CN110867879B - 一种储能系统在孤立电网运行中的协调控制方法 - Google Patents

Abstract

一种储能系统在孤立电网运行中的协调控制方法，包括：当孤立电网负荷功率P_L等于机组输出功率P_机时，控制储能系统不参与孤立电网频率的调控；当P_L不等于P_机时，根据P_L与P_机的大小及SOC_W与SOC_P的状态控制投入能量型储能系统ESS_W和/或功率型储能系统ESS_P并控制对应系统的工作状态，使其参与孤立电网频率的调控；所述工作状态包括充电状态、放电状态和待机状态；当能量型储能系统ESS_W与功率型储能系统ESS_P的工作状态为充电状态时，从孤立电网上吸收电能为自身充电；当能量型储能系统ESS_W与功率型储能系统ESS_P的工作状态为放电状态时，向孤立电网释放电能；当能量型储能系统ESS_W与功率型储能系统ESS_P的工作状态为待机状态时，不参与孤立电网频率的调控。

Description

一种储能系统在孤立电网运行中的协调控制方法

技术领域

本发明涉及孤立电网中的稳定运行控制领域，具体涉及一种储能系统在孤立电网运行中的协调控制方法。

背景技术

微电网随着分布式能源发电的崛起快速发展，分布式能源的特性使得微电网的总体规模较小，在微电网能够与大电网并网运行时，其产生的部分波动可由大电网进行平衡，但当微电网脱离大电网以孤立电网的形式运行时，负荷的波动将对孤立电网的稳定运行产生较大的冲击，现有的做法是在微电网中接入某种储能系统以实现分布式能源的当地消纳来保障孤立电网的稳定。但随着孤立电网的发展，接入电源种类的增多及工业中负荷的多样化，孤立电网中冲击负荷的波动将造成较大的功率不平衡，单一的储能系统难以实现瞬时提供大功率的前提下保证其所存储的能量能够支撑到孤立电网运行的再次稳定。

储能系统的应用有助于孤立电网运行的稳定控制，但单一的储能往往难以满足孤立电网系统不同类型负荷波动的需要。在岛屿众多的特殊区域，其所建立的孤立电网更多的是工业用电，工业负荷中的冲击负荷相比较于分布式发电有着更为频繁的波动，且波动的幅度也更大，电网崩溃所带来的经济损失也更为严重。在孤岛上运行的孤立电网，通常采用了储能系统与耗能装置结合的方式来共同调控孤立电网的电压及频率，储能系统的使用主要是为了弥补耗能装置在应对负荷突升时无法提供电能的不足。而单一的储能系统难以在充放电功率、容量及使用寿命三个方面同时满足使用场景的要求。对于电化学储能而言，其能够将容量做的较大，但频繁的充放电会严重制约其使用寿命；对于机械储能而言，其虽然能够实现频繁多次的充放电，但其储存的容量往往难以做的较大，因此单一的储能系统在电力应用中会受到一定程度的限制，需要新的方法弥补这一缺陷。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种储能系统在孤立电网运行中的协调控制方法，具体方案如下：

一种储能系统在孤立电网运行中的协调控制方法，所述方法包括：

实时监控孤立电网负荷功率P_L、机组输出功率P_机和储能系统荷电状态，其中，所述储能系统包括能量型储能系统ESS_W和功率型储能系统ESS_P，能量型储能系统ESS_W的荷电状态为SOC_W，具体为能量型储能系统ESS_W剩余电量与其总容量的比值，功率型储能系统ESS_P的荷电状态为SOC_P，具体为功率型储能系统ESS_P剩余电量与其总容量的比值；

当孤立电网负荷功率P_L等于机组输出功率P_机时，控制储能系统不参与孤立电网频率的调控；

当孤立电网负荷功率P_L不等于机组输出功率P_机时，根据P_L与P_机的大小及SOC_W与SOC_P的状态控制投入能量型储能系统ESS_W和/或功率型储能系统ESS_P并控制对应系统的工作状态，使其参与孤立电网频率的调控；

其中，所述工作状态包括充电状态、放电状态和待机状态；当能量型储能系统ESS_W与功率型储能系统ESS_P的工作状态为充电状态时，从孤立电网上吸收电能为自身充电；当能量型储能系统ESS_W与功率型储能系统ESS_P的工作状态为放电状态时，向孤立电网释放电能；当能量型储能系统ESS_W与功率型储能系统ESS_P的工作状态为待机状态时，不参与孤立电网频率的调控。

进一步地，所述方法还包括：

当孤立电网负荷功率P_L等于机组输出功率P_机时，确认SOC_W及SOC_P是否超出对应系统的限定范围，若超过，则按照超出情况，使能量型储能系统ESS_W和功率型储能系统ESS_P相互之间进行能量转移，以使能量型储能系统ESS_W与功率型储能系统ESS_P的荷电状态处于限定范围。

进一步地，所述方法还包括：

当孤立电网负荷功率P_L不等于机组输出功率P_机时，判断孤立电网频率波动的范围是否在机组自身可调节范围内，若在机组自身可调节范围内，则能量型储能系统ESS_W及功率型储能系统ESS_P不参与孤立电网频率的调控。

