CN115117906B - 一种基于动态约束区间的双电池储能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态约束区间的双电池储能控制方法，首先基于风电并网标准考察时间窗内的并网功率波动情况确定下一时刻约束区间，使平滑后并网功率在满足并网要求的前提下能较好的跟踪风电功率，减小储能额外出力。然后以运行平稳度指标衡量双电池储能系统运行状态，并设计了约束区间调整权重函数，根据运行平稳度指标确定权重函数进而动态调整约束区间上下限，可实现双电池储能系统运行状态动态优化和长期稳定运行。

Description

一种基于动态约束区间的双电池储能控制方法

技术领域

本发明属于储能在电力系统中的应用领域，具体涉及一种基于动态约束区间的双电池储能控制方法。

背景技术

储能技术的快速发展为风电波动平抑提供了技术支撑，全钒液流电池、磷酸铁锂电池、铅碳电池等相继被应用于平抑风电功率波动，能够有效缓解并网功率波动程度，减小电力系统调频和调度压力。然而，风电波动随机性使单电池储能在平抑波动时需频繁不规则充放电，影响电池储能寿命。

双电池储能运行模式可解决单储能平抑风电功率频繁不规则充放电的弊端，通过将电池储能划分为两组，在一个充放电周期内每组电池只负责充/放电。但目前双电池储能系统应用于平滑风电功率波动时仍面临着两个重要问题：1)平滑后并网功率对原始风电功率的跟踪能力较差，增加储能额外出力；2)应对不平衡充放电能力较差，无法实现长期稳定运行。因此，确定双电池储能运行模式并提出一种具备较好跟踪能力和动态调整能力的平滑策略，一方面可以减小由相位滞后造成的储能额外出力，另一方面可动态调整储能功率指令，使双电池储能系统能够实现长期稳定运行。

发明内容

针对现有技术中双电池储能应用于平滑风电功率波动时存在的问题，本发明提供一种基于动态约束区间的双电池储能控制方法，能够根据双电池储能运行状态动态调整约束区间上下限，进而调整充放电功率指令，实现双电池储能系统的长期稳定运行。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于动态约束区间的双电池储能控制方法，包括：

S1，将双电池储能系统中的A组电池和B组电池的工作状态分别初始确定为充电电池组和放电电池组；

S2，以当前时刻为端点，根据前一历史时间窗内的风电并网功率和风电装机功率，确定初始的并网功率约束区间；

S3，若当前风电功率大于并网功率的约束区间上限，则记当前风电功率超出约束区间上限的部分功率为待充电平抑功率，并启动充电电池组进行充电平抑，且考虑电池组约束条件确定其充电功率，并更新其SOC；或者，若当前风电功率小于并网功率的约束区间下限，记当前风电功率低于约束区间下限的部分功率为待放电平抑功率，并启动放电电池组进行放电平抑，且考虑电池组约束条件确定其放电功率，并更新其SOC；

S4，若当前确定的充电功率小于待充电平抑功率，则启动放电电池组与充电电池组共同进行充电平抑，并更新其SOC；或者，若当前确定的放电功率小于待放电平抑功率，则将充电电池组与放电电池组共同进行放电平抑，并更新其SOC；

