CN117578595B

CN117578595B - 一种应用于储能电站的ems管理系统

Info

Publication number: CN117578595B
Application number: CN202410060047.0A
Authority: CN
Inventors: 汪磊; 廖民康; 许岚
Original assignee: Shenzhen Sanway Electronical Technology Co ltd
Current assignee: Shenzhen Sanway Electronical Technology Co ltd
Priority date: 2024-01-16
Filing date: 2024-01-16
Publication date: 2024-05-07
Anticipated expiration: 2044-01-16
Also published as: CN117578595A

Abstract

本发明属于新能源领域，提供了一种应用于储能电站的EMS管理系统。储能电站部署有光伏发电阵列、电池阵列，光伏发电阵列和电池阵列分别通过第一DC/DC模块和第二DC/DC模块连接至母线，EMS管理系统用于将工作模式分为正常模式和瞬态模式，在工作于正常模式时，根据MPPT控制器计算得到光伏发电阵列的最大功率输出点，并触发第一DC/DC模块动态调整电压以按照最大功率输出点单向输出至母线；在工作于瞬态模式时，根据第一模糊控制器，触发第一DC/DC模块调整输出电压以使得母线的电压被维持在预设值，或根据第二模糊控制器，触发第二DC/DC模块调整输出电压以使得母线的电压被维持在预设值；本发明无需频繁地采样数据，即可以实现保持电池SOC的健康值和减少母线电压的波动。

Description

一种应用于储能电站的EMS管理系统

技术领域

本发明涉及 EMS 管理系统领域，尤其涉及一种应用于储能电站的 EMS 管理系统。

背景技术

太阳能光伏发电阵列等可再生能源越来越多地用作分布式储能电站来替代传统能源。在应用光伏发电阵列时，必须采用电池等储能系统来维持波动的电能消耗和产生之间的平衡。这样，为了保护电池的健康度和母线负载的正常工作，电池的 SOC（充电状态）应保持在一定的范围内，即使储能电站所连接的母线的负载变动或光伏发电阵列变动，电池的 SOC 也不能超过限制，以及母线的标准电压也不能变动。

现有技术中，为了保持电池 SOC 的健康和减少母线电压的波动，有的技术采用了复杂的计算方法，需要频繁对电流、电压等采样，这对 DC/DC 模块的要求高，相应地输出滤波的设计变得复杂，硬件成本高。

发明内容

鉴于以上技术问题，本发明提供了一种应用于储能电站的 EMS 管理系统，以提供一种可以相对简洁、保持电池 SOC 的健康和减少母线电压的波动的 EMS 管理系统。

本公开的其他特征和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。

本发明公开一种应用于储能电站的 EMS 管理系统，所述储能电站部署有光伏发电阵列、电池阵列，所述光伏发电阵列和所述电池阵列分别通过第一 DC/DC 模块和第二DC/DC 模块连接至母线，所述 EMS 管理系统用于：将工作模式分为正常模式和瞬态模式，所述正常模式包括：所述电池阵列充电时，所述光伏发电阵列的输出功率大于所述母线的负载需求，且所述电池阵列的 SOC 小于其上限，或所述电池阵列放电时，所述光伏发电阵列的输出功率小于所述母线的负载需求，且所述电池阵列的 SOC 大于其下限；所述瞬态模式包括：所述电池阵列充电时，所述光伏发电阵列的输出功率大于所述母线的负载需求，且所述电池阵列的 SOC 达到其上限范围内，或所述电池阵列放电时，所述光伏发电阵列的输出功率小于所述母线的负载需求，且所述电池阵列的 SOC 达到其下限范围内；在工作于所述正常模式时，根据 MPPT 控制器计算得到所述光伏发电阵列的最大功率输出点，并触发所述第一 DC/DC 模块动态调整电压以按照最大功率输出点单向输出至所述母线；在工作于所述瞬态模式且所述光伏发电阵列的输出功率大于所述母线的负载需求及所述电池阵列的 SOC 达到其上限范围内时，根据第一模糊控制器，触发所述第一 DC/DC模块动态调整输出电压以使得所述母线的电压被维持在预设值；在工作于所述瞬态模式时，根据第二模糊控制器，触发所述第二 DC/DC 模块动态调整输出电压以使得所述母线的电压被维持在预设值。

