CN114172275B - 一种基于里程寿命管理的储能系统能量优化方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于里程寿命管理的储能系统能量优化方法及系统，包括接受上级指令，下发功率目标指令；响应所述功率目标指令，并采用功率优化分配算法实时对储能组件的荷电状态和历史充放电里程、相对充放电里程进行计量，并应用统计方法，确定并下发每个储能组件当前所需响应的出力控制指令；接收协调控制层下发的出力控制指令，并通过调节变流器外环功率参考值，使储能组件的出力达到出力控制指令所要求的出力值。本发明可以应用于接入电网的储能系统，在并网、离网的情形下，以基于荷电状态和储能组件里程的多时间尺度评价体系，自主建立适用于当前应用环境的优化协调控制方案，以同时满足荷电状态和组件寿命的均衡目标。

Description

一种基于里程寿命管理的储能系统能量优化方法及系统
技术领域
本发明涉及储能能量管理领域，特别涉及一种基于里程寿命管理的储能系统能量优化方法及系统。
背景技术
储能能量管理是一种利用储能能量管理系统，对于储能在电力系统中充电、放电、保持等行为进行优化和控制的技术领域。目前，储能能量管理分为集控式储能能量管理和分散式储能能量管理两类方法。
目前，基于集控式能量管理方式主要应用于集中式储能电站和储能系统的能量管理，而分散式储能能量管理方式主要应用于分散储能系统的能量管理。但目前，储能管理系统的充放电逻辑还不够完善，尚无基于里程寿命管理的储能系统能量优化方法。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提供了一种基于里程寿命管理的储能系统能量优化方法及系统，用于模拟不同入流风速下，串列式双风轮风电机组运行过程中前、后风轮原动机的输出机械转矩，是串列式双风轮风电机组精确仿真的重要技术环节。
为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。
一种基于里程寿命管理的储能系统能量优化方法，包括以下步骤：
接受上级指令，下发功率目标指令；
响应所述功率目标指令，并采用功率优化分配算法实时对储能组件的荷电状态和历史充放电里程、相对充放电里程进行计量，并应用统计方法，确定并下发每个储能组件当前所需响应的出力控制指令；
接收协调控制层下发的出力控制指令，并通过调节变流器外环功率参考值，使储能组件的出力达到出力控制指令所要求的出力值。
作为本发明的进一步改进，所述的历史充放电里程为：储能组件从投运到当前时间为止经历充放电过程所消耗或发出的总的能量，是一个累加的恒正变量。
作为本发明的进一步改进，所述储能组件相对充放电里程为：储能组件从投运到当前时间为止经历充放电过程所消耗或发出的总的能量与该储能组件的预期寿命和最大充放电功率之积的商，是一个0到1之间的变量。
作为本发明的进一步改进，所述对储能组件的荷电状态和历史充放电里程、相对充放电里程进行计量，具体包括：
储能总体共需输出或输入功率为P0，各储能组件预期寿命为T1～Tn，最大充放电功率为P1～Pn，最大容量为C1～Cn；实时计算每个储能组件的以下几种变量：
根据当前荷电电量Cxi和最大容量Ci计算第i台储能组件的当前荷电状态：
定义并计算第i台储能组件的历史充放电里程为：
其中1≤i≤n，tnow表示当前时间，Pci表示历史某时刻充电功率的数值，Pdisi表示历史某时刻放电功率的数值；
计算第i台储能组件的相对充放电里程为变量的含义是该储能组件里程消耗和储能组件容量寿命的相对值，0≤wi≤1；
计算n台储能组件相对充放电里程的平均值和标准差wσ；
作为本发明的进一步改进，所述并应用统计方法，确定并下发每个储能组件当前所需响应的出力控制指令具体包括：
对n台储能组件分配功率指令为功率分配方法为：
对于储能组件i，如果属于以下两种情况之一，则令Pi *＝0：
a)放电时，Cxi≤Cimin，即储能组件当前荷电电量小于等于储能组件可放电最低电量；充电时，Cxi≥Cimax，即储能组件当前荷电电量大于等于储能组件可充电最高电量；
