CN110867878A

CN110867878A - 飞轮储能混合锂电储能的控制方法

Info

Publication number: CN110867878A
Application number: CN201911294289.1A
Authority: CN
Inventors: 尚德华; 贾葳
Original assignee: Shanghai Yu Yuan Power Tech Corp Inc
Current assignee: Shanghai Yu Yuan Power Tech Corp Inc
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2020-03-06

Abstract

公开了一种飞轮储能混合锂电池储能控制方法，包括：通过高通滤波控制将混合储能系统功率指令P_HESS的高频波动分量和非高频波动分量分配给飞轮储能和锂电池储能；基于锂电池充放电状态进行飞轮储能荷电状态调整；根据飞轮储能和锂电池储能所处的荷电状态区域和充放电状态调整功率，实现过充过放保护配合；以尽可能满足功率指令为目标限制所述飞轮储能和锂电池储能的最大充放电功率。本申请实施例，可提高混合储能系统整体性能，尽可能满足外界对混合储能系统的功率需求。

Description

飞轮储能混合锂电储能的控制方法

技术领域

本发明涉及新能源储能以及电力系统储能优化技术领域，尤其涉及一种飞轮储能混合锂电池储能的控制方法。

背景技术

锂电池其优点在于具有较高的能量存储密度，能够实现大容量能量存储；缺点在于功率密度较低,难以实现大电流持续快速放电。飞轮优点在于具有较大的功率密度，充放电速度快、受温度影响较小，充放电循环寿命可达10万次以上。混合储能技术就是将具有快速响应特性、循环周期寿命长的功率型储能和具有大容量储能特性的能量型储能联合使用、协调控制，最大限度地发挥各种储能技术的长处，提高储能系统的技术经济优势。

在混合储能控制技术中，能量型储能与功率型储能的实时功率分配是首要问题。在具体应用中，混合储能系统承担的功率指令可根据不同需求进行确定，如在平滑风电出力中补偿其中高频分量、或在储能联合火电调频中快速响应AGC指令并补偿火电机组出力波动。根据确定的功率目标值，实现混合储能系统功率指令在飞轮和锂电池之间进行合理高效地分配，应考虑其各自的储能特性。

在混合储能系统中，锂电池由于相对较短的循环周期寿命，要求其避免频繁充放电切换，主要承担系统功率指令中缓慢变化的非高频波动部分。飞轮虽可在承担系统功率指令的高频波动部分而发挥其优势，但能量密度低的缺点可能使其很快地接近储能电量上下限，从而影响控制效果。因此需要两个系统的协调控制，才能充分发挥混合储能系统的性能。

一般的控制策略中，当飞轮储能电量接近上限时，放电能力强、充电能力弱，对正向较大或骤增的P_HESS响应能力强，但对负向较大或骤减的P_HESS响应能力较弱；同理，接近下限时，充电能力强、放电能力弱，对负向较大或骤减的P_HESS响应能力强，但对正向较大或骤增的P_HESS响应能力较弱；两种情况下均可能需要以锂电池输出功率大幅度变化甚至切换充放电状态为代价完成响应。此外，若通过控制使飞轮储能电量始终稳定在中间点，虽既能吸收能量、也能释放能量，但相当于容量减半。

发明内容

为解决上述技术问题，期望提供一种新的飞轮储能混合锂电池储能的控制方法。

根据本申请的一个方面，提供了一种飞轮储能混合锂电池储能控制方法，包括：

通过高通滤波控制将混合储能系统功率指令P_HESS的高频波动分量和非高频波动分量分配给飞轮储能和锂电池储能；

基于锂电池充放电状态进行飞轮储能荷电状态调整；

根据飞轮储能和锂电池储能所处的荷电状态区域和充放电状态调整功率，实现过充过放保护配合；

以尽可能满足功率指令为目标限制所述飞轮储能和锂电池储能的最大充放电功率。

根据本申请实施例，可提高混合储能系统整体性能，尽可能满足外界对混合储能系统的功率需求。

附图说明

图1为本申请实施例所适用系统的示例性结构示意图；

图2为本申请实施例飞轮储能混合锂电池储能的控制方法的流程示意图；

图3为本申请实施例中警戒设置的示例图；

图4为本申请实施例混合储能总控制流程的示意图。

具体实施方式

下文将结合附图对本申请实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的各个实施例及其中的各特征可以相互任意组合。

