TW202315209A

TW202315209A - 電池儲能系統及其運作方法

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Publication number: TW202315209A
Application number: TW110135575A
Authority: TW
Inventors: 欒尚文; 吳瑞明; 黃俊鈞; 楊景竣
Original assignee: 財團法人資訊工業策進會
Priority date: 2021-09-24
Filing date: 2021-09-24
Publication date: 2023-04-01
Also published as: CN115864471A; US20230108268A1

Abstract

一種適用於電池儲能系統的運作方法，所述電池儲能系統包括多個並聯的儲能單元及處理器，其中每一儲能單元包括換流器及電池模組。所述運作方法包括以處理器進行以下步驟：取得電池儲能系統的指定運作功率，依據每一換流器的最大運作功率以及每一電池模組的剩餘電量計算每一儲能單元的可運作時間，至少依據這些儲能單元的這些可運作時間以及電池儲能系統的指定運作功率決定對應於這些儲能單元的一優先順序，以及依據優先順序控制每一儲能單元的運作。

Description

電池儲能系統及其運作方法

本發明關於電池儲能系統，特別是一種能夠以最高功率提供電力的電池儲能系統及其運作方法。

為了兼顧減碳需求與產業發展，愈來愈多的再生能源如太陽能發電、風力發電等被併入現有的輸電網路（electricity grid，簡稱「電網」）。然而，再生能源無法完全由人為控制，當再生能源提供的電量佔電網總體電量的比例提高時，容易造成電網供電量不足，進而增加跳電的風險。

電池儲能系統的快速充放電特性可提供電網多種服務，有效降低再生能源併入電網時產生的衝擊。然而，不當的運作方法將會嚴重影響電池儲能系統的效率及使用壽命，因此，目前極需一種對電池儲能系統的輸入輸出進行最佳化規劃的控制方法。

有鑑於此，本發明提出一種電池儲能系統及其運作方法，在儲能系統總輸入輸出不變的條件下，進行快速且適當的功率分配，確保電池儲能系統可維持最大化的輸入輸出。

依據本發明一實施例的一種電池儲能系統，包括：輸入介面、多個並聯的儲能單元以及處理器。輸入介面用於取得電池儲能系統的指定運作功率。每一儲能單元包括換流器及電池模組。換流器電性連接電池模組以對電池模組進行充電運作或放電運作。處理器電性連接輸入介面及儲能單元，處理器用於進行以下步驟：依據每一換流器的最大運作功率以及每一電池模組的剩餘電量，計算每一儲能單元的可運作時間；至少依據這些儲能單元的這些可運作時間以及電池儲能系統的指定運作功率，決定對應於這些儲能單元的優先順序；以及依據優先順序控制每一儲能單元的運作。

依據本發明一實施例的一種電池儲能系統的運作方法，適用於電池儲能系統，此電池儲能系統包括多個並聯的儲能單元及處理器，其中每一儲能單元包括換流器及電池模組，所述運作方法包括以處理器進行以下步驟：取得電池儲能系統的指定運作功率；依據每一換流器的最大運作功率以及每一電池模組的剩餘電量，計算每一儲能單元的可運作時間；至少依據這些儲能單元的這些可運作時間以及電池儲能系統的指定運作功率，決定對應於這些儲能單元的一優先順序；以及依據優先順序控制每一儲能單元的運作。

綜上所述，本發明提出的電池儲能系統及其運作方法，藉由最佳化的輸入輸出功率配置，避免如下情況：因為每個電池模組的電量狀態不同，某些儲能單元提早放完電或充飽電，導致降低電池儲能系統整體的最大輸入輸出能力降低。本發明可使電池儲能系統在滿足指定運作功率或指定電量狀態的需求時，盡可能延長以最大功率輸入輸出的持續時間。