S5，结合A组电池和B组电池SOC，计算双电池储能系统当前的平稳度指标，并根据运行平稳度指标计算权重系数；

S6，根据S5得到的双电池储能系统当前的平稳度指标和权重系数，对当前并网功率的约束区间进行调整，并将调整得到的并网功率约束区间作为下一时刻并网功率的约束区间；

S7，当充电电池组充电达到荷电状态最大值，或者放电电池组放电达到荷电状态最小值时，交换A组电池和B组电池工作状态，返回步骤S2。

进一步地，初始的并网功率约束区间确定方法为：

P_g,max(t)＝min P_g(i)+2％·P_{wg_rate},i＝t-60,t-59,...,t-1

P_g,min(t)＝max P_g(i)-2％·P_{wg_rate},i＝t-60,t-59,...,t-1

式中，P_g(i)为历史时间窗内在采样点i处的并网功率，P_g,max(t)和P_g,min(t)为初始时刻t的并网功率约束区间的上限和下限。

进一步地，步骤S3中，充电电池组的充电功率，或者放电电池组的放电功率，确定方法为：

式中，P_ch(t)为充电电池组在当前时刻t的充电功率，P_ess,ch(t)为当前时刻t的待充电平抑功率，P_{b_rate}、E_{b_rate}分别为双电池储能系统的额定功率和额定容量，SOC_max、SOC_min分别为电池组的荷电状态最大值和最小值，η为电池组工作效率；Δt为单次充电或放电功率指令执行时间；SOC_ch(t-Δt)为充电电池组在时刻t-Δt的荷电状态；

P_dis(t)为放电电池组在当前时刻t的放电功率，P_ess,dis(t)为当前时刻t的待放电平抑功率， SOC_dis(t-Δt)为放电电池组在时刻t-Δt的荷电状态。

进一步地，步骤S3中，充电电池组进行充电平抑时的SOC更新方法，或者放电电池组进行放电平抑时的SOC更新方法，分别为：

式中，SOC_ch(t)为充电电池组进行充电平抑时在时刻t的SOC，SOC_dis(t)为放电电池组进行放电平抑时在时刻t的SOC。

进一步地，步骤S4中，放电电池组的补偿充电功率P_dis(t)的确定方法为：

式中，P_ess,ch(t)为当前时刻t的待充电平抑功率，E_{b_rate}为双电池储能系统的额定容量， SOC_max为电池组的荷电状态最大值，η为电池组工作效率，Δt为单次充电或放电功率指令执行时间；SOC_ch(t-Δt)为充电电池组在时刻t-Δt的荷电状态；

步骤S4中，充电电池组的补偿放电功率P_ch(t)的确定方法为：

式中，SOC_min为电池组的荷电状态最小值，SOC_dis(t-Δt)为放电电池组在时刻t-Δt的荷电状态。

进一步地，步骤S5中，双电池储能系统当前的平稳度指标的计算方法为：

Δm(t)＝m_ch(t)-m_dis(t)

式中，Δm(t)表示双电池储能系统在当前时刻t的平稳度指标，m_ch(t)表示充电电池组在当前时刻t的可充电余量，m_dis(t)表示放电电池组在当前时刻t的可放电余量，SOC_max、 SOC_min分别为电池组的荷电状态最大值和最小值，SOC_ch(t)、SOC_dis(t)分别为充电电池组和放电电池组在当前时刻t的荷电状态。

进一步地，步骤S5中，权重系数w(t)的计算方法为：

式中，w_max为最大权重系数，取1；n为可调因子，反映对运行状态偏差的敏感程度；Δm_max、Δm_high、Δm_low、Δm_min，分别对应充电极端运行状态、充电恶劣运行状态、放电极端运行状态、放电恶劣运行状态的平稳度指标。

进一步地，Δm_max＝1-ε、Δm_high＝0.6、Δm_low＝-0.6、Δm_min＝-1+ε，ε为灵活调节的松弛量。

进一步地，对当前并网功率的约束区间进行调整的方法为：

式中，P_g,max(t)和P_g,min(t)为当前时刻t未调整前的并网功率约束区间的上限和下限，和/>为调整后的并网功率约束区间的上限和下限，ΔP为预设时间窗内的允许波动程度，w(t)为权重系数；S_ch(t)和S_dis(t)分别为约束区间上下限调整标志，分别为：

式中，P_wg(t)为当前时刻t的实际风电功率，Δm(t-Δt)双电池储能系统在时刻t-Δt的平稳度指标。

有益效果

本发明的基于动态约束区间的双电池储能长期稳定运行控制方法，首先基于风电并网标准考察时间窗内的并网功率波动情况确定下一时刻约束区间，使平滑后并网功率能较好的跟踪能力风电功率，减小储能额外出力。然后以运行平稳度指标衡量双电池储能系统运行状态，并设计了约束区间调整权重函数，根据运行平稳度指标确定权重函数进而动态调整约束区间上下限，可实现双电池储能系统运行状态动态优化和长期稳定运行。

