CN114744661B - 工业用户侧多功能电化学储能系统与运行控制方法 - Google Patents

工业用户侧多功能电化学储能系统与运行控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种工业用户侧多功能电化学储能系统与运行控制方法，包括：第一隔离开关、第二隔离开关、双向晶闸管、旁路开关、LCL滤波器、三相逆变器和能量储存系统；外部的电网、第一隔离开关、双向晶闸管、第二隔离开关和外部的负荷依次连接；旁路开关设置于第一连接点与第二连接点之间；其中，电网和第一隔离开关通过第一连接点连接，双向晶闸管和第二隔离开关通过第二连接点连接；第二连接点、LCL滤波器、三相逆变器和能量储存系统依次连接；三相逆变器采用三电平二极管箝位型拓扑。可以降低电路谐波和纹波电流，减小需要的输出电感和滤波电容大小，降低纹波电流带来的损耗。

Description

工业用户侧多功能电化学储能系统与运行控制方法
技术领域
本发明涉及储能技术领域，尤其是涉及一种工业用户侧多功能电化学储能系统与运行控制方法。
背景技术
随着现代电网技术的发展，储能技术逐渐被引入到电力系统中，由于其兼具电源与负荷的双重特性，既能通过在时间尺度上转移负荷来降低用户购电成本，也可以与光伏发电相结合，调节光伏出力，改善弃光问题。同时，储能系统也能够参与电能质量治理，通过储能系统提供有功功率、向电网注入功率等功能，解决电网中的电压暂降、谐波、电压不平衡等问题。目前，用户侧储能面向工业生产等应用场景已经得到了大规模应用。
然而，现有的基于储能的并联型电压暂降治理系统中，用户侧储能系统的功能较为单一，无法满足工业用户的多元用电需求；储能系统在投入电能质量治理、削峰填谷等应用时，频繁充放电缩短了电池使用寿命；大容量电化学储能系统在应用中存在能量均衡问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种工业用户侧多功能电化学储能系统与运行控制方法，以减少电压谐波和纹波电流，从而减小了所需要的输出电感和滤波电容大小，降低了纹波电流带来的损耗，治理电压暂降、谐波、三相不平衡等电能质量问题，提供无功补偿，并通过储能系统的模式切换实现削峰填谷的功能。
第一方面，本发明实施例提供了一种电化学储能系统，电化学储能系统的工作模式包括：电压质量治理模式、电流质量治理模式、充放电模式和待机模式；电化学储能系统包括：第一隔离开关、第二隔离开关、双向晶闸管、旁路开关、LCL滤波器、三相逆变器和能量储存系统；外部的电网、第一隔离开关、双向晶闸管、第二隔离开关和外部的负荷依次连接；旁路开关设置于第一连接点与第二连接点之间；其中，电网和第一隔离开关通过第一连接点连接，双向晶闸管和第二隔离开关通过第二连接点连接；第二连接点、LCL滤波器、三相逆变器和能量储存系统依次连接；三相逆变器采三电平二极管箝位型拓扑。
在本申请较佳的实施例中，上述能量储存系统为磷酸铁锂电池的储能系统，能量储存系统包括：电池簇和电池管理系统；其中，电池簇包括电池组和开关盒，电池组包括多个串联或并联的单体电池。
在本申请较佳的实施例中，上述电池管理系统包括：电池模组管理单元、电池簇管理单元和电池阵列管理单元；电池模组管理单元用于采集电池组的电芯数据，基于电芯数据确定电池组的基本状态，并基于电池组的基础状态控制电池组；电池簇管理单元用于获取多个电池模组管理单元发送的数据，基于多个电池模组管理单元发送的数据生成电池簇的数据，基于电池簇的数据确定电池簇的基本状态，并基于电池簇的基础状态控制电池簇；电池阵列管理单元用于获取多个电池簇管理单元发送的数据，基于多个电池簇管理单元发送的数据生成能量储存系统的数据，基于能量储存系统的数据确定电化学储能系统的基础状态，并基于能量储存系统的基础状态控制电化学储能系统。
第二方面，本发明实施例还提供一种工业用户侧多功能电化学储能系统的控制方法，应用于上述的电化学储能系统；方法包括：确定电化学储能系统的工作模式；电化学储能系统的工作模式包括：电压质量治理模式、电流质量治理模式、充放电模式和待机模式；如果工作模式为电压质量治理模式，断开电化学储能系统的旁路开关，电化学储能系统中的能量储存系统通过三相逆变器向外部的负荷供电；如果工作模式为电流质量治理模式，保持旁路开关正向导通，外部的电网向负荷供电，并且，能量储存系统中的部分电池组通过三相逆变器向负荷输入补偿电流；如果工作模式为充放电模式，通过能量储存系统的电池管理系统均衡各个电池簇和电池组之间的能量，并且计算分析电池的荷电状态和健康状态；如果工作模式为待机模式，将能量储存系统中的部分开关盒断开，以使能量储存系统与电网无功率切换。
