CN104348256B - 考虑充放电倍率的多类型电池储能电站能量管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种考虑充放电倍率的多类型电池储能电站能量管理方法，其包括：实时读取电池储能电站的相关数据；计算各电池储能机组的充电或放电倍率特征值；计算各电池储能机组的初始功率命令值；实时判断各电池储能机组的初始功率命令值是否超过该机组的最大允许充电或放电功率，若超过，则对各电池储能机组初始功率命令值进行在线修正和再计算；否则将储能机组的初始功率命令值设置为其功率命令值；对各电池储能机组的功率命令值汇总后输出。本发明将合理控制各储能机组的充放电倍率作为目标，进行储能电站内部的功率协调控制及能量管理；还将储能电池使用寿命考虑到控制策略中，起到尽量避免对储能电池的滥用，减缓电池老化等功能。

Description

考虑充放电倍率的多类型电池储能电站能量管理方法

技术领域

本发明属于智能电网以及能量存储与转换技术领域，具体涉及一种考虑电池充放电倍率特性的大功率大容量兆瓦级电池储能电站的实时功率控制方法及其能量管理系统，尤其适用于大规模风光储联合发电系统中兆瓦级多类型电池储能电站的电池功率及电池能量管理方法。

背景技术

国家风光储输示范工程是国家电网公司建设坚强智能电网首批试点工程，以“电网友好型”新能源发电为目标，以“先进性、灵活性、示范性、经济性”为特点，是目前世界上规模最大、集风电、光伏发电、储能及输电工程四位一体的可再生能源综合示范工程。其中，国家风光储输示范工程(一期)拟建设风电100MW、光伏发电40MW和储能装置20MW(包含14MW磷酸铁锂电池储能系统、2MW全钒液流电池储能系统、4MW钠硫电池储能系统)。

随着锂电池及其集成技术的不断发展，应用锂电池储能电站去实现平滑风光功率输出、跟踪计划发电、参与系统调频、削峰填谷、暂态有功出力紧急响应、暂态电压紧急支撑等多种应用，已成为了一种可行方案。其中关键问题之一，是掌握大规模多类型电池储能电站能量管理技术以及多类型大容量电池储能机组的协调控制方法。

从电池储能的角度来说，过度的充电和过度的放电都会对电池的寿命造成影响。因此，监控好电池荷电状态、在储能电站内部合理分配好总功率需求，并将电池的荷电状态控制在一定范围内是必要的。

多类型储能系统大致可分为功率型储能系统和能量型储能系统。目前有关基于兆瓦级多类型电池储能电站的总功率实时控制与能量管理方面的专利、文献、技术报告等非常少，需要深入研究和探索大规模多类型电池储能电站综合控制和并网运行的核心技术，解决大规模多类型电池储能电站协调控制及能量管理的关键问题。现有的大规模电池储能系统/电站的功率控制与能量管理方法中，一般不将储能电池的充放电倍率特性计入约束条件进行能量管理，因此，有时会存在不能充分发挥不同类型储能系统的互补特性优势，影响电池使用寿命等弊端。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于公开一种考虑储能电池充放电倍率的多类型电池储能电站能量管理方法，该方法在实时分配储能电站的总功率需求的同时，具备可以优化不同类型储能系统工作效率的功能，以实现延长储能电池使用寿命的控制目的。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种考虑充放电倍率的多类型电池储能电站能量管理方法，其包括以下步骤：

步骤1)实时读取电池储能电站总功率需求值以及各电池储能机组的可控状态值(当电池储能机组可控时，可控状态值为1；当电池储能机组不可控时，可控状态值为0)、电池额定容量、荷电状态值、最大允许放电功率和最大允许充电功率；

步骤2)根据电池储能电站总功率需求值来判断各电池储能电站的状态，并进一步计算出各电池储能机组的充电或放电倍率特征值；

步骤3)基于各电池储能机组的充电或放电倍率特征值，计算各电池储能机组的初始功率命令值；

步骤4)实时判断各电池储能机组的初始功率命令值是否超过该机组的最大允许充电或放电功率，若超过，则对各电池储能机组初始功率命令值进行在线修正和再计算；否则，将该电池储能机组的初始功率命令值设置为其功率命令值；

