CN108988337A - 一种微电网系统储能装置的设计方法及微电网系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微电网系统储能装置的设计方法及微电网系统，所述方法包括：基于微电网系统中的日常光伏发电输出功率曲线和对应时段的负载需求功率曲线，利用预设的双蓄电池组储能装置运行模型，分析每组蓄电池组的储能能量占储能装置总使用能量的比率；基于此，确定每组蓄电池组在第一时段与第二时段内满足功率平衡条件所需的电池数量，得到每组蓄电池组串联电池的最佳数量。其中，微电网系统包括负载、光伏发电装置、存储有预设的双蓄电池组储能装置运行模型的调度装置和按照上述设计方法得到的储能装置。本发明提高了微电网系统中的储能装置的使用效率，延长了电池的使用时间并减缓了其老化情况。
Description
技术领域
本发明涉及微电网系统控制技术领域，具体地说，是涉及一种微电网系统储能装置的设计方法及微电网系统。
背景技术
光伏孤岛微电网用电能存储设备平衡发电和负载功率。由于经济因素和技术成熟度，铅蓄电池继续将在这一领域占据主导地位。电池能量存储系统通常占用系统总投资的50％以上。在太阳能孤岛微电网中，铅蓄电池在维持发电和用电之间的瞬时功率平衡方面发挥着重要的作用，但太阳能的间歇性使得电池能量存储系统需要在短时间内进行充电和放电操作，这样，在某些情况下会阻止电池充分充电，导致硫酸铅的形成，使得电池使用效率降低、寿命缩短、并且可能造成电池故障，从而使得铅蓄电池的使用寿命普遍不高，限制了孤岛微电网的长期运行。
在现有技术中，使用可调度电源(通常是柴油发电机)发电可以缓解这个问题，但是将提高系统的运营成本。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种微电网系统储能装置的设计方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、基于微电网系统中的日常光伏发电输出功率曲线和对应时段的负载需求功率曲线，利用预设的双蓄电池组储能装置运行模型，分析每组蓄电池组的储能能量占储能装置总使用能量的比率，得到相应的使用比率参数；步骤二、根据每组蓄电池组的所述使用比率参数，确定每组蓄电池组在第一时段与第二时段内满足功率平衡条件所需的电池数量，进一步得到每组蓄电池组串联电池的最佳数量。
优选地，所述步骤一包括：记录并对比微电网系统中的所述日常光伏发电输出功率曲线和对应时段的所述负载需求功率曲线，得到相应时间段内的发电功率与需求匹配状态曲线；基于所述发电功率与需求匹配状态曲线，参考所述储能装置在所述双蓄电池组储能装置运行模型下的约束条件，对所述发电功率与需求匹配状态曲线进行需求概率分析，确定每组蓄电池组的使用比率参数。
优选地，所述步骤二包括：根据每组蓄电池组的所述使用比率参数，利用预设的概率模型，计算所述每组蓄电池组在满足相应所述使用比率参数的情况下所对应的在第一时段内达到功率平衡的功率值、在第二时段内达到功率平衡的功率值、以及在第二时段内达到能量平衡的能量值；构建每组蓄电池组的容量配置模型，利用每组蓄电池组对应的日间功率平衡功率值、夜间功率平衡功率值、夜间能量平衡能量值，计算每组蓄电池组在第一时段内达到功率平衡所需的电池数量、以及在第二时段内达到功率和能量平衡所需的电池数量，进一步得到对应蓄电池组的最佳电池数量。
优选地，在所述步骤二中，利用如下表达式确定每组蓄电池组串联电池的最佳数量：
SBKP＝max({SBKP_d，SBKP_n，SBKP_e})
SOP＝max({SOP_d，SOP_n，SOP_e})
其中，SBKP表示第一蓄电池组串联电池的最佳数量，SBKP_d表示第一蓄电池组在第一时段内达到功率平衡所需的电池数量，SBKP_n表示第一蓄电池组在第二时段内达到功率平衡所需的电池数量，SBKP_e表示第一蓄电池组在第二时段内达到能量平衡所需的电池数量，SOP表示第二组蓄电池组串联电池的最佳数量，SOP_d表示第二蓄电池组在第一时段内达到功率平衡所需的电池数量，SOP_n表示第二蓄电池组在第二时段内达到功率平衡所需的电池数量，SOP_e表示第二蓄电池组在第二时段内达到能量平衡所需的电池数量。
优选地，在所述步骤二中，利用如下表达式计算第一蓄电池组在第一时段内达到功率平衡所需的电池数量、以及在第二时段内达到功率和能量平衡所需的电池数量：
其中，Crate表示电池参考的充电/放电时间，χthd1表示第一蓄电池组的日间功率平衡功率值，CN表示电池标称容量，Pbat1表示第一蓄电池组中并联组串的数量，Ubat表示电池标称电压，SBKP_d表示第一蓄电池组在第一时段内达到功率平衡所需的电池数量，χthn1表示第一蓄电池组的夜间功率平衡功率值，SBKP_n表示第一蓄电池组在第二时段内达到功率平衡所需的电池数量，χthe1表示第一蓄电池组的夜间能量平衡能量值，SBKP_e表示第一蓄电池组在第二时段内达到能量平衡所需的电池数量，SOCmin表示电池最小标准化充电状态，εbat表示电池的库伦效率。
优选地，在所述步骤二中，利用如下表达式计算第二蓄电池组在第一时段内达到功率平衡所需的电池数量、以及第二时段内达到功率和能量平衡所需的电池数量：
其中，Crate表示电池参考的充电/放电时间，χthd2表示第二蓄电池组的日间功率平衡功率值，CN表示电池标称容量，Pbat2表示第二蓄电池组中并联组串的数量，Ubat表示电池标称电压，SOP_d表示第二蓄电池组在第一时段内达到功率平衡所需的电池数量，χthn2表示第二蓄电池组的夜间功率平衡功率值，SOP_n表示第二蓄电池组在第二时段内达到功率平衡所需的电池数量，χthe2表示第二蓄电池组的夜间能量平衡能量值，SOP_e表示第二蓄电池组在第二时段内达到能量平衡所需的电池数量，SOCmin表示电池最小标准化充电状态，εbat表示电池的库伦效率。