在风电规模化并网背景下，本发明可以有效兼顾平滑风电波动、跟踪风电功率和减小电池储能频繁不规则充放电和双电池储能系统长期稳定运行等多个目标，减小了所需储能配置和运行中的寿命损耗，可提高储能系统平滑风电波动的经济性，具有良好的应用前景。此外，双电池储能运行模式和提出的双电池储能长期稳定运行控制方法可为其他储能应用场景提供思路，具有良好的推广效益。

附图说明

图1为本发明基于的风-双储系统架构。

图2为本发明的方法总体思路框架。

图3中，图(a)为双电池储能系统中两电池组功率曲线；图(b)为图(a)中编号为①的局部放大图；图(c)为图(a)中编号为②的局部放大图。

图4为无策略/有策略下双电池储能系统中两电池组SOC

图5中，图(a)为风电功率和平滑后并网功率；图(b)为图(a)中编号为①的局部放大图；图(c)为图(a)中编号为②的局部放大图。

图6为风电功率和并网功率波动量。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。

本实施例提供一种基于动态约束区间的双电池储能控制方法，基于如图1所示的风-双储架构，具体实现如图2所示，包括以下步骤：

S1，将双电池储能系统中的A组电池和B组电池的工作状态分别初始确定为充电电池组和放电电池组。

本发明在初始确定双电池储能系统中各电池组的状态(即属于充电电池组或者放电电池组)的基础上，还需要预先设置：(1)电池组的充放电状态转换值，即荷电状态最大值SOC_max和最小值SOC_min；(2)根据风电并网标准确定考察的时间窗N和允许波动程度ΔP。本实施例中，时间窗设置为60s，允许波动程度ΔP设置为2％的风电装机容量，即2％·P_{wg_rate}。

SOC_max和SOC_min由公式(1)和公式(2)确定。

式中，DOD为电池储能最佳放电深度。

S2，以当前时刻为端点，根据前一历史时间窗内的风电并网功率和风电装机功率，确定初始的并网功率约束区间。

记原始风电功率为P_wg，并网功率为P_g，风电装机容量为P_{wg_rate}，以公式(3)确定初始时刻t的并网功率约束区间：

P_g(t)∈[P_g,min(t),P_g,max(t)] (3)

其中，

P_g,max(t)＝min P_g(i)+2％·P_{wg_rate},i＝t-60,t-59,...,t-1 (4)

P_g,min(t)＝max P_g(i)-2％·P_{wg_rate},i＝t-60,t-59,...,t-1 (5)

S3，若当前风电功率大于并网功率的约束区间上限，则记当前风电功率超出约束区间上限的部分功率为待充电平抑功率，并启动充电电池组进行充电平抑，且考虑电池组约束条件确定其充电功率，并更新其SOC；或者，若当前风电功率小于并网功率的约束区间下限，记当前风电功率低于约束区间下限的部分功率为待放电平抑功率，并启动放电电池组进行放电平抑，且考虑电池组约束条件确定其放电功率，并更新其SOC。

若当前风电功率大于并网功率的约束区间上限，此时风电功率有剩余，需要储能系统充电以进行平抑。记当前时刻t的待充电平抑功率为P_ess,ch，则启动充电电池组进行充电平抑时充电功率为：

式中，P_ch(t)为充电电池组在当前时刻t的充电功率，P_ess,ch(t)为当前时刻t的待充电平抑功率，P_{b_rate}、E_{b_rate}分别为双电池储能系统的额定功率和额定容量，因为运行过程中两组电池独立执行功率指令，因此两组电池充放电能力为双电池储能系统的一半；SOC_max、SOC_min分别为电池组的荷电状态最大值和最小值，η为电池组工作效率；Δt为单次充电或放电功率指令执行时间；SOC_ch(t-Δt)为充电电池组在时刻t-Δt的荷电状态，根据前一时刻的荷电状态及在该时间间隔内的荷电状态变化计算得到，即充电电池组的SOC更新方法为：

