CN115149553A - 一种分布式储能系统的构建方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式储能系统的构建方法及装置，属于储能技术领域。构建方法包括：获取目标区域不同用户的功率需求和电量需求；将不同用户的功率需求进行聚类，根据用户最多的功率簇中聚类中心对应的功率需求得到功率单元的功率值；将不同用户的电量需求进行聚类，根据用户最多的电量簇中聚类中心对应的电量需求得到容量单元的电量值；根据构建好的功率单元和容量单元对目标区域进行分布式储能系统的构建。本发明提出模块化的构建思想，将功率装置和容量装置进行模块化，得到最小的功率单元和容量单元，并且功率单元和容量单元的得到均是通过对目标区域的用户进行聚类得到的，更加贴合用户的实际需求。

Description

一种分布式储能系统的构建方法及装置

技术领域

本发明涉及一种分布式储能系统的构建方法及装置，属于储能技术领域。

背景技术

分布式储能系统的应用涉及到配用电系统中的各个环节，具有广泛的应用前景。充分发挥分布式储能设备的作用能够有效的提高系统的运行可靠性、改善系统的电能质量、提高配电网中可再生能源的接入能力、增加电网和用户的经济效益，为智能配电网的发展提供有力支撑。与大规模、集中式的储能电站相比，分布式储能设备对接入位置的环境、自然条件限制较少，接入电网的方式更加灵活，在配电网、微电网、分布式电源侧，以及用户侧都可以发挥独特的作用。

电化学储能作为分布式储能形式的一种，种类繁多，因其技术成熟、成本相对较低等优点在能源电力、交通、通讯、军事、航空航天等国民经济各个行业得到快速发展。而其中适合在电力领域应用的电化学储能电池主要有锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池、钠硫电池、液流电池等。磷酸铁锂电池是锂离子电池的一种，具有工作电压高、能量密度较大、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应、绿色环保等一系列独特优点，近年来发展迅速。

然而，采用磷酸铁锂电池的分布式储能设备一般采用集装箱式布置，存在以下几种缺陷：

1.受磷酸铁锂电池能量密度的限制，采用磷酸铁锂电池的分布式储能设备重量一般较重，转运过程需要配置专用板车、吊车等，难度较大，难以适应未来分布式储能灵活方面的要求。

2.若采用移动电源车的形式提升储能系统的灵活性，灵活性提升幅度远远大于分布式储能的灵活性需求，会引起成本成倍增加，最终造成采用磷酸铁锂电池的分布式储能难以大规模推广应用。

3.受电池一致性因素的限制，目前功率转换装置与电池系统一般成套配置，后期系统功率或电池能量需求发生变化后，扩建难度较大。在系统运行一段时间后，若能量需求发生变化，仅对电池系统进行增容，则容易引起新电池作用难以充分发挥，电池系统整体效率下降等问题；若仅功率需求发生变化，需在集装箱内新增功率转换模块，多数情况下箱体内空间有限，难以满足增容需求。

综上，采用磷酸铁锂电池的分布式储能设备建成后设备转运困难，功率和能量调整难度较大，难以适应分布式储能建设高效、灵活、经济的基本要求，存在扩建、改建工作量大、移动困难等缺点。因此，需要提出一种基于磷酸铁锂电池的分布式储能系统的技术方案。

发明内容

本申请的目的在于提供一种分布式储能系统的构建方法及装置，为磷酸铁锂电池的分布式储能系统适应高效、灵活、经济的基本要求提出一种行之有效的技术方案。

为实现上述目的，本申请提出了一种分布式储能系统的构建方法的技术方案，包括以下步骤：

1)获取目标区域不同用户的用电需求，所述用电需求包括功率需求和电量需求；

2)将不同用户的功率需求进行聚类，形成若干个功率簇，每个功率簇包含功率需求接近的若干用户，得到用户最多的功率簇中聚类中心对应的功率需求；将不同用户的电量需求进行聚类，形成若干个电量簇，每个电量簇包含电量需求接近的若干用户，得到用户最多的电量簇中聚类中心对应的电量需求；

