CN116454936A - 电池与飞轮混合储能系统的功率分配方法、设备和介质 - Google Patents

电池与飞轮混合储能系统的功率分配方法、设备和介质 Download PDF

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CN116454936A CN202310501420.7A CN202310501420A CN116454936A CN 116454936 A CN116454936 A CN 116454936A CN 202310501420 A CN202310501420 A CN 202310501420A CN 116454936 A CN116454936 A CN 116454936A
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Abstract

本发明公开了一种电池与飞轮混合储能系统的功率分配方法、设备和介质，包括：获取目标混合储能系统的待分配的目标功率值；基于目标功率值的变化速率，分别确定电化学电池储能模块的第一功率分配值和飞轮储能模块的第二功率分配值；基于电化学电池储能模块和飞轮储能模块的工作状态，分别对第一功率分配值和第二功率分配值进行限定；基于目标混合储能系统的荷电状态越限制情况，分别对第一功率分配限定值和第二功率分配限定值进行荷电状态自保持功率控制和功率补偿，确定电池储能模块的第一功率实际分配值和飞轮储能模块的第二功率实际分配值。本发明可延长电池模块的使用寿命和提高混合储能系统的响应性能。

Description

电池与飞轮混合储能系统的功率分配方法、设备和介质
技术领域
本发明涉及混合储能技术领域，具体为一种电池与飞轮混合储能系统的功率分配方法、设备和介质。
背景技术
火电机组的储能按照能量转换方式可以分为机械储能(含抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能)、电磁储能(含超导储能、超级电容储能)、电化学储能(铅酸/铅碳电池、锂离子电池、液流电池)、相变储能(熔盐储能、冰蓄冷储能)。储能按照放电时间长短可分为能量型储能和功率型储能，以及介于能量型与功率型储能两者之间的储能。利用不同储能的特点，将不同形式的储能组成混合储能系统，能够实现某些特定场景的需求。
针对于混合储能系统，传统的功率分配方式未考虑飞轮设备自放电率高的问题，当混合储能系统的飞轮已经运行到SOC下限，飞轮不再放电，此时如果系统接收到一个长时段(举例：3～8小时)的放电信号时，飞轮会因为不断自放电而停机。飞轮停机后，无法在短时段(举例：5～30分钟)内响应充放电指令，混合储能系统理论最大充放电容量为飞轮最大充放电容量与电池最大充放电容量之和，此时混合储能系统实际最大充放电容量为电池最大充放电容量，混合储能系统最大充放电容量减小，混合储能系统调节能力降低，且响应性能变差，电池充放电次数增多，导致电池寿命缩短。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述至少一个技术问题而提供一种电池与飞轮混合储能系统的功率分配方法、设备和介质。
第一方面，本发明实施例提供了一种电池与飞轮混合储能系统的功率分配方法，应用于目标混合储能系统；所述目标混合储能系统包括电化学电池储能模块和飞轮储能模块；包括：获取所述目标混合储能系统的待分配的目标功率值；基于所述目标功率值的变化速率，分别确定所述电化学电池储能模块的第一功率分配值和所述飞轮储能模块的第二功率分配值；基于所述电化学电池储能模块和所述飞轮储能模块的工作状态，分别对所述第一功率分配值和所述第二功率分配值进行限定，确定所述电所述电化学电池储能模块的第一功率分配限定值和所述飞轮储能模块的第二功率分配限定值；基于所述目标混合储能系统的荷电状态越限制情况，分别对所述第一功率分配限定值和所述第二功率分配限定值进行荷电状态自保持功率控制和功率补偿，确定所述电池储能模块的第一功率实际分配值和所述飞轮储能模块的第二功率实际分配值。
进一步地，获取所述目标混合储能系统的待分配的目标功率值，包括：获取火电机组的自动发电控制指令与火电机组的实时功率；将所述自动发电控制指令与所述实时功率之差，作为所述目标功率值。
进一步地，基于所述目标功率值的变化速率，分别确定所述电化学电池储能模块的第一功率分配值和所述飞轮储能模块的第二功率分配值，包括：将所述目标功率值中变化速率小于或等于预设速率的功率部分，确定为所述第一功率分配值；将所述目标功率值中，变化速率大于所述预设速率的功率部分，确定为所述第二功率分配值。
