CN111404182B - 基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站的运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站的运行方法，该运行方法通过获取电化学储能电站功率目标值、每一台PCS的状态数据和每一台BMS的状态数据，通过基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站储能单元损耗模型和优化算法进行求解，该算法将电池能效纳入电化学储能电站的运行控制模型中，现有的算法尚无类似考虑，得到储能电站能效最高的充放电控制方式，从而能使全站储能单元损耗最低，提高基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站参与电网控制时的运行效率，降低整体损耗，根据实验数据，该算法相比现有的功率分配算法，最高能够提高全站能效约0.5％。

Description

基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站的运行方法

技术领域：

本发明涉及电化学储能电站的一种运行控制方法，特别涉及一种基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站的运行方法。

背景技术：

电化学储能电站毫秒级快速可双向调节特性使其成为电网中优质的调节资源，为电网稳定运行提供了丰富的调节手段。但当前储能电站在电网的应用仍处于起步阶段，运行损耗较高，经济运行水平不高，运行模式较为单一。同时，目前国内对于储能电站运行策略的研究也仅在于如何满足电力调度需求、如何获取最大收益上，没有考虑到由于储能电站不科学的运行方式而增高的储能电池单元运维成本对储能电站整体收益的影响。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种提升磷酸铁锂介质储能电站参与电网控制效率的基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站的运行方法。

本发明提出一种基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站的运行方法，该运行方法的技术方案如下：

一种基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站的运行方法，所述电化学储能电站包括n个储能单元；每个储能单元由对应的一台PCS、一台BMS和一个电池单元组成；所述运行方法包括：

1)将实时得到的各储能单元中PCS的最大可充电功率P_pcmax和最大可放电功率P_pdmax分别与实时得到的各储能单元中BMS的最大可充电功率P_bcmax和最大可放电功率P_bdmax进行最大充电功率与最大放电功率的一一比较，取最大充电功率比较值中的较大值和最大放电功率比较值中的较小值，形成各储能单元的功率控制区间[P_min,P_max]；

2)根据全站平均分配功率，按如下方法确定各储能单元的实际运行功率，该方法包括：

2.1)判断全站平均分配功率与未确定实际运行功率的储能单元的功率控制区间关系，

若全站平均分配功率偏离至少一个未确定实际运行功率的储能单元的功率控制区间，则转至步骤2.2)，若全站平均分配功率位于所有未确定实际运行功率的储能单元的功率控制区间内，则转至步骤2.4)；

2.2)取偏离的功率控制区间中靠近全站平均分配功率的边界作为偏离的功率控制区间对应储能单元的实际运行功率；

2.3)从全站平均分配功率中剔除偏离的功率控制区间对应储能单元的实际运行功率，更新全站平均分配功率，并转至步骤2.1)；

2.4)所有未确定实际运行功率的储能单元均按全站平均分配功率运行。

优选地，所述各储能单元中若PCS处于故障状态或者告警状态，则封锁功率控制功能，该PCS的最大可充电功率P_pcmax和PCS最大可放电功率P_pdmax均为0；若BMS处于故障状态或者告警状态，则封锁功率控制功能，该BMS的最大可充电功率和最大可放电功率均为0。

优选地，所述储能单元的功率控制区间[P_min，P_max]中P_min和P_max按如下方法取值：

如果P_pcmax≥P_bcmax，则P_min＝P_pcmax；

如果P_pcmax<P_bcmax，则P_min＝P_bcmax；

如果P_pdmax≥P_bdmax，则P_max＝P_bdmax；

如果P_pdmax<P_bdmax，则P_max＝P_pdmax。

优选地，步骤2)中所述全站平均分配功率按如下公式计算得到：

式中，P_target为电化学储能电站功率目标值。

优选地，步骤2.3)中所述全站平均分配功率P_a更新方法按下式进行：

式中，x为偏离功率控制区间的储能单元的数目。

优选地，所述电化学储能电站功率目标值P_target为电化学储能电站功率调度值或者计划值；所述电化学储能电站功率目标值P_target从网关机或者后台监控系统获取。