b)
对n个储能组件重复以上操作；
操作后有m个储能组件的功率指令值不为0，剔除n-m个储能组件，将剩余的储能组件重新编号为1～m，作为可分配储能组件；
根据需要选取k，p和q的值，采用下面的分配方式，同时达到均衡SOC和储能组件里程的目的；
其中1≤j≤m；wjmax是m个可分配储能组件中最大的相对里程；k是上限系数，k>1；(SOCj-SOCmin,j)p项为对当前储能组件的荷电状态因素的考量；
如果是充电模式，将式中的(SOCj-SOCmin,j)替换为(SOCmax,j-SOCj)，SOCmin,j和SOCmax,j是第j个储能组件的允许最小和最大荷电状态。
一种基于里程寿命管理的储能系统能量优化系统，包括：
系统级控制层，用于接受上级指令，下发功率目标指令；
协调控制层，用于响应所述功率目标指令，并功率优化分配算法实时对储能组件的荷电状态和历史充放电里程、相对充放电里程进行计量，并应用统计方法，确定并下发每个储能组件当前所需响应的出力控制指令；
变流器控制层，用于接收协调控制层下发的出力控制指令，并通过调节变流器外环功率参考值，使储能组件的出力达到出力控制指令所要求的出力值。
作为本发明的进一步改进，所述变流器控制层包括n个不同种类储能组件，n个储能组件并联于同一母线上。
作为本发明的进一步改进，所述储能组件包括双向变流器和电流环，电流环与双向变流器连接，所述协调控制层与每个电流环电连接。
一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述基于里程寿命管理的储能系统能量优化方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述基于里程寿命管理的储能系统能量优化方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明定义的储能组件的历史充放电里程和相对充放电里程，一定程度上填补了储能运行优化过程中对历史数据考虑的欠缺。所定义的储能组件的历史充放电里程，是对储能组件历史充放电情况的考量，既与运行时间相关，也与充放电次数及功率相关；所定义的相对充放电里程，是考虑到当前储能组件的设计寿命与最大充放电功率的相对值，表征了储能组件自身当前的实际功率寿命消耗量。采用两种里程作为输入环节，可以提高储能组件间的寿命均衡度10％以上。
本发明系统级控制层接受上级指令，向协调控制层下发功率目标指令，协调控制层响应指令，并为了达到在短时间尺度下维持各储能组件荷电状态均衡，以及长时间尺度下维持储能相对充放电里程均衡的目的，采用的一种功率优化分配算法，算法中实时对储能组件的荷电状态和历史充放电里程、相对充放电里程进行计量，并应用统计方法，确定并下发每个储能组件当前所需响应的出力控制指令。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。在附图中：
图1是一种基于里程寿命管理的储能系统能量优化方法的分层控制系统结构示意图；
图2是一种基于里程寿命管理的储能系统能量优化方法的里程指标示意图；
图3是一种基于里程寿命管理的储能系统能量优化方法的优化算法流程图；
图4基于里程寿命管理的储能系统能量优化系统示意图；
图5为本发明优选实施例电子设备结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明涉及一种基于里程寿命管理的储能系统能量优化方法，属于储能能量管理领域。包括以下步骤：
接受上级指令，下发功率目标指令；
响应所述功率目标指令，并采用功率优化分配算法实时对储能组件的荷电状态和历史充放电里程、相对充放电里程进行计量，并应用统计方法，确定并下发每个储能组件当前所需响应的出力控制指令；
接收协调控制层下发的出力控制指令，并通过调节变流器外环功率参考值，使储能组件的出力达到出力控制指令所要求的出力值。