进一步地，所述电化学电池储能模块的工作状态，包括：荷电状态，温度欠温，过温状态，过压状态，欠压状态，过流状态，电池内阻状态。
进一步地，所述飞轮储能模块的工作状态，包括：荷电状态，真空度状态，飞轮振动幅度，部件温度，部件裂纹状态。
进一步地，基于所述目标混合储能系统的荷电状态越限制情况，分别对所述第一功率分配限定值和所述第二功率分配限定值进行荷电状态自保持功率控制和功率补偿，确定所述电池储能模块的第一功率实际分配值和所述飞轮储能模块的第二功率实际分配值，包括：当所述飞轮储能模块的荷电状态越过上限值或下限值、且所述电化学电池储能模块的荷电状态没有发生越过上限值或下限值情况时：对所述飞轮储能模块进行荷电状态自保持功率控制，得到第二功率实际分配值；所述电化学电池储能模块不进行荷电状态自保持功率控制而进行功率补偿，得到第一功率实际分配值；其中，所述第一功率实际分配值等于所述第一功率分配限定值减去所述第二功率实际分配值；当所述飞轮储能模块的荷电状态没有越过上限值或下限值、且所述电化学电池储能模块的荷电状态也没有发生越过上限值或下限值情况时：将所述第一功率分配限定值确定为所述第一功率实际分配值，将所述第二功率分配限定值确定为所述第二功率实际分配值。
进一步地，还包括：计算所述第一功率实际分配值和所述第二功率实际分配值之和，得到实际总功率值；将所述实际总功率值与所述目标功率值之差，作为反馈量；基于所述反馈量，对所述第一功率分配值和所述第二功率分配值进行调整。
第二方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器和存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述第一方面所述的方法。
第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现如上述第一方面所述的方法。
本发明提供了一种电池与飞轮混合储能系统的功率分配方法、设备和介质，利用不同储能介质的物理特性和化学特性，制定合理的功率分配策略，减少了对储能设备的损伤，保证储能设备具备随时相应的能力，提高了混合储能系统的响应性能，缓解了传统的功率分配方式存在着响应性能差的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施方式，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电池与飞轮混合储能系统的功率分配方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的另一种电池与飞轮混合储能系统的功率分配方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种火电机组的混合储能系统功率分配总流程图；
图4为本发明实施例提供的一种飞轮与电池的第一调节流程的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种电池的第一调节流程的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种电池与飞轮的第二调节流程的示意图；
图7为本发明实施例提供的一种飞轮的第二调节流程的示意图；
图8为本发明实施例提供的一种混合储能系统的调频策略示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
图1是根据本发明实施例提供的一种电池与飞轮混合储能系统的功率分配方法的流程图，该方法应用于目标混合储能系统；其中，目标混合储能系统包括电化学电池储能模块和飞轮储能模块。如图1所示，该方法具体包括如下步骤：
步骤S102，获取目标混合储能系统的待分配的目标功率值。
具体地，获取火电机组的自动发电控制(Automatic Generation Control，AGC)指令与火电机组的实时功率；将自动发电控制指令与实时功率之差，作为目标功率值。
步骤S104，基于目标功率值的变化速率，分别确定电化学电池储能模块的第一功率分配值和飞轮储能模块的第二功率分配值。
步骤S106，基于电化学电池储能模块和飞轮储能模块的工作状态，分别对第一功率分配值和第二功率分配值进行限定，确定电电化学电池储能模块的第一功率分配限定值和飞轮储能模块的第二功率分配限定值。