在本申请较佳的实施例中，上述电化学储能系统中的能量储存系统通过三相逆变器向外部的负荷供电的步骤，包括：电化学储能系统中的能量储存系统输出直流电；三相逆变器将直流电转化为交流电，通过交流电为外部的负荷供电。
在本申请较佳的实施例中，上述能量储存系统中的部分电池组通过三相逆变器向负荷输入补偿电流的步骤，包括：确定能量储存系统中的各个电池簇的健康状态数值；基于健康状态数值确定目标电池簇；目标电池簇通过三相逆变器向负荷输入补偿电流。
在本申请较佳的实施例中，上述定电化学储能系统的工作模式的步骤，包括：采集电网的电压数据和电流数据；基于电网的电压数据和电流数据确定电化学储能系统的工作模式。
在本申请较佳的实施例中，上述基于电网的电压数据和电流数据确定电化学储能系统的工作模式的步骤，包括：判断电压数据是否大于预先设置的电压阈值；如果电压数据大于电压阈值，确定电化学储能系统的工作模式为电压质量治理模式；如果电压数据小于或等于电压阈值，判断电流数据是否大于预先设置的电流阈值；如果电流数据大于电流阈值，确定电化学储能系统的工作模式为电流质量治理模式；如果电流数据小于或等于电流阈值，确定电化学储能系统的工作模式为充放电模式或待机模式。
在本申请较佳的实施例中，上述方法还包括：基于开路电压法和/或安时积分法确定能量储存系统的荷电状态。
在本申请较佳的实施例中，上述方法还包括：获取用户的年度负荷数据，基于年度负荷数据和预先设定的权重值确定用户的典型负荷曲线；基于典型负荷曲线构建能量储存系统进行容量配置的目标函数和约束条件；基于目标函数和约束条件确定能量储存系统的容量配置结果。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明实施例提供的一种工业用户侧多功能电化学储能系统与运行控制方法，包括：第一隔离开关、第二隔离开关、双向晶闸管、旁路开关、LCL滤波器、三相逆变器和能量储存系统，三相逆变器采用三相四线制三电平三桥臂拓扑，可以降低电路谐波和纹波电流，减小需要的输出电感和滤波电容大小，降低纹波电流带来的损耗。
本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。
为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种并联型电压暂降治理装置的拓扑结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种工业用户侧多功能电化学储能系统的主电路拓扑的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种能量储存系统的拓扑的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种工业用户侧多功能电化学储能系统的控制方法的流程图；
图5为本发明实施例提供的一种电压质量治理控制策略的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种电流质量治理控制策略的示意图；
图7为本发明实施例提供的一种充放电模式控制策略的示意图；
图8为本发明实施例提供的一种充放电模式与待机模式切换的控制策略的示意图；
图9为本发明实施例提供的一种储能系统工作模式切换方式的示意图；
图10为本发明实施例提供的一种电压质量检测的示意图；
图11为本发明实施例提供的一种电流质量检测的示意图；
图12为本发明实施例提供的一种储能系统的配置方法的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，用户侧储能面向工业生产等应用场景已经得到了大规模应用。参见图1所示的一种并联型电压暂降治理装置的拓扑结构示意图，图1示出了基于储能的并联型电压暂降治理系统，该系统包括：第一隔离开关、双向晶闸管、第二隔离开关、DC-AC双向换流器和能量储存系统。电网和第一隔离开关间的连接点与双向晶闸管和第二隔离开关间的连接点之间连接有旁路开关。并联型电压暂降治理系统并入双向晶闸管和第二隔离开关间的连接点。治理系统依赖双向变流器控制器实现电压暂降治理，控制器根据电网运行状态控制双向变流器，改变储能系统运行状态，实现储能系统与市电的无缝切换，提高敏感用户的电能质量。