步骤5)对各电池储能机组的功率命令值汇总后输出至电池储能电站，以实现对电池储能电站的实时功率控制及能量管理。

进一步地，所述步骤2)具体包括：

当电池储能电站总功率需求为正值时，表示该电池储能电站将处于放电状态，则各电池储能机组的放电倍率特征值为相应电池储能机组的最大允许放电功率值与该机组的电池额定容量的比值；

当电池储能电站总功率需求为负值时，表示该电池储能电站将处于充电状态，则各电池储能机组的充电倍率特征值为相应电池储能机组的最大允许充电功率值与该机组的电池额定容量的比值；

当电池储能电站总功率需求为零时，表示该电池储能电站将处于零功率状态，则直接将所有电池储能机组的功率命令值设置为零。

其中，所述可控电池储能机组的最大允许放电功率值等于电池储能机组的可控状态值与最大允许放电功率的乘积；所述可控电池储能机组的最大允许充电功率值等于电池储能机组的可控状态值与最大允许充电功率的乘积。

进一步地，所述步骤3)具体包括：

A)当电池储能电站总功率需求为正值时，表示该电池储能电站将处于放电状态，则各电池储能机组的初始功率命令值为相应储能机组的荷电状态值与放电倍率特征值的乘积占当前所有可控储能机组荷电状态值与放电倍率特征值的乘积总和的比例值、再乘以电池储能电站总功率需求；

B)当电池储能电站总功率需求为负值时，表示该电池储能电站将处于充电状态，则各电池储能机组的初始功率命令值为相应可控储能机组的放电状态值与充电倍率特征值的乘积占当前所有可控储能机组荷电状态值与充电倍率特征值的乘积总和的比例值、再乘以电池储能电站总功率需求；

C)当电池储能电站总功率需求值为零时，表示该电池储能电站将处于零功率状态，直接将所有储能机组的功率命令值设置为0。

其中，所述可控储能机组的荷电状态值等于电池储能机组的可控状态值与荷电状态值的乘积；所述可控储能机组的放电状态值等于电池储能机组的可控状态值与放电状态值。

进一步地，所述步骤4)中对各电池储能机组初始功率命令值进行在线修正和再计算的方法包括如下步骤：

4A)初始化计数器(即计数器＝0)，若有任一可控储能机组的初始功率命令值超过该可控储能机组的最大允许放电或充电功率时，令计数器加1后，执行步骤4B；否则，跳转至步骤4E；

4B)通过贪婪算法从被计数器计数的各电池储能机组中选出满足判断条件的电池储能机组；

4C)将相应储能机组的功率命令值设置为该机组的最大允许放电或充电功率值；

4D)重新计算未被计数器计数的各电池储能机组的功率命令值后返回步骤4A：

4E)将所有电池储能机组的初始功率命令值设置为其功率命令值。

其中，可控电池储能机组的初始功率命令值等于电池储能机组的可控状态值与初始功率命令值的乘积，所述可控储能机组的最大允许放电功率等于电池储能机组的可控状态值与最大允许放电功率的乘积，所述可控储能机组的最大允许充电功率等于电池储能机组的可控状态值与最大允许充电功率的乘积。

进一步地，所述步骤4B的具体方法为：

判断条件J1：在可控状态值为1的电池储能机组中，选出当前最大允许放电或充电功率的绝对值最大的电池储能机组k，若只有一个电池储能机组满足条件，则跳转至步骤4C；否则，继续执行判断条件J2；

判断条件J2：从满足判断条件J1的储能机组中选取荷电状态值最大(当电池储能电站总功率需求为正值时)或荷电状态最小(当电池储能电站总功率需求为负值时)的储能机组k，若只有一个电池储能机组满足条件，则跳转至步骤4C；否则，继续执行判断条件J3；

判断条件J3：从同时满足判断条件J1和J2的电池储能机组中选取放电或充电倍率特征值最大的电池储能机组k。

进一步地，所述未被计数器计数的余下各电池储能机组的功率命令值为：

余下各可控储能机组最大允许放电(或充电)功率占当前所有未被计数器计数的可控电池储能机组最大允许放电(或充电)功率总和的比例值、再乘以当前电池储能电站总功率需求与所有被计数器计数的电池储能机组最大允许放电(或充电)功率总和的差值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种兆瓦级多类型电池(含功率型储能电池和能量型储能电池)储能电站实时功率控制方法,具有可兼顾不同类型储能系统的充放电倍率特性、荷电状态，从而可延长储能电池使用寿命的优点，该方法主要是结合可表示电池储能机组实时功率特性的允许充放电能力(即，各电池储能机组最大允许放电功率，各电池储能机组最大允许充电功率等)、可表示电池储能机组存储能量特性的荷电状态SOC、以及可表示储能电池工作能力特性的倍率特征值(即，各电池储能机组的放电倍率特征值，各电池储能机组的充电倍率特征值等)，并应用贪婪算法对各储能机组的初始充放电功率值进行实时修正，实现了对多类型电池储能电站总功率需求的实时优化分配的同时，还实现了兆瓦级多类型电池储能电站的能量管理及实时控制。