式(7)计算的充电电池组进行充电平抑时充电功率P_ch(t)，由{}中的3个元素中取最小值确定，其中：第1个元素P_ess,ch(t)为当前时刻t的待充电平抑功率，第2个元素是单个电池组的额定功率，也即单位时间内能发出的功率，超过额定功率，由于电池储能配置原因不允许平抑，因此需要电池组额定功率对充电功率进行约束限定；第3个元素是考虑储能能量状态(以SOC表征)是否能够支撑该次功率指令，例如，储能剩余充电能量不足也即快达到充电上限的时候，继续充电将存在损坏危险，但需要充较多电量来补偿风电超过约束区间上限的部分，此时储能只能充电到上限，超过该部分的功率则需要另一组电池辅助进行平抑，也即步骤S4中记载的两组电池协调控制策略。综上，该公式是考虑的储能额定功率、可充电容量后最终确定储能能够提供支撑的功率。

若当前风电功率小于并网功率的约束区间下限，此时风电功率不够，需要储能系统放电以进行平抑。记当前时刻t的待放电平抑功率为P_ess,dis(t)，则启动放电电池组进行放电平抑时放电功率为：

式中，P_dis(t)为放电电池组在当前时刻t的放电功率，P_ess,dis(t)为当前时刻t的待放电平抑功率，SOC_dis(t-Δt)为放电电池组在时刻t-Δt的荷电状态，根据前一时刻的荷电状态及在该时间间隔内的荷电状态变化计算得到，即放电电池组的SOC更新方法为：

S4，若当前确定的充电功率小于待平抑功率，则启动放电电池组与充电电池组共同进行充电平抑，并更新其SOC；或者，若当前确定的放电功率小于待平抑功率，则将充电电池组与放电电池组共同进行放电平抑，并更新其SOC。

若当前风电功率大于并网功率的约束区间上限，且当前确定的充电电池组的充电功率 P_ch(t)小于待充电平抑功率P_ess,ch(t)，使得充电电池组先达到SOC_max且不能完成本次充电功率指令，因此需要另一组放电电池组进行补偿充电，且补偿充电功率为：

式中，P_ess,ch(t)为当前时刻t的待充电平抑功率，E_{b_rate}为双电池储能系统的额定容量， SOC_max为电池组的荷电状态最大值，η为电池组工作效率，Δt为单次充电或放电功率指令执行时间；SOC_ch(t-Δt)为充电电池组在时刻t-Δt的荷电状态，按照式(7)更新该充电电池组的荷电状态。

同理，若当前风电功率小于并网功率的约束区间下限，且当前确定的放电电池组的放电功率P_ch(t)大于待充电平抑功率P_ess,ch(t)，使得充电电池组先达到SOC_min且不能完成本次放电功率指令，因此需要另一组充电电池组进行补偿放电，且补偿放电功率为：

其中该放电电池组的荷电状态SOC_dis(t-Δt)按照式(9)更新。

S5，结合SOC，计算双电池储能系统当前的平稳度指标，并根据运行平稳度指标计算权重系数。

其中，双电池储能系统当前的平稳度指标的计算方法为：

Δm(t)＝m_ch(t)-m_dis(t) (12)

式中，Δm(t)表示双电池储能系统在当前时刻t的平稳度指标，m_ch(t)表示充电电池组在当前时刻t的可充电余量，m_dis(t)表示放电电池组在当前时刻t的可放电余量，SOC_max、 SOC_min分别为电池组的荷电状态最大值和最小值，SOC_ch(t)、SOC_dis(t)分别为充电电池组和放电电池组在当前时刻t的荷电状态。

权重系数w(t)的计算方法为：

式中，w_max为最大权重系数，取1；n为可调因子，反映对运行状态偏差的敏感程度，经过历史数据验证，取10较为适宜；Δm_max＝1-ε、Δm_high＝0.6、Δm_low＝-0.6、Δm_min＝-1+ε，分别对应充电极端运行状态、充电恶劣运行状态、放电极端运行状态、放电恶劣运行状态，因为两储能组荷电状态同时达转换限制的概率极小，故引入松弛量ε进行灵活调整，验证时取 0.1。

