CN114336694A - 一种混合储能电站能量优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统储能电站控制技术领域，具体涉及一种混合储能电站能量优化控制方法；本发明所采用的技术方案为：在混合储能电站运行过程中实时获取不同类型储能系统运行信息并计算各储能单元最佳放电深度、剩余运行寿命，根据实时获取的有功调节指令和电网频率计算电站功率调节变化量，按照协调分配策略控制各储能单元完成充放电动作；本发明基于储能单元剩余运行寿命以及SOC阈值管理，设计出能量协调分配策略，充分发挥功率型和能量型储能单元的充放电特性，在调节有功功率的同时，根据储能单元剩余运行寿命进行功率分配，并按照SOC状态进行限功率控制，从而改善放电深度对储能寿命的影响，避免储能深度放电和过充过放。

Description

一种混合储能电站能量优化控制方法

技术领域

本发明属于电力系统储能电站控制技术领域，具体涉及一种混合储能电站能量优化控制方法。

背景技术

储能是我国未来构建新型电力系统的重要环节，在电网侧、电源侧和用户侧分别承担着不同的功能和任务。随着储能技术的发展和规模化成本的下降，同时新型储能获得独立主体资格，储能作为独立电站运行将迎来大规模发展。

储能采用的能量储存介质主要包括能量型与功率型，能量型中较为常见的是蓄电池，其能量密度较大，但功率密度较小，使用的寿命相对较短。功率型中常见的为超级电容器，其功率密度较大，能量密度较低，有更长的使用寿命。所以通常将这两类能量储存介质结合使用，从而有效提高储能系统的整体性能。

此前对混合储能的研究主要集中在容量优化配置、辅助火电机组AGC调频、平抑可再生能源波动等方面，对独立混合储能电站实际运行中能量控制方法研究较少。混合储能电站作为同时配置能量型与功率型储能介质的独立储能电站，将面向电网完成AGC、一次调频、辅助服务、电力市场交易等任务，需要针对电网调度场景和储能系统的特点进行能量优化控制，同时尽量延长电池使用寿命。

发明内容

本发明提供一种混合储能电站能量优化控制方法，该方法能够提高混合储能电站有功功率协调控制水平，充分发挥能量型和功率型储能介质特点，在不同类型储能介质间进行能量优化分配，使混合储能电站调节能力满足电网要求，延长储能电池运行寿命。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种混合储能电站能量优化控制方法，本方法在混合储能电站运行过程中实时获取不同类型储能系统运行信息并计算各储能单元最佳放电深度、剩余运行寿命，根据实时获取的有功调节指令和电网频率计算电站功率调节变化量，按照协调分配策略控制各储能单元完成充放电动作。

上述混合储能电站能量优化控制方法按照以下步骤进行：

实时采集混合储能电站内能量型、功率型储能单元的运行信息，包括当前充放电功率P₀、荷电状态SOC、充放电循环次数T、额定功率P_N等。

所述混合储能电站为包含能量型和功率型储能单元的独立电站，能量型储能单元可以为多组锂电池等电化学储能装置，功率型储能单元可以为多组飞轮、超级电容器等储能装置。

进一步地，根据不同类型储能单元充放电特性，动态计算不同类型储能单元的最佳充放电深度、剩余运行寿命。具体方法如下：

已知各类型储能单元不同放电深度下的循环次数，对充放电深度-循环次数进行曲线拟合，得到循环次数T_life与充放电深度D_od之间的关系式为T_life＝f(D_od)，设定目标循环次数为T_s，得出各类型储能单元对应的最佳充放电深度D_s。

按如下公式将储能单元在充放电深度D_x下的一次充放电循环等效为最佳充放电深度D_s下的循环次数，等效充放电循环次数

其中，T_life(D_s)、T_life(D_x)分别为对应充放电深度为D_s、D_x下的全寿命充放电循环次数。

计算储能单元剩余运行寿命

其中，D′_xk为运行周期内第k次充放电循环的等效充放电循环次数，其实际充放电深度为D_x。

优选的，所述拟合方法可采取N阶函数法、幂函数法、分段拟合法。

进一步地，实时采集储能电站有功调节指令P_s和并网点处频率值f₀，计算混合储能电站一次调频动作值P_f、有功功率调节目标值P_target和有功功率调节变化量ΔP。