图1示出了本申请实施例所适用系统的示例性架构。如图1所示，本申请实施例所适用的系统可以包括：发电机组、集散控制系统(DCS)、电厂远端测控单元(RTU，RemoteTerminal Unit)、能源管理系统(EMS)、和电网侧连接的主变压器、高厂变压器、升压变压器、储能变流器(PCS，Power Conversion System)、飞轮储能单元和锂电池组。

图1的示例性系统中，自动发电控制(AGC，Automatic Generation Control)调频指令来自EMS，EMS通过AGC调频指令控制调频机组的出力，以满足不断变化的用户电力需求，并使系统处于经济的运行状态。

图1所示的系统中，升压变压器的输出端连接飞轮储能系统和锂电系统，飞轮储能系统包括一储能变流器和与其连接的飞轮储能单元，锂电系统包括一储能变流器和与其连接的锂电池组。一些示例中，储能变流器可控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。一些示例中，PCS可以包括DC/AC双向变流器、控制单元等。PCS的控制单元可以通过通讯接收后台(例如，EMS)的控制指令，根据功率指令的符号及大小控制PCS中的DC/AC双向变流器对锂电池组或飞轮储能单元进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。具体应用中，PCS可以通过CAN接口与BMS通讯，获取电池组或飞轮储能单元的状态信息，实现对锂电池组或飞轮储能单元的保护性充放电，确保电池运行安全。

图1所示的系统中，EMS和上述两个储能系统的输入端还通过高通滤波器连接。EMS可以通过高通滤波器向上述两个储能系统中的PCS发送指令，各个PCS根据该指令对锂电池组和/或飞轮储能单元的充电和放电过程。

本申请实施例的基本构思是通过EMS对飞轮储能系统和锂电系统进行调度控制，根据控制策略来调用飞轮储能和锂电储能的充放电，联合调度，协同配合。储能系统总控单元根据接收到的调频指令和机组出力等运行数据，经过算法计算确定储能系统出力指令，并下发至储能系统子控制单元。同时，接收储能系统反馈状态信号，下发储能系统投切指令等信号。储能系统控制子单元位于每个中压变流集装箱内，接收总控单元指令，并实际控制储能系统运行和出力。本发明的主要内容是EMS内部关于混合储能内部功率分配控制的方法，混合储能系统通过能量管理系统进行监测和控制。

基于功率波动性质的分配方法，主要通过滑动平均滤波、高通低通滤波等方法，将混合储能系统功率指令按其波动程度进行划分，并根据功率型储能和能量型储能的不同技术特点进行分配。基于功率波动性质的分配方法更符合混合储能系统中各种储能系统的技术特点，更适合于不同储能系统之间的联合使用。进行混合储能系统功率指令分配的最合适方法，即为高通低通滤波功率分配方法。

如图2所示，本申请实施例的飞轮储能混合锂电池储能的控制方法可以包括：步骤S201，在混合储能系统运行控制中，首先通过高通滤波控制将混合储能系统功率指令P_HESS的高频波动分量和非高频波动分量分配给飞轮储能和锂电池储能；步骤S202，基于锂电池充放电状态进行飞轮储能荷电状态(SOC)调整，以优化整体调节能力；步骤S203，再根据两种储能所处SOC区域和充放电状态调整功率，实现过充过放保护配合；步骤S204，以尽可能满足功率指令为目标限制飞轮储能和锂电池储能的最大充放电功率。通过本申请实施例的上述方法，可提高混合储能系统整体性能，尽可能满足外界对混合储能系统的功率需求。

一些示例中，采用高通滤波器对混合储能系统功率指令P_HESS进行滤波得到其高频波动分量作为飞轮储能的有功指令P_{sc_out}，再将高通滤波后的功率指令剩余部分作为锂电池储能的有功指令P_{ES_out}。规定功率大于零表示放电、小于零表示充电，则混合储能系统功率分配中存在以下关系：

其中s为微分算子；T_f为滤波时间常数，根据飞轮储能系统需要平抑的功率波动频带确定，常为秒级到分钟级。

将上式中的s用d/dt来表示，设ΔT为计算步长，差分后得到：

至少一些实施例中，对于储能阵列，具有应对储能系统进行最大充放电功率限制保护和过充过放保护。

一些示例中，最大充放电功率限制保护为当储能系统的充放电功率超过最大充放电功率限制时，则将其充放电功率限定为储能系统最大充放电功率限制值；若输出功率在最大充放电功率限制范围内，则不进行调整。