优选地，在所述步骤一中，基于所述储能装置中的第一/第二蓄电池组的周期性均衡充电原则，设置所述第一/第二蓄电池组在第一时段与第二时段的优先使用标准、充电/放电启动工作状态标准和保护标准，构建具有微电网系统中发电机最小化使用目标的所述双蓄电池组储能装置运行模型。
另一方面，本发明还提出了一种微电网系统，包括：负载；光伏发电装置；调度装置，其存储有预设的双蓄电池组储能装置运行模型，并按照所述双蓄电池组储能装置运行模型对储能装置进行充放电控制；按照如上述所述的设计方法得到的所述储能装置，所述储能装置包括第一/第二蓄电池组，其中，所述第一蓄电池组，用于通过所述调度装置在确定出所述光伏发电装置的发电量满足负载需求的情况下，控制所述光伏发电装置为所述第一蓄电池组进行电量存储，以及所述第二蓄电池组用于在所述调度装置的控制下，满足微电网系统的功率平衡需求和电压调节需求。
优选地，所述调度装置与所述负载、所述光伏发电装置、所述第一蓄电池组和所述第二蓄电池组连接，其中，所述调度装置构成为获取所述负载、所述光伏发电装置、所述第一蓄电池组和所述第二蓄电池组反馈的对应的实时状态信息，利用预设的所述双蓄电池组储能装置运行模型，分别向所述光伏发电装置、所述第一蓄电池组和所述第二蓄电池组发送与所述双蓄电池组储能装置运行模型匹配的工作状态控制指令，以满足微电网系统的日常瞬时功率平衡。
优选地，所述调度装置包括调度分析模块，其中，所述调度分析模块构成为通过解析所述第一蓄电池组的实时状态信息，得到第一蓄电池组的当前充电状态参数，进一步利用预设的第一蓄电池组的充电状态参数最大值，在判断出所述第一蓄电池组的当前充电状态参数低于所述第一蓄电池组的充电状态参数最大值的情况下，向第一蓄电池组发送有效的充电状态控制指令，直至所述第一蓄电池组的当前充电状态参数高于或等于所述第一蓄电池组的充电状态参数最大值。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
本发明提出了一种微电网系统储能装置的设计方法和新型的微电网系统。该设计方法通过对日常微电网系统的功率需求分析，将储能装置内的电池进行分组设计，缓解了日常功率需求压力，延长了蓄电池的使用寿命。进一步，利用设计完成的具备双蓄电池结构的储能装置，构建出一种新型的微电网系统，该系统限制电池以完全循环的充放电运行，设置每组蓄电池组的充/放电工作状态的启动和运行条件，以达到保护储能电池的目的。在加入了第二蓄电池组的情况下，既吸收了一部分光伏发电的输出功率的变化，还为第一蓄电池组提供了更加平滑的充/放电方式，避免了充放电电流的巨大变化，从而缓解了太阳能光伏发电装置间歇性发电使得电池储能装置需要在短时间内进行充电和放电操作而降低了电池的使用寿命的现象，进而提高了储能装置的使用效率，延长了电池的使用时间并减缓了其老化情况。
本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本申请实施例的微电网系统的整体结构示意图。
图2为本申请实施例的微电网系统中的储能装置12的设计方法的步骤图。
图3为本申请实施例的微电网系统中的储能装置12的设计方法的具体流程图。
图4为本申请实施例的微电网系统中的储能装置12的设计方法中日常光伏发电输出功率曲线和对应时段的负载需求功率曲线的对比图。
图5为本申请实施例的微电网系统中的储能装置12的设计方法中发电功率与需求匹配状态曲线的示意图。
图6为未使用本申请实施例的微电网系统储能装置12的设计方法得到的储能装置12 在整个微电网系统中的应用情况示意图。
图7为使用本申请实施例的微电网系统储能装置12的设计方法得到的储能装置12在整个微电网系统中的应用情况示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
在太阳能孤岛微电网中，铅蓄电池在维持发电和用电之间的瞬时功率平衡方面发挥着重要的作用，但太阳能的间歇性使得电池能量存储系统需要在短时间内进行充电和放电操作，这样，在某些情况下会阻止电池充分充电，导致硫酸铅的形成，使得电池使用效率降低、寿命缩短、并且可能造成电池故障，从而使得铅蓄电池的使用寿命普遍不高，限制了孤岛微电网的长期运行。现有技术可使用可调度电源(通常是柴油发电机)发电可以缓解这个问题，但是这将提高系统的运营成本。
因此，本发明提出了一种包括多组蓄电池组的用于微电网系统中的储能装置及其设计方法。储能装置将其中的多个蓄电池按照容量分为第一蓄电池组(也称“主电池组”)和第二蓄电池组(也称“次级电池组”)，每个蓄电池组均包括若干个并联的电池串，其中，每个电池串包括多个依次串联的蓄电池。进一步，第一蓄电池组作为主电池组，其容量较大，负责在太阳能充足时储存能源，或者根据最佳策略调度来满足负荷需求；第二蓄电池组作为次级电池组，其容量较低，用于满足日常瞬时功率平衡的需求和微电网电压调节的需求。采用这种配置双蓄电池组分别进行充放电调度控制的方式所构成的储能装置的目的是缓解电池组特别是第一电池组的运行压力，须满足以下分析要求：1)循环运行：第一蓄电池组应优先进行完全循环运行和避免非完全操作；2)减少满充的平均时间：第一/ 第二蓄电池组采用循环运行和周期性均衡充电机制，使得满充之间的平均时间显著减少； 3)平滑充电/放电过程：使用第二蓄电池组来吸收光伏发电的变化，使得第一蓄电池组的充电功率曲线更加平滑，以为第一蓄电池组提供更平滑的充电方式，避免充电/放电电流的巨大变化。