计算混合储能电站一次调频动作值：

其中，K_f为有功调频系数，f_N为系统额定频率，f_d为一次调频死区值，λ为混合储能电站一次调频有功变化量系数。

所述有功调节指令P_s在投入AGC模式状态下为电力调度机构下达的充放电计划曲线或调度指令，在退出AGC模式时为本地充放电计划曲线或人工指令。

获取指令P_s后首先对其有效性进行判断，若-P_N≤P_s≤P_N，指令有效；否则认为指令无效，继续保持当前指令。

混合储能电站有功功率调节目标值P_target的确定：

(1)若|f₀-f_N|≤f_d且|P₀-P_N|≥ε，则P_target＝P_s；

(2)若|f₀-f_N|≥f_d且|P₀-P_N|≥ε，则P_target＝P₀+P_f；其中，ε混合储能电站有功功率调节死区。

(3)否则，若同时收到AGC和一次调频动作要求，优先执行一次调频响应。具体为，若一次调频指令与AGC指令调节方向相同，则将两个指令进行叠加；若方向相反，则暂停执行AGC调节指令，待一次调频动作完成后继续执行AGC指令。

混合储能电站一次调频动作后的恢复逻辑：在投入AGC模式下执行一次调频控制，当采集频率偏差小于调频死区时不应立即退出一次调频控制，直到收到下一个AGC指令后继续跟随AGC指令。在退出AGC模式下，当电网频率偏差超过调频死区时，持续执行一次调频控制，直到频率偏差小于调频死区才退出一次调频控制，退出时按照速率恢复到一次调频动作前运行状态。

计算所述混合储能电站有功功率调节变化量ΔP＝P_target-P₀。

进一步地，根据不同储能单元的充放电特性和剩余运行寿命等状态，将上述有功功率调节变化量ΔP在各储能单元间进行优化分配。功率分配原则为：

(1)功率型储能单元在荷电状态满足要求时应优先调度，保证能量型储能单元的浅充浅放；

(2)使能量型储能单元调节前后SOC变化最小；

(3)采用阈值管理，对处于SOC高、低位区域的储能单元采取限功率控制，超出高、低SOC标志位后，减小充放电功率，防止过充过放。

设定各储能单元的SOC高、低标志位，将能量型储能单元的SOC区间划分为低位限功率区、正常出力区、高位限功率区，避免能量型储能深度放电和过充过放，具体划分如下：

其中，S_i(t)为t时刻第i组储能单元的SOC，S_il、S_ih分别为第i组储能单元的SOC高、低标志位。功率型储能介质如飞轮等循环次数大，充放电深度对循环次数影响不大，因此可根据其具体特性判断是否需要设定。

以S_i(t)为自变量，以S_ih、S_il、r、K、R、Q为参数，基于逻辑回归函数进行拟合，构建能量型储能的充放电功率系数模型，分别表征低位限功率区、正常出力区、高位限功率区的充放电功率系数α_i，第i组能量型储能单元的充电功率系数α_ic、放电功率系数α_id公式如下：

放电功率系数：

充电功率系数：

基于上述分配原则，功率型和能量型储能单元的调节目标值分别为：

其中，ΔP_g(t)为功率型储能的有功调节变化量，ΔP_ni(t)为第i组能量型储能的有功调节变化量，

功率型储能的最大调节功率，P_g0为功率型储能的当前实际功率，T_syi为第i组能量型储能单元剩余运行寿命。当能量型储能单元进入高、低位限功率区时，由于执行限功率引起的功率缺额继续分配至正常出力区域内的能量型储能单元。

进一步地，将功率型和能量型储能单元的调节目标值发送至各控制器，控制储能单元按照指令执行充放电动作。

进一步地，待混合储能电站有功功率达到目标值后，根据各储能单元的SOC状态进行能量置换。由于功率型储能自放电率高，将功率型储能单元的能量转移至SOC较低的能量型储能单元，使各储能单元的SOC恢复至合理水平，以便执行下次调节任务，同时减少功率型储能单元的自放电时间。