本發明適用於快速變化輸出之儲能應用場域，如自動調頻輔助服務、再生能源輸出平滑化之應用，同時亦可應用於一般儲能應用場域，如削峰填谷（Peak cut）這種調整電力負荷的應用。本發明不需使用複雜的統計分析方法與相關軟體工具即可實作，技術可行性高、商品化實作容易且成本低。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及特點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且依據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之構想及特點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

圖1是本發明一實施例的電池儲能系統100的方塊架構圖，如圖1所示，電池儲能系統100包括：輸入介面1、處理器2以及多個並聯的儲能單元3、4、5。電池儲能系統100電性連接至電網E以進行供電或充電。

每一儲能單元3、4、5的架構基本上相同，實務上，儲能單元可以為電池櫃（rack）、電池貨櫃（container）等，但本發明不以此為限。儲能單元3、4、5各自包括換流器31、41、51及電池模組32、42、52，換流器31、41、51各自電性連接電池模組32、42、52以對各自的電池模組32、42、52進行充電運作或放電運作。

輸入介面1用於取得電池儲能系統100的指定運作功率。實務上，使用者可透過輸入介面1自行輸入電池儲能系統100的指定運作功率，然而指定運作功率的上限應不大於所有儲能單元的輸入/輸出功率的總和。此外，本發明不限制輸入介面1為軟體或硬體形式。舉例來說，輸入介面1可以是載入電腦裝置（諸如桌上型電腦、筆記型電腦、智慧型手機等）的應用程式（application，APP）。在另一例子中，輸入介面1可以是實體的操作界面，具備顯示螢幕和鍵盤裝置。

處理器2電性連接輸入介面1及儲能單元3、4、5，處理器2用於進行以下步驟：依據每一換流器3、4、5的最大運作功率以及每一電池模組32、42、52的剩餘電量，計算每一儲能單元3、4、5的可運作時間；至少依據這些儲能單元3、4、5的這些可運作時間以及電池儲能系統的指定運作功率，決定對應於這些儲能單元3、4、5的優先順序；以及依據優先順序控制每一儲能單元3、4、5的運作。

圖2是本發明一實施例的電池儲能系統的運作方法的流程圖，所述運作方法適用於圖1的電池儲能系統100，此處的「運作」可包括換流器輸出（放電）或換流器輸入（充電）。

步驟S1為「取得電池儲能系統的指定運作功率及指定電量狀態中的至少一者」，詳細來說，在電池儲能系統100進行放電運作時，指定運作功率即為電池儲能系統100整體的放電功率；在電池儲能系統100進行充電運作時，指定運作功率即為電池儲能系統100整體的充電功率，且指定電量狀態指的是電池儲能系統100整體的充電電量期望目標值。充電電量期望目標值指的是電池儲能系統希望維持的總電量狀態（state of charge，SOC），即電池儲能系統中，所有電池模組儲存的電能總和佔所有電池模組的容量總和的百分比。例如：設置總電量狀態為60%（即SOC _total= 60%），可讓電池儲能系統隨時有充電或放電的空間。實務上，充電電量期望目標值可依據實際需求設定。

步驟S2為「計算每一儲能單元的可運作時間」，詳細來說，在電池儲能系統100進行放電運作時，可運作時間即為可放電時間；在電池儲能系統100進行充電運作時，可運作時間則是指剩餘充電時間。

步驟S3為「決定儲能單元的優先順序」，詳細來說，圖3是圖2中步驟S3的細部流程圖，步驟S31為「判斷電池儲能系統的狀態」。詳言之，當電池儲能系統100處於放電狀態時，處理器2將所有可放電時間由大至小分別設置為高優先順序至低優先次序，如步驟S32所示。上述方式的原則是在滿足電池儲能系統整體的功率需求的前提下，先讓剩餘電量較多的儲能單元進行放電，避免讓剩餘電量較少的儲能單元的電力提前耗盡。

另一方面，當電池儲能系統100處於充電狀態時，處理器2將所有剩餘充電時間由大至小分別設置為高優先順序至低優先順序，如步驟S33所示，上述方式的原則是讓剩餘電量較低的儲能單元盡快回復到足夠長時間運作的電量。

