CN111404181B - 一种多能耦合互补的储能系统及储能控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多能耦合互补的储能系统，包括储能机构、能量管理模块、能量变换模块和通信模块，储能机构包括多种储能模块；能量管理模块解析发电机组控制中心的指令和控制要求，并传达至能量变换模块；能量变换模块根据能量管理模块解析的指令控制多种储能模块的充放电动作；通信模块实现能量管理模块与能量变换模块之间以及其与发电机组控制中心和发电模块之间的信息交互。多种储能模块包括超级电容、化学电池和燃料电池。还公开了多能耦合互补的储能控制方法。本发明通过解析控制中心分发的调度信息和预测信息，确定多种储能模块的充放电指令，同时解析快变功率和慢变功率，实现对不同储能模块的充放电控制，以满足电网实际要求。

Description

一种多能耦合互补的储能系统及储能控制方法
技术领域
本发明涉及发电储能技术领域，特别是涉及一种多能耦合互补的储能系统及储能控制方法。
背景技术
目前，针对各种发电机组的储能系统设计基本都是单一能源补偿模式，基本不考虑补偿的实际需求和多种能源耦合互补的实现。而随着发电技术的发展，多种不同类型的发电模式并入同一电网，电网波动或故障的类型也多样化，同一波动或故障对不同模式的发电系统的影响也不尽相同，所以多能耦合互补储能系统的实现就变得尤其迫切和重要。
目前现有的储能系统在弱风、弱光或低流速条件下，发电系统的能量输出能力降低，输出的有功功率和无功功率不能满足电网的要求，从而导致或加剧电网的波动。而现有储能系统无法根据电网实际要求和具体波动进行有针对性的补偿，同时，如果发电系统长期处于低能量输出条件下，目前单一能量模式的储能系统则会长时间无法进行能量补充，从而对储能系统能量存储介质的性能和使用寿命会造成影响。
由此可见，上述现有的单一能量模式的储能系统存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种新的多能耦合互补的储能系统及其控制方法，使其能够根据电网需求和具体波动进行有针对性的补偿，成为当前业界极需改进的目标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种多能耦合互补的储能系统，使其能够根据电网需求和具体波动进行有针对性的补偿，从而克服现有的单一能量模式的储能系统的不足。
为解决上述技术问题，本发明提供一种多能耦合互补的储能系统，包括储能机构、能量管理模块、能量变换模块和通信模块，
所述储能机构包括多种储能模块，分别用于储存或释放能量；
所述能量管理模块，用于解析发电机组控制中心的指令和控制要求，并传达至所述能量变换模块；
所述能量变换模块，用于根据所述能量管理模块解析的指令控制多种储能模块的充放电动作；
所述通信模块，用于实现能量管理模块与能量变换模块之间以及各模块与发电机组控制中心和发电模块之间的信息交互。
进一步改进，所述通信模块包括TCP/IP通讯模块和Canopen通讯模块，其中，所述发电机组控制中心与能量管理模块和能量变换模块之间通过TCP/IP通讯模块进行信息交互，所述能量管理模块、发电模块和能量变换模块两两之间通过Canopen通讯模块进行信息交互。
进一步改进，所述多种储能模块包括超级电容、化学电池和燃料电池。
进一步改进，所述能量管理模块中执行如下程序：
所述能量管理模块接收由发电机组控制中心发出的实时功率调度信息Pset和功率预测信息Ppre，然后对实时功率调度信息Pset和功率预测信息Ppre进行比较，若Pset＜Ppre，则向所述能量变换模块下发控制储能模块进行充电的指令；
若Pset＞Ppre，则所述能量管理模块从功率预测信息Ppre中提取其中的快变功率Ppre_1和慢变功率Ppre_2，并对快变功率Ppre_1和慢变功率Ppre_2进行比较，若Ppre_1＞Ppre_2，则向所述能量变换模块下发控制超级电容进行快速放电的指令；若Ppre_1＜Ppre_2，则所述能量管理模块进一步判断预测时间步长，如果步长为秒级，则向所述能量变换模块下发控制超级电容进行放电的指令，如果步长为分钟级，则向所述能量变换模块下发控制化学电池进行放电的指令，如果步长为小时级，则向所述能量变换模块下发控制燃料电池进行放电的指令。
进一步改进，所述快变功率Ppre_1和慢变功率Ppre_2的函数表达式如下：