本发明控制系统的装置包括通信转换模块、逻辑计算模块、数据存储模块、输入输出模块。其中，所述通信转换模块用于实现与外部设备的数据信息交换，实时采集储能单元、变流器、储能电站、调度主站的数据信息，并进行数据规范处理；所述逻辑计算模块用于计算储能单元最佳充放电深度、剩余运行寿命、有功功率调节变化量、储能单元调节目标值等；所述数据存储模块用于存储采集到的数据、逻辑计算的中间信息及结果、静态参数等；所述输入输出模块用于提供操作人员的参数录入、策略调整、图形显示、数据导出等功能。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本发明提供方法能够实现混合储能电站有功功率调节的优化控制，协调AGC与一次调频指令动作次序，满足电网对快速调节能力的要求。基于储能单元剩余运行寿命以及SOC阈值管理，设计出能量协调分配策略，充分发挥功率型和能量型储能单元的充放电特性，在调节有功功率的同时，根据储能单元剩余运行寿命进行功率分配，并按照SOC状态进行限功率控制，从而改善放电深度对储能寿命的影响，避免储能深度放电和过充过放。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为一种混合储能电站系统结构图。

图2为本发明的方法流程图。

图3为本发明控制装置的结构图。

图4为本发明的充放电功率系数模型曲线示例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细说明。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明所述的一种混合储能电站典型系统结构如图1，包括n个电池组、m个飞轮储能装置、双向DC/DC变流器、AC/DC变流器、DC/AC并网逆变器、能量优化控制器。所述电池组和飞轮储能装置通过变流器并联至直流母线。所述能量优化控制器包含了本发明提供的能量优化控制方法。

本发明在于提出一种混合储能电站有功功率调节的优化控制方法，方法流程和步骤如图2所示，该方法既满足电网调节快速要求，又发挥了能量型和功率型储能的特点，延缓了电池的使用寿命，使储能电站运维成本下降。

如图3所示为本发明提出的一种混合储能电站能量优化控制装置结构图，包括通信转换模块、逻辑计算模块、数据存储模块、输入输出模块。该结构图提供了一种常用的典型装置架构，可由熟练的开发人员基于高性能计算机或服务器、安全操作系统、数据库软件及其他相关软硬件等实现。

其中，所述通信转换模块用于实现与外部设备的数据信息交换，实时采集储能单元、变流器、储能电站、调度主站的数据信息，并进行数据规范处理。为适应与不同设备之间的数据通信，该模块应支持电流、电压模拟量信号输入/输出、以太网、串口多种通讯接口及Modbus、标准104等多种通讯规约。

所述逻辑计算模块用于执行本发明所述的计算过程，计算储能单元最佳充放电深度、剩余运行寿命、有功功率调节变化量、储能单元调节目标值等，该模块可通过高级程序语言将所述计算过程编程实现。

所述数据存储模块用于存储采集到的数据、逻辑计算的中间信息及结果、静态参数等，该模块可由开发人员通过数据库软件编程实现。

所述输入输出模块用于提供面向操作人员的参数设置、策略调整、图形显示、数据导出等功能，通过该模块可将电池组目标循环次数、调节死区、有功调频系数、SOC高、低标志位、充放电系数模型参数等数据录入所述装置数据存储模块。

本发明在于提出一种混合储能电站有功功率调节的优化控制方法，既满足电网调节快速要求，又发挥了能量型和功率型储能的特点，延缓了电池的使用寿命，使储能电站运维成本下降。具体包括如下步骤：

步骤1：采集混合储能电站内各电池组、飞轮储能装置的运行信息，包括当前充放电功率P₀、荷电状态SOC、充放电循环次数T、额定功率P_N等。

步骤2：计算不同类型储能单元的最佳充放电深度、剩余运行寿命。具体方法如下：

根据电池组、飞轮储能装置不同放电深度下的循环次数，使用多阶函数法对充放电深度-循环次数进行曲线拟合，得到循环次数T_life与充放电深度D_od之间的关系式为T_life＝f(D_od)，设定电池组目标循环次数为T_s，得出对应的最佳充放电深度D_s。将电池组在充放电深度D_x下的一次充放电循环等效为充放电深度为D_s下的全寿命充放电循环次数后，计算储能单元剩余运行寿命

