CN109768626A - 一种储能电站即插即用的能量流实现方法 - Google Patents

一种储能电站即插即用的能量流实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及智能配电网领域，公开了一种储能电站即插即用的能量流实现方法，首先，按照储能系统的运行周期将储能系统划分为一主三备用的运行场景；基于一主三备用的运行场景下的控制策略给出储能系统在单个运行场景下的能量流实现方法；然后，通过制定应用场景需求评价等级，对储能系统应用的运行场景进行排序，给出储能系统在不同场景下的切换阈值及切换策略；最后，从储能系统级上给出储能电站即插即用的能量流实现方法。本发明保证了储能电站的灵活有效的控制及在接入电网不同运行状态的平滑切换和稳定运行。

Description

一种储能电站即插即用的能量流实现方法
技术领域
本发明涉及智能配电网领域，特别涉及一种储能电站即插即用的能量流实现方法。
背景技术
储能是未来电力行业发展的必然选择，由于可再生能源规模化消纳、电力调峰调频、分布式能源友好接入、用户侧需求响应、电动汽车与电网友好互动等方面的需求，储能在未来电力系统中将是不可或缺的角色。
在储能大规模化应用的背景下，储能电站并网对配电网的一次网架结构、自动化控制和管理水平带来了重大挑战。储能电站离网-孤岛运行-并网-并网运行状态切换，并网运行时配网网架的重构、不同消纳模式的切换，离网孤岛运行时一次网络结构变化等，这些导致了配电网运行的多态性，如何实现电池储能电站或者其他可控资源的灵活有效的控制，实现配电网不同运行状态的平滑切换和稳定运行，是储能电站并网协调控制技术的难点之一。
为解决以上储能规模化应用可能存在的问题，本专利提出储能电站即插即用的控制思想。即插即用的概念最早来源于网络，是指计算机系统所拥有的自动配置扩展板以及其他设备的能力。后来，即插即用的概念被引入分布式电源领域，基于先进的电力电子技术，形成了对分布式电源即插即用和对等控制的控制思想和设计理念。在能量流层面，重点关注电池储能电站并网的多状态运行和平滑切换技术研究，具有增强的可扩展性和可靠性的电池储能电站即插即用物理接口技术研究及物理接口一致性验证技术研究，并在此基础上开展即插即用物理接口设备的研制，以解决电池储能电站灵活并网技术的实现问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种储能电站即插即用的能量流实现方法，实现储能电站在接入电网不同运行状态下的自适应控制。
为解决上述问题，本发明提出一种储能电站即插即用的能量流实现方法，包括步骤：按照储能系统的运行周期将储能系统划分为一主三备用的运行场景；基于一主三备用的运行场景下的控制策略给出储能系统在单个运行场景下的能量流实现方法；通过制定应用场景需求评价等级，对储能系统应用的运行场景进行排序，给出储能系统在不同场景下的切换阈值及切换策略；从储能系统级上给出储能电站即插即用的能量流实现方法。
较佳地，所述将储能系统划分为一主三备用的运行场景，具体为：将储能系统应用于削峰填谷作为主运行场景，将储能系统应用于调频、平抑波动以及备用电源作为备用运行场景。
较佳地，将储能系统按照其工作周期的长短划分为三个类型：长时间尺度应用、短时间尺度应用以及紧急支撑应用。
较佳地，所述长时间尺度应用的工作周期大于1个小时，应用于削峰填谷场景。
较佳地，所述短时间尺度应用的工作周期小于1个小时，应用于调频场景和平抑可再生能源出力波动场景。
较佳地，所述紧急支撑应用于调频及备用电源。
较佳地，所述储能系统应用于削峰填谷场景时，采用基于动态规划的自适应控制策略。
较佳地，所述储能系统应用于平抑可再生能源出力波动场景时，采用短期预测的自适应控制策略。
