CN104967138A - 一种储能电站 - Google Patents
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Abstract
通过对储能电站的容量模型进行计算以及调节功率、电量功率模型的约束条件的计算，确定储能电站的功率调节能力与功率调节方式，并设定变换器的控制方式，利用储能电站吸收电网电力或将电力回补给电网，且不引起电网的波动，并能维持储能电站的电压稳定，实现了电网的功率的削峰平谷，频率的快速响应以及平抑电网的波动，给电网的应急供电提供功率支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种电网能量存储的技术领域，具体的来说，是一种用于电网能量调节的储能电站。
背景技术
为了增进电能的利用效率，使用合适的电能储存系统可以在不增加电网容量投资的基础上，满足负荷高峰时的需求。一个基础性的问题在于，负荷情况可能因每天，每小时，季节变化而变化，必须有足够容量的设备提供高峰时的需求。理论上，发电和用电应该是相等的。电能发电设备必须能较快地实现投入和切除，比如，微型燃气轮机的反应时间较长，抽水蓄能电站的投入时间较短，然而，石化燃料电站及核电站均不适合频繁起停。此外，这些电站在固定于某个输出的时候才能达到较高的效率。因此，让大型电站处于连续运行状态，并通过寻找合适的电源方式以在用电低谷的时候吸收电能，用电高峰的时候发出电能以平抑需求和供给的差异的方式被认为是经济性和效率较高的一种方式。
大容量电池储能系统在电力系统中的应用已有20多年的历史，早期主要用于孤立电网的调频、热备用、调压和备份等。储能电站（系统）在电网中的应用目的主要考虑“负荷调节、配合新能源接入、弥补线损、功率补偿、提高电能质量、孤网运行、削峰填谷”等几大功能应用。比如：削峰填谷，改善电网运行曲线，储能电站可以把用电低谷期富余的电储存起来，在用电高峰的时候再拿出来用，这样就减少了电能的浪费；此外储能电站还能减少线损，增加线路和设备使用寿命；优化系统电源布局，改善电能质量。而储能电站的绿色优势则主要体现在：科学安全，建设周期短；绿色环保，促进环境友好；集约用地，减少资源消耗等方面。
发明内容
基于现有技术的不足，本发明提供一种储能电站，储能电站包括储能模块与储能控制中心。
储能电站的控制中心系统包括能量管理和可调容量预测模块、充放电模块及数据管理系统，各模块具体描述如下：
充放电控制模块、能量管理可调容量预测模块对各时段储能单元可用容量范围做出预测。通过数据管理系统可实时获得储能系统的统计信息(包括上调总容量、下调总容量、储能单元数量等)，实时信息与历史数据可预测任意时刻的可用容量范围，并上传到电网度作为调度指令的参考依据。当然预期的可用容量和实际的容量可能会有偏差因为可能存在部分储能单元临时故障或损坏的情形。
充放电控制模块主要功能是根据能量管理系统提供的可充放电总容量、当前电网的实时负荷信息，按照接收的调度命令采用适当的充放电控制算法，确定储能单元的充放电功率。控制目标可以是利润最大化、负荷响应效果最优化等。
能源管理模块主要功能是实时监测储能单元的工作状况、提供充放电策略基础数据、为每台充放电机提供充电或放电功率二次分配指令。
数据管理系统收集并管理所有储能单元信息，具体信息包括电池调节功率的上下限、当前和未来一段时间内的可用功率容量、参加电网辅助服务的时间、以及一些实时的电池状态信息。
储能电站的用途有
1．调节地区电网峰谷
电网运行中负荷峰谷差会很大，每天系统负荷高峰时段需要有足够备用容量进行调节以响应负荷变化，在低谷时就会闲置很多容量，造成巨大的能源浪费，通过适当的引导，充分利用晚问用电低谷时富余的电力进行充电，在电网负荷高峰时放电，有效减小了地区电网负荷峰谷差，而且有利于降低备用容量成本，提高电网运行效率；
2．系统频率响应