步骤S108，基于目标混合储能系统的荷电状态越限制情况，分别对第一功率分配限定值和第二功率分配限定值进行荷电状态自保持功率控制和功率补偿，确定电池储能模块的第一功率实际分配值和飞轮储能模块的第二功率实际分配值。
本发明提供了一种电池与飞轮混合储能系统的功率分配方法，利用不同储能介质的物理特性和化学特性，制定合理的功率分配策略，减少了对储能设备的损伤，保证储能设备具备随时相应的能力，提高了混合储能系统的响应性能，缓解了传统的功率分配方式存在着响应性能差的技术问题。
在本发明实施例中，目标功率值按照初始分配比例计算电化学电池储能模块和飞轮储能模块的初始分配值。具体地，步骤S104还包括如下步骤：
步骤S1041，将目标功率值中变化速率小于或等于预设速率的功率部分，确定为第一功率分配值；
步骤S1042，将目标功率值中，变化速率大于预设速率的功率部分，确定为第二功率分配值。
在本发明实施例中，电化学电池储能模块承担目标功率值中缓慢变化的分配功率值，飞轮储能模块承担目标功率值中快速变化的分配功率值。具体地，电池的功率分配值随时间变化较小，数值符号在一个持续时段内保持一致；飞轮的功率分配值随时间快速变化，数值符号在一个持续时段内可能发生多次正负号的变化。
可选地，在本发明实施例中，电化学电池储能模块的工作状态，包括：荷电状态，温度欠温，过温状态，过压状态，欠压状态，过流状态，电池内阻状态。飞轮储能模块的工作状态，包括：荷电状态，真空度状态，飞轮振动幅度，部件温度，部件裂纹状态。
具体地，在本发明实施例中，电化学电池储能模块按照本身的荷电状态(SOC)、温度欠温或过温状态、过压或欠压状态、过流状态、电池内阻状态，对第一功率分配值进行限值。具体地，电池SOC有上下限值告警作为第一级预警，电压过压欠压告警作为第二级预警，温度过温欠温作为第三级预警，从第一级到第三级，优先级逐步提高。
具体地，在电化学电池储能模块处于温度欠温或过温状态时，禁止对电化学电池储能模块进行充放电操作，不论电池是否存在过压或欠压情况。当电化学电池储能模块不存在温度欠温或过温状态情况时，如果处于过压状态，则只允许电化学电池储能模块放电而不允许充电，不论电化学电池储能模块的SOC是否越上限值；如果处于欠压状态，则只允许充电而不允许放电，不论电化学电池储能模块SOC是否越下限值。当电化学电池储能模块不存在温度欠温或过温状态情况，也不存在过压或欠压状态情况时，电化学电池储能模块的荷电状态低于下限值不进行放电，高于上限值不进行充电。
具体地，在本发明实施例中，飞轮储能模块按照本身的荷电状态(SOC)、真空度状态、飞轮振动幅度、重要部件温度、重要部件裂纹情况，对分配的功率值进行限值。具体地，飞轮SOC有上下限值告警作为第一级预警，真空度不足作为第二级预警，飞轮振动幅度越限作为第三级预警，重要部件裂纹缺陷检测状态作为第四级预警。从第一级到第四级，预警优先级逐步提高。
可选地，本发明实施例提供的方法还包括：
计算第一功率实际分配值和第二功率实际分配值之和，得到实际总功率值；
将实际总功率值与目标功率值之差，作为反馈量；
基于反馈量，对第一功率分配值和第二功率分配值进行调整。
在本发明实施例中，反馈量可以作为一个系统可用率的一个评价指标。
本发明实施例提供的方法还包括：在电池和飞轮混合储能系统参与功率调节时，按照电化学电池储能模块和飞轮储能模块的荷电状态进行状态保持。在本发明实施例中，电池和飞轮都具有自放电特性。如果电池长期不进行充电，电池自放电至亏电状态，可能造成电池不可逆损伤，造成电池一致性差，充电时间变长，影响正常性能。如果飞轮长期不进行充电，飞轮会停止旋转，飞轮加速至额定转速所需时间长，无法发挥飞轮快速功率响应的优势。
具体地，步骤S108还包括如下具体步骤：
步骤S1081，当飞轮储能模块的荷电状态越过上限值或下限值、且电化学电池储能模块的荷电状态没有发生越过上限值或下限值情况时：对飞轮储能模块进行荷电状态自保持功率控制，得到第二功率实际分配值；电化学电池储能模块不进行荷电状态自保持功率控制而进行功率补偿，得到第一功率实际分配值；其中，第一功率实际分配值等于第一功率分配限定值减去第二功率实际分配值；
步骤S1082，当飞轮储能模块的荷电状态没有越过上限值或下限值、且电化学电池储能模块的荷电状态也没有发生越过上限值或下限值情况时：将第一功率分配限定值确定为第一功率实际分配值，将第二功率分配限定值确定为第二功率实际分配值。
例如，当目标混合储能系统接收到放电指令，飞轮储能模块的SOC越下限值，电化学电池储能模块的SOC没有越下限值时，飞轮储能模块需要进行SOC自保持功率控制，此时给飞轮储能模块以第一预设功率P1进行充电，P1为飞轮储能模块的实际功率分配值，保证飞轮不亏电，随时具备响应能力；此时电化学电池储能模块不需要进行SOC自保持功率控制，需要考虑功率补偿控制，将电化学电池储能模块的功率限定值减去P1值，确定电化学电池储能模块的实际功率分配值。