然而，图1示出的系统存在下述问题：
（1）现有用户侧储能系统的功能较为单一，无法满足工业用户的多元用电需求。
（2）储能系统在投入电能质量治理、削峰填谷等应用时，频繁充放电缩短了电池使用寿命。
（3）大容量电化学储能系统在应用中的能量均衡问题。
目前利用储能系统进行电能质量治理或削峰填谷中时，普遍功能较为单一。另外，部分工业用户安装了光伏发电系统，而光伏出力受天气影响大，具有较强的不可控性，一般仅在白天或者午间发电，夜晚的耗电量较大，因此可以利用储能将白天发的电储存起来，提升自身光伏发电量的使用率。
基于此，为了满足工业用户多元用电需求，本发明实施例提供的一种工业用户侧多功能电化学储能系统与运行控制方法，具体提供了一种工业用户侧的多功能电化学储能系统的设计与运行控制方法。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种电化学储能系统进行详细介绍。
实施例一：
本发明实施例提供一种电化学储能系统，电化学储能系统的工作模式包括：电压质量治理模式、电流质量治理模式、充放电模式和待机模式。参见图2所示的一种工业用户侧多功能电化学储能系统的主电路拓扑的示意图，该电化学储能系统包括：第一隔离开关、第二隔离开关、双向晶闸管、旁路开关、LCL滤波器、三相逆变器和能量储存系统；
外部的电网、第一隔离开关、双向晶闸管、第二隔离开关和外部的负荷依次连接；旁路开关设置于第一连接点与第二连接点之间；其中，电网和第一隔离开关通过第一连接点连接，双向晶闸管和第二隔离开关通过第二连接点连接；第二连接点、LCL滤波器、三相逆变器和能量储存系统依次连接；三相逆变器采用三电平二极管箝位型拓扑。
隔离开关是一种主要用于隔离电源、倒闸操作、用以连通和切断小电流电路、无灭弧功能的开关器件。旁路开关是一种跨接在一个或多个换流桥直流端子间的开关装置。
双向晶闸管是由N-P-N-P-N五层半导体材料制成的，对外引出三个电极。双向晶闸管相当于两个单向晶闸管的反向并联，但只有一个控制极。只要在它的控制极上加上一个触发脉冲，无论脉冲的极性如何，均可实现双向晶闸管的导通。
LCL滤波器是一种常见的无源滤波器，头部是一组电感与三相逆变器串联，中间部分则并联一组电容，尾部串联一组电感后并联接入电网，能够起到较好地谐波滤除效果。
本实施例的三相逆变器可以采用三电平二极管箝位型拓扑，即三相四线制三电平三桥臂拓扑，从而获得比两电平电路谐波含量更少的输出电压谐波。另外，这种电路输出的纹波电流也更小，从而减小了所需要的输出电感和滤波电容大小，降低了纹波电流带来的损耗。该装置可以治理电压暂降、谐波、三相不平衡等电能质量问题，提供无功补偿，并通过储能系统的模式切换实现削峰填谷的功能。
本发明实施例提供的一种电化学储能系统，包括：第一隔离开关、第二隔离开关、双向晶闸管、旁路开关、LCL滤波器、三相逆变器和能量储存系统，三相逆变器采用三相四线制三电平三桥臂拓扑，可以降低电路谐波和纹波电流，减小需要的输出电感和滤波电容大小，降低纹波电流带来的损耗。
实施例二：
本实施例提供了一种电化学储能系统，在上述实施例的基础上实现，本实施例中的能量储存系统为磷酸铁锂电池的储能系统，参加图3所示的一种能量储存系统的拓扑的示意图，该能量储存系统包括：电池簇和电池管理系统；其中，电池簇包括电池组和开关盒，电池组包括多个串联或并联的单体电池；其中，电池簇包括电池组和开关盒，电池组包括多个串联或并联的单体电池。
多个单体电池经串联或并联后组成电池组，电池组的两端与DC-DC双向变换器输入端相连后，变换器输出端正负极之间相并联，与开关盒构成一个电池簇，多个电池簇并联后构成储能系统接入三相逆变器直流侧为工业用户供电。
如图3所示，电池管理系统包括：电池模组管理单元、电池簇管理单元和电池阵列管理单元；电池模组管理单元用于采集电池组的电芯数据，基于电芯数据确定电池组的基本状态，并基于电池组的基础状态控制电池组；电池簇管理单元用于获取多个电池模组管理单元发送的数据，基于多个电池模组管理单元发送的数据生成电池簇的数据，基于电池簇的数据确定电池簇的基本状态，并基于电池簇的基础状态控制电池簇；电池阵列管理单元用于获取多个电池簇管理单元发送的数据，基于多个电池簇管理单元发送的数据生成能量储存系统整体的数据，基于能量储存系统的数据确定储能系统的基础状态，并基于能量储存系统的基础状态控制电化学储能系统。
