CN114976170B - 一种分布式全钒液流电池储能系统及调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式全钒液流电池储能系统，包括：分布式储能系统集控中心，下发功率指令曲线，进行高频和低频滤波分解，分离出低频功率曲线和高频功率曲线；基本常备储能站点，根据分离出的低频功率曲线输出低频功率；可调功率运行站点，根据分离出的高频功率曲线输出高频功率；所述可调功率运行站点包括若干储能站点，各储能站点的功率按照1:2:……:2n的方式进行分配。本发明将储能系统的功率曲线分解成高频和低频功率需求，再利用电堆模块的不同功率配置比，响应从低到高的不同功率需求，提高储能系统响应速度，使全钒液流电池储能系统适应调频、调峰或平抑电网波动等实时性要求较高的场合。
Description
技术领域
本发明涉及电力储能技术领域，具体涉及一种分布式全钒液流电池储能系统及调度方法。
背景技术
全钒液流电池储能系统的电池介质为电解质水溶液，安全性高、不会发生燃烧和爆炸，是它区别于其它电化学储能的最大优势，同时它基本不受地理条件限制，既适合发电侧大规模储能，又适用于城市社区微网应用。钒电池储能系统集成技术日臻完善，钒电池储能系统的商业使用也越来越备受青睐。
大功率全钒液流电池一般由功率相同的电堆模块拼装组成，2MW全钒液流电池由8组250KW电堆模块组成；例如20MW全钒液流电池系统由80组250KW电堆模块构成；一旦储能系统总的需求功率一定，整个储能系统或储能电站都采用同一种电堆模块，功率选择灵活不高。由于全钒液流电池系统与其它电池不同，它需要一组液流泵，为电解液的循环提供动力，而全钒液流电池系统为了提高响应速度，液流泵绝大多数情况工作在额定功率(即全速运行状态)，消耗了大量的电能，使得电池系统的整体的效率降低，即使近期出现了以变频方式降低液流泵损耗的方法，但是液流泵的惯性很大，仍然无法解决功率响应慢的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的由于液流泵损耗大导致整个系统效率偏低的问题；解决电堆功率的置配单一，造成的容量浪费的问题；解决液流泵变频调速降低损耗而不能克服功率响应速度慢的问题。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种分布式全钒液流电池储能系统，包括：
分布式储能系统集控中心，下发功率指令曲线，进行高频和低频滤波分解，分离出低频功率曲线和高频功率曲线；
基本常备储能站点，根据分离出的低频功率曲线输出低频功率；
可调功率运行站点，根据分离出的高频功率曲线输出高频功率；所述可调功率运行站点包括若干储能站点，各储能站点的功率按照1:2:……:2n的方式进行分配，所有组成可调功率运行站点的储能站点的总功率值与高频功率幅值相等；该具体分配方式为：设定最小功率单位；当高频功率幅值不大于7倍最小功率单位时，n取值为2，可调功率运行站点以1:2:4的功率配比方式分配为3个储能站点；当高频功率幅值大于7倍最小功率单位但不大于15倍最小功率单位时，n取值为3，可调功率运行站点以1:2:4:8的功率配比方式分配为4个储能站点；当高频功率幅值大于15倍最小功率单位但不大于31倍最小功率单位时，n取值为4，可调功率运行站点以1:2:4:8:16的功率配比方式分配为5个储能站点。
上述最小功率单位可设定为100KW。
每个储能站点内都包含独立的液流泵、变流器和电堆模块，每个站点的电堆模块配置成唯一的功率。以一个最大输出功率1MW的储能系统为例：依据分布式储能集控中心下发的功率指令曲线(指令)，进高频和低频滤波分解，分离出的低频功率曲线(指令)交由基本常备储能站点输出低频功率，分离出的高频功率曲线(指令)交由可调功率运行站点输出高频功率，由于输出高频功率曲线的随机性较大，跳动幅度大，对储能系统的实时性要求较高，假设分离出的低频功率幅值为300kW，分离出的高频功率幅为700kW，那么我们将整个系统分解成一个300kW基本常备储能站点和一个700kW可调功率运行站点，并将可调功率运行站点的最小功率单位设定为100KW。则此时可调功率运行站点按功率配比1：2：4配置成100kW、200kW、400kW的分布式储能站点，每个分布式的储能站点都可以接受分布式储能系统集控中心的调度，能够启动或停止变流器和液流泵的工作，同时分布式储能系统集控中心接受上层功率调度指令，使得整个系统能够快速响应从0至全功率的需求。