较佳地，所述短期预测的自适应控制策略为通过对接入电网内可再生能源当前时刻的出力波动和未来一段时间内的出力波动进行评估，以控制储能系统充电或放电。
较佳地，所述储能系统根据接入电网的调频需求和当前供蓄能力判断是否参与调频。
较佳地，所述储能系统根据所接入电网运行状态判断是否作为备用电源提供功率支撑。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明储能电站在削峰填谷场景、平抑可再生能源出力波动场景、调频场景和备用电源场景下进行自适应控制，同时支持在这些场景间自适应切换，从而保证了储能电站的灵活有效的控制及在接入电网不同运行状态的平滑切换和稳定运行。
2、本发明可以实现储能电站灵活应对接入电网的多种运行状况，实现储能电站对接入电网不同运行状态的自适应调节，保证储能电站的最大化利用。
3、本发明即插即用的储能电站控制策略具有很强的可扩展性，针对未来储能电站运行方式的增加，本发明便于接纳新的储能电站运行场景。
4、本发明对于储能电站各运行场景的切换策略中包含了自适应切换、人工调度切换以及价格响应切换，可针对不同储能电站投资方及时调整储能电站运行、切换策略，在保证系统安全稳定运行的前提下，最大化储能电站投资方的利润。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
图1为本发明实施例各典型应用场景的切换优先级策略；
图2为本发明实施例各典型应用场景的切换策略；
图3为本发明实施例削峰填谷场景的控制策略；
图4为本发明实施例平抑可再生能源出力波动场景的控制策略；
图5为本发明实施例调频场景的控制策略；
图6为本发明实施例备用电源场景的控制策略。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
本发明提供了一种储能电站即插即用的能量流实现方法，其特征在于，包括步骤：按照储能系统的运行周期将储能系统划分为一主三备用的运行场景；基于一主三备用的运行场景下的控制策略给出储能系统在单个运行场景下的能量流实现方法；通过制定应用场景需求评价等级，对储能系统应用的运行场景进行排序，给出储能系统在不同场景下的切换阈值及切换策略；从储能系统级上给出储能电站即插即用的能量流实现方法。
作为一种实施例，所述将储能系统划分为一主三备用的运行场景，具体为：将储能系统应用于削峰填谷作为主运行场景，将储能系统应用于调频、平抑波动以及备用电源作为备用运行场景。
作为一种实施例，将储能系统按照其工作周期的长短划分为三个类型：长时间尺度应用、短时间尺度应用以及紧急支撑应用。
作为一种实施例，所述长时间尺度应用的工作周期大于1个小时，应用于削峰填谷场景。
作为一种实施例，所述短时间尺度应用的工作周期小于1个小时，应用于调频场景和平抑可再生能源出力波动场景。
作为一种实施例，所述紧急支撑调频及应用于备用电源。
本实施例中，储能电站一主三备用的运行场景的切换策略如下：首先，储能电站长期运行在削峰填谷场景下，通过峰谷差实现盈利；其次，储能电站通过响应接入电网的调度指令、响应价格指令以及自适应调节的方式切换至调频场景、平抑可再生能源出力波动场景或备用电源场景三种备用运行场景。在一个指令周期后，若检测完成备用运行场景下的辅助调节任务，储能电站将切换至削峰填谷场景。如图2所示，各典型应用场景的切换优先级和切换策略如下：
若储能电站接收到上级调度指令、检测到指标越限或满足价格响应需求，则储能电站切换至调频场景或平抑可再生能源出力波动场景；
若储能电站接收到完成短期运行任务指令或检测到完成短期运行任务，储能电站切换至削峰填谷场景；
若储能电站接收到紧急支撑指令或检测到接入电网故障，则储能电站切换至备用电源场景。
