，包括：多个风电机组、第一电池储能系统、第二电池储能系统、功率检测单元、储能检测单元及控制系统，多个风电机组、第一电池储能系统及第二电池储能系统均通过母线并入用电系统，功率检测单元检测风电机组集中出力，储能检测单元检测第一电池储能系统的能量状态和第二电池储能系统的能量状态；
控制系统的一个输入端同功率检测单元的输出端连接，控制系统的另一个输入端同储能检测单元的输出端连接，控制系统根据风电机组集中出力、第一电池储能系统的能量状态及第二电池储能系统的能量状态发出指令，指令用于控制第一电池储能系统的工作状态和第二电池储能系统的工作状态。
2.如权利要求1所述的电力系统，其特征在于，电池储能系统包括储能电池、DC/DC变换器及双向整流逆变器，储能电池同DC/DC变换器的一端连接，DC/DC变换器的另一端同双向整流逆变器的直流侧连接，双向整流逆变器的交流端通过母线并入用电系统，DC/DC变换器的控制端接收控制系统发出指令。
3.如权利要求1或2所述的电力系统，其特征在于，电池储能系统的工作状态包括充电状态、放电状态及不工作状态。
4.一种基于权利要求1所述的电力系统的运行方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100：检测指定时间风电场有功功率变化量，判断变化量是否超过国家风电并网标准允许的最大变化量；若是，则发出指令，并进入S200；否则，两个电池储能系统均处于不工作状态；
S200：判断指令是否为充电指令；若是，则进入S300；否则，进入S400；
S300判断第一电池储能系统的所储能量是否大于第二电池储能系统的所储能量；若是，则第二电池储能系统中DC/DC变换器工作在降压模式，控制第二电池储能系统以恒功率充电，同时控制第一电池储能系统中DC/DC变换器切除第一电池储能系统，并进入S100；否则，进入步骤S500；
S400判断第一电池储能系统的所储能量是否大于第二电池储能系统的所储能量；若是，则第一电池储能系统中DC/DC变换器工作在升压模式，控制第一电池储能系统以恒功率放电，同时控制第二电池储能系统中DC/DC变换器切除第二电池储能系统，并进入步骤S100；否则，进入步骤S600；
S500第一电池储能系统中DC/DC变换器工作在降压模式，控制第一电池储能系统以恒功率充电，同时控制第二电池储能系统中DC/DC变换器切除第二电池储能系统，并进入步骤S100；
S600第二电池储能系统中DC/DC变换器工作在升压模式，控制第二电池储能系统以恒功率放电，同时控制第一电池储能系统中DC/DC变换器切除第一电池储能系统，并进入步骤S100。
5.如权利要求4所述的运行方法，其特征在于，通过控制DC/DC变换器中开关管占空比实现升压模式和降压模式切换。
6.如权利要求4或5所述的运行方法，其特征在于，通过控制DC/DC变换器中开关管导通时间来控制储能电池充放电功率。
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