此外，以高频功率需求幅值接近1.5MW的可调功率运行站点为例，n取值3，储能站点分组数为4组，功率分别为100KW、200KW、400KW及800KW。该分配方式可以使系统热备用功率取到100kW、200kW、300kW、400kW、500kW、600kW、700kW、800kW、900kW、1000kW、1100kW、1200kW、1300kW、1400kW、1500kW中任何功率值，并且组合方式唯一。
本发明还提供了一种分布式全钒液流电池储能系统调度方法，该方法适用于调频、调峰或平抑电网波动，对储能的功率响应速度要求很高的场合。将调度需求的功率曲线分解成高频功率曲线和低频功率曲线，低频功率由基本常备储能站点输出，高频功率由可调功率运行站点输出。基本常备储能站点在工作中，基本处开启状态，即液流泵全速动行，最大可输出功率为300kW，只响应储能集控中心的低频功率指令。可调功率储能站点只响应储能集控中心的高频功率指令，为了降低液流泵的损耗，我们将可调功率储能站点按照上述方式进行功率分组。以高频功率幅值700kW为例，分组方式为：根据总功率分解为1：2：4，根据该分组方式，工作时的输出功率可以达到100kW、200kW、300kW、400kW、500kW、600kW、700kW七种功率模式，依靠分布式储能系统集控中心调度。每种功率模式的选择，要满足功率需要并留有一定的调节裕度。
根据以上方法，一种分布式全钒液流电池储能系统调度方法如下：
1)第一步，分布式储能系统集控中心接受调度信息，即下一时刻的功率需求曲线或功率值；
2)第二步，将全钒液流电池储能系统集控中心的调度功率曲线(指令)进行高频和低频滤波分解，低频功率曲线(指令)交由基本常备储能站点输出，高频功率曲线(指令)交由可调功率运行站点输出；
3)第三步，根据高频功率曲线的幅值，将可调功率运行站点按照1:2:……:2n的方式分解成若干储能站点；
4)第四步，分布式储能系统集控中心分析功率需求，按照图3的程序流程开启或关闭相应编号的流液泵，同时相应储能变流器工作。每次开启的液流泵都工作在额定全速运行工况，液流泵的流速能够支撑变流器输出的功率均高于实际的功率需求，以保证留出一定的调节裕度，防止功率需求的突变，系统总的裕度值＝(总需求功率+100kW)取整；开启或关闭相应的液流泵的逻辑如下：
当储能系统工作在待机状态时，开启a路液流泵，储能站点a处于热备用状态；
当高频功率需求在[0，100kW]区间时，开启b路液流泵，储能站点b处于热备用状态，储能站点a和c的液流泵和变流器均处于停止状态；
当高频功率需求在(100kW，200kW]区间时，开启a路液流泵和b路液流泵，储能站点a和储能站点b处于热备用状态，储能站点c的液流泵和变流器均处于停止状态；
当高频功率需求在(200kW，300kW]区间时，开启c路液流泵，储能站点c处于热备用状态，储能站点a和储能站点b的液流泵和变流器均处于停止状态；
当高频功率需求在(300kW，400kW]区间时，开启a路液流泵和c路液流泵，储能站点a和储能站点c处于热备用状态，储能站点b的液流泵和变流器均处于停止状态；
当高频功率需求在(400kW，500kW]区间时，开启b路液流泵和c路液流泵，储能站点b和储能站点c处于热备用状态，储能站点a的液流泵和变流器均处于停止状态；
当高频功率需求在(500kW，700kW]区间时，开启a路液流泵、b路液流泵、c路液流泵，储能站点a、储能站点b和储能站点c同时处于热备用状态。
5)第五步，可调功率储能站点中，处于热备用状态的变流器根据功率曲线输出所需的功率；