其中，图1中的编号含义如下：
1：接收到上级调度指令
2：检测到指标越限
3：满足价格响应需求
4：接收到完成短期运行任务指令
5：检测到完成短期运行任务
6：接收到紧急支撑指令
7：检测到接入电网故障
如图1所示，如果同时满足以上多种切换条件，切换至备用电源场景的优先级最高，切换至调频场景或平抑可再生能源出力波动场景的优先级次之，切换至削峰填谷场景的优先级最低。
其中，针对储能电站检测到指标越限而切换至调频场景或平抑可再生能源出力波动场景，储能电站根据接入电网10min内的可再生能源出力波动率ΔP 和接入电网10min内的频率波动判断具体切换至哪一种场景：
一方面，根据可再生能源出力波动率ΔP和阈值Det的关系，将可再生能源出力波动率分为5个等级。如表1所示，若|ΔP|＞P/3，可再生能源波动等级为一级；若4Det/15＜|ΔP|＜Det/3，可再生能源波动等级为二级；若 Det/5＜|ΔP|＜4Det/15，可再生能源波动等级为三级；若2Det/15＜|ΔP| ＜Det/5，可再生能源波动等级为四级；若|ΔP|＜2Det/15，可再生能源波动等级为五级。
表1可再生能源出力波动等级
另一方面，根据接入电网10min内的频率波动Δf，将频率波动分为5个等级。如表2所示，若|Δf|＞0.5Hz，频率波动等级为一级；若0.4Hz＜|Δ f|＜0.5Hz，频率波动等级为二级；若0.3Hz＜|Δf|＜0.4Hz，频率波动等级为三级；若0.2Hz＜|Δf|＜0.3Hz，频率波动等级为四级；若|Δf|＜0.2Hz，频率波动等级为五级。
表2频率波动等级
如图1所示，在储能电站判断检测到的指标是否越限时，只有当可再生能源波动等级和频率波动等级均为五级时判断为不越限，其他情况下均判断为越限并切换至调频场景或平抑可再生能源出力波动场景。
在判断具体切换至调频场景还是平抑可再生能源出力波动场景时，切换的优先级由高至低顺序为：频率波动等级一级、可再生能源波动等级一级、频率波动等级二级、可再生能源波动等级二级、频率波动等级三级、可再生能源波动等级三级、频率波动等级四级、可再生能源波动等级四级。具体判断时，若较高的优先级为频率波动等级，则储能电站切换至调频场景；若较高的优先级为可再生能源波动等级，则储能电站切换至平抑可再生能源出力波动场景。
作为一种实施例，所述储能电站应用于削峰填谷场景时，采用基于动态规划的自适应控制策略。
具体地，根据需要将一定时长分为若干个阶段，通过对储能电站在不同阶段的自身状态以及该时段下电网的运行状态，对储能电站出力曲线做动态规划。如图3所示，以将1日分为24个阶段为例，相邻阶段的时间差为Δt，储能电站的电量S离散化，相邻电量S的电量差为Δs，储能电站削峰填谷控制策略可以看作从第一阶段电池电量Sinitial到第24阶段电池电量Sfinal的最优路径，根据每个阶段储能电站的剩余电量和接入电网的运行状态，对储能电站的出力曲线做动态规划，最终形成从0点到24点的储能电站动态决策方案。
作为一种实施例，所述储能电站应用于平抑可再生能源出力波动场景时，采用短期预测的自适应控制策略。
作为一种实施例，所述短期预测的自适应控制策略为通过对接入电网内可再生能源当前时刻的出力波动和未来一段时间内的出力波动进行评估，以控制储能电站充电或放电。
在储能电站与可再生能源(DG)联合运行状态下，储能电站的控制策略不仅与可再生能源当前的运行状态相关，还与可再生能源未来一段时间的出力情况相关。如果未来一段时间内某时刻储能电站因充/放空间不足而无法平抑风电功率波动，那么储能电站当前时刻的出力在保证当前波动不越限的前提下，若还存在电量或功率空间，则继续充或放部分电能，给未来一段时间内的后续时刻提供更多的放电或充电空间。如图4所示，储能电站应用于平抑可再生能源出力波动场景时，短期预测的自适应控制策略的实施步骤如下：