进一步地，能量型储能系统ESS_W和功率型储能系统ESS_P二者之间相互进行能量转移具体为：

令能量型储能系统ESS_W的荷电状态的限定范围为SOC_W-min至SOC_W-max，SOC_W-min为该限定范围的最小值，SOC_W-max为该限定范围的最大值；令功率型储能系统ESS_P的荷电状态的限定范围为SOC_P-min至SOC_P-max，SOC_P-min为该限定范围的最小值，SOC_P-max为该限定范围的最大值；

当SOC_W＞SOC_W-max且SOC_P＜SOC_P-max时，能量型储能系统ESS_W将向功率型储能系统ESS_P传递电能，直到任意一方率先达到对应限定范围的最大值；

当SOC_W＜SOC_W-min且SOC_P＞SOC_P-min，功率型储能系统ESS_P将向能量型储能系统传递电能，直到任意一方率先达到对应限定范围的最小值。

进一步地，根据P_L与P_机的大小及SOC_W与SOC_P的状态控制投入能量型储能系统ESS_W和/或功率型储能系统ESS_P并控制对应系统的工作状态具体为：

当SOC_W＜SOC_W-mi且P_机＞P_L且SOC_P在限定范围时：若P_W-ch≥△P，投入能量型储能系统ESS_W并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；若P_W-ch<△P<P_P-ch时，投入功率型储能系统ESS_P并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；若P_P-ch≤△P时，同时投入能量型储能系统ESS_W及功率型储能系统ESS_P装置并均置于充电状态；

当SOC_W＜SOC_W-mi且P_机＜P_L且SOC_P在限定范围时：若P_P-disch＝△P，投入功率型储能系统ESS_P并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；若P_P-disch＜△P，则逐步减少孤立电网所带的负荷，直至P_P-disch＝△P；若P_P-disch＞△P，则投入能量型储能系统ESS_W并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；

当SOC_W＞SOC_W-max且P_机＞P_L且SOC_P在限定范围时：投入功率型储能系统ESS_P并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；

当SOC_W＞SOC_W-max且P_机＜P_L且SOC_P在限定范围时：若P_W-disch≥△P，投入能量型储能系统ESS_W并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；若P_W-disch＜△P＜P_P-disch，则投入功率型储能系统ESS_P并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；若P_P-disch≤△P，则同时投入能量型储能系统ESS_W及功率型储能系统ESS_P并置于放电状态；

其中，△P＝|P_L-P_机|，SOC_W-min和SOC_W-max分别为能量型储能系统ESS_W荷电状态的限定范围的最小值和最大值，SOC_P-min和SOC_P-max分别为功率型储能系统ESS_P荷电状态的限定范围的最小值和最大值，P_W-ch和P_W-disch分别为能量型储能系统ESS_W的实时充电功率和放电功率，P_P-ch和P_P-disch分别为功率型储能系统ESSP_W的实时充电功率和放电功率。

进一步地，根据P_L与P_机的大小及SOC_W与SOC_P的状态控制投入能量型储能系统ESS_W和/或功率型储能系统ESS_P并控制对应系统的工作状态具体为：

当SOC_P＜SOC_P-min且P_机＞P_L且SOC_W在限定范围时：若P_P-ch≥△P，投入功率型储能系统ESS_P并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；若P_P-ch＜△P，投入能量型储能系统ESS_W并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；

当SOC_P＜SOC_P-min且P_机＜P_L且SOC_W在限定范围时：若P_W-disch＝△P，投入能量型储能系统ESS_W并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；若P_W-disch<△P，则逐步减少孤立电网所带的负荷，直至P_W-disch＝△P；若P_W-disch>△P，则投入功率型储能系统ESS_P并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；

当SOC_P＞SOC_P-min且P_机＞P_L且SOC_W在限定范围时：投入能量型储能系统ESS_W并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；

当SOC_P＞SOC_P-min且P_机＜P_L且SOC_W在限定范围时：若P_P-disch≥△P，投入功率型储能系统ESS_P并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；若P_P-disch<△P，则投入能量型储能系统ESS_W并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；

其中，△P＝|P_L-P_机|，SOC_W-min和SOC_W-max分别为能量型储能系统ESS_W荷电状态的限定范围的最小值和最大值，SOC_P-min和SOC_P-max分别为功率型储能系统ESS_P荷电状态的限定范围的最小值和最大值，P_W-ch和P_W-disch分别为能量型储能系统ESS_W的实时充电功率和放电功率，P_P-ch和P_P-disch分别为功率型储能系统ESSP_W的实时充电功率和放电功率。

进一步地，根据P_L与P_机的大小及SOC_W与SOC_P的状态控制投入能量型储能系统ESS_W和/或功率型储能系统ESS_P并控制对应系统的工作状态具体为：

当SOC_P＞SOC_P-max且SOC_W＞SOC_W-max且P_机＜P_L时：能量型储能系统和功率型储能系统将不再有应对负荷突降的能力，该种工况为一种极端情况，尽量控制避免进入该种情况；