值得注意的是，當所有可運作時間中存在二者相等時，處理器2依據相同的二個可運作時間對應的二個儲能單元的參數大小決定這兩個儲能單元的優先順序，所述參數可包括：換流器的最大運作功率、換流器的轉換效率及電池模組的健康度中至少一者。換言之，除了依據可運作時間來作為調整充放電優先順序的依據，其他參數也可作為輔助性的參考。整體而言，處理器2至少依據儲能單元3、4、5的多個可運作時間以及指定運作功率決定對應於這些儲能單元3、4、5的優先順序。

在上述參數中的「最大運作功率」可以是換流器的額定功率，也可以是使用者的自訂功率。例如，換流器的額定功率為3 百萬瓦（megawatt，MW），但電池儲能系統可根據實際需求，將此換流器的最大輸出維持在 2 MW。

步驟S4為「依據優先順序控制每一儲能單元的運作」，詳細來說，圖4是圖2中步驟S4的細部流程圖。步驟S41為「依據優先順序選擇至少一儲能單元」，步驟S42為「調整被選取的至少一儲能單元的運作功率」，其中被選取的至少一儲能單元的運作功率的總和不小於指定運作功率。

為了清楚說明圖2、圖3及圖4中各步驟的施行細節，下文將以實際數值各舉一個範例，先說明電池儲能系統100在進行放電時的運作方法，然後說明電池儲能系統100在充電時的運作方法。

請參考圖1，電池儲能系統100進行「放電」時的運作方法的範例將採用如下方表格一所列舉的數值：換流器31、41、51的最大運作功率P _rated分別為2 MW、1 MW、3 MW，電池模組32、42、52的最大儲存電量E _rated分別為4百萬瓦小時（megawatt hour，MWh）、1 MWh、8MWh ，且電池模組32、42、52的電量狀態SOC分別為50%、20%、40%。

表格一

儲能單元	P _rated	E _rated	SOC
3	2	4	50%
4	1	2	20%
5	3	8	40%

依據表格一，處理器2可計算得到電池儲能系統100的最大運作功率為2+1+3=6 MW，電池模組32、42、52的當前儲存電量分別為“4*50%=2 MWh”、 “2*20%=0.4 MWh”及“8*40%=3.2 MWh”。

請參考圖2的步驟S1，假設使用者透過輸入介面1設置指定運作功率P _{tot_target}為4 MW。在步驟S2中，處理器2採用下方式一計算每一儲能單元3、4、5的可放電時間t _max，其單位為小時（hour），且結果如下方表格二所示。

式一：

表格二

儲能單元	P _rated	E _rated	SOC	t _max	優先順序
3	2	4	50%	1	2
4	1	2	20%	0.4	3
5	3	8	40%	1.067	1

請參考圖2及圖3，在步驟S3中，因為本範例為放電運作，因此將從圖3的步驟S31移至步驟S32。在步驟S32中，處理器2首先依據可放電時間t _max決定儲能單元3、4、5的優先順序，可放電時間t _max愈大則優先順序愈高，如表格二所示，處理器2將按照儲能單元5、3、4的順序進行挑選。

假設有二個以上的儲能單元的可放電時間t _max相同，則處理器2將按照換流器的最大運作功率P _rated決定優先順序，若仍有二個以上的儲能單元的最大運作功率P _rated相同，則處理器2將按照換流器的效率，或電池模組的健康度決定優先順序。

請參考圖2及圖4，在步驟S41中，處理器2依據表格二所示的優先順序首先挑選儲能單元5，並計算所挑選的儲能單元的累加功率，當累加功率大於或等於步驟S1中設置的指定運作功率P _{tot_target}，4 MW時，處理器2停止挑選。以表格二的範例來說，換流器5及換流器3的累加功率為“3+2=5＞4”，因此各儲能單元3、4、5的參與狀態ON如表格三所示，其中ON的值為1代表儲能單元參與輸出，ON的值為0代表儲能單元不參與輸出。