S1：获取储能电站的初始参数；
S2：获取当前时刻t的可再生能源功率P(t)和短期预测功率(即未来某时刻t+kΔt的可再生能源出力P(t+kΔt))；
S3：根据当前时刻t的可再生能源的出力波动和未来某时刻t+kΔt的出力波动进行评估，确定储能电站应充电或放电：
(1)若当前时刻t的可再生能源出力P(t)超过可再生能源出力参考值Pref和阈值Det范围，即|P(t)-Pref|＞Det，则
当前时刻t可再生能源出力P(t)大于可再生能源出力参考值Pref并超出阈值Det，即P(t)-Pref＞Det，则当前时刻的可再生能源的出力波动越限，
为减小联合功率波动，储能电站应充电；
当前时刻t可再生能源出力P(t)小于可再生能源出力参考值Pref并超出阈值Det，即Pref-P(t)＞Det，则当前时刻的可再生能源的出力波动越限，为减小联合功率波动，储能电站应放电。
(2)若当前时刻t的可再生能源出力P(t)在可再生能源出力参考值Pref和阈值Det范围内，同时，根据风电出力预测值获知，在未来某时刻t+k Δt的可再生能源出力P(t+kΔt)超过可再生能源出力参考值Pref和阈值Det 的范围，即|P(t)-Pref|＜Det且|P(t+kΔt)-Pref|＞Det，则
根据风电出力预测值获知，在未来某时刻t+kΔt，Pref-P(t+kΔt)＞Det，即在t+kΔt时刻应储能电站放电，但t+kΔt时刻储能电站没有足够的放电电量，所以，即使当前时刻的可再生能源出力P(t)在可再生能源出力参考值Pref和阈值Det范围内，储能电站也将继续充一部分电能，为 t+kΔt时刻提供一定的放电电量；
根据风电出力预测值获知，在未来某时刻t+kΔt，P(t+kΔt)-Pref＞Det，即在t+kΔt时刻应储能电站充电，但t+kΔt时刻储能电站没有足够的充电容量，所以，即使当前时刻的可再生能源出力P(t)在可再生能源出力参考值Pref和阈值Det范围内，储能电站也将继续放出一部分电能，为 t+kΔt时刻提供一定的放电容量。
(3)若当前时刻t的可再生能源出力P(t)在可再生能源出力参考值 Pref和阈值Det范围内，同时，根据风电出力预测值获知，在未来某时刻 t+kΔt的可再生能源出力P(t+kΔt)在可再生能源出力参考值Pref和阈值Det 的范围，即|P(t)-Pref|＜Det且|P(t+kΔt)-Pref|＜Det，则跳转至步骤S4。
S4：更新储能电站的短期预测功率；
S5：更新储能电站的储能状态信息；
S6：判断当前时刻是否在指令周期内；
S7：如果当前时刻在指令周期内，则重复步骤S3~S7；如果当前时刻超过指令周期时间，则跳转至步骤8；
S8：结束该指令周期的控制。
作为一种实施例，所述储能电站根据接入电网的调频需求和当前供蓄能力判断是否参与调频。
当接入电网对储能电站有调频需求时，储能电站基于当前剩余电量评估其可调出力能力及出力时长，判断其是否满足接入电网的调频指令需求，若满足接入电网的调频需求，则储能电站将与电网的AGC调频机组共同参与二次调频。
如图5所示，储能电站是否参与调频的判断步骤如下：
S1：获取储能电站的初始参数和电网安全稳定约束；
S2：接收自动发电控制(AGC)指令；
S3：计算储能电站供蓄能力；
S4：判断指令功率是否在储能电站供蓄能力范围内；
S5：如果指令功率在储能电站供蓄能力范围内，则储能电站出力参与调频；如果指令功率超出储能电站供蓄能力范围，则跳转至步骤S9；
S6：更新储能电站的状态信息；
S7：判断当前时刻是否在指令周期内；
S8：如果当前时刻在指令周期内，则重复步骤S3~S8，否则，跳转至步骤 S9；
S9：结束该指令周期的控制。