优选地，所述各储能单元中PCS的最大可充电功率P_pcmax、最大可放电功率P_pdmax、告警状态和故障状态以及各储能单元中BMS的最大可充电功率P_bcmax和最大可放电功率P_bdmax、告警状态和故障状态均由后台监控系统获取。

本发明相比现有技术具有如下有益效果：

本发明通过获取电化学储能电站功率目标值、每一台PCS的状态数据和每一台BMS的状态数据，通过基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站储能单元损耗模型和优化算法进行求解，该算法将电池能效纳入电化学储能电站的运行控制模型中，现有的算法尚无类似考虑，得到储能电站能效最高的充放电控制方式，从而能使全站储能单元损耗最低，提高基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站参与电网控制时的运行效率，降低整体损耗，根据实验数据，该算法相比现有的功率分配算法，最高能够提高全站能效约0.5％。

附图说明:

图1为本发明较佳实施例的流程示意图

具体实施方式：

下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例一：

本实施例对某电化学储能电站实施本发明的基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站的运行方法，该电化学储能电站包括n个储能单元；每个储能单元由对应的一台PCS(储能变流器Power Conversion System)、一台BMS(电池管理系统Battery Management System)和一个电池单元组成；如图1所示，该运行方法包括：

S1、从后台监控系统获取PCS上送的数据中每个储能单元中PCS的状态数据，该状态数据包括PCS最大可充电功率P_pcmax和PCS最大可放电功率P_pdmax、PCS故障状态和PCS告警状态并获取BMS上送的数据中每个储能单元中BMS的状态数据，该状态数据包括BMS最大可充电功率P_bcmax和最大可放电功率P_bdmax、BMS告警状态、BMS故障状态。

令充电功率为负数，放电功率为正数，则第i个储能单元中PCS的可控功率区间为[P_ipcmax，P_ipdmax]；如果PCS处于故障或者告警状态，则封锁功率控制功能，这时候PCS最大可充电功率P_pcmax和PCS最大可放电功率P_pdmax均为0。

令充电功率为负数，放电功率为正数，则第i个储能单元中BMS的可控功率区间为[P_ibcmax，P_ibdmax]；如果BMS处于故障或者告警状态，则封锁功率控制功能，这时候最大可充电功率和最大可放电功率均为0。

S2、将得到的各储能单元中PCS的最大可充电功率P_pcmax和最大可放电功率P_pdmax分别与实时得到的各储能单元中的BMS的最大可充电功率P_bcmax和最大可放电功率P_bdmax进行最大充电功率与最大放电功率的一一比较，取最大充电功率比较值中的较大值和最大放电功率比较值中的较小值，形成各储能单元的功率控制区间[P_min,P_max]，则第i个储能单元的功率控制区间为[P_imin,P_imax]，P_imin为第i个储能单元最小可充放电功率；P_imax为第i个储能单元最大可充放电功率；i∈[1，n]；P_imin和P_imax按如下方法取值：

如果P_ipcmax≥P_ibcmax，取P_imin＝P_ipcmax；

如果P_ipcmax<P_ibcmax，取P_imin＝P_ibcmax；

如果P_ipdmax≥P_ibdmax，取P_imax＝P_ibdmax；

如果P_ipdmax<P_ibdmax，取P_imax＝P_ipdmax。

S3、从网关机或者后台监控系统获取电化学储能电站功率目标值P_target，该目标值为调度值或者计划值。建立基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站损耗关于各储能单元充放电功率模型，设定目标函数为站端储能充放电损耗最小：

其中，P_Loss为电化学储能电站充放电损耗；α，β为磷酸铁锂电池(介质)的自特性值，与储能电站运行方式无关，可以认为是一个常数；P_i为第i个储能单元的充放电功率。

基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站损耗关于各储能单元充放电功率模型具体采用以下方法建立：