当SOC_P＜SOC_P-min且SOC_W＞SOC_W-max且P_机＞P_L时：投入功率型储能系统ESS_P并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；

当SOC_P＞SOC_P-max且SOC_W＜SOC_W-min且P_机＞P_L时：投入能量型储能系统ESS_W并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；

当SSOC_P＞SOC_P-max且SOC_W＞SOC_W-max且P_机＜P_L时：若P_W-disch≥△P，投入能量型储能系统ESS_W并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；若P_W-disch<△P<P_P-disch，投入功率型储能系统ESS_P并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；若P_P-disch≤△P，则同时投入能量型储能系统ESS_W及功率型储能系统ESS_P并置于放电状态；

当SOC_P＜SOC_P-min且SOC_W＜SOC_W-min且P_机＞P_L时：若P_W-ch≥△P，投入能量型储能系统ESS_W并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；若P_W-ch<△P<P_P-ch，投入功率型储能系统ESS_P并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；若P_P-ch≤△P，则同时投入能量型储能系统ESS_W及功率型储能系统ESS_P并置于充电状态；

当SOC_P＞SOC_P-max且SOC_W＜SOC_W-min且P_机<P_L时：投入功率型储能系统ESS_P并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；

当SOC_P＜SOC_P-min且SOC_W＞SOC_W-max且P_机＜P_L时：投入能量型储能系统ESS_W并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；

当SOC_P＜SOC_P-min且SOC_W＜SOC_W-min且P_机＜P_L时：能量型储能系统和功率型储能系统将不再有应对负荷突降的能力，该种工况为一种极端情况，尽量控制避免进入该种情况；

其中，△P＝|P_L-P_机|，SOC_W-min和SOC_W-max分别为能量型储能系统ESS_W荷电状态的限定范围的最小值和最大值，SOC_P-min和SOC_P-max分别为功率型储能系统ESS_P荷电状态的限定范围的最小值和最大值，P_W-ch和P_W-disch分别为能量型储能系统ESS_W的实时充电功率和放电功率，P_P-ch和P_P-disch分别为功率型储能系统ESSP_W的实时充电功率和放电功率。

进一步地，当P_机≠P_L且SOC_P和SOC_W均在限定范围时，能量型储能系统ESS_W及功率型储能系统ESS_P将协调控制孤立电网的运行，能量型储能系统ESS_W或功率型储能系统ESS_P吸收孤立电网或提供孤立电网的功率可按照两者的荷电状态进行分配，具体可表示为如下公式：

式中X取值为W或P，W和P分别表示能量型和功率型；当X取值为W时，P_X＝P_W，SOC_x＝SOC_W，P_W表示能量型储能系统所要从孤立电网上吸收或向孤立电网上提供的功率；当X取值为P时，P_X＝P_P，SOC_x＝SOC_P，P_P表示功率型储能系统所要从孤立电网上吸收或向孤立电网上提供的功率。

进一步地，所述X型储能系统ESS_X内部包括多个储能单元ESU和对应的多个用于控制储能单元ESU进行充电或放电的控制单元CU，各储能单元ESU通过对应的控制单元CU接入孤立电网，每个控制单元CU控制一个储能单元ESU的工作状态，所述方法还包括：通过改进后的下垂控制进行X型储能系统ESS_X内部储能单元ESU的功率分配，具体如下：

当ESU的输出功率P_i≤P_cui时，得到改进后的有功功率下垂系数表达式为：

k_ω1SOC₁＝k_ω2SOC₂＝…＝k_ωiSOC_i＝Δω_max；

；式中,k_ωi为第i个ESU的有功功率下垂系数，SOC_i为第i个ESU的荷电状态，△U_max为可允许的最大电压差，同时能够得到基于改进型下垂控制的负荷功率的分配策略如下：

ω_i＝ω₀-k_ωiP_i；

式中，ω_i分别为第i个CU输出的角频率，ω₀为角频率的初值，P_i为第i个ESU提供的有功功率，k_ωi为第i个ESU的有功功率的下垂系数；

当ESU的输出功率P_i>P_cui时，此时的控制策略由于受到容量的限制，将按照传统的控制策略进行X型储能系统ESS_X内部储能单元ESU的功率分配。

本发明具有以下有益效果：

本发明提出将能量型及功率型储能系统的混合储能系统应用于稳定孤立电网运行协调控制中，通过能量型储能及功率型储能的自身特点形成互补，构成更为完善的协调系统，能量型储能系统的比能量(比能量：单位体积可释放的能量)高、比功率(比功率：单位时间的比能量)低；功率型储能系统的比功率高、比能量低，故一般情况下功率型储能系统的充放电功率大于能量型储能系统的充放电功率，因此混合储能的使用使得能量型储能为孤立电网的波动提供持续调控的能量保障，功率型储能为孤立电网大波动时提供瞬间的功率支撑，协调控制孤立电网的稳定运行。