需要说明的是，上述针对第一蓄电池组的完全循环运行又叫完全充放电运行，是指在微电网系统日常运行情况下，需要让第一蓄电池组内的电池运行至预设的第一蓄电池组的充电状态参数最小值(其中，第一蓄电池组的充电状态参数最小值的范围在10％～20％)，然后插上充电电源，充电至高于第一蓄电池组的充电状态参数最大值(其中，第一蓄电池组的充电状态参数最大值的范围在90％～100％，优选地，为100％)，视为一次完全循环充电。按照相同的方法，第一蓄电池组还需要进行完全循环放电操作。完全充放电是电池保养一个很重要的环节，每次电池充放电，建议都进行完全充放电。其中，如果电池不怎么用，建议每个月进行一次完全充放电。另外，周期性均衡充电机制就是周期性的对第一 /第二蓄电池组进行均衡充电，目的是均衡电池特性，是指在电池组的使用过程中，因为电池的个体差异、温度差异等原因造成电池间端电压不平衡，为了避免这种不平衡趋势的恶化，周期性的提高电池组的充电电压，对电池进行活化充电。其中，均衡充电的周期一般每月一次。
图1为本申请实施例的微电网系统的整体结构示意图。如图1所示，微电网系统至少包括：光伏发电装置11、储能装置12、发电机装置13、调度装置14和负载15。调度装置14与上述可用于为负载15供电的光伏发电装置11、储能装置12和发电机装置13连接。在本申请实施例中，储能装置12包括第一蓄电池组121和第二蓄电池组122，这两组蓄电池组分别与调度装置14连接，由调度装置14对其进行独立控制。具体地，第一蓄电池组121用于在调度装置14确定出光伏发电装置11的发电量满足负载需求的情况下，通过调度装置14控制光伏发电装置11为第一蓄电池组121进行充电以达到电量存储的目的。第二蓄电池组122用于在调度装置14的控制下，与第一蓄电池组121配合，来满足微电网系统的功率平衡需求和电压调节需求，达到保护第一蓄电池组121的目的，从而延长了整个储能装置12的寿命。发电机装置13用于在上述调度装置14确定出光伏发电装置11和储能装置12不足以满足负载需求的情况下，通过调度装置14控制发电机装置13 为负载15供电。
另外，调度装置14能够获取负载15、发电机装置13、光伏发电装置11、第一蓄电池组121和第二蓄电池组122所反馈的对应的实时状态信息，利用预设的双蓄电池组储能装置运行模型，分别向光伏发电装置11、第一蓄电池组121和第二蓄电池组122发送与双蓄电池组储能装置运行模型匹配的工作状态控制指令，以满足微电网系统的日常瞬时功率平衡。其中，上述双蓄电池组储能装置运行模型是一种对双蓄电池组分别进行充放电调度控制的实施模型，进一步根据上述现有技术的缺陷，分析出延长储能装置12中的蓄电池寿命的具体充放电运行条件的需求情况，满足整个微电网系统的功率平衡需求，得到的相应的储能装置12的操作规则，并用数学模型进行呈现。
进一步的，双蓄电池组储能装置运行模型存储在上述调度装置14中。双蓄电池组储能装置运行模型是以周期性均衡充电方式的最高优先级原则，并且为第一/第二蓄电池组设置在第一时段与第二时段的优先使用标准、充电/放电启动工作状态标准和保护标准所构建而成的。其中，为了保障储能装置12的完全充放电原则，该模型具有微电网系统中发电机装置13最小化使用目标的控制原则。需要说明的是，在本例中，第一时段指太阳能光伏发电功率相对充足的日间时段，例如：上午6时至下午6时。另外，在本例中，第二时段指太阳能光伏发电功率不足的夜间时段，例如：下午6时至上午6时。本发明对第一时段和第二时段的具体时间不作限定，本领域技术人员可根据微电网系统所在地、季候、日照时间等因素对第一时段和第二时段的具体时间进行设定。
另外，上述最高优先级原则是指第一/第二蓄电池组需要按照预设的均衡充电频率执行周期性均衡充电操作，在本例中，均衡充电频率为每月一次，该频率参数设置在上述调度装置14内，由调度装置14内的调度分析模块(下述)定时向第一/第二蓄电池组发送相应的均衡充电指令。进一步的，调度分析模块能够通过解析第一/第二蓄电池组的实时状态信息，得到第一/第二蓄电池组的当前充电状态参数、当前充电功率、以及剩余电量等数据，判断第一/第二蓄电池组是否处于周期性均衡充电模式，若为是，则向当前处于周期性均衡充电模式的第一/第二蓄电池组继续发送有效的均衡充电指令，直至判断出第一/第二蓄电池组的当前充电状态参数分别高于对应的第一蓄电池组的充电状态参数最大值和第二蓄电池组的充电状态参数最大值(其中，第一蓄电池组的充电状态参数最大值的范围在90％～100％)，以判断处第一/第二蓄电池组处于满电量状态。这样便实现了上述双蓄电池组储能装置运行模型中的最高优先级原则(第一/第二蓄电池组的周期性均衡充电原则)：若第一/第二蓄电池组进行周期性均衡充电，则第一/第二蓄电池组必须充满。
进一步的，上述调度装置14包括调度分析模块(未图示)。调度分析模块能够解析获取到的负载15、发电机装置13、光伏发电装置11、第一蓄电池组121和第二蓄电池组 122所反馈的对应的实时状态信息，得到相应的解析结果：负载15在当前时刻的功率需求信息、光伏发电装置11在当前时刻的发电输出功率信息、第一蓄电池组121在当前时刻的第一电量状态信息和第二蓄电池组122在当前时刻的第二电量状态信息等。其中，第一/第二电量状态信息至少包括针对第一/第二蓄电池组的电量值(电荷量、剩余电量)、充电状态参数(SOC)和充/放电功率等。而后，根据上述解析结果对当前时刻处于第一时段或第二时段、是否满足第一/第二蓄电池组的启动条件、第一/第二蓄电池组是否处于满电量状态、第一/第二蓄电池组处于充电状态还是放电状态、第一/第二蓄电池组是否处于周期性均衡充电状态、光伏发电装置11的发电功率是否满足当前负载需求功率等情况进行判断，并生成相应的工作状态控制指令，以对第一/第二蓄电池组的充电或放电状态进行控制、以及对发电机装置13供电状态进行调节控制。