一些示例中，过充过放保护具体可以包括：在储能电池SOC值低于设置值S_{soc_m}时限制其放电功率，具体的放电功率为：

达到电量下限S_{soc_min}时不再放电，而在储能充电SOC的值高于设置值S_{soc_h}时限制其充电功率，具体的充电功率为：

达到电量上限值S_{soc_max}时不再充电。

图3示出了警戒值设置的具体示例。如图3所示，可以根据PCS的限制来考虑储能的功率限制。例如，在安装500KW的PCS时，储能的最大输出功率为500KW。设置储能SOC的限制的上下范围为10％-90％。即S_{soc_min}为10％，S_{soc_max}为90％,S_{soc_m}为15％，S_{soc_h}为85％。在储能电量少于15％时限制其放电功率为

达到电量下限10％时不再放电，而在储能电量接近85％时限制其充电功率为

达到电量上限值90％时不再充电。

对于混合储能的协调控制，在锂电池放电(P_{ES_out}>0)时，使飞轮储能电量保持在较低水平，即飞轮储能SOC的下限S_{sc_min}和飞轮储能SOC在锂电池放电时的控制阈值S_lsc，对混合储能系统的放电需求响应以锂电池为主、飞轮为辅，对混合储能系统的充电需求响应以飞轮为主、锂电池为辅；同理，在锂电池充电(P_{es_in}<0)时，使飞轮储能电量保持在较高水平，即飞轮储能SOC的上限S_{sc_max}和飞轮储能SOC在锂电池充电时的控制阈值S_hsc，对混合储能系统的充电需求响应以锂电池为主、飞轮为辅，对混合储能系统的放电需求响应以飞轮为主、锂电池为辅。采用该协调控制策略，进行两种储能之间的状态配合，可以进一步发挥各自的优势。

根据高通低通滤波功率分配方法得到的功率分配可知具体的实现方式如下：

当P_{ES_out}>0且S_SC>S_lsc时，判断P_{sc_out}是否大于0，若P_{SC_out}>0，则T_f＝T_f+ΔT_f；若P_{SC_out}<0,则T_f＝T_f-ΔT_f。

当P_{ES_out}<0且S_SC<S_hsc时，判断P_{sc_out}是否大于0，若P_{SC_out}>0，则T_f＝T_f-ΔT_f；若P_{SC_out}<0,则T_f＝T_f+ΔT_f。

在T_f允许范围内采用以上方法进行多次调整以使飞轮处于目标区域，优化混合储能系统整体调节能力。

一些示例中，混合储能的总体控制流程图如图4所示。

如图4所示，读取当前时刻的混合储能系统功率指令P_HESS，进行滤波得到其高频波动分量作为飞轮储能的有功指令P_{sc_out}，再将高通滤波后的功率指令剩余部分作为锂电池储能的有功指令P_{ES_out}。

当P_{ES_out}>0且S_SC>S_lsc时，判断P_{sc_out}是否大于0，若P_{SC_out}>0，则T_f＝T_f+ΔT_f，重新进行功率分配并计算S_SC，继续判断S_SC是否大于S_lsc，如果S_SC大于S_lsc，判断是否满足T_f∈[T_fmin，T_fmax]，如果满足T_f∈[T_fmin，T_fmax]重置T_f＝T_f+ΔT_f，重新执行本步骤，直到S_SC不大于S_lsc或者不满足T_f∈[T_fmin，T_fmax]则进入如下流程：过充过放保护配合、最大功率限制配合、储能单元功率指令下达、储能单元实际出力与SOC检测、读取下一时刻P_HESS。

当P_{ES_out}>0且S_SC>S_lsc时，判断P_{sc_out}是否大于0，若P_{SC_out}<0,则T_f＝T_f-ΔT_f，重新进行功率分配并计算S_SC，继续判断S_SC是否大于S_lsc，如果S_SC大于S_lsc，判断是否满足T_f∈[T_fmin，T_fmax]，如果满足T_f∈[T_fmin，T_fmax]重置T_f＝T_f-ΔT_f，重新执行本步骤，直到S_SC不大于S_lsc或者不满足T_f∈[T_fmin，T_fmax]则进入如下流程：过充过放保护配合、最大功率限制配合、储能单元功率指令下达、储能单元实际出力与SOC检测、读取下一时刻P_HESS。

当P_{ES_out}<0且S_SC<S_hsc时，判断P_{sc_out}是否大于0，若P_{SC_out}>0，则T_f＝T_f-ΔT_f，重新进行功率分配并计算S_SC，继续判断S_SC是否小于S_hsc，如果S_SC小于S_hsc，判断是否满足T_f∈[T_fmin，T_fmax]，如果满足T_f∈[T_fmin，T_fmax]重置T_f＝T_f-ΔT_f，重新执行本步骤，直到S_SC大于或等于S_hsc或者不满足T_f∈[T_fmin，T_fmax]则进入如下流程：过充过放保护配合、最大功率限制配合、储能单元功率指令下达、储能单元实际出力与SOC检测、读取下一时刻P_HESS。