Ppre_1(t)＝deCompose(Ppre,f1min,f1max)
Ppre_2(t)＝deCompose(Ppre,f2min,f2max)
其中，f1min,f1max分别为快变功率Ppre_1的频率上下限；f2min,f2max分别为慢变功率Ppre_2的频率上下限，且f1min,f1max和f2min,f2max覆盖功率Ppre的全频段。
进一步改进，所述能量管理模块还实时接收多种所述储能模块的充放电状态信息，并将所述信息解析后用于后续能量管理控制指令中。
进一步改进，多种所述储能模块的功率预算方法为：
所述超级电容的充电功率绝对值为
Figure BDA0002418020350000031
所述化学电池和燃料电池的充电功率绝对值为
Figure BDA0002418020350000032
其中，Δt为预测步长，E()为功率在Δt时间内的积分函数。
进一步改进，所述能量管理模块中还包括时钟校正单元。
本发明还提供一种如上述的多能耦合互补的储能系统的储能控制方法，所述控制方法为：
由所述能量管理模块接收发电机组控制中心发出的实时功率调度信息Pset和功率预测信息Ppre，然后对所述实时功率调度信息Pset和功率预测信息Ppre进行比较，若Pset＜Ppre，则向所述能量变换模块下发指令，使所述能量变换模块控制储能模块进行充电动作；
若Pset＞Ppre，则所述能量管理模块从功率预测信息Ppre中提取其中的快变功率Ppre_1和慢变功率Ppre_2，并对快变功率Ppre_1和慢变功率Ppre_2进行比较，
若Ppre_1＞Ppre_2，则向所述能量变换模块下发指令，使所述能量变换模块控制所述超级电容进行快速放电；
若Ppre_1＜Ppre_2，则所述能量管理模块进一步判断预测时间步长，如果步长为秒级，则向所述能量变换模块下发指令，使所述能量变换模块控制所述超级电容进行放电，如果步长为分钟级，则向所述能量变换模块下发指令，使所述能量变换模块控制化学电池进行放电，如果步长为小时级，则向所述能量变换模块下发指令，使所述能量变换模块控制所述燃料电池进行放电，以满足电网实际需求。
进一步改进，所述能量管理模块和能量变换模块与发电机组控制中心之间通过TCP/IP通讯协议进行信息交互，所述能量管理模块、发电模块和能量变换模块两两之间均通过Canopen通讯协议进行信息交互。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
本发明多能耦合互补的储能系统通过设置多个储能模块，通过能量管理模块解析发电机组控制中心分发的调度信息和预测信息，以及进一步获取快变功率和慢变功率，并对其进行对比，同时结合多能耦合互补储能模块的状态信息以及电网需求，确定控制各个储能模块充电或放电的指令，最终满足电网实际要求和对具体波动进行适应性补偿，提高该储能系统的能量存储性能和使用寿命。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明多能耦合互补储能系统的结构示意图。
图2是本发明多能耦合互补储能系统中储能模块的结构示意图。
图3是本发明多能耦合互补储能系统中通信控制模块的结构示意图。
图4是本发明多能耦合互补储能系统的控制流程示意图。
具体实施方式
参照附图1和2所示，本实施例多能耦合互补的储能系统，包括通信模块、能量管理模块、能量变换模块和储能机构。
该储能机构包括多种储能模块，本实施例中包括超级电容、化学电池和燃料电池，能分别用于储存或释放能量。
该能量管理模块，解析发电机组控制中心的指令和控制要求，并传达至能量变换模块。具体的，该能量管理模块中执行如下控制程序：
能量管理模块接收由发电机组控制中心发出的实时功率调度信息Pset和功率预测信息Ppre，然后对实时功率调度信息Pset和功率预测信息Ppre进行比较，若Pset＜Ppre，则向能量变换模块下发控制储能模块进行充电的指令。
若Pset＞Ppre，则能量管理模块从功率预测信息Ppre中提取其中的快变功率Ppre_1和慢变功率Ppre_2，并对快变功率Ppre_1和慢变功率Ppre_2进行比较。该快变功率Ppre_1和慢变功率Ppre_2的函数表达式如下：
Ppre_1(t)＝deCompose(Ppre,f1min,f1max)
Ppre_2(t)＝deCompose(Ppre,f2min,f2max)