附图说明

图1为本发明实施例提供的储能系统在孤立电网运行中的协调控制系统结构连接图；

图2为本发明实施例提供的储能系统的结构连接图；

图3为本发明实施例提供的储能系统在孤立电网运行中的协调控制方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，为本发明实施例提供的一种储能系统在孤立电网运行中的协调控制系统，所述系统包括孤立电网、接入孤立电网中的储能系统和控制储能系统工作状态的监控系统，所述孤立电网包括发电机、电机负载、其他负载以及公共母线，所述储能系统包括能量型储能系统ESS_W和功率型储能系统ESS_P，其中，能量型储能系统ESSW及功率型储能系统ESSP均通过整流-逆变装置以及变压器与孤立电网母线连接，所述监控系统用于监控孤立电网负荷功率P_L、机组输出功率P_机、能量型储能系统ESS_W的荷电状态SOC_W和功率型储能系统ESS_P的荷电状态SOC_P，基于P_L、P_机、SOC_W和SOC_P控制能量型储能系统ESS_W与功率型储能系统ESS_P的工作状态，所述工作状态包括充电状态、放电状态和待机状态；当能量型储能系统ESS_W与功率型储能系统ESS_P的工作状态为充电状态时，从孤立电网上吸收电能为自身充电；当能量型储能系统ESS_W与功率型储能系统ESS_P的工作状态为放电状态时，向孤立电网释放电能；当能量型储能系统ESS_W与功率型储能系统ESS_P的工作状态为待机状态时，不参与孤立电网频率的调控。

如图3所示，为本发明实施例提供的一种储能系统在孤立电网运行中的协调控制方法，所述方法包括：

实时监控孤立电网负荷功率P_L、机组输出功率P_机和储能系统荷电状态，其中，所述储能系统包括能量型储能系统ESS_W和功率型储能系统ESS_P，能量型储能系统ESS_W的荷电状态为SOC_W，具体为能量型储能系统ESS_W剩余电量与其总容量的比值，功率型储能系统ESS_P的荷电状态为SOC_P，具体为功率型储能系统ESS_P剩余电量与其总容量的比值；

当孤立电网负荷功率P_L等于机组输出功率P_机时，控制储能系统不参与孤立电网频率的调控；

当孤立电网负荷功率P_L不等于机组输出功率P_机时，根据P_L与P_机的大小及SOC_W与SOC_P的状态控制投入能量型储能系统ESS_W和/或功率型储能系统ESS_P并控制对应系统的工作状态，使其参与孤立电网频率的调控；

其中，所述工作状态包括充电状态、放电状态和待机状态；当能量型储能系统ESS_W与功率型储能系统ESS_P的工作状态为充电状态时，从孤立电网上吸收电能为自身充电；当能量型储能系统ESS_W与功率型储能系统ESS_P的工作状态为放电状态时，向孤立电网释放电能；当能量型储能系统ESS_W与功率型储能系统ESS_P的工作状态为待机状态时，不参与孤立电网频率的调控。

优选地，所述方法还包括：

当孤立电网负荷功率P_L等于机组输出功率P_机时，确认SOC_W及SOC_P是否超出对应系统的限定范围，若超过，则按照超出情况，使能量型储能系统ESS_W和功率型储能系统ESS_P相互之间进行能量转移，以使能量型储能系统ESS_W与功率型储能系统ESS_P的荷电状态处于限定范围。

优选地，所述方法还包括：

当孤立电网负荷功率P_L不等于机组输出功率P_机时，判断孤立电网频率波动的范围是否在机组自身可调节范围内，若在机组自身可调节范围内，则能量型储能系统ESS_W及功率型储能系统ESS_P不参与孤立电网频率的调控。

优选地，能量型储能系统ESS_W和功率型储能系统ESS_P二者之间相互进行能量转移如图3的运行模式1：

令能量型储能系统ESS_W的荷电状态的限定范围为SOC_W-min至SOC_W-max，SOC_W-min为该限定范围的最小值，SOC_W-max为该限定范围的最大值；令功率型储能系统ESS_P的荷电状态的限定范围为SOC_P-min至SOC_P-max，SOC_P-min为该限定范围的最小值，SOC_P-max为该限定范围的最大值；

当SOC_W＞SOC_W-max且SOC_P＜SOC_P-max时，能量型储能系统ESS_W将向功率型储能系统ESS_P传递电能，直到任意一方率先达到对应限定范围的最大值；

当SOC_W＜SOC_W-min且SOC_P＞SOC_P-min，功率型储能系统ESS_P将向能量型储能系统传递电能，直到任意一方率先达到对应限定范围的最小值。

优选地，根据P_L与P_机的大小及SOC_W与SOC_P的状态控制投入能量型储能系统ESS_W和/或功率型储能系统ESS_P并控制对应系统的工作状态，具体包括如下几种运行模式：

运行模式2：当P_机≠P_L，SOC_W越限而SOC_P正常时，结合P_机及P_L可将该种模式分为如下四种情况：

当SOC_W＜SOC_W-mi且P_机＞P_L且SOC_P在限定范围时，运行2_a，具体为：若P_W-ch≥△P，投入能量型储能系统ESS_W并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；若P_W-ch<△P<P_P-ch时，投入功率型储能系统ESS_P并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；若P_P-ch≤△P时，同时投入能量型储能系统ESS_W及功率型储能系统ESS_P装置并均置于充电状态；