6)第六步，等待固定的调节间隙，重复步骤1)、2)、3)、4)和5)。
与已有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的一种分布式全钒液流电池储能系统及调度方法，将储能系统的功率曲线分解成高频和低频功率需求，再利用电堆模块的不同功率配置比，响应从低到高的不同功率需求，提高储能系统响应速度，使全钒液流电池储能系统适应调频、调峰或平抑电网波动等实时性要求较高的场合；
2、本发明的一种分布式全钒液流电池储能系统及调度方法，通过输出功率所需的电解液流量为控制目标，使液流泵工作在功率所需的最佳流量状态，多余的液流泵处于停机状态，解决由于液流泵损耗大导致整个系统效率偏低的问题；
3、本发明的一种分布式全钒液流电池储能系统及调度方法，使分布储能站点在满足功率需要的同，留有一定的调节裕度，以及利用电解流高倍率工作特性应对功率突变，以解决液流泵变频调速降低损耗而不能克服功率响应速度慢的问题。
附图说明
图1是分布式全钒液流电池储能系统结构示意图；
图2是调度曲线高频和低频信号分解原理图；
图3是调度曲线高频和低频效果图；
图4是分布式全钒液流电池储能系统液流泵工作状态三位卡诺图；
图5是全钒液流电池储能系统调度方法流程图；
图6是全钒液流电池储能系统响应电网波动效果图。
具体实施方式
如图1所示，分布式全钒液流电池储能系统包括：分布式储能系统集控中心、基本常备储能站点、可调功率运行站点(储能站点a、储能站点b、储能站点c)，每个储能站点内都包含独立的液流泵、变流器和电堆模块，每个站点的电堆模块配置成唯一的功率，本实施例以1MW储能系统为例，根据功率曲线分解的低频功率幅值(300KW)和高频功率幅值(700KW)，配置成300kW基本常备储能站点和一个功率配比1：2：4的分布式储能站点(100kW、200kW、400kW)。每个储能站点都可以接受分布式储能系统集控中心的调度，能够启动或停止变流器和液流泵的工作，同时分布式储能系统集控中心接受上层功率调度指令，按功率大小比例分配给各储能站点，使得整个系统能够快速响应从0至全功率的需求。
如图2所示，分布式储能系统集控中心接收，调度功率需求后，将调度曲线中高频和低频信号进行分解，低频信号交由基本常备储能站点输出，高频信号交由可调功率储能站点输出。
如图3所示，调度曲线中的高频和低频信号可以通过高通和低通滤波器进行分解，该图意在说明波形合成的原理。
如图4所示，功率可调的分布式全钒液流电池储能站点液流泵工作状态是一个三位卡诺图，工作状态有8种，它们是0、1、2、3、4、5、6、7，这8种状态分别对于停机状态、待机状态以及功率0-700kW功率需求下，abc三组液流泵的开启和关闭工作模式。
如图5所示，功率可调的分布式全钒液流电池储能站点的工作流程是，分布式储能系统集控中心接受上层功率调度指令，为每个分布式的储能站点发送轮询指令和调度指令，每个分布式的储能站点根据分配的功率启动停止变流器和液流泵，使得整个系统能够快速响应从0至全功率的需求。
如图6所示，分布式储能系统集控中心，接收到电网功率需求(功率预测曲线)后分离出高频功率需求，实时调整各个可调功率储能站点液流泵的工作状态，并将功率曲线按比例分配给相关储能站点的变流器，变流器是高速电力电子设备，abc三路变流器可以实时并无差别地跟随电网的需求功率，如图中蓝色和黑色弧形曲线所示。考虑液流泵的启动惯性，将调节步长设置为固定时间(例如1分钟)，另外为了给功率调节留足裕度，液流泵要使钒电解液的流量达到足以支撑比需求功率多100kW以上的流量，同时全钒液流电池电解液可支持高倍率充放，那么从留有一定比例的功率裕度再加上钒电解液自身具备的高倍率工作特性，完全可以应对功率需求的突变。这也给液流泵的启停转换提供了有利条件。图中的阶梯状曲线是液流泵的流量支持变流器输出的额定功率，可以称为热备用功率，可见，电网需求的高频功率完全处于全钒液流电池热备用功率曲线包络线以下，可保证液流电池储能系统在降低液流泵损耗的同时，又可保证功率调节裕度。图中，上中下三层的灰白2色方格分别代表了cba路液流泵启停状态。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (5)