频率的变化反映负荷的变化，电网通过调整频率满足系统有功功率的平衡；储能单元可以在电网频率波动时作出响应，辅助电力系统调频。储能电站具有双向调节和响应速度快的优点。响应时间取决于变流器的响应时间，响应速度远远大于电力系统现行的调频机组；
3．作为应急电源
当交流供电电源(市电)出现干扰或中断时，能保证对重要负荷的紧急供电、确保关键负荷连续正常运行，作为UPS可靠性高，且可以根据实际情况来选择所需容量或扩大容量；
4．为分布式电源接入平抑扰动
分布式发电，例如风电、光伏，具有非常大的波动性，会影响供电稳定性和用户电能质量。以风力发电为例，虽是可再生清洁能源，但从电网角度来看，风电的波动性和随机性实际上是对供电质量的“污染"。电网在吸纳大量接入新能源的前提是系统具备对这种波动进行调节的能力，利用储能单元对分布式电源接入所产生的扰动进行平抑，有助于减少火电或其他常规机组的备用容量，使常规机组在经济运行点工作；
调节功率的计算
查询所有储能单元的SOC，计算总的SOC值，按比例分摊总的响应功率，即按储能单元的可用容量在总的可用容量中所占的比例公平分配。可以按照下面的公式计算：
上调功率(放电)
下调功率(充电)
式中—分配到第j个储能单元的调节功率值；
—储能电站控制中心的设定功率，
配电容量的计算
储能电站的配电容量关系到能够具有多大的调峰及调频能力，以及能够提供给电网进行充电或放电的功率大小值，配电容量S为
其中，
N一储能设备总数；
P一储能设备最大输出功率；
一储能设备效率；
一储能设备功率因数；
—储能设备同时利用系数；
电量及功率模型
储能电站充放电的电量及功率模型为
约束条件
式中
一满足期望供电时间的地区重要负荷电量，单位kWh；
一对应实际供电时间的地区重要负荷电量，单位kWh；
—储能电站内第k个储能模块可用电量，单位kWh；
—储能电站的所有储能模块可用电量之和，单位kWh；
—地区重要负荷，单位kW；
—储能电站内第k个储能模块放电功率，单位kW；
—储能电站的所有储能模块放电功率，单位kW；
—储能电站中第k个储能模块最大放电功率，单位kW；
—储能电站中第k个储能模块实时电压，单位为V；
—储能电站中第k个储能模块最大放电电流，单位为A；
m—储能电站内的储能模块总数量；
n—满足供电需要的储能模块数量；
—储能模块期望供电时间，单位h；
t—储能模块实际供电时间，单位h；
变换器控制方式
储能电站中变换器中，DC/DC变换器负责储能单元电流的闭环控制，为储能单元的参考电流，为储能单元的电流反馈值。直流母线电压的稳定控制由整流/逆变器完成，同时控制的还有装置输出的无功功率。
具体操作方式如下：根据储能电站的充放电计划生成储能单元的参考电流，同时基于实际接收的储能单元的电流反馈值，采用电流闭环控制生成PWM波调节DC/DC变换器的占空比，同时，基于直流母线电压值与无功功率参考值进行dq变换，获得d轴电流参考值和q轴电流参考值，并基于采集的电网母线的a,b,c三相电流，采用瞬时电流控制方式生成a,b,c三相电压基准值，进行PWM控制，生成PWM波控制整流/逆变器的占空比。
通过对储能电站的容量模型进行计算以及调节功率、电量功率模型的约束条件的计算，确定储能电站的功率调节能力与功率调节方式，并设定变换器的控制方式，利用储能电站吸收电网电力或将电力回补给电网，且不引起电网的波动，并能维持储能电站的电压稳定，实现了电网的功率的削峰平谷，频率的快速响应以及平抑电网的波动，给电网的应急供电提供功率支撑。
附图说明
图1是储能电站的工作原理图。
图2是储能电站的变换器控制方。
具体实施方式
一种储能电站，储能电站包括储能模块与储能控制中心。
储能电站的控制中心系统包括可调容量预测模块、模块及数据管理系统，各模块具体描述如下：
充放电控制模块、能量管理可调容量预测模块对各时段储能单元可用容量范围做出预测。通过数据管理系可实时获得储能系统的统计信息(包括上调总容量、下调总容量、储能单元数量等)，实时信息与历史数据可预测任意时刻的可用容量范围，并上传到电网度作为调度指令的参考依据。当然预期的可用容量和实际的容量可能会有偏差因为可能存在部分储能单元临时故障或损坏的情形。