当标混合储能系统接收到充电指令，飞轮储能模块的SOC越上限值，电化学电池储能模块的SOC没有越上限值时，飞轮储能模块需要进行SOC自保持功率控制，此时给飞轮储能模块以第二预设功率P2进行放电，P2为飞轮储能模块的实际功率分配值，保证飞轮储能模块不进入饱和状态，随时具备响应能力；此时电化学电池储能模块不需要进行SOC自保持功率控制，需要考虑功率补偿控制，将电化学电池储能模块的功率限定值减去P2值，确定电化学电池储能模块的实际功率分配值。
图2是根据本发明实施例提供的另一种电池与飞轮混合储能系统的功率分配方法的流程图。如图2所示，该方法具体包括：首先获取混合储能系统的目标功率值，然后将目标功率值进行分配，得到飞轮、电池功率分配计算值；然后分别对电池进行分级预警限值，和对飞轮进行分级预警限值，按照限值分别获取电池功率限定值和飞轮功率限定值；分别对电池和飞轮进行SOC自保持功率控制，两种控制之间存在功率补偿，按照SOC自保持功率控制和功率补偿控制，分别获取电池功率实际分配值和飞轮功率实际分配值。最后计算飞轮、电池实际功率总值(功率为正表示放电、功率为负表示充电)作为功率反馈，调整目标功率的分配比例，使得储能实际总功率与目标功率值一致或接近。
可选地，图3是根据本发明实施例提供的一种火电机组的混合储能系统功率分配总流程图。如图3所示，约定混合储能目标计算值的符号，符号为正表示储能系统需放电，符号为负表示系统需充电。Ph混合储能总目标值，Pagc为调度中心下发的AGC指令，Punit火电机组实际功率。
具体地，如图3所示，首先计算混合储能系统总出力Ph＝Pagc-Punit，然后判断是否时飞轮优先；
如果是，则判断飞轮是否具备充放电裕度；其中，Ph>0时，检查飞轮放电裕度；Ph<0时检查飞轮充电裕；
如果是，则执行飞轮与电池的第一调节流程；如果否，则执行电池的第一调节流程。
如果不是飞轮优先，则继续判断是否电池优先；如果是，则判断电池是否具备充放电裕度；其中，Ph>0时检查放电裕度；Ph<0时检查充电裕度；
如果是，则执行电池与飞轮的第二调节流程；如果否，则执行飞轮的第二调节流程。
若没有电池优先，则执行飞轮与电池的第一调节流程。
具体地，图4是根据本发明实施例提供的一种飞轮与电池的第一调节流程的示意图，图5是根据本发明实施例提供的一种电池的第一调节流程的示意图，图6是根据本发明实施例提供的一种电池与飞轮的第二调节流程的示意图，图7是根据本发明实施例提供的一种飞轮的第二调节流程的示意图。
其中，基于SOC反馈的飞轮储能最大出力约束大于储能响应调频需求进行功率充放电时，若一直以额定功率充放电，将很快导致飞轮容量饱和或耗尽，从而导致调频效果不佳。因此，根据SOC对飞轮储能最大充放电功率进行约束十分必要。优选，本发明实施例选择二次函数曲线对储能最大输出功率进行约束，其表达式如下：
Pd＝Pm,0.45≤S≤1.0
Pc＝-Pm,0.2≤S≤0.55
式中：Pm为飞轮的额定最大功率；S为飞轮荷电状态实时值，S_min和S_max分别为SOC下限和上限，分别取0.2和0.8。
图8是根据本发明实施例提供的一种混合储能系统的调频策略示意图。如图8所示，只有当混合储能系统平均SOC在S1和S2之间时，参与调频期间的调频。
如图8所示，在非调频期间，混合储能系统平均SOC在S3和S4之间时，储能功率设置为0；在混合储能平均SOC超过S4时，若处于经常性升功率场景，储能放电到S5后停止，若处于非经常性升功率场景，储能放电至S6后停止；在混合储能平均SOC低于S3时，若处于经常性升功率场景，储能充电至S5后停止，若处于非经常性升功率场景，储能充电至S6后停止。
其中，上述S1～S6参考值如表1所示：
表1
由以上描述可知，本发明实施例提供了一种电池与飞轮混合储能系统的功率分配方法，包括确定混合储能系统的总的目标功率值，对目标功率值进行分配，分别确定电池与飞轮的功率分配值，再按照电池、飞轮的实际工作状态和分级预警信息进行功率限值，获取电池、飞轮的功率实际分配值，作为反馈量反馈到总功率目标值。无需进行功率调节时，按照电池、飞轮的荷电状态SOC进行状态保持。实现混合储能系统最大化不停电、随时具备响应能力，兼顾设备寿命最优的效果。