表格三

儲能單元	P _rated	E _rated	SOC	t _max	優先順序	參與狀態
3	2	4	50%	1	2	1
4	1	2	20%	0.4	3	0
5	3	8	40%	1.067	1	1

請參考圖4，在步驟S42中，處理器2調整被選取的至少一儲能單元的運作功率S42。以表格三的範例而言，由於儲能單元5已貢獻3 MW的功率，因此儲能單元3僅需貢獻1 MW的功率便可實現指定運作功率P _{tot_target}為4 MW的需求。最終，各儲能單元3、4、5的實際輸出功率如表格四所示。

表格四

儲能單元	P _rated	E _rated	SOC	t _max	優先順序	參與狀態	輸出功率
3	2	4	50%	1	2	1	1
4	1	2	20%	0.4	3	0	0
5	3	8	40%	1.067	1	1	3

從表格一至表格四所列舉的數值範例可看出，本發明提出的電池儲能系統的放電運作方法是有條件地選取特定的儲能單元5及3進行放電操作。若是採用所有儲能單元3、4、5平均分配指定運作功率P _{tot_targe}的方式進行放電，則電池模組的電量狀態SOC最小的儲能單元4勢必提前耗盡所有電能。一旦電池儲能系統100被要求提供6 MW的運作功率，則已耗盡儲能單元4的電能的電池儲能系統100將無法滿足需求，而本發明提出的電池儲能系統的運作方法則可避免上述問題。此外，對於電網任意時間間隔的調整要求（例如每秒鐘或每分鐘），本發明皆可依據指定運作功率P _{tot_targe}的需求進行最佳化的電池儲能系統100的調控。

請參考圖1及圖2，電池儲能系統100進行「充電」時的運作方法的範例將沿用表格一所列舉的數值。假設使用者在圖2的步驟S1中設置指定運作功率P _{tot_target}為2.5 MW，且設置指定電量狀態SOC _{tot_target}為60%。在步驟S2中，在步驟S2中，處理器2仍採用式一計算每一儲能單元3、4、5的可放電時間t _max，此外，處理器2更採用下方式二，計算每一換流器31、41、51以最大運作功率從電量狀態SOC為0%開始進行充電直到電池模組32、42、52滿足指定電量狀態SOC _{tot_target}時所需的目標充電時間t _target。

式二：

下方表格五列出每個儲能單元3、4、5的目標充電時間t _target以及剩餘充電時間Δt，剩餘充電時間Δt的計算方式為：目標充電時間t _target減去可放電時間t _max的差值。

表格五

儲能單元	P _rated	E _rated	SOC	t _max	t _target	Δt	優先順序
3	2	4	50%	1	1.2	0.2	3
4	1	2	20%	0.4	1.2	0.8	1
5	3	8	40%	1.067	1.6	0.537	2

請參考圖2及圖3，在步驟S3中，因為本範例為充電運作，因此將從圖3的步驟S31移至步驟S33。在步驟S33中，處理器2首先依據剩餘充電時間Δt決定儲能單元3、4、5的優先順序，剩餘充電時間Δt愈大則優先順序愈高，如表格五所示，處理器2將按照儲能單元4、儲能單元5、儲能單元3的順序進行挑選。

假設有二個以上的儲能單元的剩餘充電時間Δt相同，則處理器2將按照換流器的最大運作功率P _rated決定優先順序，若仍有二個以上的儲能單元的最大運作功率P _rated相同，則處理器2將按照換流器的效率，或電池模組的健康度決定優先順序。

請參考圖2及圖4，在步驟S41中，處理器2依據表格五所示的優先順序首先挑選儲能單元4，並計算所挑選的儲能單元的累加功率，當累加功率大於或等於步驟S1中設置的指定運作功率P _{tot_target}，4 MW時，處理器2停止挑選。以表格五的範例來說，換流器5及換流器3的累加功率為“1+3=4＞2.5”，因此各儲能單元3、4、5的參與狀態ON如表格六所示，其中ON的值為1代表儲能單元參與輸出，ON的值為0代表儲能單元不參與輸出。