其中，f1min,f1max分别为快变功率Ppre_1的频率上下限；f2min,f2max分别为慢变功率Ppre_2的频率上下限，且f1min,f1max和f2min,f2max覆盖功率Ppre的全频段。
若Ppre_1＞Ppre_2，则向能量变换模块下发控制超级电容进行快速放电的指令，以实现在短时间内达到电网指令要求的目的。
若Ppre_1＜Ppre_2，则能量管理模块进一步判断预测时间步长，如果步长很短为秒级，则向能量变换模块下发控制超级电容进行放电的指令；如果步长为分钟级，则向能量变换模块下发控制化学电池进行放电的指令；如果步长为小时级，则向能量变换模块下发控制燃料电池进行放电的指令，以根据实际电网需求通过不同储能模块进行适应性补偿。
并且，该能量管理模块还实时接收多种储能模块各自的充电和放电状态信息，并将采集信息分别解析后再次用于后续能量管理控制指令中。
该能量变换模块，根据能量管理模块解析的指令控制发电机组能量的流向以及多种储能模块的充放电动作。如该能量变换模块接收到需要控制各个储能模块进行充放电动作时，先行判断各储能模块是否具备充电或放电的条件，若具备，再执行能量管理模块的指令，若不具备，反馈信息给能量管理模块。
该通信模块，实现能量管理模块与能量变换模块之间，以及能量管理模块和能量变换模块与发电机组控制中心和发电模块之间的信息交互。
本实施例中该通信模块包括TCP/IP通讯模块和Canopen通讯模块，其中，发电机组控制中心与能量管理模块和能量变换模块之间通过TCP/IP通讯模块进行信息交互，该能量管理模块、发电模块和能量变换模块两两之间通过Canopen通讯模块进行信息交互，如附图3所示。
另外，本实施例中多种储能模块的功率预算方法如下：
超级电容的充电功率绝对值为
Figure BDA0002418020350000071
化学电池和燃料电池的充电功率绝对值为
Figure BDA0002418020350000072
其中，Δt为预测步长，E()为功率在Δt时间内的积分函数。
该储能模块的功率预算方法能实现对该多能耦合互补储能系统中各种储能模块的选择提供可靠依据。
另外，该能量管理模块中还包括时钟校正单元，以保证发电机组控制中心分发信息的时间标签、发电模块的时间标签和储能系统的时间标签一致，提高储能系统的储能有效性。
本发明上述多能耦合互补的储能系统的储能控制方法如下：
参照附图4所示，由能量管理模块接收发电机组控制中心发出的实时功率调度信息Pset和功率预测信息Ppre，然后对该实时功率调度信息Pset和功率预测信息Ppre进行比较，若Pset＜Ppre，则向能量变换模块下发指令，使该能量变换模块根据各储能模块的储能情况，控制该储能模块进行充电动作。
若Pset＞Ppre，则能量管理模块从功率预测信息Ppre中提取其中的快变功率Ppre_1和慢变功率Ppre_2，并对快变功率Ppre_1和慢变功率Ppre_2两者的时间积分值大小进行比较。同时，能量管理模块通过能量变换模块对各储能模块是否具备放电条件进行判断，如果不具备放电条件，则通过能量变换模块对各储能模块进行充电。
若Ppre_1＞Ppre_2，则向能量变换模块下发指令，使该能量变换模块控制超级电容进行快速放电，以可以在短时间内达到指令要求。
若Ppre_1＜Ppre_2，则该能量管理模块进一步判断预测时间步长，如果步长为秒级，则向能量变换模块下发指令，使该能量变换模块控制超级电容进行放电，如果步长为分钟级，则向能量变换模块下发指令，使该能量变换模块控制化学电池进行放电，如果步长为小时级，则向能量变换模块下发指令，使该能量变换模块控制燃料电池进行放电，以满足电网实际需求。
该储能系统的储能控制方法中，能量管理模块和能量变换模块与发电机组控制中心之间通过TCP/IP通讯协议进行信息交互，能量管理模块、发电模块和能量变换模块两两之间均通过Canopen通讯协议进行信息交互。
本发明多能耦合互补的储能系统可适用于风力发电机组、潮流能发电机组和太阳能发电，并且既适用于单台发电模块也适用于多台发电模块组合，同时也适用于发电场，使用范围广。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种多能耦合互补的储能系统，其特征在于，包括储能机构、能量管理模块、能量变换模块和通信模块，
所述储能机构包括多种储能模块，分别用于储存或释放能量；
所述能量管理模块，用于解析发电机组控制中心的指令和控制要求，并传达至所述能量变换模块；
所述能量变换模块，用于根据所述能量管理模块解析的指令控制多种储能模块的充放电动作；