本实施例的储能系统的电池管理系统采用电池模组管理单元、电池簇管理单元、电池阵列管理单元的三级设计，这种三级电池管理系统的设计从最大程度上实现了电池之间的均衡管理和过充过放保护，延长磷酸铁锂能量储存系统整体的使用寿命。
其中，电池模组管理单元主要负责对电池模组的电芯数据进行采集，并进行基本的状态判断与告警生成，提供给上级参考使用。并具备双向主动均衡技术，可在上级管理单元离线情况下根据电池状态自行调节均衡电流，保证系统安全，维持电池一致性，提高系统使用率。
电池簇管理单元则主要控制管理整个电池簇的信息，采集电池簇总电压、电流和温度，收集单体电池的信息，对电池组出现的异常进行报警和保护。能根据安全处理规则的要求对电池组进行保护，确保电池系统的安全、稳定运行，当电池严重过压、欠压、过流（短路）、漏电（绝缘）等异常故障情况出现时，电池组控制管理单元能控制整组电池的开断，避免电池过充、过放和过流。此外，电池簇管理单元可评估本组所有单体电池的电压健康状态，生成充放电均衡列表，按优先级下发至下级电池模组管理单元进行该电池的均衡操作。
电池阵列管理单元是电池管理系统中的主控单元。负责与下级N组电池簇管理单元进行通信，具备整个能量储存系统数据的汇总与分析，数据的上传与本地显示，故障诊断与系统保护，设备的唤醒与休眠等基础功能；同时具备自动标定，绝缘逻辑制定，动力环境系统接入，PCS（Power Conversion System，储能变流器）功率限定，热管理策略制定等高级功能。
实施例三：
本实施例提供了一种电化学储能系统的控制方法，应用于上述的电化学储能系统，该方法在上述实施例的基础上实现，参见图4所示的一种工业用户侧多功能电化学储能系统的控制方法的流程图，该电化学储能系统的控制方法包括如下步骤：
步骤S402，确定电化学储能系统的工作模式；电化学储能系统的工作模式包括：电压质量治理模式、电流质量治理模式、充放电模式和待机模式。
为了充分发挥磷酸铁锂电池储能的优势，有效提升扰动事件下储能的动态响应能力和稳态功率支撑能力，并延长电池使用寿命。根据用户多元用电需求，该电化学储能系统应具备多种工作模式，具体分为以下四类：电压质量治理模式、电流质量治理模式、充放电模式、待机模式。
步骤S404，如果工作模式为电压质量治理模式，断开电化学储能系统的旁路开关，电化学储能系统中的能量储存系统通过三相逆变器向外部的负荷供电。
具体地，电化学储能系统中的能量储存系统输出直流电；三相逆变器将直流电转化为交流电，通过交流电为外部的负荷供电。
当储能系统检测到电网发生幅值低于90%的电压暂降或大于110%的电压暂升时，旁路开关断开，由储能系统通过逆变电路向敏感负荷供电，双向晶闸管被强迫关断。此时，整个储能系统参与电压暂降治理，逆变器直流侧电压通过三相逆变器将直流电变为交流电，给敏感负荷供电。
参见图5所示的一种电压质量治理控制策略的示意图，保证储能系统输出与电压暂降/暂升发生前电网电压一致的三相电压波形，向敏感负荷提供功率支撑。
如图5所示，可以采用电压电流双闭环控制策略以提高控制精度，首先将派克变换后的负载侧电压uL_abc与负载侧参考电压dq轴分量进行比较，比较所得到的差值经PI（Proportional Integral，比例和积分）调节器可得电流参考值。电流参考值与治理装置实际输出电流iL_abc的dq轴分量经PI控制器构成闭环。通过电流内环控制输出的指令电流信号和PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）调制输出脉冲信号控制逆变器晶闸管的通断，达到控制储能输出三相电压的目的。
步骤S406，如果工作模式为电流质量治理模式，保持旁路开关正向导通，外部的电网向负荷供电，并且，能量储存系统中的部分电池组通过三相逆变器向负荷输入补偿电流。
当储能系统检测到电网存在较大的谐波、无功功率缺额或三相不平衡问题时，依然保持旁路开关正向导通，由电网直接给敏感负荷供电。与此同时，由于无功补偿、谐波或三相不平衡治理所需的视在功率不大，故仅需部分电池簇参与治理，经逆变器向电网注入补偿电流，此时，储能系统处于电流质量治理模式。
参见图6所示的一种电流质量治理控制策略的示意图，储能系统主要对负载侧电流iL_abc、逆变器直流侧电压UDC的变化进行监测。首先将派克变换后的负载侧电流进行低通滤波得到dq坐标下的直流分量，若将其进行派克逆变换则可得到负载电流中的基波分量。由于在治理的同时，需要保证逆变器直流侧电容两端的电压稳定，故储能系统直流侧电容电压也需要通过负载电流d轴分量上的PI调节器一同进行调节。最后，将负载电流减去派克逆变换后的电流基波分量及直流电容电压对应PI控制器输出，得到储能系统在电流质量治理模式下的指令电流信号。进而通过PI调节器和PWM调制即可得到调制信号，驱动逆变器产生相应的电流补偿量，实现谐波治理、无功补偿、三相不平衡治理。