当SOC_W＜SOC_W-mi且P_机＜P_L且SOC_P在限定范围时，运行2_b，具体为：若P_P-disch＝△P，投入功率型储能系统ESS_P并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；若P_P-disch＜△P，则逐步减少孤立电网所带的负荷，直至P_P-disch＝△P；若P_P-disch＞△P，则投入能量型储能系统ESS_W并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；

当SOC_W＞SOC_W-max且P_机＞P_L且SOC_P在限定范围时，运行2_c，具体为：投入功率型储能系统ESS_P并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；

当SOC_W＞SOC_W-max且P_机＜P_L且SOC_P在限定范围时，运行2_d，具体为：若P_W-disch≥△P，投入能量型储能系统ESS_W并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；若P_W-disch＜△P＜P_P-disch，则投入功率型储能系统ESS_P并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；若P_P-disch≤△P，则同时投入能量型储能系统ESS_W及功率型储能系统ESS_P并置于放电状态；

其中，△P＝|P_L-P_机|，SOC_W-min和SOC_W-max分别为能量型储能系统ESS_W荷电状态的限定范围的最小值和最大值，SOC_P-min和SOC_P-max分别为功率型储能系统ESS_P荷电状态的限定范围的最小值和最大值，P_W-ch为能量型储能系统ESS_W的实时充电功率，P_W-disch为能量型储能系统ESS_W的实时放电功率，P_P-ch为功率型储能系统ESSP_W的实时充电功率，P_P-disch为功率型储能系统ESSP_W的实时放电功率。

运行模式3：当P_机≠P_L，SOC_P越限而SOC_W正常时，结合P_机及P_L可将该种模式分为如下四种情况：

当SOC_P＜SOC_P-min且P_机＞P_L且SOC_W在限定范围时，运行3_a，具体为：若P_P-ch≥△P，投入功率型储能系统ESS_P并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；若P_P-ch＜△P，投入能量型储能系统ESS_W并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；

当SOC_P＜SOC_P-min且P_机＜P_L且SOC_W在限定范围时，运行3_b，具体为：若P_W-disch＝△P，投入能量型储能系统ESS_W并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；若P_W-disch<△P，则逐步减少孤立电网所带的负荷，直至P_W-disch＝△P；若P_W-disch>△P，则投入功率型储能系统ESS_P并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；

当SOC_P＞SOC_P-min且P_机＞P_L且SOC_W在限定范围时，运行3_c，具体为：投入能量型储能系统ESS_W并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；

当SOC_P＞SOC_P-min且P_机＜P_L且SOC_W在限定范围时，运行3_d，具体为：若P_P-disch≥△P，投入功率型储能系统ESS_P并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；若P_P-disch<△P，则投入能量型储能系统ESS_W并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；

运行模式4，当P_机≠P_L，SOC_P及SOC_W都越限时，结合P_机及P_L可将该种模式分为如下八种情况：

当SOC_P＞SOC_P-max且SOC_W＞SOC_W-max且P_机＜P_L时，运行4_a，具体为：能量型储能系统和功率型储能系统将不再有应对负荷突降的能力，该种工况为一种极端情况，尽量控制避免进入该种情况；

当SOC_P＜SOC_P-min且SOC_W＞SOC_W-max且P_机＞P_L时，运行4_b，具体为：投入功率型储能系统ESS_P并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；

当SOC_P＞SOC_P-max且SOC_W＜SOC_W-min且P_机＞P_L时，运行4_c，具体为：投入能量型储能系统ESS_W并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；

当SSOC_P＞SOC_P-max且SOC_W＞SOC_W-max且P_机＜P_L时，运行4_d，具体为：若P_W-disch≥△P，投入能量型储能系统ESS_W并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；若P_W-disch<△P<P_P-disch，投入功率型储能系统ESS_P并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；若P_P-disch≤△P，则同时投入能量型储能系统ESS_W及功率型储能系统ESS_P并置于放电状态；

当SOC_P＜SOC_P-min且SOC_W＜SOC_W-min且P_机＞P_L时，运行4_e，具体为：若P_W-ch≥△P，投入能量型储能系统ESS_W并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；若P_W-ch<△P<P_P-ch，投入功率型储能系统ESS_P并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；若P_P-ch≤△P，则同时投入能量型储能系统ESS_W及功率型储能系统ESS_P并置于充电状态；

当SOC_P＞SOC_P-max且SOC_W＜SOC_W-min且P_机<P_L时，运行4_f，具体为：投入功率型储能系统ESS_P并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；

当SOC_P＜SOC_P-min且SOC_W＞SOC_W-max且P_机＜P_L时，运行4_g，具体为：投入能量型储能系统ESS_W并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；

当SOC_P＜SOC_P-min且SOC_W＜SOC_W-min且P_机＜P_L时，运行4_h，具体为：能量型储能系统和功率型储能系统将不再有应对负荷突降的能力，该种工况为一种极端情况，尽量控制避免进入该种情况。