表格六

儲能單元	P _rated	E _rated	SOC	t _max	t _target	Δt	優先順序	參與狀態ON	輸出功率
3	2	4	50%	1	1.2	-0.2	3	0	0
4	1	2	20%	0.4	1.2	-0.8	1	1	1
5	3	8	40%	1.067	1.6	-0.537	2	1	1.5

請參考圖4，在步驟S42中，處理器2調整被選取的至少一儲能單元的運作功率S42。以表格六的範例而言，由於儲能單元4已貢獻1 MW的功率，因此儲能單元5僅需貢獻1.5 MW的功率便可實現指定運作功率P _{tot_target}為2.5 MW的需求。最終，各儲能單元3、4、5的實際輸出功率如表格六所示。

從表格五至表格六所列舉的數值範例可看出，本發明提出的電池儲能系統的充電運作方法是有條件地選取特定的儲能單元4及5優先進行充電操作。若是採用所有儲能單元3、4、5同時充電的方式進行，則整體充電效率勢必被原本電量狀態SOC較低的電池模組拖累。一旦電池儲能系統100被要求提供6 MW的運作功率，則採用所有儲能單元3、4、5同時充電的電池儲能系統100能持續供電的時間將小於採用本發明提出的電池儲能系統的充電運作方法能持續供電的時間。此外，對於電網任意時間間隔的調整要求（例如每秒鐘或每分鐘），本發明皆可依據指定電量狀態SOC _{tot_target}的需求進行最佳化的電池儲能系統100的調控，藉由不斷重複修正功率分類，可使電池儲能系統100保持最大功率輸出最大時間的狀態。

綜上所述，本發明提出的電池儲能系統及其運作方法，藉由最佳化的輸入輸出功率配置，避免如下情況：因為每個電池模組的電量狀態不同，某些儲能單元提早放完電或充飽電，導致降低電池儲能系統整體的最大輸入輸出能力降低。本發明可使電池儲能系統在滿足指定運作功率或指定電量狀態的需求時，盡可能延長以最大功率輸入輸出的持續時間。亦即，本發明可實現：電池儲能系統隨時隨地能夠提供最大功率的效果。

本發明適用於快速變化輸出之儲能應用場域，如自動調頻輔助服務、再生能源輸出平滑化之應用，同時亦可應用於一般儲能應用場域，如削峰填谷（Peak cut）這種調整電力負荷的應用。本發明不需使用複雜的統計分析方法與相關軟體工具，技術可行性高、商品化實作容易且成本低。

雖然本發明以前述實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

100:電池儲能系統 1:輸入介面 2:處理器 3,4,5:儲能單元 31,41,51:換流器 32,42,52:電池模組 E:電網 S1~S4,S31~S33,S41~S42:步驟

圖1是本發明一實施例的電池儲能系統的方塊架構圖；圖2是本發明一實施例的電池儲能系統的運作方法的流程圖；圖3是圖2中步驟的細部流程圖；以及圖4是圖2中步驟的細部流程圖。