进一步的，在计算所述光伏发电阵列的最大功率输出点时，采用以下算法之一：基于所述光伏发电阵列的导纳和电导率特性的增量电导算法；基于所述光伏发电阵列的功率变化方向的扰动观察算法；人工智能和优化算法。

进一步的，所述 EMS 管理系统还用于：在工作于所述瞬态模式且所述光伏发电阵列的输出功率小于所述母线的负载需求及所述电池阵列的 SOC 达到其下限范围内时，停止所述第二 DC/DC 模块的工作，关断连接所述母线的低优先级的负载，以使得所述母线的电压被维持在预设值。

进一步的，所述第一模糊控制器用于获取当前所述光伏发电阵列与所述母线的预设值的第一差值，推理得到所述母线的电压的第一参考值，并经过 PI 控制器生成驱动所述第一 DC/DC 模块的 PWM 信号。

进一步的，所述第一模糊控制器在获取所述第一差值后，将所述第一差值映射至模糊集合中，基于预先定义的模糊规则，对模糊化的所述第一差值进行逻辑推理并解模糊化，得到所述第一参考值。

进一步的，所述第二模糊控制器用于获取所述电池阵列的 SOC 及其下限的第四差值，和所述电池阵列的当前输出功率与最大输出功率的第五差值，推理得到所述电池阵列当前的最小输出电流，根据所述最小输出电流调整所述第二 DC/DC 模块。

进一步的，在所述电池阵列的 SOC 达到其上限或下限时，停止充电或放电。

本公开的技术方案具有以下有益效果：将 EMS 管理系统的正常模式分为正常模式和瞬态模式，在不同的模式下，分别对光伏发电阵列和电池阵列采用不同的模糊控制策略，基于模糊控制的推理，此过程无需频繁地采样数据，即可以实现保持电池 SOC 的健康值和减少母线电压的波动。

附图说明

图 1 为本说明书实施例中的一种应用于储能电站的 EMS 管理系统的结构框图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特征可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

此外，附图仅为本公开的示意性图解。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

如图 1 所示，本说明书实施例提供一种应用于储能电站的 EMS 管理系统 100，储能电站部署有光伏发电阵列 201、电池阵列 301，光伏发电阵列 201 和电池阵列 301分别通过第一 DC/DC 模块 202 和第二 DC/DC 模块 302 连接至母线 400，EMS 管理系统100 用于：将工作模式分为正常模式和瞬态模式，正常模式包括：电池阵列 301 充电时，光伏发电阵列 201 的输出功率大于母线 400 的负载 500 需求，且电池阵列 301 的 SOC小于其上限，或电池阵列 301 放电时，光伏发电阵列 201 的输出功率小于母线 400 的负载 500 需求，且电池阵列 301 的 SOC 大于其下限；瞬态模式包括：电池阵列 301 充电时，光伏发电阵列 201 的输出功率大于母线 400 的负载 500 需求，且电池阵列 301 的SOC 达到其上限范围内，或电池阵列 301 放电时，光伏发电阵列 201 的输出功率小于母线 400 的负载 500 需求，且电池阵列 301 的 SOC 达到其下限范围内；在工作于正常模式时，根据 MPPT 控制器 102 计算得到光伏发电阵列 201 的最大功率输出点，并触发第一 DC/DC 模块 202 动态调整电压以按照最大功率输出点单向输出至母线 400；在工作于瞬态模式且光伏发电阵列 201 的输出功率大于母线 400 的负载 500 需求及电池阵列301 的 SOC 达到其上限范围内时，根据第一模糊控制器 101，触发第一 DC/DC 模块 202动态调整输出电压以使得母线 400 的电压被维持在预设值；在工作于瞬态模式时，根据第二模糊控制器 103，触发第二 DC/DC 模块 302 动态调整输出电压以使得母线 400 的电压被维持在预设值；其中，第一 DC/DC 模块 202 为单向的升压转换器，即只需要将光伏发电阵列 201 的输出电压升压至母线 400，第二 DC/DC 模块 302 为双向的升压/降压转换器，将电池阵列 301 的电压升压给母线 400，或将母线 400 的电压降压给电池阵列 301 充电。第一 DC/DC 模块 202 和第二 DC/DC 模块 302 由 PWM 信号驱动，在 PWM信号不同时，其输出电压也会不同。具体地，第一 DC/DC 模块 202 的 PWM 信号由对应的第一 PI 控制器 203 计算得到，第二 DC/DC 模块 302 的 PWM 信号由对应的第二 PI 控制 303 器计算得到，第一 PI 控制器 203 和第二 PI 控制 303 器的输出由 EMS 管理系统 100 所控制。