附图说明

图1是兆瓦级锂离子电池储能电站实施例的系统示意图；

图2是本发明中多类型储能电站的协调控制及能量管理方法的流程图；

具体实施方式

本发明的控制方法可以应用于多类型锂电池储能电站或含锂电池、液流电池、超级电容、钠硫电池等储能系统的多类型储能电站的协调控制与能量管理中，下面以多类型锂电池为例、结合附图对本发明的控制方法作进一步的详细说明。

如图1所示，锂电池储能电站中包括双向变流器和多个锂电池储能机组，通过双向变流器可执行对锂电池储能机组的启停控制及充放电功率指令等。

如图2所示为多类型储能电站的协调控制及能量管理方法流程图，其具体包含下列步骤：

步骤1)，从储能电站监控系统实时读取电池储能电站总功率需求值以及各电池储能机组的可控状态值u_i、电池额定容量荷电状态值SOC_i、放电状态值SOD_i、最大允许放电功率P_i ^{最大允许放电}和最大允许充电功率P_i ^{最大允许充电}。

步骤2)，当电池储能电站总功率需求为正值时，表示该电池储能电站将处于放电状态，则根据各储能机组的电池额定容量和最大允许放电功率P_i ^{最大允许放电}通过下式(1)求取各电池储能机组的放电倍率特征值DR_i(单位：1/小时)：

当电池储能电站总功率需求为负值时，表示该电池储能电站将处于充电状态，则根据各储能机组的电池额定容量和最大允许充电功率P_i ^{最大允许充电}通过下式(2)求取各电池储能机组的充电倍率特征值CR_i：

步骤3)，先判断当前电池储能电站的状态，然后再根据各电池储能机组的运行状态，实时计算各电池储能机组的初始功率命令值：

1)当锂电池储能电站总功率需求为正值时，表示该储能电站将处于放电状态，则通过下式(3)计算各储能机组的初始功率命令值P_i ^初始：

2)当锂电池储能电站总功率需求为负值时，表示该电池储能电站将处于充电状态，则通过下式(4)-(5)计算各电池储能机组初始功率命令值P_i ^初始：

SOD_i＝1-SOC_i(5)

3)当电池储能电站当前总功率需求值为零时，表示该电池储能电站将处于零功率状态，直接将所有电池储能机组的功率命令值设置为0。

上述公式(1)-(5)中，u_i为i号电池储能机组的可控状态值，该状态通过步骤(1)读取，当该电池储能机组可控时，此状态值为1，其他值为0；SOC_i为i号电池储能机组的荷电状态值；SOD_i为i号电池储能机组的放电状态值；DR_i为i号电池储能机组的放电倍率特征值；CR_i为i号电池储能机组的充电倍率特征值；L为锂电池储能机组的总个数；P_i ^{最大允许放电}为i号锂电池储能机组的最大允许放电功率；P_i ^{最大允许充电}为i号锂电池储能机组的最大允许充电功率。

步骤4)，实时判断各电池储能机组的初始功率命令值是否超过该机组的最大允许充电(或放电)功率，若超过，则对各电池储能机组初始功率命令值进行在线修正和再计算；否则，将该电池储能机组的初始功率命令值设置为其功率命令值，具体步骤如下：

A、当锂电池储能电站总功率需求为正值时，表示该电池储能电站将处于放电状态。先令计数器N＝0，然后基于下面步骤A1至步骤A5，确定各电池储能机组的功率命令值：

A1)通过下式(6)判断各电池储能机组的功率命令值是否越限：

当有任何一个电池储能机组i的初始功率命令值P_i ^初始满足上式(6)时，令N＝N+1后，执行步骤A2；否则，跳转至步骤A5；

A2)通过贪婪算法从被计数器计数的各电池储能机组中挑选满足下述判断条的储能机组k，具体实施方法如下：

首先，在可控状态值u_i为1的各电池储能机组中，选出当前最大允许放电功率的绝对值最大的电池储能机组k(设为判断条件J11)；若只有一个电池储能机组满足判断条件J11，则跳转至步骤A3；否则继续执行判断条件J12；