充放电控制模块主要功能是根据能量管理系统提供的可充放电总容量、当前电网的实时负荷信息，按照接收的调度命令采用适当的充放电控制算法，确定储能单元的充放电功率。控制目标可以是利润最大化、负荷响应效果最优化等能源管理模块主要功能是实时监测储能单元的工作状况、提供充放电策略基础数据、为每台充放电机提供充电或放电功率二次分配指令。
数据管理系统收集并管理所有储能单元信息，具体信息包括电池调节功率的上下限、当前和未来一段时间内的可用功率容量、参加电网辅助服务的时间、以及一些实时的电池状态信息。
储能电站的用途有
1．调节地区电网峰谷
电网运行中负荷峰谷差会很大，每天系统负荷高峰时段需要有足够备用容量进行调节以响应负荷变化，在低谷时就会闲置很多容量，造成巨大的能源浪费，通过适当的引导，充分利用晚问用电低谷时富余的电力进行充电，在电网负荷高峰时放电，有效减小了地区电网负荷峰谷差，而且有利于降低备用容量成本，提高电网运行效率；
2．系统频率响应
频率的变化反映负荷的变化，电网通过调整频率满足系统有功功率的平衡，储能单元可以在电网频率波动时作出响应，辅助电力系统调频。储能电站具有双向调节和响应速度快的优点。响应时间取决于变流器的响应时间，响应速度远远大于电力系统现行的调频机组；
3．作为应急电源
当交流供电电源(市电)出现干扰或中断时，能保证对重要负荷的紧急供电、确保关键负荷连续正常运行，作为UPS可靠性高，且可以根据实际情况来选择所需容量或扩大容量；
4．为分布式电源接入平抑扰动
分布式发电，例如风电、光伏，具有非常大的波动性，会影响供电稳定性和用户电能质量。以风力发电为例，虽是可再生清洁能源，但从电网角度来看，风电的波动性和随机性实际上是对供电质量的“污染"。电网在吸纳大量接入新能源的前提是系统具备对这种波动进行调节的能力，利用储能单元对分布式电源接入所产生的扰动进行平抑，有助于减少火电或其他常规机组的备用容量，使常规机组在经济运行点工作；
如图1所示，调节功率的计算
查询所有储能单元的SOC，计算总的SOC值，按比例分摊总的响应功率，即按储能单元的可用容量在总的可用容量中所占的比例公平分配。可以按照下面的公式计算：
上调功率(放电)
下调功率(充电)
式中—分配到第j个储能单元的调节功率，—储能电站控制中心的设定功率。
配电容量的计算
储能电站的配电容量关系到能够具有多大的调峰及调频能力，以及能够提供给电网进行充电或放电的功率大小值，配电容量S为
其中，
N一储能设备总数；
P一储能设备最大输出功率；
一储能设备效率；
一储能设备功率因数；
—储能设备同时利用系数；
电量及功率模型
储能电站充放电的电量及功率模型为：
约束条件
式中
一满足期望供电时间的地区重要负荷电量，单位kWh；
一对应实际供电时间的地区重要负荷电量，单位kWh；
—储能电站内第k个储能模块可用电量，单位kWh；
—储能电站的所有储能模块可用电量之和，单位kWh；
—地区重要负荷，单位kW；
—储能电站内第k个储能模块放电功率，单位kW；
—储能电站的所有储能模块放电功率，单位kW；
—储能电站中第k个储能模块最大放电功率，单位kW；
—储能电站中第k个储能模块实时电压，单位为V；
—储能电站中第k个储能模块最大放电电流，单位为A；
m—储能电站内的储能模块总数量；
n—满足供电需要的储能模块数量；
—储能模块期望供电时间，单位h；
t—储能模块实际供电时间，单位h；
如图2所示，变换器控制方式
储能电站中变换器中，DC/DC变换器负责储能单元电流的闭环控制，为储能单元的参考电流，为储能单元的电流反馈值。直流母线电压的稳定控制由整流/逆变器完成，同时控制的还有装置输出的无功功率。
具体操作方式如下：根据储能电站的充放电计划生成储能单元的参考电流，同时基于实际接收的储能单元的电流反馈值，采用电流闭环控制生成PWM波调节DC/DC变换器的占空比，同时，基于直流母线电压值与无功功率参考值进行dq变换，获得d轴电流参考值和q轴电流参考值，并基于采集的电网母线的a,b,c三相电流，采用瞬时电流控制方式生成a,b,c三相电压基准值，进行PWM控制，生成PWM波控制整流/逆变器的占空比。