S1~S4:步驟

Claims

一種電池儲能系統的運作方法，適用於一電池儲能系統，該電池儲能系統包括多個並聯的儲能單元及一處理器，其中每一該些儲能單元包括一換流器及一電池模組，該運作方法包括以該處理器進行以下步驟：取得該電池儲能系統的一指定運作功率及指定電量狀態中的至少一者；依據每一該些換流器的一最大運作功率以及每一該些電池模組的剩餘電量，計算每一該些儲能單元的一可運作時間；至少依據該些儲能單元的該些可運作時間以及該電池儲能系統的該指定運作功率，決定對應於該些儲能單元的一優先順序；以及依據該優先順序控制每一該些儲能單元的運作。
如請求項1所述電池儲能系統的運作方法，其中依據該優先順序控制每一該些儲能單元的運作包括：依據該優先順序選擇該些儲能單元中的至少一者；以及調整被選取的該至少一儲能單元的運作功率，其中被選取的該至少一儲能單元的運作功率的總和不小於該指定運作功率。
如請求項1所述電池儲能系統的運作方法，其中至少依據該些儲能單元的該些可運作時間以及該指定運作功率決定對應於該些儲能單元的該優先順序包括：當該電池儲能系統處於放電狀態時，每一該些可運作時間為一可放電時間，且該處理器將該些可放電時間中最大者設置為高優先順序，並將該些可放電時間中最小者設置為低優先順序；以及當該些可放電時間中的二者相等時，該處理器依據該二可放電時間對應的二儲能單元的參數之大小決定該二儲能單元的優先順序。
如請求項1所述電池儲能系統的運作方法，其中至少依據該些儲能單元的該些可運作時間以及該指定運作功率決定對應於該些儲能單元的該優先順序包括：當該電池儲能系統處於充電狀態時，每一該些可運作時間為一剩餘充電時間，且該處理器將該些剩餘充電時間中最大者設置為高優先順序，並將該些剩餘充電時間中最小者設置為低優先順序；以及當該些剩餘充電時間中的二者相等時，該處理器依據該二剩餘充電時間對應的二儲能單元的參數之大小決定該二儲能單元的優先順序。
如請求項3或4所述電池儲能系統的運作方法，其中每一該些儲能單元的該參數包括：該換流器的最大運作功率、該換流器的轉換效率及該電池模組的健康度中的一者。
一種電池儲能系統，包括：一輸入介面，用於取得該電池儲能系統的一指定運作功率；多個並聯的儲能單元，其中每一該些儲能單元包括一換流器及一電池模組，該換流器電性連接該電池模組以對該電池模組進行充電運作或放電運作；以及一處理器，電性連接該輸入介面及該些儲能單元，該處理器用於進行以下步驟：依據每一該些換流器的一最大運作功率以及每一該些電池模組的剩餘電量，計算每一該些儲能單元的一可運作時間；至少依據該些儲能單元的該些可運作時間以及該電池儲能系統的該指定運作功率，決定對應於該些儲能單元的一優先順序；以及依據該優先順序控制每一該些儲能單元的運作。
如請求項6所述電池儲能系統，其中該處理器依據該優先順序控制每一該些儲能單元的運作包括：該處理器依據該優先順序選擇該些儲能單元中的至少一者；以及該處理器調整被選取的該至少一儲能單元的運作功率，其中被選取的該至少一儲能單元的運作功率的總和不小於該指定運作功率。
如請求項6所述電池儲能系統，其中該處理器至少依據該些儲能單元的該些可運作時間以及該指定運作功率決定對應於該些儲能單元的該優先順序包括：當該電池儲能系統處於放電狀態時，每一該些可運作時間為一可放電時間，且該處理器將該些可放電時間中最大者設置為高優先順序，並將該些可放電時間中最小者設置為低優先順序；以及當該些可放電時間中的二者相等時，該處理器依據該二可放電時間對應的二儲能單元的參數之大小決定該二儲能單元的優先順序。
如請求項6所述電池儲能系統，其中該處理器至少依據該些儲能單元的該些可運作時間以及該指定運作功率決定對應於該些儲能單元的該優先順序包括：當該電池儲能系統處於充電狀態時，每一該些可運作時間為一剩餘充電時間，且該處理器將該些剩餘充電時間中最大者設置為高優先順序，並將該些剩餘充電時間中最小者設置為低優先順序；以及當該些剩餘充電時間中的二者相等時，該處理器依據該二剩餘充電時間對應的二儲能單元的參數之大小決定該二儲能單元的優先順序。
如請求項8或9所述電池儲能系統，其中每一該些儲能單元的該參數包括：該換流器的最大運作功率、該換流器的轉換效率及該電池模組的健康度中的一者。