3)根据步骤2)中用户最多的功率簇中聚类中心对应的功率需求得到功率单元的功率值；根据步骤2)中用户最多的电量簇中聚类中心对应的电量需求得到容量单元的电量值；

4)根据步骤3)中所述功率单元的功率值和容量单元的电量值对目标区域进行分布式储能系统的构建。

另外，本申请还提出一种分布式储能系统的构建装置的技术方案，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现上述的分布式储能系统的构建方法。

本发明的分布式储能系统的构建方法及装置的技术方案的有益效果是：本发明提出模块化的构建思想，将功率装置和容量装置进行模块化，得到最小的功率单元和容量单元，功率单元可以方便统一电池系统以不同功率范围进行充放电，以及不同类型不同批次电池系统同时完成功率输出；容量单元可以方便用户的能量需求发生变化后，扩展更加简单。并且功率单元和容量单元的得到均是通过对目标区域的用户进行聚类得到的，更加贴合用户的实际需求。

进一步的，上述分布式储能系统的构建方法及装置中，为了提高功率单元和容量单元的准确性，所述功率需求包括日功率需求和平均功率需求，取日功率需求和平均功率需求的较小值作为功率单元的功率值；所述电量需求包括日电量需求和平均电量需求，取日电量需求和平均电量需求的较小值作为容量单元的电量值。

进一步的，上述分布式储能系统的构建方法及装置中，所述日功率需求包括双高峰用户的日功率需求和单高峰用户的日功率需求；所述日电量需求包括双高峰用户的日电量需求和单高峰用户的日电量需求。

进一步的，上述分布式储能系统的构建方法及装置中，双高峰用户的日功率需求的计算过程为：

P_e2＝(P_max-P_min)*α；

其中，P_e2为双高峰用户的日功率需求；α为双高峰用户的需求系数；P_max为一天内平段、峰段和尖峰段用户功率需求的最大值；P_min为一天内平段、峰段和尖峰段用户功率需求的最小值。

进一步的，上述分布式储能系统的构建方法及装置中，双高峰用户的日电量需求的计算过程为：

其中，Q_e2为双高峰用户的日电量需求；P为功率；P′₂为双高峰用户的功率目标值；t1、t2、t3、t4为双高峰用户的功率目标值对应的时刻。

进一步的，上述分布式储能系统的构建方法及装置中，单高峰用户的日功率需求的计算过程为：

P_e1＝P_max*β；

其中，P_e1为单高峰用户的日功率需求；β为单高峰用户的需求系数；P_max为一天内平段、峰段和尖峰段用户功率需求的最大值。

进一步的，上述分布式储能系统的构建方法及装置中，单高峰用户的日电量需求的计算过程为：

其中，Q_e1为单高峰用户的日电量需求；β为单高峰用户的需求系数；P′₁为单高峰用户的功率目标值；t5、t6为单高峰用户的功率目标值对应的时刻；P为功率；P_max为一天内平段、峰段和尖峰段用户功率需求的最大值。

附图说明

图1是本发明分布式储能系统的构建方法的流程图；

图2是本发明双高峰用户一天内的功率曲线图；

图3是本发明单高峰用户一天内的功率曲线图；

图4是本发明聚类算法的流程图；

图5是本发明大功率输出的分布式储能系统的示意图；

图6是本发明大容量需求的分布式储能系统的示意图；

图7是本发明分布式储能系统的构建装置的结构示意图。

具体实施方式

分布式储能系统的构建方法实施例：

分布式储能系统的构建方法的主要构思在于，将集装箱式的布置模式进行模块化，包括功率装置模块化和容量装置模块化，以功率单元和容量单元的形式进行分布式储能系统的构建，避免了集装箱式的缺陷，并且功率单元的功率值和容量单元的容量值是在得到目标区域的不同用户的功率需求和电量需求的基础上，对不同用户的功率需求和电量需求进行聚类得到的，更加贴合用户的需要。