S6，根据S5得到的双电池储能系统当前的平稳度指标和权重系数，对当前并网功率的约束区间进行调整，并将调整得到的并网功率约束区间作为下一时刻并网功率的约束区间。

其中，对当前并网功率的约束区间进行调整的方法为：

式中，P_g,max(t)和P_g,min(t)为当前时刻t未调整前的并网功率约束区间的上限和下限，和/>为调整后的并网功率约束区间的上限和下限，ΔP为预设时间窗内的允许波动程度，w(t)为权重系数；S_ch(t)和S_dis(t)分别为约束区间上下限调整标志，分别为：

式中，P_wg(t)为当前时刻t的实际风电功率，Δm(t-Δt)双电池储能系统在时刻t-Δt的平稳度指标。

S7，当充电电池组充电达到荷电状态最大值，或者放电电池组放电达到荷电状态最小值时，交换A组电池和B组电池的工作状态，返回步骤S2。

本发明基于动态约束区间的双电池储能长期稳定运行控制方法，首先基于风电并网标准考察时间窗内的并网功率波动情况确定下一时刻约束区间，使平滑后并网功率能较好的跟踪能力风电功率，减小储能额外出力。然后以运行平稳度指标衡量双电池储能系统运行状态，并设计了约束区间调整权重函数，根据运行平稳度指标确定权重函数进而动态调整约束区间上下限，可实现双电池储能系统运行状态动态优化和长期稳定运行。

图3是本发明实施例的双电池储能系统中两个电池组的功率曲线及局部放大图；

图4是无策略和本发明实施例策略下的双电池储能系统中两个电池组的SOC；

图5是本发明实施例的风电功率和平滑后并网功率；图6为本发明实施例的风电功率和并网功率波动量。

以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种基于动态约束区间的双电池储能控制方法，其特征在于，包括：

S1，将双电池储能系统中的A组电池和B组电池的工作状态分别初始确定为充电电池组和放电电池组；

S2，以当前时刻为端点，根据前一历史时间窗内的风电并网功率和风电装机功率，确定初始的并网功率约束区间；

S3，若当前风电功率大于并网功率的约束区间上限，则记当前风电功率超出约束区间上限的部分功率为待充电平抑功率，并启动充电电池组进行充电平抑，且考虑电池组约束条件确定其充电功率，并更新其SOC；或者，若当前风电功率小于并网功率的约束区间下限，记当前风电功率低于约束区间下限的部分功率为待放电平抑功率，并启动放电电池组进行放电平抑，且考虑电池组约束条件确定其放电功率，并更新其SOC；

S4，若当前确定的充电功率小于待充电平抑功率，则启动放电电池组与充电电池组共同进行充电平抑，并更新其SOC；或者，若当前确定的放电功率小于待放电平抑功率，则将充电电池组与放电电池组共同进行放电平抑，并更新其SOC；