具体地，确定能量储存系统中的各个电池簇的健康状态数值；基于健康状态数值确定目标电池簇；目标电池簇通过三相逆变器向负荷输入补偿电流。
在治理电流质量问题时，由于仅需要部分电池组参与，为了延缓电池寿命衰退、提高储能系统的使用年限，在设置令n组电池簇轮流参与治理的基础上，还需要进一步考虑电池簇整体的健康状态，从而确定需要参与电流质量问题治理的电池簇充/放电优先级。
电池健康状态（SOH）的定义可以表述为电池从充满电状态以额定倍率放电至截至电压所发出的电量与电池标称容量的比值，如下式所示：
Figure M_220602155745576_576710001
；式中，CA为实际测量的电池容量；CN为新电池的标称放电容量。
在得到电池的SOH后，为了使SOH较低的电池簇维持较高的SOC水平并尽可能少参与充放电，需要根据充/放电的排序判据确定各电池簇参与电流质量问题治理的优先级。
充/放电排序判据的计算方式为：
Figure P_220602155745654_654878001
。
式中，SOCi(t)为电池簇i在时段t起始时刻SOC，SOCref为新电池簇的SOC参考值，SOCi_adjust为电池簇i的修正参考值，SOHi为电池簇i健康状态；
Figure SYM_220602155745001
i的绝对值越小，则越优先参与电流质量问题的治理。
步骤S408，如果工作模式为充放电模式，通过能量储存系统的电池管理系统均衡各个电池簇和电池组之间的能量，并且计算分析电池的荷电状态和健康状态。
对于充放电模式，可以分为两种工况，一种工况为储能系统完成电能质量问题的治理后，从电压质量治理模式或电流质量治理模式切换进入充放电模式，并依靠电池管理系统均衡各个电池簇、电池组之间的能量、计算分析电池的荷电状态、健康状态，以应对下一次扰动。另一种为储能系统按照时段以及光伏发电的实际情况执行充放电策略，且能够根据实际情况在充电模式和放电模式间切换。例如，在白天电网处于用电高峰期时，若白天光伏发出电能较多，光伏发电在满足用户用电需求的同时，也会给储能系统充电，直到光伏出力低时再将电能释放出来，此时用户将不需要通过电网购入电量，帮助工业用充分利用光伏所发出的电能，降低工业用户用电成本。
参见图7所示一种充放电模式控制策略的示意图，在恒流充放电控制策略中，逆变器直流侧电压视作恒定不变的，以直流侧电流作为双闭环控制的外环，首先假定由电池向外输出恒定的功率为正方向，对电池输出的电流IDC采样，与电池参考电流做比较后经PI调节器得到电流参考值。逆变器输出电流的参考值与实际输出电流ib_abc的dq轴分量经PI控制器构成闭环生成指令电压信号。另外，为了在充放电的过程中维持交流电网电压稳定，用户负荷与储能系统的并网点电压uL_abc作为内环输入经派克变换与电流外环输出相加生成指令信号。最后，通过调制SPWM的脉冲控制信号控制桥式电路中IGBT（Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）的通断，实现储能逆变器直流侧恒流控制。
步骤S410，如果工作模式为待机模式，将能量储存系统中的部分开关盒断开，以使能量储存系统与电网无功率切换。
若光伏发电输出的有功功率能够满足用户负荷有功功率需求，或储能系统的荷电状态经充放电后已经达到上限、下限时，电池管理系统将控制大部分开关盒断开，使电池与电网之间无功率交换，仅保留部分电池簇始终与系统相连，以快速响应下一次扰动，而电池模组管理单元将开始应用开路电压法估计其余电池簇中各电池组的SOC值，并根据电池状态自行调节均衡电池电量，此时整个储能系统处于待机模式。
参见图8所示一种充放电模式与待机模式切换的控制策略的示意图，可以通过设定合适的光伏发电输出功率阈值，使储能系统不会频繁地在充放电模式和待机模式之间切换，避免频繁充放电对电池寿命的影响。
为了保证主电路能够运行在正确的模式下，储能系统应基于合适的扰动计算方法进入不同的运行模式，执行对应模式下的控制策略，实现多模式协同运行。本实施例可以采集电网的电压数据和电流数据；基于电网的电压数据和电流数据确定电化学储能系统的工作模式。