其次，如果仍有若干个电池储能机组同时满足判断条件J11时，从满足条件的储能机组中选取荷电状态值(SOC_j)最大的储能机组k(设为判断条件J12)；若只有一个电池储能机组同时满足判断条件J11、J12，则跳转至步骤A3；否则继续执行判断条件J13；

最后，如果仍有若干个电池储能机组同时满足判断条件J11和判断条件AJ12时，从满足上述判断条件J11和J12的电池储能机组中选取放电倍率特征值最大的电池储能机组k(设为判断条件J13)；

A3)将相应储能机组k的功率命令值P_k如下式(7)进行限制：

A4)基于下式(8)，重新计算余下未被计数器计数的(L-N)个锂电池储能机组的功率命令值P_j后返回至步骤A1：

A5)将所有电池储能机组的初始功率命令值设为其功率命令值。

B、当锂电池储能电站总功率需求为负值时，表示该电池储能电站将处于充电状态。先令计数器M＝0，然后基于下面步骤B1至步骤B5，确定各电池储能机组的功率命令值：

B1)通过下式判断各电池储能机组的功率命令值是否越限：

当有任何一个电池储机组i的初始功率命令值P_i ^初始满足上式(9)时，令M＝M+1后，执行步骤B2；否则，跳转至步骤B5；

B2)通过贪婪算法从被计数器计数的各电池储能机组中挑选满足下述判断条的储能机组k，

首先，在可控状态值u_i为1的各电池储能机组中，选出当前最大允许充电功率的绝对值最大的电池储能机组k(设为判断条件J21)；若只有一个电池储能机组满足判断条件J21，则跳转至步骤B3；否则继续执行判断条件J22；

其次，如果仍有若干个电池储能机组同时满足判断条件J21时，从满足条件的储能机组中选取荷电状态值最小的储能机组k(设为判断条件J22)；若只有一个电池储能机组同时满足判断条件J21、J22，则跳转至步骤A23；否则继续执行判断条件J23；

最后，如果仍有若干个电池储能机组同时满足判断条件J21和判断条件AJ22时，从满足上述判断条件J21和J22的电池储能机组中选取充电倍率特征值最大的电池储能机组k(设为判断条件J23)；

B3)将相应储能机组k的功率命令值P_k如下式(10)进行限制：

B4)基于下式(11)，重新计算余下未被计数器计数的(L-M)个锂电池储能机组的功率命令值P_j后返回至步骤B1：

B5)将所有电池储能机组的初始功率命令值设为其功率命令值。

步骤5)，对各电池储能机组的功率命令值汇总后输出至电池储能电站，以实现对电池储能电站的实时功率控制及能量管理。

式(6)-(11)中，L为锂电池储能机组的总个数，N和M分别为违反最大允许放电功率和最大允许充电功率约束条件的锂电池储能机组的个数。

采用上述技术方案，本发明具有结合不同类型电池储能机组的充放电倍率特性以及储能系统最大允许工作能力的特性，进行多类型电池储能电站的能量管理与功率协调控制的功能，从而延长储能电池使用寿命。

如果只是根据电池储能电站总功率需求、各电池储能机组荷电状态值(SOC)以及电池储能机组的最大允许充、放电功率(深度)直接计算电池储能电站中各电池储能机组的功率命令值，则可能出现不能很好兼顾不同类型储能电池的充放电倍率特性，从而限制不同类型电池储能系统的互补优势，并会存在不能有效充分利用充放电倍率特性较好的电池储能机组的弊端。正由于本发明增加了“考虑不同类型储能电池的充放电倍率特性，首先计算各电池储能机组的充放电倍率特征值，并有效将可表示储能电池工作能力特性的倍率特征值(即，各电池储能机组的放电倍率特征值，各电池储能机组的充电倍率特征值等约束条件)考虑进储能机组功率命令值的计算方法里和电池储能电站能量管理系统中”等步骤，所以不仅克服了上述弊端，还对电池储能电站中多类型电池储能机组间的能量分配产生了更好的效果，更有利于延长储能电池的使用寿命，延缓储能电池老化速度。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，结合上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员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，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (6)