所述通信模块，用于实现能量管理模块与能量变换模块之间以及其与发电机组控制中心和发电模块之间的信息交互；
其中，所述多种储能模块包括超级电容、化学电池和燃料电池；
所述能量管理模块中执行如下程序：
所述能量管理模块接收由发电机组控制中心发出的实时功率调度信息Pset和功率预测信息Ppre，然后对所述实时功率调度信息Pset和功率预测信息Ppre进行比较，若Pset＜Ppre，则向所述能量变换模块下发控制储能模块进行充电的指令；
若Pset＞Ppre，则所述能量管理模块从功率预测信息Ppre中提取其中的快变功率Ppre_1和慢变功率Ppre_2，并对快变功率Ppre_1和慢变功率Ppre_2进行比较，若Ppre_1＞Ppre_2，则向所述能量变换模块下发控制超级电容进行快速放电的指令；若Ppre_1＜Ppre_2，则所述能量管理模块进一步判断预测时间步长，如果步长为秒级，则向所述能量变换模块下发控制超级电容进行放电的指令，如果步长为分钟级，则向所述能量变换模块下发控制化学电池进行放电的指令，如果步长为小时级，则向所述能量变换模块下发控制燃料电池进行放电的指令。
2.根据权利要求1所述的多能耦合互补的储能系统，其特征在于，所述通信模块包括TCP/IP通讯模块和Canopen通讯模块，其中，所述发电机组控制中心与能量管理模块和能量变换模块之间通过TCP/IP通讯模块进行信息交互，所述能量管理模块、发电模块和能量变换模块两两之间通过Canopen通讯模块进行信息交互。
3.根据权利要求1所述的多能耦合互补的储能系统，其特征在于，所述快变功率Ppre_1和慢变功率Ppre_2的函数表达式如下：
Ppre_1(t)＝deCompose(Ppre,f1min,f1max)
Ppre_2(t)＝deCompose(Ppre,f2min,f2max)
其中，f1min,f1max分别为快变功率Ppre_1的频率上下限；f2min,f2max分别为慢变功率Ppre_2的频率上下限，且f1min,f1max和f2min,f2max覆盖功率Ppre的全频段。
4.根据权利要求3所述的多能耦合互补的储能系统，其特征在于，所述能量管理模块还实时接收多种所述储能模块的充放电状态信息，并将所述信息解析后用于后续能量管理控制指令中。
5.根据权利要求1至4任一项所述的多能耦合互补的储能系统，其特征在于，多种所述储能模块的功率预算方法为：
所述超级电容的充电功率绝对值为
Figure FDA0003194522040000021
所述化学电池和燃料电池的充电功率绝对值为
Figure FDA0003194522040000022
其中，Δt为预测步长，E()为功率在Δt时间内的积分函数。
6.根据权利要求1所述的多能耦合互补的储能系统，其特征在于，所述能量管理模块中还包括时钟校正单元。
7.一种如权利要求1至6任一项所述的多能耦合互补的储能系统的储能控制方法，其特征在于，所述控制方法为：
由所述能量管理模块接收发电机组控制中心发出的实时功率调度信息Pset和功率预测信息Ppre，然后对所述实时功率调度信息Pset和功率预测信息Ppre进行比较，若Pset＜Ppre，则向所述能量变换模块下发指令，使所述能量变换模块控制储能模块进行充电动作；
若Pset＞Ppre，则所述能量管理模块从功率预测信息Ppre中提取其中的快变功率Ppre_1和慢变功率Ppre_2，并对快变功率Ppre_1和慢变功率Ppre_2进行比较，
若Ppre_1＞Ppre_2，则向所述能量变换模块下发指令，使所述能量变换模块控制所述超级电容进行快速放电；
若Ppre_1＜Ppre_2，则所述能量管理模块进一步判断预测时间步长，如果步长为秒级，则向所述能量变换模块下发指令，使所述能量变换模块控制所述超级电容进行放电，如果步长为分钟级，则向所述能量变换模块下发指令，使所述能量变换模块控制化学电池进行放电，如果步长为小时级，则向所述能量变换模块下发指令，使所述能量变换模块控制所述燃料电池进行放电，以满足电网实际需求。
8.根据权利要求7所述的储能控制方法，其特征在于，所述能量管理模块和能量变换模块与发电机组控制中心之间通过TCP/IP通讯协议进行信息交互，所述能量管理模块、发电模块和能量变换模块两两之间均通过Canopen通讯协议进行信息交互。
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