具体地，本实施例可以判断电压数据是否大于预先设置的电压阈值；如果电压数据大于电压阈值，确定电化学储能系统的工作模式为电压质量治理模式；如果电压数据小于或等于电压阈值，判断电流数据是否大于预先设置的电流阈值；如果电流数据大于电流阈值，确定电化学储能系统的工作模式为电流质量治理模式；如果电流数据小于或等于电流阈值，确定电化学储能系统的工作模式为充放电模式或待机模式。
扰动计算主要分为两个部分，电压质量检测和电流质量检测，并且按照先解决电压质量问题，再解决电流质量问题的顺序进行工作模式的切换，若此时不存在电能质量问题，则将装置切换为充放电模式或待机模式，可以参见图9所示的一种储能系统工作模式切换方式的示意图。
参见图10所示的一种电压质量检测的示意图，将网侧三相电压us_abc经派克变换后得到其电压幅值的大小，通过给此电压幅值设立阈值来判断是否电网发生电压暂降或电压暂升。若电压质量符合要求，则检测电流质量。
参见图11所示的一种电流质量检测的示意图，网侧三相电流is_abc经派克变换后可以得到负序电流幅值，用于判断是否需要储能系统输出相应的补偿量以提高线路功率因数或治理三相不平衡问题。另外将经过低通滤波得到的d轴电流分量经过派克逆变换与网侧电流做差，可以得到网侧电流的谐波分量，谐波分量与电流基波相比较，则可判断用于判断谐波电流含有率是否超标。若谐波电流、无功电流均满足要求，则令储能系统运行在充放电模式或待机模式下。
对于电池管理系统，本实施例可以基于开路电压法和/或安时积分法确定能量储存系统的荷电状态。
电池管理系统的一个重要功能就是对锂电池荷电状态的估计，准确估计SOC（荷电状态）值可以为电池之间的均衡管理和过充过放保护控制提供依据，延长锂电池组的整体的使用寿命。在实际工程应用中，采用开路电压法与安时积分法相结合的方式，能够在整个充放电过程对电池储能的SOC值实现较为准确的估算。
开路电压法是基于开路电压(OCV)和SOC之间的函数关系，又被称为OCV-SOC特性曲线法。电池静置较长时间后，其内部的极化效应可以近似忽略，电池处于平衡状态，可以认为此时开路电压近似为电动势。而此时测得的电池开路电压即可对应获得当前状态下电池的SOC值。该方法优势是估算精度高，不足是需要很长的静置时间才能获得较为准确的开路电压。
安时积分法则是根据采样电流估算电池容量，该方法基于SOC的定义计算求解，计算方法如下式所示：
Figure P_220602155745686_686133001
；
式中，SOC(t0)为电池的初始SOC值，Q0为电池对应的可用容量，η为充放电效率，i为充放电电流，在时间上对其积分即可得到充放电过程中电量的变化量，此计算结果与Q0的比值通过与初始荷电状态做差就可以得到当前荷电状态。
安时积分法的优势在于方法简单、估计成本低，不足之处在于测量的充放电电流存在误差，用于估计的过程中累计误差会越来越大，最终导致计算结果不可靠。故该方法很少单独使用，需要与其他方法联合估算SOC值，如开路电压法。其中，电池SOC初值的标定通过开路电压法完成，在电池充放电期间的SOC值，由安时积分法负责计算求解，从而实现电池在整个使用过程中均可较为准确的估算锂电池荷电状态。
对于储能系统的配置方法，本实施例可以获取用户的年度负荷数据，基于年度负荷数据和预先设定的权重值确定用户的典型负荷曲线；基于典型负荷曲线构建能量储存系统进行容量配置的目标函数和约束条件；基于目标函数和约束条件确定能量储存系统的容量配置结果。
参见图12所示的一种储能系统的配置方法的示意图，其中，关于用户典型日负荷功率曲线的提取，可以将日发电量作为年度典型负荷曲线中该日的权值，对年度负荷数据进行加权平均得到典型日负荷功率曲线，首先统计第i天的发电量Qi和该年总发电量Q：
Figure P_220602155745717_717343001
。
式中，Δt为采样时间间隔。基于加权平均法则可以得到用户在第j个时间点的典型负荷数据
Figure M_220602155745750_750510001
为:
Figure P_220602155745797_797912001
。
关于目标函数的构建，在接入储能系统后，根据得到的日负荷功率特性曲线，以电网输入功率的方差最小为目标构建目标函数：
Figure P_220602155745829_829199001
。
其中，P(j)为接入储能系统后电网需要输入的功率，通过负荷功率
Figure M_220602155745860_860404001