1.一种考虑充放电倍率的多类型电池储能电站能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)实时读取电池储能电站总功率需求值以及各电池储能机组的可控状态值、电池额定容量、荷电状态值、放电状态值、最大允许放电功率和最大允许充电功率；

步骤2)根据电池储能电站总功率需求值来判断各电池储能电站的状态，并进一步计算出各电池储能机组的充电或放电倍率特征值；

步骤3)基于各电池储能机组的充电或放电倍率特征值，计算各电池储能机组的初始功率命令值；

步骤4)实时判断各电池储能机组的初始功率命令值是否超过该机组的最大允许充电或放电功率，若超过，则对各电池储能机组初始功率命令值进行在线修正和再计算；否则，将该电池储能机组的初始功率命令值设置为其功率命令值；

步骤5)对各电池储能机组的功率命令值汇总后输出至电池储能电站，以实现对电池储能电站的实时功率控制及能量管理。

2.如权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

当电池储能电站总功率需求为正值时，表示该电池储能电站将处于放电状态，则各电池储能机组的放电倍率特征值为相应电池储能机组的最大允许放电功率与该机组的电池额定容量的比值；

当电池储能电站总功率需求为负值时，表示该电池储能电站将处于充电状态，则各电池储能机组的充电倍率特征值为相应电池储能机组的最大允许充电功率与该机组的电池额定容量的比值；

当电池储能电站总功率需求为零时，表示该电池储能电站将处于零功率状态，则直接将所有电池储能机组的功率命令值设置为零。

3.如权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：

A)当电池储能电站总功率需求为正值时，表示该电池储能电站将处于放电状态，则各电池储能机组的初始功率命令值为相应可控储能机组的荷电状态值与放电倍率特征值的乘积占当前所有可控储能机组的荷电状态值与放电倍率特征值的乘积总和的比例值、再乘以电池储能电站总功率需求；

B)当电池储能电站总功率需求为负值时，表示该电池储能电站将处于充电状态，则各电池储能机组的初始功率命令值为相应可控储能机组的放电状态值与充电倍率特征值的乘积占当前所有可控储能机组放电状态值与充电倍率特征值的乘积总和的比例值、再乘以电池储能电站总功率需求；

C)当电池储能电站总功率需求值为零时，表示该电池储能电站将处于零功率状态，直接将所有储能机组的功率命令值设置为0。

4.如权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于，所述步骤4)中对各电池储能机组初始功率命令值进行在线修正和再计算的方法包括如下步骤：

4A)初始化计数器，若有任一可控储能机组的初始功率命令值超过该可控储能机组的最大允许放电或充电功率时，令计数器加1后，执行步骤4B；否则，跳转至步骤4E；

4B)通过贪婪算法从被计数器计数的各电池储能机组中选出满足判断条件的电池储能机组；

4C)将相应储能机组的功率命令值设置为该机组的最大允许放电或充电功率值；

4D)重新计算未被计数器计数的各电池储能机组的功率命令值后返回步骤4A：

4E)将所有电池储能机组的初始功率命令值设置为其功率命令值。

5.如权利要求4所述的能量管理方法，其特征在于，所述步骤4B的具体方法为：

判断条件J1：在可控状态值为1的电池储能机组中，选出当前最大允许放电或充电功率的绝对值最大的电池储能机组k，若只有一个电池储能机组满足条件，则跳转至步骤4C；否则，继续执行判断条件J2；

判断条件J2：当电池储能电站总功率需求值为正值时，从满足判断条件J1的储能机组中选取荷电状态值最大的储能机组k，当电池储能电站总功率需求值为负值时，从满足判断条件J1的储能机组中选取荷电状态最小的储能机组k；若只有一个电池储能机组满足条件，则跳转至步骤4C；否则，继续执行判断条件J3；

判断条件J3：从同时满足判断条件J1和J2的电池储能机组中选取放电或充电倍率特征值最大的电池储能机组k。

6.如权利要求4所述的能量管理方法，其特征在于，所述步骤4D中未被计数器计数的余下各电池储能机组的功率命令值通过下述方法求取：

余下各可控储能机组最大允许放电(或充电)功率占当前所有未被计数器计数的可控电池储能机组最大允许放电(或充电)功率总和的比例值、再乘以当前电池储能电站总功率需求与所有被计数器计数的可控储能机组最大允许放电(或充电)功率总和的差值。