具体的，分布式储能系统的构建方法如图1所示，包括以下步骤：

1)确定目标区域、以及目标区域中的典型用户。

这里的目标区域为用电需求强烈的应用区域。通过调查各应用区域的负荷曲线，对应用区域的分布式储能应用需求进行分级，划分为用电需求强烈、一般、较弱的应用区域，划分依据如下：

用电需求强烈的应用区域：(P_max0-P_min0)/P_max0≥50％(或其他给定值)；

用电需求一般的应用区域：50％＞(P_max0-P_min0)/P_max0≥30％(或其他给定值)；

用电需求较弱的应用区域：(P_max0-P_min0)/P_max0＜30％(或其他给定值)；

其中，P_max0为一天内应用区域功率需求的最大值；P_min0为一天内应用区域功率需求的最小值。

同时，目标区域的不同用户为挑选出的典型用户，具体为用电需求强烈、以及一般的用户。通过调查典型工业、商业、居民、办公用户电力需求特点，对用户的储能应用需求进行分级，划分为用电需求强烈、一般、较弱的用户，划分依据如下：

用电需求强烈的用户：(P_max-P_min)/P_max≥70％(或其他给定值)

用电需求一般的用户：70％＞(P_max-P_min)/P_max≥50％(或其他给定值)

用电需求较弱的用户：(P_max-P_min)/P_max＜50％(或其他给定值)

其中，P_max为一天内平段、峰段和尖峰段用户功率需求的最大值；P_min为一天内平段、峰段和尖峰段用户功率需求的最小值。

尖峰段：某一区域电力公司售电价全年最高的时段，一般为夏季或冬季电网负荷最大的月份每天负荷最大的时间段。

峰段：某一区域电力公司售电价全年电价次高的时段，一般为全年电网日负荷最大的每天的某一时间段，与尖峰段时间重叠时执行尖峰段电价。

平段：某一区域电力公司售电价全年电价次低的时段，一般为全年电网日负荷比较平稳的每天的某一时间段。

关于尖峰段、峰段、平段的物理意义为本领域的技术用语，这里不做过多介绍。

2)计算出步骤1)中某一天的典型用户的日用电需求，日用电需求包括日功率需求和日电量需求。

日功率需求根据P_max和P_min计算得出，并且根据P_max和P_min计算功率目标值。

日电量需求根据功率目标值计算得出。

通过对典型用户进行用电分析，将典型用户分为两种：如图2所示的双高峰用户和如图3所示的单高峰用户。

双高峰用户的日功率需求和日电量需求计算过程如下：

P_e2＝(P_max-P_min)*α；

P′₂＝P_e2+P_min；

其中，P_e2为双高峰用户的日功率需求；α为双高峰用户的需求系数，根据需要进行取值，一般可取0.5；Q_e2为双高峰用户的日电量需求；P为功率；P′₂为双高峰用户的功率目标值；t1、t2、t3、t4为双高峰用户的功率目标值对应的时刻。

单高峰用户的日功率需求和日电量需求计算过程如下：

P_e1＝P_max*β；

P′₁＝P_max*(1-β)；

其中，P_e1为单高峰用户的日功率需求；β为单高峰用户的需求系数，根据需要进行取值，一般可取0.3；Q_e1为单高峰用户的日电量需求；P′₁为单高峰用户的功率目标值；t5、t6为单高峰用户的功率目标值对应的时刻。

3)按照步骤2)的方法，计算出某个阶段的典型用户的平均用电需求，平均用电需求包括平均功率需求和平均电量需求。

本步骤中，阶段可以按照季节或者按照月份进行划分，重复步骤2)计算出该阶段内每一天的用电需求，取平均后得出平均用电需求。

5)将步骤2)中得到不同典型用户的日功率需求和日电量需求、以及步骤3)中得到的不同典型用户的平均功率需求和平均电量需求分别进行聚类，确定出功率单元的日功率值和容量单元的日电量值、以及功率单元的平均功率值和容量单元的平均电量值，取日功率值和平均功率值的较小值作为功率单元的功率值；取日电量值和平均电量值的较小值作为容量单元的电量值。