与储能系统输出功率Pstore(j)做差得到，即：
Figure P_220602155745891_891671001
。
Paverage由电网需要输入的功率P(j)的平均值得到，即：
Figure P_220602155745922_922901001
。
关于储能系统容量配置，储能系统容量大小直接与系统整体成本相关，一般以考察时间内所需的充放电量总和作为其额定容量，具体计算如下式所示：
Figure P_220602155745938_938564001
。
式中，t0为最大充/放电量开始时刻，t0+nΔt为最大充/放电结束时刻。
关于约束条件分析，功率平衡约束PS=Pload-Pstore，式中，PS为电网输入功率，Pload和Pstore分别为某一时刻的负荷功率和储能系统输出功率。储能系统充放电功率约束：
Figure P_220602155745972_972256001
。
储能系统日充放电平衡约束：
Figure P_220602155746003_003968001
。
储能荷电状态约束：
Figure P_220602155746066_066491001
。
式中，SOCmin和SOCmax分别为储能荷电状态的下限和上限。
本发明实施例提供的上述方法，提供了改进的多功能电化学储能系统拓扑结构：储能系统的三相逆变器采用三相四线制三电平三桥臂拓扑，该拓扑相比两电平电路输出电压的谐波含量更少。另外，这种电路输出的纹波电流也更小，从而减小了所需要的输出电感和滤波电容大小，降低了纹波电流带来的损耗；
本发明实施例提供的上述方法，储能系统可以在不同工况下的运行模式：从工业用户的多元用电需求出发，设计了电压质量治理模式、电流质量治理模式、充放电模式和待机模式及其对应的控制策略，实现了储能系统的多功能应用并延长了锂电池的使用寿命；
本发明实施例提供的上述方法，基于扰动计算提出了满足不同类型用电需求的多模式协同运行控制方法：分别通过检测电压质量和电流质量的方法，令储能系统主电路能够运行在正确的模式下，并且按照先解决电压质量问题，再解决电流质量问题的顺序进行工作模式的切换，若不存在电能质量问题，储能装置则处于充放电模式或待机模式。
该方式中，满足工业用户电压暂降、谐波、三相不平衡等电能质量问题的治理需求和削峰填谷需求。该方式中，根据电池健康状态确定了电池的充放电优先级，令电池簇轮流参与电流质量问题治理，延长了磷酸铁锂电池的使用寿命。该方式中，储能系统能够与光伏发电系统相配合，在光照充足时光伏发电系统给负载供电的同时给储能系统充电。光照强度不足时则主要通过储能系统向负载供电，降低了用户对电网的依赖，有效节省了用户电费支出。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种工业用户侧多功能电化学储能系统，其特征在于，所述电化学储能系统的工作模式包括：电压质量治理模式、电流质量治理模式、充放电模式和待机模式；
如果所述工作模式为所述充放电模式，通过能量储存系统的电池管理系统均衡各个电池簇和电池组之间的能量，并且计算分析电池的荷电状态和健康状态；同时，通过所述充放电模式与外部的电网进行电量交换；
如果所述工作模式为所述电流质量治理模式，确定所述能量储存系统中的各个电池簇的健康状态数值；基于所述健康状态数值确定目标电池簇；所述目标电池簇通过三相逆变器基于派克逆变换产生的电流补偿量向负荷输入补偿电流；
如果所述工作模式为所述充放电模式或所述电压质量治理模式，实际输出电流经过派克变换后，基于滤波器电感得到电压补偿分量，基于所述电压补偿分量进行充放电或电压质量治理；所述电化学储能系统包括：第一隔离开关、第二隔离开关、双向晶闸管、旁路开关、LCL滤波器、三相逆变器和能量储存系统；
外部的电网、所述第一隔离开关、所述双向晶闸管、所述第二隔离开关和外部的负荷依次连接；
所述旁路开关设置于第一连接点与第二连接点之间；其中，所述电网和所述第一隔离开关通过所述第一连接点连接，所述双向晶闸管和所述第二隔离开关通过所述第二连接点连接；
所述第二连接点、所述LCL滤波器、所述三相逆变器和所述能量储存系统依次连接；
所述三相逆变器采用三电平二极管箝位型拓扑。
2.根据权利要求1所述的电化学储能系统，其特征在于，所述能量储存系统为磷酸铁锂电池的储能系统，所述能量储存系统包括：电池簇和电池管理系统；
其中，所述电池簇包括电池组和开关盒，所述电池组包括多个串联或并联的单体电池。