进一步的，调度分析模块在判断出当前时刻处于第一时段的情况下，向第二蓄电池组 122发送有效的放电状态控制指令，以控制第二蓄电池组122优先为负载15供电。在一个实施例中，调度分析模块在判断出当前时刻处于第一时段并且光伏发电装置11的发电功率满足当前负载需求功率的情况下，向第二蓄电池组122发送有效的放电状态控制指令并向第一蓄电池组121发送无效的放电状态控制指令，以控制第二蓄电池组122优先为负载供电。
进一步的，调度分析模块在判断出当前时刻处于第二时段的情况下，向第一蓄电池组121发送有效的放电状态控制指令，以控制第一蓄电池组121优先为负载15供电(规则三)。在一个实施例中，调度分析模块在判断出当前时刻处于第二时段的情况下，向第一蓄电池组121发送有效的放电状态控制指令并向第二蓄电池组122发送无效的放电状态控制指令，以控制第二蓄电池组122优先为负载供电，从而达到了第二蓄电池组122满足整个微电网系统的电压调节需求的目的。
这样便实现了上述双蓄电池组储能装置运行模型中的第一/第二蓄电池组在第一时段与第二时段的优先使用标准：在第一时段，第二蓄电池组122优先启动放电工作状态，为负载供电(规则二)；和在第二时段，第一蓄电池组121优先启动放电工作状态，为负载供电(规则三)。
进一步的，上述调度分析模块能够通过解析第二蓄电池组122的实时状态信息，得到第二蓄电池组122的当前电量值，进一步利用存储的在调度分析模块内的针对第二蓄电池组122的最小电量允许值，在判断出第二蓄电池组122的当前电量值低于或等于其最小电量允许值并且当前时刻处于第一时段的情况下，向第二蓄电池组122发送无效的放电状态控制指令，以达到禁止第二蓄电池组122启动放电工作状态而为负载供电(规则四)。进一步的，在判断出第二蓄电池组122的当前电量值高于其最小电量允许值并且当前时刻处于第一时段的情况下，根据微电网系统当前的功率需求，若需要第二蓄电池组122为负载 15供电时，向第二蓄电池组122发送有效的放电状态控制指令。这样，双蓄电池组储能装置运行模型为第二蓄电池组122设定了相应的启动充/放电工作状态的标准。
进一步的，上述调度分析模块能够通过解析负载15、光伏发电装置11和第二蓄电池组122的实时状态信息，得到相应的负载15当前时刻的需求功率、光伏发电装置11当前时刻的发电输出功率、第二蓄电池组122在当前时刻的充/放电功率等参数，从而判断光伏发电装置11的发电输出功率和第二蓄电池组122的放电功率是否满足当前负载功率需求。若无法满足且当前时刻处于第一时段的情况下，则需同时向第一蓄电池组121和第二蓄电池组122发送有效的放电状态控制指令，以控制第一蓄电池组121在这种情况下投入使用，使得第一蓄电池组121与第二蓄电池组122和光伏发电装置11同时为负载15供电 (规则五)。
其中，在上述规则五中，上述调度分析模块还需要解析第一蓄电池组121的实时状态信息，得到第一蓄电池组121的当前充电状态参数，进一步在判断出第一蓄电池组121 的当前充电状态参数低于存储在调度分析模块内的针对第一蓄电池组121的充电状态参数最大值，并确定当前第一蓄电池组121未处于满电量状态的情况下，不可向第一蓄电池组121发送有效的放电状态控制指令。也就是说，光伏发电装置11和第二蓄电池组122 均无法满足当前负载功率需求，并且当前第一蓄电池组121不处于满电量状态的情况下，不可控制第一蓄电池组121投入发电使用，可以进一步通过向发电机装置13发送相应的工作状态控制指令，以达到满足整个微电网系统功率需求的目的。
进一步的，上述调度分析模块能够通过解析第一蓄电池组121的实时状态信息，得到第一蓄电池组121的当前充电状态参数，进一步在判断出第一蓄电池组121的当前充电状态参数低于存储在调度分析模块内的针对第一蓄电池组121的充电状态参数最大值，则向第一蓄电池组121继续发送有效的充电状态控制指令，直至第一蓄电池组121的当前充电状态参数高于或等于其充电状态参数最大值。这样，双蓄电池组储能装置运行模型为第一蓄电池组121设定了相应的启动保持充电工作状态的标准，以实现主电池组121在微电网系统的日常运行中需采用完全循环运行的功能。
这样，便实现了上述双蓄电池组储能装置运行模型中的第一/第二蓄电池组在第一时段与第二时段的充电/放电启动工作状态标准：在第一时段，第二蓄电池组122的当前电量值低于或等于预设的第二蓄电池组122的最小电量允许值，则禁止启动放电工作状态(规则四)；和在第一时段，若微电网系统中的光伏发电功率和第二蓄电池组122的放电功率无法满足当前负载功率需求，则第一蓄电池组121启动放电工作状态，以配合第二蓄电池组122和光伏发电装置11同时为负载供电(规则五，此规则优先于下述的规则六)；和第一蓄电池组121的当前充电状态参数低于预设的第一蓄电池组121的充电状态参数最大值，则启动充电工作状态，直至第一蓄电池组121的当前充电状态参数高于或等于其充电状态参数最大值(规则六)。
进一步的，上述调度分析模块能够通过解析第一蓄电池组121的实时状态信息，得到第一蓄电池组121的当前充电状态参数，而后，利用存储在调度分析模块内的针对第一蓄电池组的预设的充电状态参数阈值(包括充电状态参数最大值和充电状态参数最小值)，判断出第一蓄电池组的当前充电状态参数是否等于或小于充电状态参数最小值。若为是，则向第一蓄电池组121发送有效的放电状态控制指令并发送无效的充电状态控制指令，以控制第一蓄电池组121在这种情况下只能放电，使得第一蓄电池组121与第二蓄电池组 122和光伏发电装置11同时为负载15供电(规则七，此规则优先于下述的规则八)。这样，双蓄电池组储能装置运行模型为第一蓄电池组121设定了低于某一阈值时启动放电工作状态的保护标准，同时，实现了上述双蓄电池组储能装置运行模型中的第一/第二蓄电池组在第一时段与第二时段的保护标准(之一)：若第一蓄电池组121的当前充电状态参数等于或小于预设的第一蓄电池组121的充电状态参数最小值，则第一蓄电池组121启动放电工作状态并切断充电工作状态，以达到在此种情况下只能放电的目的。