聚类分析的原理如图4所示：

(1)指定需要划分的簇的个数k值；

(2)随机地选择k个初始数据对象点作为初始的聚类中心；

(3)计算其余的各个数据对象到这k个初始聚类中心的距离，把数据对划归到距离它最近的那个中心所处在的簇类中；

(4)调整新类并且重新计算出新类的中心；

(5)计算聚类准则函数E，若E不满足收敛条件，重复(2)、(3)、(4)；

(6)若满足收敛条件，则输出聚类结果。

具体的，功率单元的日功率值的确定过程：将不同典型用户的日功率需求进行聚类，假设指定划分为3类，形成3个日功率簇，每个日功率簇包含日功率需求接近的若干用户，找出用户最多的日功率簇中聚类中心对应的日功率需求作为日功率值。

容量单元的日电量值的确定过程：将不同典型用户的日电量需求行聚类，假设指定划分为3类，形成3个日电量簇，每个日电量簇包含日电量需求接近的若干用户，找出用户最多的日电量簇中聚类中心对应的日电量需求作为日电量值。

同理，功率单元的平均功率值的确定过程：将不同典型用户的平均功率需求进行聚类，假设指定划分为3类，形成3个平均功率簇，每个平均功率簇包含平均功率需求接近的若干用户，找出用户最多的平均功率簇中聚类中心对应的平均功率需求作为平均功率值。

容量单元的平均电量值的确定过程：将不同典型用户的平均电量需求行聚类，假设指定划分为3类，形成3个平均电量簇，每个平均电量簇包含平均电量需求接近的若干用户，找出用户最多的平均电量簇中聚类中心对应的平均电量需求作为平均电量值。

5)根据步骤4)的功率单元(也即功率模块)和容量单元(也即电池模块)灵活构建目标区域的分布式储能系统。

每个单元均可以布置在独立的箱体内，也可以根据应用场景的实际建设条件和应用需求将功率单元和容量单元组合设置在一个箱体内，得到如图5所示的为大功率输出的分布式储能系统配置方案，通过工业连接器将电池模块的接口进行扩展，以实现大功率输出；或者如图6所示的大电量需求的分布式储能系统配置方案，通过不同的电池模块实现大电量输出。

上述实施例中，为了更加准确的得到功率单元和容量单元，分别对不同用户的日用电需求和平均用电需求进行聚类，作为其他实施方式，也可以只对日用电需求进行聚类、或者只对平均用电需求进行聚类。

上述实施例中，结合双高峰用户和单高峰用户得到功率单元和容量单元，作为其他实施方式，也可以只针对双高峰用户得到功率单元和容量单元、或者只针对单高峰用户得到功率单元和容量单元。

本发明中功率单元可以方便统一电池系统以不同功率范围进行充放电，以及不同类型不同批次电池系统同时完成功率输出；容量单元可以方便用户的能量需求发生变化后，扩展更加简单。不仅可以针对不同用户及同一用户不同用能阶段灵活配置储能系统功率和能量；还可以实现有限日历寿命的约束条件下，储能系统发挥作用及经济效益的最大化，相同应用场景下储能系统的利用效率可大幅度提升；且储能系统的功率和能量调整过程中，所需的改造时间、工作量及费用可缩减80％以上。对于提升分布式储能的高效性、灵活性、促进储能系统广泛推广应用，提升储能系统利用效率具有重要意义。

分布式储能系统的构建装置实施例：

分布式储能系统的构建装置，如图7所示，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现分布式储能系统的构建方法。

分布式储能系统的构建方法的具体实施过程以及效果在上述分布式储能系统的构建方法实施例中介绍，这里不做赘述。

也就是说，以上分布式储能系统的构建方法实施例中的方法应理解可由计算机程序指令实现分布式储能系统的构建方法的流程。可提供这些计算机程序指令到处理器(如通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备等)，使得通过处理器执行这些指令产生用于实现上述方法流程所指定的功能。