S311、建立基于磷酸铁锂介质的电化储能电站精益化运维的最优化目标；

基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站优化运行的目标为全站能效最大，经济性最高，这是优化目标，可以等效为站端储能充放电损耗最小，即P_Loss最小。本实施例电化学储能电站有n个储能单元，第i个储能单元的充放电功率为P_i，第i个储能单元在该充放电功率下对应的能效为η_i，则第i个储能单元的充放电功率损耗为

综上所述，构造基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站运行的目标函数：

F＝minP_Loss；

磷酸铁锂电池的能效曲线，可以近似线性化，构造能效与充放电功率的关系为：

η＝αP/P_N+β；

其中，α，β为磷酸铁锂电池(介质)的自特性值，与储能电站运行方式无关，可以认为是一个常数，其中α≈-0.12，β＝1；P为PCS实时功率；P_N为PCS额定功率；其中效率范围η∈(0,1)，可以得到：

S312、建立结合PCS告警和故障、BMS告警和故障、全站运行目标值等因素的储能电站运行约束条件；

满足调度功率指令需求，包括调度系统下发的实时AGC指令或者计划曲线，这是主要约束条件，电化学储能电站功率目标值为P_target：

第i个储能单元中PCS的运行工况和最大可充放点功率约束；

P_imin≤P_i≤P_imax

式中，P_imin为第i个储能单元最小可充放电功率；P_imax为第i个储能单元最大可充放电功率；

由于P_target是常数，位于该储能电站的最大可充电功率和最大可放电区间范围，具体数值随储能电站规模而定，因此目标函数可以转化为：

S4、由于基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站损耗关于各储能单元充放电功率模型为凸函数，采用Jensen不等式和分步判定进行求解，在满足条件的情况下，每个储能单元平均输出功率，能使全站储能单元损耗最低，

对于正常运行工况下，储能单元无限制功率，采用Jensen不等式进行优化计算；

若f(x)是区间(a,b)上的凸函数，则对任意的x₁,x₂,x₃…x_n∈(a,b)，有不等式：有当且仅当x₁＝x₂＝x₃…＝x_n时等号成立；

由上可以推导出，

此时，则储能单元均按全站平均分配功率运行时，该电化学储能电站损耗最小，储能单元的实际运行功率

但储能单元可能会有功率限制的工况，如全站平均分配功率超过储能单元的功率控制区间，则采用如下方式确定各储能单元的实际运行功率；

S411、按照Jensen不等式求得全站平均分配功率

S412、判断全站平均分配功率与未确定实际运行功率的储能单元的功率控制区间关系，若全站平均分配功率偏离至少一个未确定实际运行功率的储能单元的功率控制区间，则转至S413，若全站平均分配功率位于所有未确定实际运行功率的储能单元的功率控制区间内，则转至步骤S415；

S413、取偏离的功率控制区间中靠近全站平均分配功率的边界作为偏离的功率控制区间对应储能单元的实际运行功率，例如，全站平均分配功率P_a偏离第i个储能单元的功率控制区间[P_imin,P_imax]，如果P_imin>Pa，则P_i＝P_imin；如P_imax<P_a,则P_i＝P_imax；

S414、将步骤S413偏离的功率控制区间对应储能单元的实际运行功率累加，再从全站平均分配功率中剔除偏离的功率控制区间对应储能单元的实际运行功率累加值，更新全站平均分配功率，并转至步骤2.1)；该步骤中全站平均分配功率P_a更新方法按下式进行：

式中，x为偏离功率控制区间的储能单元的数目。

S414、所有未确定实际运行功率的储能单元均按全站平均分配功率运行。

S5、将所有储能单元的实际运行功率指令下发给各储能单元的PCS，PCS执行指令能使全站储能单元损耗最低。

应用实施例一：

本应用实施例对某5MW/10MWh电网侧储能电站模拟实施本发明的基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站的运行方法，该电站共配置10个储能单元，每个储能单元的容量为500kW，其充放电SOC区间均为[10，90]，各储能单元工况如表1所示：

表1

目前现有的电网侧储能电站的运行方法主要有两种，第一种是根据每个储能单元当前最大可充放电功率进行等比例分配，第二种是根据每个储能单元的电池单元SOC进行SOC比例分配，但现有的两种方法均没有考虑到电池能效问题。