进一步的，调度分析模块还能够在确定出当前时刻处于第一时段的情况下，同时向第一蓄电池组和第二蓄电池组发送有效的充电状态控制指令，以确保太阳能的有效利用。这样，便实现了上述双蓄电池组储能装置运行模型中的第一/第二蓄电池组在第一时段与第二时段的保护标准(之一)：在第一时段，第一/第二蓄电池组同时启动充电工作状态。
进一步的，调度分析模块能够在确定出当前时刻处于第一时段的情况下，第一/第二蓄电池组同时启动充电工作状态，此时，若判断出第一蓄电池组121的当前充电状态参数小于或等于第一蓄电池组121的充电状态参数最小值，则向第二蓄电池组122发送有效的充电状态控制指令，并向第一蓄电池组121发送无效的充电状态控制指令(规则八)。这样，便实现了上述双蓄电池组储能装置运行模型中的第一/第二蓄电池组在第一时段与第二时段的保护标准(之一)：若第一蓄电池组121的当前充电状态参数等于或小于预设的第一蓄电池组121的充电状态参数最小值，则第二蓄电池组122启动充电工作状态，并且第一蓄电池组121切断充电工作状态，这种情况下只有第二蓄电池组122被充电。
上述双蓄电池组储能装置运行模型的规则保证了第一蓄电池组121的使用寿命，可降低孤岛微电网的运行和维护成本。在实际应用中，可将上述规则转化为数学优化问题如下以达到呈现最小化发电机装置13的使用率的目的。其中，利用如下表达式表示发电机装置13的使用成本：
其中，Y表示发电机装置13在一定时间段内的最小化使用成本，F0表示发电机装置13的燃料曲线截距系数，F1表示发电机燃料曲线斜率，Pgen表示发电机装置13的额定功率，PD,t表示t时刻发电机装置13的输出功率，t表示微电网系统的运行时刻，πD表示燃料价格。从式(1)中可以看出，若确定最小化的发电机装置13的使用成本，则需要对发电机装置的输出功率PD,t进行限定，这些限定条件(约束条件)则为上述双蓄电池组储能装置运行模型匹配的模型表达式，从而构建出了双蓄电池组储能装置运行模型的数学模型。进一步，将该模型应用于储能装置12中进行运行限制，使得储能装置12为微电网系统的提供了与双蓄电池组储能装置运行模型匹配的功率平衡约束条件，并利用如下表达式表示上述模型中的第一/第二蓄电池组的在完全循环运行时充电状态下的功率平衡约束条件以及发电机装置的功率平衡条件：
式中，IB1C,t表示第一蓄电池组121在t时刻的充电电流值，该参数能够通过调度分析模块解析其获取到的第一蓄电池组121的实时状态信息得到；IB2C,t表示第二蓄电池组122在t时刻的充电电流值，该参数能够通过调度分析模块解析其获取到的第二蓄电池组122的实时状态信息得到；表示第一蓄电池组121充电的参考电流；表示第二蓄电池组122充电的参考电流；表示第一蓄电池组121的最大允许充电电流；表示第二蓄电池组122的最大允许充电电流；表示发电机装置13的最大功率。
进一步，在储能装置12处于周期性均衡充电状态和不处于周期性均衡充电状态下，利用如下表达式表示微电网系统的整体的功率需求平衡条件：
当β＝1时，(1-2α)|PB1,t|+PB2,t+αPPV,t+PD,t＝PLoad,t (5)
当β＝0时，PPV,t+PD,t-PB1,t-PB2,t＝PLoad,t (6)
其中，β是一个二元变量，表示是否正在周期性均衡充电状态，正在进行则为1，否则为0；α是一个二元变量，表示光伏发电装置11是否处于可用状态，可用则为1，否则为0；PB1,t表示第一蓄电池组121在t时刻的充/放电功率，该参数能够通过调度分析模块解析其获取到的第一蓄电池组121的实时状态信息得到；PB2,t表示第二蓄电池组122在t 时刻的充/放电功率，该参数能够通过调度分析模块解析其获取到的第二蓄电池组122的实时状态信息得到；PPV，t表示t时刻的光伏发电装置11的输出功率，该参数能够通过调度分析模块解析其获取到的光伏发电装置11的实时状态信息得到；PLoad，t表示t时刻的负载需求功率。
进一步，利用如下表达式表示在光伏发电装置11处于发电状态和未处于发电状态(也就是光伏发电装置11在第一时间段内处于发电状态，在第二时间段内处于未发电状态)下，第一蓄电池组121在完全循环运行时的充/放电状态的约束条件：
当α＝1时，αSOCB1,t≥αSOCB1,t-1 (7)
当α＝0时，(1-α)SOCB1,t≥(1-α)SOCB1,t-1 (8)
其中，SOCB1,t表示第一蓄电池组121在t时刻的充电状态参数；SOCB1,t-1表示第一蓄电池组121在t-1时刻的充电状态参数。从上述式(7)和式(8)可以看出，本发明涉及的调度装置14需要实时监测第一蓄电池组121的当前充电状态参数，以使得第一蓄电池组121达到满充状态下才可进行放电操作，从而实现保证第一蓄电池组121进行完全充放电的功能。
另一方面，根据上述双蓄电池组储能装置运行模型的构建与实施过程，本发明提出了一种考虑这种双蓄电池组储能装置运行模型的多种约束条件下的储能装置12的设计方法，从而确定出储能装置12中第一蓄电池组121和第二蓄电池组122所需的最佳电池数量。
图2为本申请实施例的微电网系统中的储能装置12的设计方法的步骤图。图3为本申请实施例的微电网系统中的储能装置12的设计方法的具体流程图。下面结合图2和图 3，对上述储能装置12的设计方法进行详细说明。
如图2、图3所示，在步骤S210中，基于微电网系统中的日常光伏发电输出功率曲线和对应时段的负载需求功率曲线，利用预设的双蓄电池组储能装置运行模型，分析每组蓄电池组的储能能量占储能装置总使用能量的比率，得到相应的使用比率参数。也就是说，需要分析出每组蓄电池组的储能能量容量需求的概率密度函数，进一步积分导出对应的累积分布函数，从而得到每组蓄电池组的储能容量需求的概率分布，以得到每组蓄电池组的使用比率参数。