步骤3：采集储能电站有功调节指令P_s和并网点处频率值f₀。若所述储能电站投入AGC模式，则有功调节指令P_s为电力调度机构下达的充放电计划曲线或调度指令，否则为本地充放电计划曲线或人工指令。对指令P_s有效性进行判断后，确定混合储能电站有功功率调节目标值P_target：

若|f₀-f_N|≤f_d且|P₀-P_N|≥ε，则P_target＝P_s；

若|f₀-f_N|≥f_d且|P₀-P_N|≤ε，则P_target＝P₀+P_f；其中，ε混合储能电站有功功率调节死区。

否则，若同时收到AGC和一次调频动作要求，优先执行一次调频响应。具体为，若一次调频指令与AGC指令调节方向相同，则将两个指令进行叠加；若方向相反，则暂停执行AGC调节指令，待一次调频动作完成后继续执行AGC指令。

计算所述有功功率调节变化量ΔP＝P_target＝P₀。

步骤4：根据电池组的剩余运行寿命和SOC状态，将上述有功功率调节变化量ΔP在各储能单元间进行优化分配。

设定各储能单元的SOC高、低标志位，将电池组的SOC区间划分为低位限功率区、正常出力区、高位限功率区，避免电池组深度放电和过充过放。飞轮储能循环次数大，充放电深度对其循环次数影响不大，因此不采取限功率控制。

基于逻辑回归函数构建能量型储能的充放电功率系数模型，以S_i(t)为自变量、S_ih、S_il为参数，得到合适的r、K、R、Q等模型参数，所述参数r、K、R、Q等模型参数不唯一。图4为一组参数下的充放电功率系数模型曲线示例。依据公式计算飞轮储能和电池组的调节目标值，如此可实现飞轮则主要承担快速响应的指令，电池承担趋势性变化的指令，并避免电池过充过放和深度充放电。

步骤5：将功率型和能量型储能单元的调节目标值发送至各储能侧控制器，控制储能单元按照指令执行充放电动作。

步骤6：待混合储能电站有功功率达到目标值后，根据各飞轮和电池组的SOC状态进行能量置换。使各组储能单元的SOC恢复至合理水平，以便执行下次调节任务，同时减少功率型储能单元的自放电时间。

上述实施方式仅示例性说明本发明的原理及其效果，而非用于限制本发明。对于熟悉此技术的人皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改进。因此，凡举所述技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种混合储能电站能量优化控制方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

1)实时采集混合储能电站内能量型、功率型储能单元的运行信息，包括当前充放电功率P₀、荷电状态SOC、充放电循环次数T、额定功率P_N等实时数据；

2)计算储能单元充放电深度和剩余运行寿命

已知各类型储能单元不同放电深度下的循环次数，对充放电深度-循环次数进行曲线拟合，得到循环次数T_life与充放电深度D_od之间的关系式为T_life＝f(D_od)，设定目标循环次数为T_s，得出各类型储能单元对应的最佳充放电深度D_s；

按如下公式将储能单元在充放电深度D_x下的一次充放电循环等效为最佳充放电深度D_s下的循环次数，等效充放电循环次数

其中，T_life(D_s)、T_life(D_x)分别为对应充放电深度为D_s、D_x下的全寿命充放电循环次数；

计算储能单元剩余运行寿命

其中，D′_xk为运行周期内第k次充放电循环的等效充放电循环次数，其实际充放电深度为D_x；

3)计算有功功率调节变化量ΔP

实时采集储能电站有功调节指令P_s和并网点处频率值f₀，计算混合储能电站一次调频动作值P_f、有功功率调节目标值P_target和有功功率调节变化量ΔP；

计算混合储能电站一次调频动作值：

其中，K_f为有功调频系数，f_N为系统额定频率，f_d为一次调频死区值，λ为混合储能电站一次调频有功变化量系数；

所述有功调节指令P_s在投入AGC模式状态下为电力调度机构下达的充放电计划曲线或调度指令，在退出AGC模式时为本地充放电计划曲线或人工指令；

获取指令P_s后首先对其有效性进行判断，若-P_N≤P_s≤P_N，指令有效；否则认为指令无效，继续保持当前指令；

混合储能电站有功功率调节目标值P_target的确定：

(1)若|f₀-f_N|≤f_d且|P₀-P_N|≥ε，则P_target＝P_s；

(2)若|f₀-f_N|≥f_d且|P₀-P_N|≤ε，则P_target＝P₀+P_f；其中，ε混合储能电站有功功率调节死区；

(3)否则，若同时收到AGC和一次调频动作要求，优先执行一次调频响应；具体为，若一次调频指令与AGC指令调节方向相同，则将两个指令进行叠加；若方向相反，则暂停执行AGC调节指令，待一次调频动作完成后继续执行AGC指令；