在本发明中，电池阵列 301 通常可以在充电模式或放电模式下运行，具体取决于光伏发电阵列 201 和负载 500 之间的电力可用性要求。如果电池阵列 301 与光伏发电阵列 201 中长时间的功率不平衡可能导致电池阵列 301 深度放电或过度充电。因此，为了延长电池阵列 301 的使用寿命并充分利用光伏发电阵列 201，电池阵列 301 与光伏发电阵列 201 运行在正常模式和瞬态模式。在正常模式中，电池阵列 301 在充电可以充分利用太阳能电源，在放电时则补偿母线 400 的功率。在瞬态模式中，光伏发电量仍大于负载 500 的需求，且电池接近满电，则光伏发电阵列 201 需要退出最大功率输出点的工作模式，其电压需要用于维持母线 400 电压的预设值不变。在瞬态模式中，光伏发电量仍不足以满足负载 500 需求，且电池阵列 301 也接近最低电量，需要对第二 DC/DC 模块 302干预，停止电池阵列 301 深度放电，同时可以断开低优先级的负载 500，以减少母线 400的总功率，或者等到电池阵列 301 的 SOC 达到其上限或下限时，再停止充电或放电。

另外，作为解释的，SOC 的上限值和下限值会根据电池的不同而设定不同的值，例如，在常见的锂离子电池中，一般将 SOC 的上限值设置为 95%至 100%之间，下限值被设置在 20% 至 30%。对于铅酸电池，SOC 的上限值设置在 80%至 100%之间，SOC 的上限值通常设置在 80%至 100%之间。以锂电池为例，SOC 的上限值示范性地设置为 95%，则在瞬态模式中，上限范围内可以是大于 90%而小于 95%的任意一个数。同理地，锂电池的 SOC 下限值可以示范地设置为 25%，则下限范围可以设置为大于 25%而小于 30%。

在一实施方式中，在瞬态模式下，当电池阵列 301 的 SOC 接近其最大极限并且光伏发电功率足以满足负载 500 要求时，光伏发电阵列 201 需要接管母线 400 电压调节任务。因此， MPPT 控制器 102 将切换到自适应的第一模糊控制器 101 以稳定母线400 电压。第一模糊控制器 101 在工作时，获取当前光伏发电阵列 201 与母线 400 的预设值的第一差值，推理得到母线 400 的电压的第一参考值，并经过 PI 控制器生成驱动第一 DC/DC 模块 202 的 PWM 信号。

具体地，第一模糊控制器 101 在获取第一差值后，将第一差值映射至模糊集合中，基于预先定义的模糊规则，对模糊化的第一差值进行逻辑推理并解模糊化，得到第一参考值。

在一实施方式中，在瞬态模式下，当电池阵列 301 的 BAT 接近其极限（下限和上限）时，母线 400 的电压通过第二模糊控制器 103 补偿到正确值，以减少直流母线 400电压的偏差。

例如，在电池阵列 301 处于充电时，即 SOC 达到其上限范围内时，第二模糊控制器 103 用于获取当前电池阵列 301 的 SOC 及其上限的第二差值，及当前充电功率和最大充电功率的第三差值，推理得到电池阵列 301 当前的最小充电电流，根据最小充电电流调整第二 DC/DC 模块 302。

同时，在电池阵列 301 放电时，第二模糊控制器 103 用于获取电池阵列 301 的SOC 及其下限的第四差值，和电池阵列 301 的当前输出功率与最大输出功率的第五差值，推理得到电池阵列 301 当前的最小输出电流，根据最小输出电流调整第二 DC/DC 模块 302。

另外，由于第二模糊控制器 103 会动态改变电池阵列 301 的输出或输入电压，即改变第二 DC/DC 模块 302 的输出或输入电压，若光伏发电阵列 201 任按照预设的规则发电，可能会导致母线 400 的电压不在预设值内，因此可以计算母线 400 的负载 500在预设值时所述的总功率，在电池阵列 301 的 SOC 位于上限和下限之间时，且光伏发电阵列 201 不按照最大功率输出点输出时，赋予光伏发电阵列 201 和电池阵列 301 的输出电压不同的权重，使得两者的总功率等于母线 400 的总功率。