3.根据权利要求2所述的电化学储能系统，其特征在于，所述电池管理系统包括：电池模组管理单元、电池簇管理单元和电池阵列管理单元；
所述电池模组管理单元用于采集所述电池组的电芯数据，基于所述电芯数据确定所述电池组的基础状态，并基于所述电池组的基础状态控制所述电池组；
所述电池簇管理单元用于获取多个所述电池模组管理单元发送的数据，基于多个所述电池模组管理单元发送的数据生成所述电池簇的数据，基于所述电池簇的数据确定所述电池簇的基础状态，并基于所述电池簇的基础状态控制所述电池簇；
所述电池阵列管理单元用于获取多个所述电池簇管理单元发送的数据，基于多个所述电池簇管理单元发送的数据生成所述能量储存系统的数据，基于所述能量储存系统的数据确定所述电化学储能系统的基础状态，并基于所述能量储存系统的基础状态控制所述电化学储能系统。
4.一种工业用户侧多功能电化学储能系统的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-3任一项所述的电化学储能系统；所述方法包括：
确定所述电化学储能系统的工作模式；所述电化学储能系统的工作模式包括：电压质量治理模式、电流质量治理模式、充放电模式和待机模式；
如果所述工作模式为所述电压质量治理模式，断开所述电化学储能系统的旁路开关，所述电化学储能系统中的能量储存系统通过三相逆变器向外部的负荷供电；
如果所述工作模式为所述电流质量治理模式，保持所述旁路开关正向导通，外部的电网向所述负荷供电，并且，所述能量储存系统中的部分电池组通过所述三相逆变器向所述负荷输入补偿电流；
如果所述工作模式为所述充放电模式，通过所述能量储存系统的电池管理系统均衡各个电池簇和电池组之间的能量，并且计算分析电池的荷电状态和健康状态；同时，通过所述充放电模式与外部的电网进行电量交换；
如果所述工作模式为所述待机模式，将所述能量储存系统中的部分开关盒断开，以使所述能量储存系统与所述电网无功率切换；
所述能量储存系统中的部分电池组通过所述三相逆变器向所述负荷输入补偿电流的步骤，包括：确定所述能量储存系统中的各个电池簇的健康状态数值；基于所述健康状态数值确定目标电池簇；所述目标电池簇通过所述三相逆变器基于派克逆变换产生的电流补偿量向所述负荷输入补偿电流；
如果所述工作模式为所述充放电模式或所述电压质量治理模式，实际输出电流经过派克变换后，基于滤波器电感得到电压补偿分量，基于所述电压补偿分量进行充放电或电压质量治理。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电化学储能系统中的能量储存系统通过三相逆变器向外部的负荷供电的步骤，包括：
所述电化学储能系统中的能量储存系统输出直流电；
三相逆变器将所述直流电转化为交流电，通过所述交流电为外部的负荷供电。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，确定所述电化学储能系统的工作模式的步骤，包括：
采集所述电网的电压数据和电流数据；
基于所述电网的电压数据和电流数据确定所述电化学储能系统的工作模式。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基于所述电网的电压数据和电流数据确定所述电化学储能系统的工作模式的步骤，包括：
判断所述电压数据是否大于预先设置的电压阈值；
如果所述电压数据大于所述电压阈值，确定所述电化学储能系统的工作模式为电压质量治理模式；
如果所述电压数据小于或等于所述电压阈值，判断所述电流数据是否大于预先设置的电流阈值；
如果所述电流数据大于所述电流阈值，确定所述电化学储能系统的工作模式为电流质量治理模式；
如果所述电流数据小于或等于所述电流阈值，确定所述电化学储能系统的工作模式为所述充放电模式或所述待机模式。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于开路电压法和/或安时积分法确定所述能量储存系统的荷电状态。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取用户的年度负荷数据，基于所述年度负荷数据和预先设定的权重值确定所述用户的典型负荷曲线；
基于所述典型负荷曲线构建所述能量储存系统进行容量配置的目标函数和约束条件；
基于所述目标函数和所述约束条件确定所述能量储存系统的容量配置结果。
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