运行模式5：当P_机≠P_L且SOC_P和SOC_W均在限定范围时，能量型储能系统ESS_W及功率型储能系统ESS_P将协调控制孤立电网的运行，能量型储能系统ESS_W或功率型储能系统ESS_P吸收孤立电网或提供孤立电网的功率可按照两者的荷电状态进行分配，具体可表示为如下公式：

式中X取值为W或P，W和P分别表示能量型和功率型；当X取值为W时，P_X＝P_W，SOC_x＝SOC_W，P_W表示能量型储能系统所要从孤立电网上吸收或向孤立电网上提供的功率；当X取值为P时，P_X＝P_P，SOC_x＝SOC_P，P_P表示功率型储能系统所要从孤立电网上吸收或向孤立电网上提供的功率。

优选地，如图2所示，所述X型储能系统ESS_X内部包括多个储能单元ESU和对应的多个用于控制储能单元ESU进行充电或放电的控制单元CU，X取值为W或P，当X取值为W时，X型储能系统ESS_X为能量型储能系统ESS_W，当X取值为P时，X型储能系统ESS_X为功率型储能系统ESS_P，各储能单元ESU通过对应的控制单元CU接入孤立电网，每个控制单元CU控制一个储能单元ESU的工作状态，所述方法还包括：通过改进后的下垂控制进行X型储能系统ESS_X内部储能单元ESU的功率分配，具体如下：

当ESU的输出功率P_i≤P_cui时，得到改进后的有功功率下垂系数表达式为：

k_ω1SOC₁＝k_ω2SOC₂＝…＝k_ωiSOC_i＝Δω_max；

；式中,k_ωi为第i个ESU的有功功率下垂系数，SOC_i为第i个ESU的荷电状态，△U_max为可允许的最大电压差，即电压设定值与实际运行值的可允许的最大差值，同时能够得到基于改进型下垂控制的负荷功率的分配策略如下：

ω_i＝ω₀-k_ωiP_i；

式中，ω_i分别为第i个CU输出的角频率，ω₀为角频率的初值，P_i为第i个ESU提供的有功功率，k_ωi为第i个ESU的有功功率的下垂系数；

应用改进后的控制策略优点在于，除去汽轮机组供应的有功负荷，对应的储能系统工作在满足P_i≤P_cui时，其他的有功负荷在分配主要取决于ESU中SOC的比值，并能够跟随负荷的变化而变化。SOC越大，对应的ESU将发出更多的有功功率以满足系统有功功率的需要；SOC越小，分配的有功负荷相对应的越少。

该种类型的极限情况为机组停机启动，此时ESS将承受汽轮机启动时的全部负荷，ESU的输出功率达到最大。待到机组启动完成后，无需外部提供功率时，ESS将转换相应的工作状态。

采用该种储能系统的孤立电网，特别是单机组的孤立电网，由于其本身容量的限制，储能系统能够快速的协助稳定的孤立电网频率，使得孤立电网运行具有一定的弹性，保障孤立电网的安全运行。且在单台机组的启动时，能够代替原始的发电机向机组供电，避免了发电机组的投退问题，降低操作量，提高工作效率

当ESU的输出功率P_i>P_cui时，此时的控制策略由于受到容量的限制，将按照传统的控制策略进行X型储能系统ESS_X内部储能单元ESU的功率分配。

传统的控制策略如下：

在不考虑系统损耗的前提下，根据能量守恒原则可得总负载的有功功率及无功功率可分别表达为

式中，P_i和Q_i分别为第i个ESU提供的有功功率及无功功率，根据电力系统中电压、频率下垂控制特性，因此基于传统的下垂控制的方法，对每个ESU输出的电压、频率下垂控制可表示为：

式中，U_i、ω_i分别为第i个CU输出给定电压幅值的角频率；U₀和ω₀分别为电压及角频率的初始值，k_ωi、k_vi分别为第i个ESU的有功功率及无功功率的的下垂系数，通过对k_ωi、k_vi值合理的控制即可控制每个ESU承担相应的负荷。

根据传统的计算方法，通常将ESU中CU的额定容量来衡量ESU的额定容量，即k_ωi、k_vi值取决于每个CU的有功功率及无功功率的额定值，其关系如下：

式中，△ω_max、△U_max分别为可允许的最大角频率差及电压差；P_cui、Q_cui分别为第i个CU的有功功率及无功功率的额定值，从式中可知，因为CU的容量不会发生变化，其相对应的下垂系数也为固定值，因此该种计算方式未考虑长时间孤立电网运行中负荷及电池系统容量的动态变化及SOC的变化，但在孤立电网的实际运行中，确实存在不同ESU的SOC不等的情况，因此该种方式的控制策略会导致ESS中的SOC较小的ESU提前放电结束，影响了电池在需要时的正常工作及使用寿命，同时也给孤立电网的稳定运行带来了一定的隐患，改进后的控制策略主要针对以上传统控制策略问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种储能系统在孤立电网运行中的协调控制方法，其特征在于，所述方法包括：

实时监控孤立电网负荷功率P_L、机组输出功率P_机和储能系统荷电状态，其中，所述储能系统包括能量型储能系统ESS_W和功率型储能系统ESS_P，能量型储能系统ESS_W的荷电状态为SOC_W，具体为能量型储能系统ESS_W剩余电量与其总容量的比值，功率型储能系统ESS_P的荷电状态为SOC_P，具体为功率型储能系统ESS_P剩余电量与其总容量的比值；