本应用实施例分别运用本发明运行方法和上述现有的两种运行方法，按照放电目标值P_target为0.2P_N、0.5P_N、0.7P_N、0.8P_N对该电化学储能电站进行放电仿真模拟，并分别计算每种方法对应的储能电站能效，结果如下表2所示。

表2

表2中P_N为全站额定功率，由表2结果可以看出，本发明运行方法对应的储能电站能效最高，损耗最低，能够有效提高电化学储能电站的充放电经济性。

Claims (7)

1.一种基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站的运行方法，所述电化学储能电站包括n个储能单元；每个储能单元由对应的一台PCS、一台BMS和一个电池单元组成；其特征在于，所述运行方法包括：

1)将实时得到的各储能单元中PCS的最大可充电功率P_pcmax和最大可放电功率P_pdmax分别与实时得到的各储能单元中BMS的最大可充电功率P_bcmax和最大可放电功率P_bdmax进行最大充电功率与最大放电功率的一一比较，取最大充电功率比较值中的较大值和最大放电功率比较值中的较小值，形成各储能单元的功率控制区间[P_min，P_max]；

2)根据全站平均分配功率，按如下方法确定各储能单元的实际运行功率，该方法包括：

2.1)判断全站平均分配功率与未确定实际运行功率的储能单元的功率控制区间关系，

若全站平均分配功率偏离至少一个未确定实际运行功率的储能单元的功率控制区间，则转至步骤2.2)，若全站平均分配功率位于所有未确定实际运行功率的储能单元的功率控制区间内，则转至步骤2.4)；

2.2)取偏离的功率控制区间中靠近全站平均分配功率的边界作为偏离的功率控制区间对应储能单元的实际运行功率；

2.3)从全站平均分配功率中剔除偏离的功率控制区间对应储能单元的实际运行功率，更新全站平均分配功率，并转至步骤2.1)；

2.4)所有未确定实际运行功率的储能单元均按全站平均分配功率运行。

2.根据权利要求1所述的基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站的运行方法，其特征在于：所述各储能单元中若PCS处于故障状态或者告警状态，则封锁功率控制功能，该PCS的最大可充电功率P_pcmax和PCS最大可放电功率P_pdmax均为0；若BMS处于故障状态或者告警状态，则封锁功率控制功能，该BMS的最大可充电功率和最大可放电功率均为0。

3.根据权利要求2所述的基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站的运行方法，其特征在于：所述储能单元的功率控制区间[P_min，P_max]中P_min和P_max按如下方法取值：

如果P_pcmax≥P_bcmax，则P_min＝P_pcmax；

如果P_pcmax＜P_bcmax，则P_min＝P_bcmax；

如果P_pdmax≥P_bdmax，则P_max＝P_bdmax；

如果P_pdmax＜P_bdmax，则P_max＝P_pdmax。

4.根据权利要求3所述的基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站的运行方法，其特征在于：步骤2)中所述全站平均分配功率按如下公式计算得到：

式中，P_target为电化学储能电站功率目标值。

5.根据权利要求4所述的基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站的运行方法，其特征在于：步骤2.3)中所述全站平均分配功率P_a更新方法按下式进行：

式中，x为偏离功率控制区间的储能单元的数目；P_i为第i个储能单元的充放电功率。

6.根据权利要求5所述的基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站的运行方法，其特征在于：所述电化学储能电站功率目标值P_target为电化学储能电站功率调度值或者计划值；所述电化学储能电站功率目标值P_target从网关机或者后台监控系统获取。

7.根据权利要求1所述的基于磷酸铁锂介质的电化学储能电站的运行方法，其特征在于：所述各储能单元中PCS的最大可充电功率P_pcmax、最大可放电功率P_pdmax、告警状态和故障状态以及各储能单元中BMS的最大可充电功率P_bcmax和最大可放电功率P_bdmax、告警状态和故障状态均由后台监控系统获取。

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