混合储能电站一次调频动作后的恢复逻辑：在投入AGC模式下执行一次调频控制，当采集频率偏差小于调频死区时不应立即退出一次调频控制，直到收到下一个AGC指令后继续跟随AGC指令；在退出AGC模式下，当电网频率偏差超过调频死区时，持续执行一次调频控制，直到频率偏差小于调频死区才退出一次调频控制，退出时按照速率恢复到一次调频动作前运行状态；

计算所述混合储能电站有功功率调节变化量Δp＝P_target-P₀；

4)将有功功率调节变化量Δp在各储能单元间进行分配

根据不同储能单元的充放电特性和剩余运行寿命等状态，将上述有功功率调节变化量Δp在各储能单元间进行优化分配；

设定各储能单元的SOC高、低标志位，将能量型储能单元的SOC区间划分为低位限功率区、正常出力区、高位限功率区，避免能量型储能深度放电和过充过放，具体划分如下：

其中，S_i(t)为t时刻第i组储能单元的SOC，S_il、S_ih分别为第i组储能单元的SOC高、低标志位；功率型储能介质如飞轮等循环次数大，充放电深度对循环次数影响不大，因此可根据其具体特性判断是否需要设定；

以S_i(t)为自变量，以S_ih、S_il、r、K、R、Q为参数，基于逻辑回归函数进行拟合，构建能量型储能的充放电功率系数模型，分别表征低位限功率区、正常出力区、高位限功率区的充放电功率系数α_i，第i组能量型储能单元的充电功率系数α_ic、放电功率系数α_id公式如下：

放电功率系数：

充电功率系数：

基于上述分配原则，功率型和能量型储能单元的调节目标值分别为：

其中，ΔP_g(t)为功率型储能的有功调节变化量，ΔP_ni(t)为第i组能量型储能的有功调节变化量，

功率型储能的最大调节功率，P_g0为功率型储能的当前实际功率，T_syi为第i组能量型储能单元剩余运行寿命；当能量型储能单元进入高、低位限功率区时，由于执行限功率引起的功率缺额继续分配至正常出力区域内的能量型储能单元；

5)完成充放电动作

将功率型和能量型储能单元的调节目标值发送至各控制器，控制储能单元按照指令执行充放电动作。

2.根据权利要求1所述的一种混合储能电站能量优化控制方法，其特征在于，上述步骤4)中所述有功功率调节变化量ΔP在各储能单元间进行优化分配，其分配原则为：

(1)功率型储能单元在荷电状态满足要求时应优先调度，保证能量型储能单元的浅充浅放；

(2)使能量型储能单元调节前后SOC变化最小；

(3)采用阈值管理，对处于SOC高、低位区域的储能单元采取限功率控制，超出高、低SOC标志位后，减小充放电功率，防止过充过放。

3.根据权利要求1所述的一种混合储能电站能量优化控制方法，其特征在于，所述混合储能电站为包含能量型和功率型储能单元的独立电站，能量型储能单元为电化学储能装置，功率型储能单元为多组飞轮或超级电容器储能装置。

4.根据权利要求1所述的一种混合储能电站能量优化控制方法，其特征在于，上述步骤2)中所述拟合方法为N阶函数法、幂函数法、分段拟合法。

5.根据权利要求1所述的一种混合储能电站能量优化控制方法，其特征在于，上述步骤5)完成后，待混合储能电站有功功率达到目标值后，根据各储能单元的SOC状态进行能量置换；由于功率型储能自放电率高，将功率型储能单元的能量转移至SOC较低的能量型储能单元，使各储能单元的SOC恢复至合理水平，以便执行下次调节任务，同时减少功率型储能单元的自放电时间。

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