当孤立电网负荷功率P_L等于机组输出功率P_机时，控制储能系统不参与孤立电网频率的调控；

当孤立电网负荷功率P_L不等于机组输出功率P_机时，根据P_L与P_机的大小及SOC_W与SOC_P的状态控制投入能量型储能系统ESS_W和/或功率型储能系统ESS_P并控制对应系统的工作状态，使其参与孤立电网频率的调控；

其中，所述工作状态包括充电状态、放电状态和待机状态；当能量型储能系统ESS_W与功率型储能系统ESS_P的工作状态为充电状态时，从孤立电网上吸收电能为自身充电；当能量型储能系统ESS_W与功率型储能系统ESS_P的工作状态为放电状态时，向孤立电网释放电能；当能量型储能系统ESS_W与功率型储能系统ESS_P的工作状态为待机状态时，不参与孤立电网频率的调控；

其中，根据P_L与P_机的大小及SOC_W与SOC_P的状态控制投入能量型储能系统ESS_W和/或功率型储能系统ESS_P并控制对应系统的工作状态具体为：

当SOC_W＜SOC_W-mi且P_机＞P_L且SOC_P在限定范围时：若P_W-ch≥ΔP，投入能量型储能系统ESS_W并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；若P_W-ch＜ΔP＜P_P-ch时，投入功率型储能系统ESS_P并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；若P_P-ch≤ΔP时，同时投入能量型储能系统ESS_W及功率型储能系统ESS_P装置并均置于充电状态；

当SOC_W＜SOC_W-mi且P_机＜P_L且SOC_P在限定范围时：若P_P-disch＝ΔP，投入功率型储能系统ESS_P并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；若P_P-disch＜ΔP，则逐步减少孤立电网所带的负荷，直至P_P-disch＝ΔP；若P_P-disch＞ΔP，则投入能量型储能系统ESS_W并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；

当SOC_W＞SOC_W-max且P_机＞P_L且SOC_P在限定范围时：投入功率型储能系统ESS_P并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；

当SOC_W＞SOC_W-max且P_机＜P_L且SOC_P在限定范围时：若P_W-disch≥ΔP，投入能量型储能系统ESS_W并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；若P_W-disch＜ΔP＜P_P-disch，则投入功率型储能系统ESS_P并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；若P_P-disch≤ΔP，则同时投入能量型储能系统ESS_W及功率型储能系统ESS_P并置于放电状态；

当SOC_P＜SOC_P-min且P_机＞P_L且SOC_W在限定范围时：若P_P-ch≥ΔP，投入功率型储能系统ESS_P并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；若P_P-ch＜ΔP，投入能量型储能系统ESS_W并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；

当SOC_P＜SOC_P-min且P_机＜P_L且SOC_W在限定范围时：若P_W-disch＝ΔP，投入能量型储能系统ESS_W并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；若P_W-disch＜ΔP，则逐步减少孤立电网所带的负荷，直至P_W-disch＝ΔP；若P_W-disch＞ΔP，则投入功率型储能系统ESS_P并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；

当SOC_P＞SOC_P-min且P_机＞P_L且SOC_W在限定范围时：投入能量型储能系统ESS_W并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；

当SOC_P＞SOC_P-min且P_机＜P_L且SOC_W在限定范围时：若P_P-disch≥ΔP，投入功率型储能系统ESS_P并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；若P_P-disch＜ΔP，则投入能量型储能系统ESS_W并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；

当SOC_P＞SOC_P-max且SOC_W＞SOC_W-max且P_机＜P_L时：能量型储能系统和功率型储能系统将不再有应对负荷突降的能力，该种工况为一种极端情况，尽量控制避免进入该种情况；

当SOC_P＜SOC_P-min且SOC_W＞SOC_W-max且P_机＞P_L时：投入功率型储能系统ESS_P并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；

当SOC_P＞SOC_P-max且SOC_W＜SOC_W-min且P_机＞P_L时：投入能量型储能系统ESS_W并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；

当SOC_P＞SOC_P-max且SOC_W＞SOC_W-max且P_机＜P_L时：若P_W-disch≥ΔP，投入能量型储能系统ESS_W并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；若P_W-disch＜ΔP＜P_P-disch，投入功率型储能系统ESS_P并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；若P_P-disch≤ΔP，则同时投入能量型储能系统ESS_W及功率型储能系统ESS_P并置于放电状态；

当SOC_P＜SOC_P-min且SOC_W＜SOC_W-min且P_机＞P_L时：若P_W-ch≥ΔP，投入能量型储能系统ESS_W并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；若P_W-ch＜ΔP＜P_P-ch，投入功率型储能系统ESS_P并置于充电状态，使其从孤立电网上吸收电能；若P_P-ch≤ΔP，则同时投入能量型储能系统ESS_W及功率型储能系统ESS_P并置于充电状态；