作为一种实施例，所述储能电站根据所接入电网运行状态判断是否作为备用电源提供功率支撑。
具体地，储能电站判断接入电网的电压波动是否越限，若电压波动超过设定值，则储能电站作为备用电源提供功率支撑。如图6所示，具体步骤如下：
S1：获取储能电站的初始参数和接入电网的重负荷区域信息；
S2：根据储能电站当前的剩余电量及接入电网的重负荷区域的重要程度选取合适的重负荷区域为紧急支撑对象；
S3：判断储能电站接入点的电压是否越限和或是否接收到调度中心的紧急支撑指令；
S4：如果储能电站接入点的电压和/或接收到调度中心紧急支撑指令，则储能电站出力为紧急支撑对象区域内负荷供电；否则，跳转至步骤S8；
S5：判断当前时刻是否在指令周期内；
S6：如果当前时刻没有达到指令周期，则重复步骤S3~S6；
S7：如果当前时刻达到指令周期，则更新储能电站状态信息；
S8：结束该指令周期的控制。
综上所述，本发明提供了一种储能电站接入电网的能量流即插即用实现方法，实现了储能电站面对电网多态性下的自适应灵活控制手段，给出了储能电站在削峰填谷、调频、平抑可再生能源出力波动和备用电源四种运行场景下的控制方式，通过划分电网频率波动等级与可再生能源出力波动等级制定了储能电站即插即用切换策略。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种储能电站即插即用的能量流实现方法，其特征在于，包括步骤：
按照储能系统的运行周期将储能系统划分为一主三备用的运行场景；
基于一主三备用的运行场景下的控制策略给出储能系统在单个运行场景下的能量流实现方法；
通过制定应用场景需求评价等级，对储能系统应用的运行场景进行排序，给出储能系统在不同场景下的切换阈值及切换策略；
从储能系统级上给出储能电站即插即用的能量流实现方法。
2.如权利要求1所述的储能电站即插即用的能量流实现方法，其特征在于，所述将储能系统划分为一主三备用的运行场景，具体为：将储能系统应用于削峰填谷作为主运行场景，将储能系统应用于调频、平抑波动以及备用电源作为备用运行场景。
3.如权利要求2所述的储能电站即插即用的能量流实现方法，其特征在于，将储能系统按照其工作周期的长短划分为三个类型：长时间尺度应用、短时间尺度应用以及紧急支撑应用。
4.如权利要求3所述的储能电站即插即用的能量流实现方法，其特征在于，所述长时间尺度应用的工作周期大于1个小时，应用于削峰填谷场景。
5.如权利要求3所述的储能电站即插即用的能量流实现方法，其特征在于，所述短时间尺度应用的工作周期小于1个小时，应用于调频场景和平抑可再生能源出力波动场景。
6.如权利要求3所述的储能电站即插即用的能量流实现方法，其特征在于，所述紧急支撑应用于调频及备用电源。
7.如权利要求4所述的储能电站即插即用的能量流实现方法，其特征在于，所述储能系统应用于削峰填谷场景时，采用基于动态规划的自适应控制策略。
8.如权利要求5所述的储能电站即插即用的能量流实现方法，其特征在于，所述储能系统应用于平抑可再生能源出力波动场景时，采用短期预测的自适应控制策略。
9.如权利要求8所述的储能电站即插即用的能量流实现方法，其特征在于，所述短期预测的自适应控制策略为通过对接入电网内可再生能源当前时刻的出力波动和未来一段时间内的出力波动进行评估，以控制储能系统充电或放电。
10.如权利要求6所述的储能电站即插即用的能量流实现方法，其特征在于，所述储能系统根据接入电网的调频需求和当前供蓄能力判断是否参与调频。
11.如权利要求6所述的储能电站即插即用的能量流实现方法，其特征在于，所述储能系统根据所接入电网运行状态判断是否作为备用电源提供功率支撑。
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