本发明包括两种储能组件历史里程的定义：储能组件历史充放电里程和储能组件相对充放电里程；一种储能系统能量管理指标及优化算法：基于储能组件荷电状态和相对充放电里程均衡管理的功率分配优化算法。本发明可以应用于接入电网的储能系统，在并网、离网的情形下，以基于荷电状态和储能组件里程的多时间尺度评价体系，自主建立适用于当前应用环境的优化协调控制方案，以同时满足荷电状态和组件寿命的均衡目标。
参见图2，采用一种分层式的控制结构，作为所述能量管理优化方法的硬件平台，所述分层式控制结构包括三层结构：系统级控制层、协调控制层、变流器控制层。
所述系统级控制层用于接收调度运行指令，确定储能系统整体出力目标，并向协调控制层发送功率出力指令。
所述协调控制层用于接收系统控制层的功率出力指令，并执行考虑储能寿命里程管理的能量优化方法，确定每个储能组件的出力控制指令，并下发给变流器控制层。
所述变流器控制层用于接收协调控制层下发的出力控制指令，并通过调节变流器外环功率参考值，使储能组件的出力达到出力控制指令所要求的出力值。
参见图3，所述基于里程寿命管理的储能系统能量优化方法，包含两种储能组件里程指标定义：储能组件历史充放电里程，以及储能组件充放电相对里程。包含一种基于里程寿命管理的储能系统能量优化算法流程。
所述储能组件历史充放电里程，是指该储能组件从投运到当前时间为止经历充放电过程所消耗或发出的总的能量，是一个累加的恒正变量。
所述储能组件相对充放电里程定义为：该储能组件从投运到当前时间为止经历充放电过程所消耗或发出的总的能量与该储能组件的预期寿命和最大充放电功率之积的商，是一个0到1之间的变量，表征了储能组件当前的实际寿命和容量利用状况。
参见图4，所述基于里程寿命管理的储能系统能量优化算法，是指在储能系统运行过程中根据基于储能组件SOC和相对充放电里程的评价指标，实时计算每个储能组件的输出功率参考值，并通过分层控制结构控制的算法流程。
本发明定义的一种储能组件能量管理指标及优化方法功能清晰、逻辑严谨且易于实现，在避免了复杂迭代与循环的同时，以基于荷电状态和储能组件历史充放电里程的多时间尺度评价体系，自主建立适用于当前应用环境的优化协调控制方案，以同时满足荷电状态和储能组件寿命的均衡目标。既让储能系统整体以最合理的功率分配维持最长时间的功率输出，又通过里程的概念兼顾了单个储能组件使用寿命的均衡，维持了各储能组件检修周期的均等，检修周期均等程度提高20％以上。程序运行速度快，收敛速度快，控制结果精确。相比传统能量分配方式，计算速度提升15％以上。
下面结合附图2-4对本发明做详细叙述。
以下详细介绍本发明一种储能能量管理指标及优化方法的工作原理。考虑到不同容量、不同型号组成的大规模储能协同充放电的情形，针对储能系统响应固定充放电功率指令的场景，设计系统功率优化分配策略。
不同种类储能组件n个(具有不同最大充放电功率、最大容量、预期寿命、初始状态)，并联于同一母线上。只考虑功率分配的优化方式，优化目标是在充放电过程中，荷电状态和历史里程尽可能趋向统一。考虑到硬件计算资源，要求方法尽可能简洁，尽量少的进行迭代和循环。分配方法设计如下。
假设储能总体共需输出(输入)功率为P0，各储能组件预期寿命为T1～Tn，最大充放电功率为P1～Pn，最大容量为C1～Cn。系统需要实时计算每个储能组件的以下几种变量：
根据当前荷电电量Cxi和最大容量Ci计算第i台储能组件的当前荷电状态
定义并计算第i台储能组件的历史充放电里程为
其中1≤i≤n，tnow表示当前时间，Pci表示历史某时刻充电功率的数值，Pdisi表示历史某时刻放电功率的数值。里程的含义是，该储能组件从投运到当前为止经历充放电过程所消耗或发出的总的能量，是一个累加的变量。实际计算中可以采用定时间间隔的离散近似计算方法。单位为MWh或MJ。
定义并计算第i台储能组件的相对充放电里程为变量的含义是该储能组件里程消耗和储能组件容量寿命的相对值，显然有0≤wi≤1。
计算n台储能组件相对充放电里程的平均值和标准差wσ。
假设对这n台储能组件分配功率指令为下面说明功率分配的逻辑。
对于储能组件i，如果属于以下两种情况之一，则令Pi *＝0：