本发明还提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器和存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如本发明实施例提供的方法。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机指令，计算机指令被处理器执行时实现如本发明实施例提供的方法。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种电池与飞轮混合储能系统的功率分配方法，其特征在于，应用于目标混合储能系统；所述目标混合储能系统包括电化学电池储能模块和飞轮储能模块；包括：
获取所述目标混合储能系统的待分配的目标功率值；
基于所述目标功率值的变化速率，分别确定所述电化学电池储能模块的第一功率分配值和所述飞轮储能模块的第二功率分配值；
基于所述电化学电池储能模块和所述飞轮储能模块的工作状态，分别对所述第一功率分配值和所述第二功率分配值进行限定，确定所述电所述电化学电池储能模块的第一功率分配限定值和所述飞轮储能模块的第二功率分配限定值；
基于所述目标混合储能系统的荷电状态越限制情况，分别对所述第一功率分配限定值和所述第二功率分配限定值进行荷电状态自保持功率控制和功率补偿，确定所述电池储能模块的第一功率实际分配值和所述飞轮储能模块的第二功率实际分配值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：获取所述目标混合储能系统的待分配的目标功率值，包括：
获取火电机组的自动发电控制指令与火电机组的实时功率；
将所述自动发电控制指令与所述实时功率之差，作为所述目标功率值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：基于所述目标功率值的变化速率，分别确定所述电化学电池储能模块的第一功率分配值和所述飞轮储能模块的第二功率分配值，包括：
将所述目标功率值中变化速率小于或等于预设速率的功率部分，确定为所述第一功率分配值；
将所述目标功率值中，变化速率大于所述预设速率的功率部分，确定为所述第二功率分配值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电化学电池储能模块的工作状态，包括：荷电状态，温度欠温，过温状态，过压状态，欠压状态，过流状态，电池内阻状态。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述飞轮储能模块的工作状态，包括：荷电状态，真空度状态，飞轮振动幅度，部件温度，部件裂纹状态。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：基于所述目标混合储能系统的荷电状态越限制情况，分别对所述第一功率分配限定值和所述第二功率分配限定值进行荷电状态自保持功率控制和功率补偿，确定所述电池储能模块的第一功率实际分配值和所述飞轮储能模块的第二功率实际分配值，包括：
当所述飞轮储能模块的荷电状态越过上限值或下限值、且所述电化学电池储能模块的荷电状态没有发生越过上限值或下限值情况时：对所述飞轮储能模块进行荷电状态自保持功率控制，得到第二功率实际分配值；所述电化学电池储能模块不进行荷电状态自保持功率控制而进行功率补偿，得到第一功率实际分配值；其中，所述第一功率实际分配值等于所述第一功率分配限定值减去所述第二功率实际分配值；
当所述飞轮储能模块的荷电状态没有越过上限值或下限值、且所述电化学电池储能模块的荷电状态也没有发生越过上限值或下限值情况时：将所述第一功率分配限定值确定为所述第一功率实际分配值，将所述第二功率分配限定值确定为所述第二功率实际分配值。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括：
计算所述第一功率实际分配值和所述第二功率实际分配值之和，得到实际总功率值；
将所述实际总功率值与所述目标功率值之差，作为反馈量；
基于所述反馈量，对所述第一功率分配值和所述第二功率分配值进行调整。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器和存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7任一项所述的方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的方法。
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