本实施例所指的处理器是指微处理器MCU或可编程逻辑器件FPGA等的处理装置；

本实施例所指的存储器用于存储实现分布式储能系统的构建方法而形成的计算机程序指令，包括用于存储信息的物理装置，通常是将信息数字化后再以利用电、磁或者光学等方式的媒体加以存储。例如：利用电能方式存储信息的各式存储器，RAM、ROM等；利用磁能方式存储信息的的各式存储器，硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、U盘；利用光学方式存储信息的各式存储器，CD或DVD。当然，还有其他方式的存储器，例如量子存储器、石墨烯存储器等等。

通过上述存储有实现分布式储能系统的构建方法而形成的计算机程序指令的存储器、处理器构成的分布式储能系统的构建装置，在计算机中由处理器执行相应的程序指令来实现，计算机可使用windows操作系统、linux系统、或其他，例如使用android、iOS系统程序设计语言在智能终端实现，以及基于量子计算机的处理逻辑实现等。

作为其他实施方式，分布式储能系统的构建装置还可以包括其他的处理硬件，如数据库或多级缓存、GPU等，本发明并不对分布式储能系统的构建装置的结构做具体的限定。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、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 (8)

1.一种分布式储能系统的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取目标区域不同用户的用电需求，所述用电需求包括功率需求和电量需求；

2)将不同用户的功率需求进行聚类，形成若干个功率簇，每个功率簇包含功率需求接近的若干用户，得到用户最多的功率簇中聚类中心对应的功率需求；将不同用户的电量需求进行聚类，形成若干个电量簇，每个电量簇包含电量需求接近的若干用户，得到用户最多的电量簇中聚类中心对应的电量需求；

3)根据步骤2)中用户最多的功率簇中聚类中心对应的功率需求得到功率单元的功率值；根据步骤2)中用户最多的电量簇中聚类中心对应的电量需求得到容量单元的电量值；

4)根据步骤3)中所述功率单元的功率值和容量单元的电量值对目标区域进行分布式储能系统的构建。

2.根据权利要求1所述的分布式储能系统的构建方法，其特征在于，所述功率需求包括日功率需求和平均功率需求，取日功率需求和平均功率需求的较小值作为功率单元的功率值；所述电量需求包括日电量需求和平均电量需求，取日电量需求和平均电量需求的较小值作为容量单元的电量值。

3.根据权利要求2所述的分布式储能系统的构建方法，其特征在于，所述日功率需求包括双高峰用户的日功率需求和单高峰用户的日功率需求；所述日电量需求包括双高峰用户的日电量需求和单高峰用户的日电量需求。

4.根据权利要求3所述的分布式储能系统的构建方法，其特征在于，双高峰用户的日功率需求的计算过程为：

P_e2＝(P_max-P_min)*α；

其中，P_e2为双高峰用户的日功率需求；α为双高峰用户的需求系数；P_max为一天内平段、峰段和尖峰段用户功率需求的最大值；P_min为一天内平段、峰段和尖峰段用户功率需求的最小值。

5.根据权利要求4所述的分布式储能系统的构建方法，其特征在于，双高峰用户的日电量需求的计算过程为：

其中，Q_e2为双高峰用户的日电量需求；P为功率；P₂'为双高峰用户的功率目标值；t1、t2、t3、t4为双高峰用户的功率目标值对应的时刻。

6.根据权利要求3所述的分布式储能系统的构建方法，其特征在于，单高峰用户的日功率需求的计算过程为：

P_e1＝P_max*β；

其中，P_e1为单高峰用户的日功率需求；β为单高峰用户的需求系数；P_max为一天内平段、峰段和尖峰段用户功率需求的最大值。

7.根据权利要求3所述的分布式储能系统的构建方法，其特征在于，单高峰用户的日电量需求的计算过程为：

其中，Q_e1为单高峰用户的日电量需求；β为单高峰用户的需求系数；P₁'为单高峰用户的功率目标值；t5、t6为单高峰用户的功率目标值对应的时刻；P为功率；P_max为一天内平段、峰段和尖峰段用户功率需求的最大值。

8.一种分布式储能系统的构建装置，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的分布式储能系统的构建方法。

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