a)放电时，Cxi≤Cimin，即储能组件当前荷电电量小于等于储能组件可放电最低电量；充电时，Cxi≥Cimax，即储能组件当前荷电电量大于等于储能组件可充电最高电量。
b)(根据数学上的拉依达准则，里程向上明显偏离)。
对n个储能组件重复以上操作。假设这样操作后有m个储能组件的功率指令值不为0，即剔除了n-m个储能组件，将剩余的储能组件重新编号为1～m，称为可分配储能组件。
根据需要选取k，p和q的值(初始值取k＝1.7,p＝0.8,q＝1)，采用下面的分配方式，同时达到均衡SOC和储能组件里程的目的。如果是充电模式，将式中的(SOCj-SOCmin,j)替换为(SOCmax,j-SOCj)即可。其中，SOCmin,j和SOCmax,j是第j个储能组件的允许最小和最大荷电状态(即正常运行的储能组件电量需要满足的上下限要求)。
其中1≤j≤m。wjmax是m个可分配储能组件中最大的相对里程。k是上限系数，k>1，k值越小，不同里程储能组件的分配功率越分散，均衡速度越快。另外，(SOCj-SOCmin,j)p项表征了对当前储能组件的荷电状态因素的考量。
这种方法首先剔除了相对里程过大的储能组件，按照荷电状态和历史里程综合进行功率分配策略的实现。分配策略会更倾向于将较大的功率比例分配给剩余容量较大、相对里程较小的储能组件，通过p和q的取值来决定当前更倾向于SOC的均衡还是历史里程的均衡。既让储能整体以最合理的功率分配维持最长时间的功率输出，又通过里程的概念兼顾了单个储能组件使用寿命的均衡，维持了储能组件检修周期的均等。
如图2所示，本发明还提出一种基于里程寿命管理的储能系统能量优化系统，包括：
系统级控制层，用于接受上级指令，下发功率目标指令；
协调控制层，用于响应所述功率目标指令，并功率优化分配算法实时对储能组件的荷电状态和历史充放电里程、相对充放电里程进行计量，并应用统计方法，确定并下发每个储能组件当前所需响应的出力控制指令；
变流器控制层，用于接收协调控制层下发的出力控制指令，并通过调节变流器外环功率参考值，使储能组件的出力达到出力控制指令所要求的出力值。
所述变流器控制层包括n个不同种类储能组件，n个储能组件并联于同一母线上。所述储能组件包括双向变流器和电流环，电流环与双向变流器连接，所述协调控制层与每个电流环电连接。
如图5所示，本发明第三个目的是提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述基于里程寿命管理的储能系统能量优化方法的步骤。
所述基于里程寿命管理的储能系统能量优化方法包括以下步骤：
接受上级指令，下发功率目标指令；
响应所述功率目标指令，并采用功率优化分配算法实时对储能组件的荷电状态和历史充放电里程、相对充放电里程进行计量，并应用统计方法，确定并下发每个储能组件当前所需响应的出力控制指令；
接收协调控制层下发的出力控制指令，并通过调节变流器外环功率参考值，使储能组件的出力达到出力控制指令所要求的出力值。
本发明第四个目的是提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述基于里程寿命管理的储能系统能量优化方法的步骤。
所述基于里程寿命管理的储能系统能量优化方法包括以下步骤：
接受上级指令，下发功率目标指令；
响应所述功率目标指令，并采用功率优化分配算法实时对储能组件的荷电状态和历史充放电里程、相对充放电里程进行计量，并应用统计方法，确定并下发每个储能组件当前所需响应的出力控制指令；
接收协调控制层下发的出力控制指令，并通过调节变流器外环功率参考值，使储能组件的出力达到出力控制指令所要求的出力值。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于里程寿命管理的储能系统能量优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
接受上级指令，下发功率目标指令；