通过对储能电站的容量模型进行计算以及调节功率、电量功率模型的约束条件的计算，确定储能电站的功率调节能力与功率调节方式，并设定变换器的控制方式，利用储能电站吸收电网电力或将电力回补给电网，且不引起电网的波动，并能维持储能电站的电压稳定，实现了电网的功率的削峰平谷，频率的快速响应以及平抑电网的波动，给电网的应急供电提供功率支撑。
以上所述仅为本发明的优选并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种储能电站，其特征在于，储能电站包括储能模块与储能控制中心，储能电站的控制中心包括能量管理和可调容量预测模块、充放电模块及数据管理系统。
2.如权利要求1所述的储能电站，其特征在于，充放电控制模块、能量管理可调容量预测模块对各时段储能单元可用容量范围做出预测，通过数据管理系统实时获得储能系统的统计信息，实时信息与历史数据预测任意时刻的可用容量范围，并上传到电网度作为调度指令的参考依据；
充放电控制模块主要功能是根据能量管理系统提供的可充放电总容量、当前电网的实时负荷信息，按照接收的调度命令采用适当的充放电控制算法，确定储能单元的充放电功率；
能源管理模块主要功能是实时监测储能单元的工作状况、提供充放电策略基础数据、为每台充放电机提供充电或放电功率二次分配指令；
数据管理系统收集并管理所有储能单元信息，具体信息包括电池调节功率的上下限、当前和未来一段时间内的可用功率容量、参加电网辅助服务的时间、以及一些实时的电池状态信息。
3.如权利要求2所述的储能电站，其特征在于，调节功率的计算方式如下：
查询所有储能单元的SOC，计算总的SOC值，按比例分摊总的响应功率，即按储能单元的可用容量在总的可用容量中所占的比例公平分配；
上调功率(放电)
下调功率(充电)
式中—分配到第j个储能单元的调节功率值；
—储能电站控制中心的设定功率。
4.如权利要求3所述的储能电站，其特征在于，配电容量的计算方式如下：
储能电站的配电容量关系到能够具有多大的调峰及调频能力，以及能够提供给电网进行充电或放电的功率大小值，配电容量S为
其中，
N一储能设备总数；
P一储能设备最大输出功率；
一储能设备效率；
一储能设备功率因数；
—储能设备同时利用系数。
5.如权利要求4所述的储能电站，其特征在于，储能电站充放电的电量及功率模型为：
约束条件
式中
一满足期望供电时间的地区重要负荷电量，单位kWh；
一对应实际供电时间的地区重要负荷电量，单位kWh；
—储能电站内第k个储能模块可用电量，单位kWh；
—储能电站的所有储能模块可用电量之和，单位kWh；
—地区重要负荷，单位kW；
—储能电站内第k个储能模块放电功率，单位kW；
—储能电站的所有储能模块放电功率，单位kW；
—储能电站中第k个储能模块最大放电功率，单位kW；
—储能电站中第k个储能模块实时电压，单位为V；
—储能电站中第k个储能模块最大放电电流，单位为A；
m—储能电站内的储能模块总数量；
n—满足供电需要的储能模块数量；
—储能模块期望供电时间，单位h；
t—储能模块实际供电时间，单位h。
6.如权利要求5所述的储能电站，其特征在于，变换器控制方式为：根据储能电站的充放电计划生成储能单元的参考电流，同时基于实际接收的储能单元的电流反馈值，采用电流闭环控制生成PWM波调节DC/DC变换器的占空比，同时，基于直流母线电压值与无功功率参考值进行dq变换，获得d轴电流参考值和q轴电流参考值，并基于采集的电网母线的a,b,c三相电流，采用瞬时电流控制方式生成a,b,c三相电压基准值，进行PWM控制，生成PWM波控制整流/逆变器的占空比。
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