当P_{ES_out}<0且S_SC<S_hsc时，判断P_{sc_out}是否大于0，若P_{SC_out}<0,则T_f＝T_f+ΔT_f，重新进行功率分配并计算S_SC，继续判断S_SC是否小于S_hsc，如果S_SC小于S_hsc，判断是否满足T_f∈[T_fmin，T_fmax]，如果满足T_f∈[T_fmin，T_fmax]重置T_f＝T_f+ΔT_f，重新执行本步骤，直到S_SC大于或等于S_hsc或者不满足T_f∈[T_fmin，T_fmax]则进入如下流程：过充过放保护配合、最大功率限制配合、储能单元功率指令下达、储能单元实际出力与SOC检测、读取下一时刻P_HESS。

以上，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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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

1.一种飞轮储能混合锂电池储能控制方法，包括：

基于锂电池充放电状态进行飞轮储能荷电状态调整；

2.如权利要求1所述的方法，其中，通过高通滤波控制将混合储能系统功率指令P_HESS的高频波动分量和非高频波动分量分配给飞轮储能和锂电池储能，包括：

采用高通滤波器对混合储能系统功率指令P_HESS进行滤波得到其高频波动分量作为飞轮储能的有功指令P_{sc_out}，再将高通滤波后的功率指令剩余部分作为锂电池储能的有功指令P_{ES_out}。

3.如权利要求2所述的方法，其中，飞轮储能的有功指令P_{sc_out}和锂电池储能的有功指令P_{ES_out}存在以下关系：

其中，s为微分算子，T_f为滤波时间常数，飞轮储能的有功指令P_{sc_out}大于零表示飞轮储能放电、小于零表示飞轮储能充电，锂电池储能的有功指令P_{ES_out}大于零表示锂电池储能放电、小于零表示锂电池储能充电。

4.如权利要求1所述的方法，其中，以尽可能满足功率指令为目标限制所述飞轮储能和锂电池储能的最大充放电功率，包括：

当储能系统的充放电功率超过最大充放电功率限制时，则将其充放电功率限定为储能系统最大充放电功率限制值；若输出功率在最大充放电功率限制范围内，则不进行调整。

5.如权利要求1所述的方法，其中，根据飞轮储能和锂电池储能所处的荷电状态区域和充放电状态调整功率，包括：

在所述锂电池储能的荷电状态值低于预设的第一设置值S_{soc_m}时，限制其放电功率为：

达到预设的电量下限S_{soc_min}时不再放电；

在所述锂电池储能充电的荷电状态值高于预设的第二设置值S_{soc_h}时限制其充电功率，具体的充电功率为：

达到预设的电量上限值S_{soc_max}时不再充电。

6.如权利要求1或3所述的方法，其中，基于锂电池充放电状态进行飞轮储能荷电状态调整，包括：

在锂电池放电，即P_{ES_}out>0时，使飞轮储能电量保持在较低水平，对混合储能系统的放电需求响应以锂电池为主、飞轮为辅，对混合储能系统的充电需求响应以飞轮为主、锂电池为辅；

在锂电池充电，即P_{es_in}<0时，使飞轮储能电量保持在较高水平，对混合储能系统的充电需求响应以锂电池为主、飞轮为辅，对混合储能系统的放电需求响应以飞轮为主、锂电池为辅。

7.如权利要求6所述的方法，其中，基于锂电池充放电状态进行飞轮储能荷电状态调整，包括：

当P_{ES_out}>0且S_SC>S_lsc时，判断P_{sc_out}是否大于0，若P_{SC_out}>0，则T_f＝T_f+ΔT_f；若P_{SC_out}<0,则T_f＝T_f-ΔT_f，在T_f允许范围内采用重复进行多次调整以使飞轮储能的荷电状态处于目标区域。

8.如权利要求6所述的方法，其中，基于锂电池充放电状态进行飞轮储能荷电状态调整，包括：

当P_{ES_out}<0且S_SC<S_hsc时，判断P_{sc_out}是否大于0，若P_{SC_out}>0，则T_f＝T_f-ΔT_f；若P_{SC_out}<0,则T_f＝T_f+ΔT_f，在T_f允许范围内采用重复进行多次调整以使飞轮储能的荷电状态处于目标区域。