具体地，首先，记录微电网系统中的原始的(此处原始的曲线为当前微电网系统中未考虑上述双蓄电池组储能装置运行模型的情况下日常运行时得到的相关曲线)日常光伏发电输出功率曲线和对应时段的负载需求功率曲线，将这两种曲线进行差值对比，得到相应时间段内的发电功率与需求匹配状态曲线。
在一个实施例中，以某微电网系统的原始配置及运行方式为例，当前微电网系统包括：25kW的光伏阵列装置、40kW的柴油发电机装置、以及1个由60个1200Ah电池的蓄电池构成的储能装置(电池组)。按照原始运行方式，记录该微电网系统11天的发电功率和这11天的负载需求功率，得到相应的日常光伏发电输出功率曲线和对应时段的负载需求功率曲线，参考图4，并将这两种曲线利用公式(9)进行同时刻的差值对比，得到发电功率与需求匹配状态曲线。其中，图4为本申请实施例的微电网系统中的储能装置12 的设计方法中日常光伏发电输出功率曲线和对应时段的负载需求功率曲线的对比图。另外，利用如下表达式表示公式(9)：
Pmis,t＝PPV,t-PLoad,t (9)
式中，Pmis,t表示t时刻的发电功率与需求匹配状态值。在Pmis,t小于0时，表明该t时刻，光伏发电装置11的输出功率无法满足负载需求，这时，原始微电网系统的发电量与负载需求处于失配状态。其中，失配状态信息包括功率不匹配时刻及在不匹配时刻下所对应的不匹配功率值。
图5为本申请实施例的微电网系统中的储能装置12的设计方法中发电功率与需求匹配状态曲线的示意图。如图5所示，如图5所示，其纵坐标表示发电功率与需求匹配状态值Pmis,t。
接着，如图2所示，基于发电功率与需求匹配状态曲线，参考储能装置12在双蓄电池组储能装置运行模型下的约束条件，并利用预设的概率模型，对发电功率与需求匹配状态曲线进行需求概率分析(核密度估计分析)，得到储能装置12中每组蓄电池组(第一/ 第二蓄电池组)的使用比率参数，也就是确定每组蓄电池组的储能容量需求的概率分布。
具体地，将图5中所示的发电功率与需求匹配状态曲线，分成第一时段(日间时段)和第二时段(夜间时段)两个样本，充分参考上述储能装置12在双蓄电池组储能装置运行模型下的约束条件(该模型对应的数学模型)，分析出储能装置12在维持整个原始微电网系统中的功率平衡功能在昼夜时段呈现出不同的模式，所述模式具体包括：日间功率平衡模式、夜间功率平衡模式、以及夜间能量平衡模式。进一步利用现有技术中的核函数概率模型(如式10所示)，对上述发电功率与需求匹配状态曲线在上述不同模式下进行核密度估计分析。其中，公式(10)用如下表达式表达：
其中，n表示样本数量，χi表示第i个样本，i表示样本序号，kh表示核函数，h表示时间间隔，表示核函数概率密度。具体地，利用上述公式(10)计算出每个样本采样值在不同模式下的概率密度，而后对概率密度函数进行积分处理，得到累积分布函数所对应的结果，该累积分布函数的结果表示在不同模式所处的时段下，微电网系统需要储能装置12补充的功率和/或能量。进一步，利用上述某微电网系统的原始配置及运行方式的实施例，参考双蓄电池组储能装置运行模型，再结合实际使用经验，也就是说，分析出每组蓄电池组的储能能量容量需求的概率分布，从而得到第一/第二蓄电池组的储能能量占储能装置总使用能量(储能装置总使用能量是指，在第一/第二时段内除去使用光伏发电外，需要使用储能装置12平衡整个微电网系统功率时所需要补充的功率和/或能量)的比率并得到相应的使用比率参数。其中，在本例中，第一蓄电池组121的容量应该被设计成至少能满足储能装置12需用需求的90％(即概率累计分布大于或等于90％)。第二蓄电池组满足余下需求的8％(即概率累计分布大于或等于8％)。剩余的2％需求由发电机装置13补充。
接着，再次参考图2、图3，在步骤S220中，根据每组蓄电池组的使用比率参数(每组蓄电池组的储能容量需求的概率分布)，确定每组蓄电池组在第一时段与第二时段内满足功率平衡条件所需的电池数量，进一步得到每组蓄电池组串联电池的最佳数量。
具体地，首先，根据上述得到的每组蓄电池组的使用比率参数，利用概率模型，计算每组蓄电池组在满足相应使用比率参数的情况下所对应的在第一时段内达到功率平衡的功率值、在第二时段内达到功率平衡的功率值、以及在第二时段内达到能量平衡的能量值。进一步，将上述第一蓄电池组的容量占储能装置12总需用需求的90％(即概率累计分布大于或等于90％)、以及从图4和图5中获取的相应时间段(不同样本)内的功率和能量值代入上述累积分布函数所对应的结果中，得到第一蓄电池组在第一时段内达到功率平衡的功率值、在第二时段内达到功率平衡的功率值、以及在第二时段内达到能量平衡的能量值。同样的，将上述第二蓄电池组的容量占储能装置12总需用需求的8％(即概率累计分布大于或等于8％)、以及从图4和图5中获取的相应时间段(不同样本)内的功率和能量值代入上述累积分布函数所对应的结果中，得到第二蓄电池组在第一时段内达到功率平衡的功率值、在第二时段内达到功率平衡的功率值、以及在第二时段内达到能量平衡的能量参数。
然后，构建每组蓄电池组的容量配置模型，利用每组蓄电池组对应的日间功率平衡值、夜间功率平衡值、夜间能量平衡值，计算每组蓄电池组在第一时段内达到功率平衡所需的电池数量、以及在第二时段内达到功率和能量平衡所需的电池数量，进一步得到相应蓄电池组串联电池的最佳数量。
其中，利用如下表达式表示第一蓄电池组的容量配置模型，该模型分别包括第一蓄电池组在第一时段内达到功率平衡所需的电池数量的计算式(式11)、在第二时段内达到功率平衡所需的电池数量的计算式(式12)、在第二时段内达到能量平衡所需的电池数量的计算式(式13)、以及第一蓄电池组串联电池的最佳数量计算式(式14)：
SBKP＝max({SBKP_d，SBKP_n，SBKP_e}) (14)