在一实施方式中，在计算光伏发电阵列 201 的最大功率输出点时，采用以下算法之一：基于光伏发电阵列 201 的导纳和电导率特性的增量电导算法，如 INC；基于光伏发电阵列 201 的功率变化方向的扰动观察算法，如 P&O；人工智能和优化算法,如神经网络，遗传算法等；模型预测法，如 MPC。

有益效果：将 EMS 管理系统 100 的正常模式分为正常模式和瞬态模式，在不同的模式下，分别对光伏发电阵列 201 和电池阵列 301 采用不同的模糊控制策略，基于模糊控制的推理，此过程无需频繁地采样数据，即可以实现保持电池 SOC 的健康值和减少母线 400 电压的波动。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施方式。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施方式仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。

Claims

1.一种应用于储能电站的 EMS 管理系统，其特征在于，所述储能电站部署有光伏发电阵列、电池阵列，所述光伏发电阵列和所述电池阵列分别通过第一 DC/DC 模块和第二DC/DC 模块连接至母线，所述 EMS 管理系统用于：将工作模式分为正常模式和瞬态模式，所述正常模式包括：所述电池阵列充电时，所述光伏发电阵列的输出功率大于所述母线的负载需求，且所述电池阵列的 SOC 小于其上限，或所述电池阵列放电时，所述光伏发电阵列的输出功率小于所述母线的负载需求，且所述电池阵列的 SOC 大于其下限；所述瞬态模式包括：所述电池阵列充电时，所述光伏发电阵列的输出功率大于所述母线的负载需求，且所述电池阵列的 SOC 达到其上限范围内，或所述电池阵列放电时，所述光伏发电阵列的输出功率小于所述母线的负载需求，且所述电池阵列的 SOC 达到其下限范围内；在工作于所述正常模式时，根据 MPPT 控制器计算得到所述光伏发电阵列的最大功率输出点，并触发所述第一 DC/DC 模块动态调整电压以按照最大功率输出点单向输出至所述母线；在工作于所述瞬态模式且所述光伏发电阵列的输出功率大于所述母线的负载需求及所述电池阵列的 SOC 达到其上限范围内时，根据第一模糊控制器，获取当前所述光伏发电阵列与所述母线的预设值的第一差值，将所述第一差值映射至模糊集合中，基于预先定义的模糊规则，对模糊化的所述第一差值进行逻辑推理并解模糊化，推理得到所述母线的电压的第一参考值，并经过 PI 控制器生成驱动所述第一 DC/DC 模块的 PWM 信号，触发所述第一 DC/DC 模块动态调整输出电压以使得所述母线的电压被维持在预设值；在工作于所述瞬态模式时，根据第二模糊控制器，触发所述第二 DC/DC 模块动态调整输出电压以使得所述母线的电压被维持在预设值，其中：所述第二模糊控制器用于获取当前所述电池阵列的 SOC 及其上限的第二差值，及当前充电功率和最大充电功率的第三差值，推理得到所述电池阵列当前的最小充电电流，根据所述最小充电电流调整所述第二 DC/DC模块；所述第二模糊控制器用于获取所述电池阵列的 SOC 及其下限的第四差值，和所述电池阵列的当前输出功率与最大输出功率的第五差值，推理得到所述电池阵列当前的最小输出电流，根据所述最小输出电流调整所述第二 DC/DC 模块。

2.根据权利要求 1 所述的一种应用于储能电站的 EMS 管理系统，其特征在于，在计算所述光伏发电阵列的最大功率输出点时，采用以下算法之一：基于所述光伏发电阵列的导纳和电导率特性的增量电导算法；基于所述光伏发电阵列的功率变化方向的扰动观察算法；人工智能和优化算法。

3.根据权利要求 1 所述的一种应用于储能电站的 EMS 管理系统，其特征在于，所述EMS 管理系统还用于：在工作于所述瞬态模式且所述光伏发电阵列的输出功率小于所述母线的负载需求及所述电池阵列的 SOC 达到其下限范围内时，停止所述第二 DC/DC 模块的工作，关断连接所述母线的低优先级的负载，以使得所述母线的电压被维持在预设值。

4.根据权利要求 1 所述的一种应用于储能电站的 EMS 管理系统，其特征在于，在所述电池阵列的 SOC 达到其上限或下限时，停止充电或放电。