1.一种分布式全钒液流电池储能系统，其特征在于，所述分布式全钒液流电池储能系统包括：
分布式储能系统集控中心，下发功率指令曲线，进行高频和低频滤波分解，分离出低频功率曲线和高频功率曲线；
基本常备储能站点，根据分离出的低频功率曲线输出低频功率；
可调功率运行站点，根据分离出的高频功率曲线输出高频功率；所述可调功率运行站点包括若干储能站点，各储能站点的功率按照1:2:……:2n的方式进行分配，所有组成可调功率运行站点的储能站点的总功率值与高频功率幅值相等；
该具体分配方式为：设定最小功率单位；当高频功率幅值不大于7倍最小功率单位时，n取值为2，可调功率运行站点以1:2:4的功率配比方式分配为3个储能站点；当高频功率幅值大于7倍最小功率单位但不大于15倍最小功率单位时，n取值为3，可调功率运行站点以1:2:4:8的功率配比方式分配为4个储能站点；当高频功率幅值大于15倍最小功率单位但不大于31倍最小功率单位时，n取值为4，可调功率运行站点以1:2:4:8:16的功率配比方式分配为5个储能站点。
2.根据权利要求1所述的分布式全钒液流电池储能系统，其特征在于，当储能系统的最大输出功率为1MW时，基本常备储能站点的最大可输出功率为300KW，可调功率运行站点的最小功率单位设定为100KW，可调功率运行站点包括3个储能站点，最大可输出功率分别为100KW、200KW和400KW。
3.根据权利要求1所述分布式全钒液流电池储能系统的调度方法，其特征在于，将调度需求的功率曲线分解成高频功率曲线和低频功率曲线，低频功率由基本常备储能站点输出，高频功率由可调功率运行站点输出。
4.根据权利要求3所述分布式全钒液流电池储能系统的调度方法，其特征在于，所述调度方法包括以下步骤：
(1)分布式储能系统集控中心接收调度信息，获取功率指令曲线；
(2)将功率指令曲线进行高频和低频滤波分解，低频功率曲线由基本常备储能站点输出，高频功率曲线由可调功率运行站点输出；
(3)根据高频功率曲线的幅值，将可调功率运行站点按照1:2:……:2n的方式分解成若干储能站点；通过开启或关闭相应储能站点的液流泵，支撑输出功率的要求。
5.根据权利要求4所述分布式全钒液流电池储能系统的调度方法，其特征在于，当高频功率曲线的幅值为700KW时，可调功率运行站点包括3个储能站点a、b、c，最大可输出功率为别为100KW、200KW和400KW，相应的液流泵分别为a路、b路、c路；每路液流泵的开启或关闭的逻辑如下：
当储能系统工作在待机状态时，开启a路液流泵，储能站点a处于热备用状态；
当高频功率需求在[0，100kW]区间时，开启b路液流泵，储能站点b处于热备用状态，储能站点a和c的液流泵和变流器均处于停止状态；
当高频功率需求在(100kW，200kW]区间时，开启a路液流泵和b路液流泵，储能站点a和储能站点b处于热备用状态，储能站点c的液流泵和变流器均处于停止状态；
当高频功率需求在(200kW，300kW]区间时，开启c路液流泵，储能站点c处于热备用状态，储能站点a和储能站点b的液流泵和变流器均处于停止状态；
当高频功率需求在(300kW，400kW]区间时，开启a路液流泵和c路液流泵，储能站点a和储能站点c处于热备用状态，储能站点b的液流泵和变流器均处于停止状态；
当高频功率需求在(400kW，500kW]区间时，开启b路液流泵和c路液流泵，储能站点b和储能站点c处于热备用状态，储能站点a的液流泵和变流器均处于停止状态；
当高频功率需求在(500kW，700kW]区间时，开启a路液流泵、b路液流泵、c路液流泵，储能站点a、储能站点b和储能站点c同时处于热备用状态。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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