其中，Crate表示电池充电/放电的参考电流，χthd1表示第一蓄电池组的日间功率平衡功率值，CN表示电池标称容量，Pbat1表示第一蓄电池组中并联组串的数量，Ubat表示电池标称电压，SBKP_d表示第一蓄电池组在第一时段内达到功率平衡所需的电池数量，χthn1表示第一蓄电池组的夜间功率平衡功率值，SBKP_n表示第一蓄电池组在第二时段内达到功率平衡所需的电池数量，χthe1表示第一蓄电池组的夜间能量平衡能量值，SBKP_e表示第一蓄电池组在第二时段内达到能量平衡所需的电池数量，SOCmin表示电池最小标准化充电状态，εbat表示电池的库伦效率(通常，库伦效率等于90％)，SBKP表示第一蓄电池组串联电池的最佳数量。
并且，利用如下表达式表示第二蓄电池组的容量配置模型，该模型分别包括第二蓄电池组在第二时段内达到功率平衡所需的电池数量的计算式(式15)、在第二时段内达到功率平衡所需的电池数量的计算式(式16)、在第二时段内达到能量平衡所需的电池数量的计算式(式17)、以及第二蓄电池组串联电池的最佳数量计算式(式18)：
SOP＝max({SOP_d，SOP_n，SOP_e}) (18)
其中，χthd2表示第二蓄电池组的日间功率平衡功率值，Pbat2表示第二蓄电池组中并联组串的数量，SOP_d表示第二蓄电池组在第一时段内达到功率平衡所需的电池数量，χthn2表示第二蓄电池组的夜间功率平衡功率值，SOP_n表示第二蓄电池组在第二时段内达到功率平衡所需的电池数量，χthe2表示第二蓄电池组的夜间能量平衡能量值，SOP_e表示第二蓄电池组在第二时段内达到能量平衡所需的电池数量，SOP表示第二组蓄电池组串联电池的最佳数量。
在本例中，按照上述第一蓄电池组的容量配置模型计算出在上述某微电网系统的原始配置及运行方式的实施例中，第一蓄电池组由46块电池组成。按照上述第二蓄电池组的容量配置模型计算出在上述某微电网系统的原始配置及运行方式的实施例中，第二蓄电池组由14块电池组成。
图6为未使用本申请实施例的微电网系统储能装置12的设计方法得到的储能装置12 在整个微电网系统中的应用情况示意图。图7为使用本申请实施例的微电网系统储能装置 12的设计方法得到的储能装置12在整个微电网系统中的应用情况示意图。图6显示了在没有使用本发明涉及的包括具备双蓄电池组结构储能装置的微电网系统之前，储能装置的功率消耗曲线、单个电池电压变化曲线、单个电池电荷状态变化曲线和单个电池电流变化曲线。在这种情况下，通过Schiffer方法确定蓄电池储能装置(60块电池)的预期使用寿命为2.45年。图7显示了在使用本发明涉及的包括具备双蓄电池组结构储能装置的微电网系统之后，在同等发电条件和负载条件下运行，并根据上述调度装置14按照预设的双蓄电池组储能装置运行模型对储能装置12进行控制后，储能装置12的功率消耗曲线、单个电池电压变化曲线、单个电池电荷状态变化曲线和单个电池电流变化曲线。这种新型电池储能装置的优势直接体现在整个能量存储装置的使用寿命上，第一蓄电池组和第二蓄电池组的预期使用寿命分别为4.12年和2.60年。需要说明的是，Schiffer方法为一种用于评估电池生命周期的模型，这个模型可以比较不同的运行条件，不同的系统规模，不同的电池技术对电池寿命的影响效果。
本发明提出了一种微电网系统储能装置的设计方法和新型的微电网系统。该设计方法包括利用分析原始微电网系统的日常光伏发电输出功率曲线和对应时段的负载需求功率曲线的概率分析结果，并参考预设的双蓄电池组储能装置运行模型，确定每种蓄电池组占总储能装置的使用比率，进一步得到每组蓄电池组的最佳数量，从而完成了该储能装置的设计。这样，通过对日常微电网系统的功率需求分析，将储能装置内的电池进行分组设计，缓解了日常功率需求压力，延长了蓄电池的使用寿命。
进一步，利用设计完成的具备双蓄电池结构的储能装置，构建出一种新型的微电网系统，该系统利用调度装置按照预设的双蓄电池组储能装置运行模型对第一/第二蓄电池组分别进行控制，限制电池以完全循环的充放电运行，设置每组蓄电池组的充/放电工作状态的启动和运行条件，以达到保护储能电池的目的。在加入了第二蓄电池组的情况下，既吸收了一部分光伏发电的输出功率的变化，还为第一蓄电池组提供了更加平滑的充/放电方式，避免了充放电电流的巨大变化，从而缓解了太阳能光伏发电装置间歇性发电使得电池储能装置需要在短时间内进行充电和放电操作而降低了电池的使用寿命的现象，达到保护第一蓄电池组的目的，进而提高了储能装置的使用效率，延长了电池的使用时间并减缓了其老化情况。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种微电网系统储能装置的设计方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一、基于微电网系统中的日常光伏发电输出功率曲线和对应时段的负载需求功率曲线，利用预设的双蓄电池组储能装置运行模型，分析每组蓄电池组的储能能量占储能装置总使用能量的比率，得到相应的使用比率参数；
步骤二、根据每组蓄电池组的所述使用比率参数，确定每组蓄电池组在第一时段与第二时段内满足功率平衡条件所需的电池数量，进一步得到每组蓄电池组串联电池的最佳数量。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤一包括：
记录并对比微电网系统中的所述日常光伏发电输出功率曲线和对应时段的所述负载需求功率曲线，得到相应时间段内的发电功率与需求匹配状态曲线；
基于所述发电功率与需求匹配状态曲线，参考所述储能装置在所述双蓄电池组储能装置运行模型下的约束条件，对所述发电功率与需求匹配状态曲线进行需求概率分析，确定每组蓄电池组的使用比率参数。
3.根据权利要求1或2所述的设计方法，其特征在于，所述步骤二包括：