S5，结合A组电池和B组电池SOC，计算双电池储能系统当前的平稳度指标，并根据运行平稳度指标计算权重系数；

S6，根据S5得到的双电池储能系统当前的平稳度指标和权重系数，对当前并网功率的约束区间进行调整，并将调整得到的并网功率约束区间作为下一时刻并网功率的约束区间；

S7，当充电电池组充电达到荷电状态最大值，或者放电电池组放电达到荷电状态最小值时，交换A组电池和B组电池的工作状态，返回步骤S2。

2.根据权利要求1所述的基于动态约束区间的双电池储能控制方法，其特征在于，初始的并网功率约束区间确定方法为：

P_g,max(t)＝minP_g(i)+2％·P_{wg_rate},i＝t-60,t-59,...,t-1

P_g,min(t)＝maxP_g(i)-2％·P_{wg_rate},i＝t-60,t-59,...,t-1

式中，P_g(i)为历史时间窗内在采样点i处的并网功率，P_g,max(t)和P_g,min(t)为初始时刻t的并网功率约束区间的上限和下限。

3.根据权利要求1所述的基于动态约束区间的双电池储能控制方法，其特征在于，步骤S3中，充电电池组的充电功率，或者放电电池组的放电功率，确定方法为：

式中，P_ch(t)为充电电池组在当前时刻t的充电功率，P_ess,ch(t)为当前时刻t的待充电平抑功率，P_{b_rate}、E_{b_rate}分别为双电池储能系统的额定功率和额定容量，SOC_max、SOC_min分别为电池组的荷电状态最大值和最小值，η为电池组工作效率；Δt为单次充电或放电功率指令执行时间；SOC_ch(t-Δt)为充电电池组在时刻t-Δt的荷电状态；

P_dis(t)为放电电池组在当前时刻t的放电功率，P_ess,dis(t)为当前时刻t的待放电平抑功率，SOC_dis(t-Δt)为放电电池组在时刻t-Δt的荷电状态。

4.根据权利要求3所述的基于动态约束区间的双电池储能控制方法，其特征在于，步骤S3中，充电电池组进行充电平抑时的SOC更新方法，或者放电电池组进行放电平抑时的SOC更新方法，分别为：

式中，SOC_ch(t)为充电电池组进行充电平抑时在时刻t的SOC，SOC_dis(t)为放电电池组进行放电平抑时在时刻t的SOC。

5.根据权利要求1所述的基于动态约束区间的双电池储能控制方法，其特征在于，步骤S4中，放电电池组的补偿充电功率P_dis(t)的确定方法为：

式中，P_ess,ch(t)为当前时刻t的待充电平抑功率，E_{b_rate}为双电池储能系统的额定容量，SOC_max为电池组的荷电状态最大值，η为电池组工作效率，Δt为单次充电或放电功率指令执行时间；SOC_ch(t-Δt)为充电电池组在时刻t-Δt的荷电状态；

步骤S4中，充电电池组的补偿放电功率P_ch(t)的确定方法为：

式中，SOC_min为电池组的荷电状态最小值，SOC_dis(t-Δt)为放电电池组在时刻t-Δt的荷电状态。

6.根据权利要求1所述的基于动态约束区间的双电池储能控制方法，其特征在于，步骤S5中，双电池储能系统当前的平稳度指标的计算方法为：

Δm(t)＝m_ch(t)-m_dis(t)

式中，Δm(t)表示双电池储能系统在当前时刻t的平稳度指标，m_ch(t)表示充电电池组在当前时刻t的可充电余量，m_dis(t)表示放电电池组在当前时刻t的可放电余量，SOC_max、SOC_min分别为电池组的荷电状态最大值和最小值，SOC_ch(t)、SOC_dis(t)分别为充电电池组和放电电池组在当前时刻t的荷电状态。

7.根据权利要求6所述的基于动态约束区间的双电池储能控制方法，其特征在于，步骤S5中，权重系数w(t)的计算方法为：

式中，w_max为最大权重系数，取1；n为可调因子，反映对运行状态偏差的敏感程度；Δm_max、Δm_high、Δm_low、Δm_min，分别对应充电极端运行状态、充电恶劣运行状态、放电极端运行状态、放电恶劣运行状态的平稳度指标。

8.根据权利要求7所述的基于动态约束区间的双电池储能控制方法，其特征在于，Δm_max＝1-ε、Δm_high＝0.6、Δm_low＝-0.6、Δm_min＝-1+ε，ε为灵活调节的松弛量。

9.根据权利要求1所述的基于动态约束区间的双电池储能控制方法，其特征在于，对当前并网功率的约束区间进行调整的方法为：

式中，P_g,max(t)和P_g,min(t)为当前时刻t未调整前的并网功率约束区间的上限和下限，和/>为调整后的并网功率约束区间的上限和下限，ΔP为预设时间窗内的允许波动程度，w(t)为权重系数；S_ch(t)和S_dis(t)分别为约束区间上下限调整标志，分别为：

式中，P_wg(t)为当前时刻t的实际风电功率，Δm(t-Δt)双电池储能系统在时刻t-Δt的平稳度指标。