当SOC_P＞SOC_P-max且SOC_W＜SOC_W-min且P_机＜P_L时：投入功率型储能系统ESS_P并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；

当SOC_P＜SOC_P-min且SOC_W＞SOC_W-max且P_机＜P_L时：投入能量型储能系统ESS_W并置于放电状态，使其向孤立电网上放电；

当SOC_P＜SOC_P-min且SOC_W＜SOC_W-min且P_机＜P_L时：能量型储能系统和功率型储能系统将不再有应对负荷突降的能力，该种工况为一种极端情况，尽量控制避免进入该种情况；

其中，ΔP＝|P_L-P_机|，SOC_W-min和SOC_W-max分别为能量型储能系统ESS_W荷电状态的限定范围的最小值和最大值，SOC_P-min和SOC_P-max分别为功率型储能系统ESS_P荷电状态的限定范围的最小值和最大值，P_W-ch和P_W-disch分别为能量型储能系统ESS_W的实时充电功率和放电功率，P_P-ch和P_P-disch分别为功率型储能系统ESSP_W的实时充电功率和放电功率。

2.根据权利要求1所述的储能系统在孤立电网运行中的协调控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

当孤立电网负荷功率P_L等于机组输出功率P_机时，确认SOC_W及SOC_P是否超出对应系统的限定范围，若超过，则按照超出情况，使能量型储能系统ESS_W和功率型储能系统ESS_P相互之间进行能量转移，以使能量型储能系统ESS_W与功率型储能系统ESS_P的荷电状态处于限定范围。

3.根据权利要求1所述的储能系统在孤立电网运行中的协调控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

当孤立电网负荷功率P_L不等于机组输出功率P_机时，判断孤立电网频率波动的范围是否在机组自身可调节范围内，若在机组自身可调节范围内，则能量型储能系统ESS_W及功率型储能系统ESS_P不参与孤立电网频率的调控。

4.根据权利要求2所述的储能系统在孤立电网运行中的协调控制方法，其特征在于，能量型储能系统ESS_W和功率型储能系统ESS_P二者之间相互进行能量转移具体为：

令能量型储能系统ESS_W的荷电状态的限定范围为SOC_W-min至SOC_W-max，SOC_W-min为该限定范围的最小值，SOC_W-max为该限定范围的最大值；令功率型储能系统ESS_P的荷电状态的限定范围为SOC_P-min至SOC_P-max，SOC_P-min为该限定范围的最小值，SOC_P-max为该限定范围的最大值；

当SOC_W＞SOC_W-max且SOC_P＜SOC_P-max时，能量型储能系统ESS_W将向功率型储能系统ESS_P传递电能，直到任意一方率先达到对应限定范围的最大值；

当SOC_W＜SOC_W-min且SOC_P＞SOC_P-min，功率型储能系统ESS_P将向能量型储能系统传递电能，直到任意一方率先达到对应限定范围的最小值。

5.根据权利要求1所述的储能系统在孤立电网运行中的协调控制方法，其特征在于：

当P_机≠P_L且SOC_P和SOC_W均在限定范围时，能量型储能系统ESS_W及功率型储能系统ESS_P将协调控制孤立电网的运行，能量型储能系统ESS_W或功率型储能系统ESS_P吸收孤立电网或提供孤立电网的功率可按照两者的荷电状态进行分配，具体可表示为如下公式：

式中X取值为W或P，W和P分别表示能量型和功率型；当X取值为W时，P_X＝P_W，SOC_x＝SOC_W，P_W表示能量型储能系统所要从孤立电网上吸收或向孤立电网上提供的功率；当X取值为P时，P_X＝P_P，SOC_x＝SOC_P，P_P表示功率型储能系统所要从孤立电网上吸收或向孤立电网上提供的功率。

6.根据权利要求5所述的储能系统在孤立电网运行中的协调控制方法，其特征在于，X型储能系统ESS_X内部包括多个储能单元ESU和对应的多个用于控制储能单元ESU进行充电或放电的控制单元CU，各储能单元ESU通过对应的控制单元CU接入孤立电网，每个控制单元CU控制一个储能单元ESU的工作状态，所述方法还包括：通过改进后的下垂控制进行X型储能系统ESS_X内部储能单元ESU的功率分配，具体如下：

当ESU的输出功率P_i≤P_cui时，得到改进后的有功功率下垂系数表达式为：

k_ω1SOC₁＝k_ω2SOC₂＝…＝k_ωiSOC_i＝Δω_max；

式中，k_ωi为第i个ESU的有功功率下垂系数，SOC_i为第i个ESU的荷电状态，Δω_max为可允许的最大角频率差，同时能够得到基于改进型下垂控制的负荷功率的分配策略如下：

ω_i＝ω₀-k_ωiP_i；

式中，ω_i分别为第i个CU输出的角频率，ω₀为角频率的初值，P_i为第i个ESU提供的有功功率，k_ωi为第i个ESU的有功功率的下垂系数；

当ESU的输出功率P_i＞P_cui时，此时的控制策略由于受到容量的限制，将按照传统的控制策略进行X型储能系统ESS_X内部储能单元ESU的功率分配，P_cui为第i个CU的有功功率。

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