根据每组蓄电池组的所述使用比率参数，利用预设的概率模型，计算所述每组蓄电池组在满足相应所述使用比率参数的情况下所对应的在第一时段内达到功率平衡的功率值、在第二时段内达到功率平衡的功率值、以及在第二时段内达到能量平衡的能量值；
构建每组蓄电池组的容量配置模型，利用每组蓄电池组对应的日间功率平衡功率值、夜间功率平衡功率值、夜间能量平衡能量值，计算每组蓄电池组在第一时段内达到功率平衡所需的电池数量、以及在第二时段内达到功率和能量平衡所需的电池数量，进一步得到对应蓄电池组的最佳电池数量。
4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，在所述步骤二中，利用如下表达式确定每组蓄电池组串联电池的最佳数量：
SBKP＝max({SBKP_d，SBKP_n，SBKP_e})
SOP＝max({SOP_d，SOP_n，SOP_e})
其中，SBKP表示第一蓄电池组串联电池的最佳数量，SBKP_d表示第一蓄电池组在第一时段内达到功率平衡所需的电池数量，SBKP_n表示第一蓄电池组在第二时段内达到功率平衡所需的电池数量，SBKP_e表示第一蓄电池组在第二时段内达到能量平衡所需的电池数量，SOP表示第二组蓄电池组串联电池的最佳数量，SOP_d表示第二蓄电池组在第一时段内达到功率平衡所需的电池数量，SOP_n表示第二蓄电池组在第二时段内达到功率平衡所需的电池数量，SOP_e表示第二蓄电池组在第二时段内达到能量平衡所需的电池数量。
5.根据权利要求3或4所述的设计方法，其特征在于，在所述步骤二中，利用如下表达式计算第一蓄电池组在第一时段内达到功率平衡所需的电池数量、以及在第二时段内达到功率和能量平衡所需的电池数量：
其中，Crate表示电池参考的充电/放电时间，χthd1表示第一蓄电池组的日间功率平衡功率值，CN表示电池标称容量，Pbat1表示第一蓄电池组中并联组串的数量，Ubat表示电池标称电压，SBKP_d表示第一蓄电池组在第一时段内达到功率平衡所需的电池数量，χthn1表示第一蓄电池组的夜间功率平衡功率值，SBKP_n表示第一蓄电池组在第二时段内达到功率平衡所需的电池数量，χthe1表示第一蓄电池组的夜间能量平衡能量值，SBKP_e表示第一蓄电池组在第二时段内达到能量平衡所需的电池数量，SOCmin表示电池最小标准化充电状态，εbat表示电池的库伦效率。
6.根据权利要求3～5中任一项所述的设计方法，其特征在于，在所述步骤二中，利用如下表达式计算第二蓄电池组在第一时段内达到功率平衡所需的电池数量、以及第二时段内达到功率和能量平衡所需的电池数量：
其中，Crate表示电池参考的充电/放电时间，χthd2表示第二蓄电池组的日间功率平衡功率值，CN表示电池标称容量，Pbat2表示第二蓄电池组中并联组串的数量，Ubat表示电池标称电压，SOP_d表示第二蓄电池组在第一时段内达到功率平衡所需的电池数量，χthn2表示第二蓄电池组的夜间功率平衡功率值，SOP_n表示第二蓄电池组在第二时段内达到功率平衡所需的电池数量，χthe2表示第二蓄电池组的夜间能量平衡能量值，SOP_e表示第二蓄电池组在第二时段内达到能量平衡所需的电池数量，SOCmin表示电池最小标准化充电状态，εbat表示电池的库伦效率。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的设计方法，其特征在于，在所述步骤一中，基于所述储能装置中的第一/第二蓄电池组的周期性均衡充电原则，设置所述第一/第二蓄电池组在第一时段与第二时段的优先使用标准、充电/放电启动工作状态标准和保护标准，构建具有微电网系统中发电机最小化使用目标的所述双蓄电池组储能装置运行模型。
8.一种微电网系统，包括：
负载；
光伏发电装置；
调度装置，其存储有预设的双蓄电池组储能装置运行模型，并按照所述双蓄电池组储能装置运行模型对储能装置进行充放电控制；
按照如权利要求1～7中任一项所述的设计方法得到的所述储能装置，所述储能装置包括第一/第二蓄电池组，其中，所述第一蓄电池组，用于通过所述调度装置在确定出所述光伏发电装置的发电量满足负载需求的情况下，控制所述光伏发电装置为所述第一蓄电池组进行电量存储，以及所述第二蓄电池组用于在所述调度装置的控制下，满足微电网系统的功率平衡需求和电压调节需求。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述调度装置与所述负载、所述光伏发电装置、所述第一蓄电池组和所述第二蓄电池组连接，其中，
所述调度装置构成为获取所述负载、所述光伏发电装置、所述第一蓄电池组和所述第二蓄电池组反馈的对应的实时状态信息，利用预设的所述双蓄电池组储能装置运行模型，分别向所述光伏发电装置、所述第一蓄电池组和所述第二蓄电池组发送与所述双蓄电池组储能装置运行模型匹配的工作状态控制指令，以满足微电网系统的日常瞬时功率平衡。
10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，所述调度装置包括调度分析模块，其中，所述调度分析模块构成为通过解析所述第一蓄电池组的实时状态信息，得到第一蓄电池组的当前充电状态参数，
进一步利用预设的第一蓄电池组的充电状态参数最大值，在判断出所述第一蓄电池组的当前充电状态参数低于所述第一蓄电池组的充电状态参数最大值的情况下，向第一蓄电池组发送有效的充电状态控制指令，直至所述第一蓄电池组的当前充电状态参数高于或等于所述第一蓄电池组的充电状态参数最大值。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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