响应所述功率目标指令，并采用功率优化分配算法实时对储能组件的荷电状态和历史充放电里程、相对充放电里程进行计量，并应用统计方法，确定并下发每个储能组件当前所需响应的出力控制指令；
其中，所述的历史充放电里程为：储能组件从投运到当前时间为止经历充放电过程所消耗或发出的总的能量，是一个累加的恒正变量；
所述储能组件相对充放电里程为：储能组件从投运到当前时间为止经历充放电过程所消耗或发出的总的能量与该储能组件的预期寿命和最大充放电功率之积的商，是一个0到1之间的变量；
接收协调控制层下发的出力控制指令，并通过调节变流器外环功率参考值，使储能组件的出力达到出力控制指令所要求的出力值；
所述对储能组件的荷电状态和历史充放电里程、相对充放电里程进行计量，具体包括：
储能总体共需输出或输入功率为，各储能组件预期寿命为/>，最大充放电功率为，最大容量为/>；实时计算每个储能组件的以下几种变量：
根据当前荷电电量和最大容量/>计算第i台储能组件的当前荷电状态：
定义并计算第i台储能组件的历史充放电里程为：
其中，/>表示当前时间，/>表示历史某时刻充电功率的数值，/>表示历史某时刻放电功率的数值；
计算第i台储能组件的相对充放电里程为，变量的含义是该储能组件里程消耗和储能组件容量寿命的相对值，/>；
计算n台储能组件相对充放电里程的平均值和标准差/>；
所述并应用统计方法，确定并下发每个储能组件当前所需响应的出力控制指令具体包括：
对n台储能组件分配功率指令为，功率分配方法为：
对于储能组件i，如果属于以下两种情况之一，则令：
a) 放电时，，即储能组件当前荷电电量小于等于储能组件可放电最低电量；充电时，/>，即储能组件当前荷电电量大于等于储能组件可充电最高电量；
b)；
对n个储能组件重复以上操作；
操作后有m个储能组件的功率指令值不为0，剔除n-m个储能组件，将剩余的储能组件重新编号为1~m，作为可分配储能组件；
根据需要选取k，p和q的值，采用下面的分配方式，同时达到均衡SOC和储能组件里程的目的；
其中；/>是m个可分配储能组件中最大的相对里程；k是上限系数，k>1；项为对当前储能组件的荷电状态因素的考量；
如果是充电模式，将式中的替换为/>，/>和是第j个储能组件的允许最小和最大荷电状态；
功率分配中，针对缺额功率由其余可分配储能组件按比例从大到小顺序依次补足。
2.一种基于里程寿命管理的储能系统能量优化系统，基于权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：
系统级控制层，用于接受上级指令，下发功率目标指令；
协调控制层，用于响应所述功率目标指令，并功率优化分配算法实时对储能组件的荷电状态和历史充放电里程、相对充放电里程进行计量，并应用统计方法，确定并下发每个储能组件当前所需响应的出力控制指令；
变流器控制层，用于接收协调控制层下发的出力控制指令，并通过调节变流器外环功率参考值，使储能组件的出力达到出力控制指令所要求的出力值。
3.根据权利要求2所述的一种基于里程寿命管理的储能系统能量优化系统，其特征在于，所述变流器控制层包括n个不同种类储能组件，n个储能组件并联于同一母线上。
4.根据权利要求2所述的一种基于里程寿命管理的储能系统能量优化系统，其特征在于，所述储能组件包括双向变流器和电流环，电流环与双向变流器连接，所述协调控制层与每个电流环电连接。
5.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1所述基于里程寿命管理的储能系统能量优化方法的步骤。
6.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1所述基于里程寿命管理的储能系统能量优化方法的步骤。
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电池储能参与调频的控制策略研究;张舒鹏;知网数据库;第12-51页 *

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