一种多类型储能装置分级协调控制方法及系统
阅读说明：本技术 一种多类型储能装置分级协调控制方法及系统 (Multi-type energy storage device grading coordination control method and system ) 是由 柳伟 覃淇 蒋成涛 徐航 张义会 张思聪 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：一种多类型储能装置分级协调控制方法及系统,属于配电网和储能技术领域,解决由太阳能或负载突然变化引起的交流电网功率波动的问题；储能装置协调控制器实时采集光伏发电装置发电侧功率以及交流电网负荷侧功率两者的功率差值即为总不平衡功率；根据总不平衡功率的大小调用一级储能装置和/或二级储能装置对总不平衡功率进行平抑,调用二级储能装置时,采用经验模态分解的方法将总的不平衡功率进行分解,得到不同频率下的分量,再结合二级储能装置的功率型储能装置和能量型储能装置的响应特性,对高频功率和低频功率分别进行平抑；实现了对功率波动的精准调节；同时对储能装置的充放电进行限制,确保储能装置的使用安全,延长其使用寿命。(A multi-type energy storage device grading coordination control method and a system belong to the technical field of power distribution networks and energy storage, and solve the problem of alternating current power grid power fluctuation caused by sudden change of solar energy or load; the energy storage device coordination controller collects the power difference value of the power generation side of the photovoltaic power generation device and the power of the load side of the alternating current power grid in real time, and the power difference value is the total unbalanced power; calling a primary energy storage device and/or a secondary energy storage device according to the total unbalanced power to stabilize the total unbalanced power, when calling the secondary energy storage device, decomposing the total unbalanced power by adopting an empirical mode decomposition method to obtain components under different frequencies, and then respectively stabilizing high-frequency power and low-frequency power by combining the response characteristics of the power type energy storage device and the energy type energy storage device of the secondary energy storage device; accurate adjustment of power fluctuation is realized; and meanwhile, the charging and discharging of the energy storage device are limited, so that the use safety of the energy storage device is ensured, and the service life of the energy storage device is prolonged.)
技术领域
本发明属于配电网和储能技术领域，涉及一种多类型储能装置分级协调控制方法及系统。
背景技术
分布式光伏发电系统能够提高传统不可再生能源的利用效率，同时还能够很好地综合利用各类可再生资源，是我们在实现绿色环保、低碳减排方面所做出的重大政策和举措，也与集中式发电相辅相成。当太阳能分布式微电网独立运行时，分布式储能成为维持微电网稳定的关键部分，能有效抑制由太阳能和负载突然变化引起的功率波动，并保持微电网系统的稳定性，对维持系统电能质量稳定、保证功率动态平衡具有十分重要的作用。现有技术中，公开日期为2019年5月的文献《基于集合经验模态分解的风电混合储能系统能量管理协调控制策略》(付菊霞，新疆大学电气工程学院，电工技术学报)，采用蓄电池-超级电容混合储能系统来平抑风电功率波动，实现风电平滑并网。但是该文献并未对储能装置进行分级控制。
储能装置是利用特定介质先将能量以一定的方式储存，在需要能量的场合以特定的方式释放能量的循环过程。近些年来，储能技术发展迅速，具有良好的发展前景。储能技术的应用将会给传统电网运行、调度、规划等各方面带来深远影响。现阶段的已开发利用的储能设备很多，其中蓄电池蓄能、超级电容器储能、飞轮储能等得到了广泛的研究与应用。储能介质可分为能量型和功率型两类。能量型储能介质以锂电池、铅酸蓄电池以及全矾液流电池等为代表，其能量密度大，存储容量高，但功率密度较小且响应时间较长。功率型储能介质以超级电容、飞轮储能以及超导磁储能为代表，其功率密度大，存储容量低，响应时间较短，可频繁充放电而不损害其性能，但能量密度较小。
蓄电池蓄能是目前最有前途、应用最广的储能方式之一，包括很多种，如铅酸电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池等，其技术成熟度虽不一，但均已实现了大容量的存储。其中铅酸电池应用最广、技术最为成熟，转换效率一般为85％-90％，由于其自放电率低，适合长时间存储，但寿命较短；锂离子电池是新兴的新型二次电池，储能密度高、体积小、无污染、循环寿命长、储能密度高，但生产成本高；液流电池是一种新型的储能技术，可实现规模化存储，循环使用寿命长，但其能量密度低，占用空间较大。
超级电容器是特殊材料制作的多孔介质，依据电化学双电层理论研制而成，相比普通电容器，它具有更高的介质常数和更大的存储容量，可达普通电容的20-1000倍，且具有很高的循环寿命和功率密度。其功率密度可达100W/kg-1000W/kg，远远高于蓄电池。超级电容器响应速较快，充放电效率高，但其能量密度较低，只能维持较短时间的高功率充放电，因此常用于能量的短时存储。
飞轮储能属于一种机械储能方式，一般包括高速飞轮、发电机/电动机、轴承系统和控制系统等，电机转子与飞轮以机械能的形式存储电能，储存能量时，电动机带动飞轮加速，电能转化为机械能；释放能量时，飞轮带动发电机旋转，动能转化为电能。飞轮的能量密度可达100Wh/kg，功率密度一般大于5×103W/kg，能量转换效率大于90％，具有使用效率高、建设周期短、高储能量、寿命长等优点，且响应速度快，无污染，运行维护简单。
发明内容
本发明的目的在于如何设计涉及一种多类型储能装置分级协调控制方法及系统，对分布式光伏发电系统中储能装置进行分级控制，以解决由太阳能或负载突然变化引起的交流电网功率波动的问题。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种多类型储能装置分级协调控制方法，应用于分级协调控制系统，所述的分级协调控制系统包括：光伏发电装置、一级储能装置、二级储能装置、储能装置协调控制器、负载；光伏发电装置和一级储能装置以及二级储能装置通过变换器接入交流电网，负载与交流电网连接；光伏发电装置采用MPPT控制以最大功率向交流电网供电，当光照强度或者负载变化时，储能装置协调控制器用于控制一级储能装置和/或二级储能装置平抑总不平衡功率Ps；
所述的分级协调控制方法包括以下步骤：
S1、储能装置协调控制器实时采集光伏发电装置发电侧功率PPV以及交流电网负荷侧功率PLoad，两者的功率差值即为总不平衡功率Ps；
S2、储能装置协调控制器根据总不平衡功率Ps的大小调用一级储能装置和/或二级储能装置对总不平衡功率Ps进行平抑，具体情况如下：
模式一：若总不平衡功率Ps在一级储能装置协调预设功率范围内且当前一级储能装置处于能充放电的状态，则储能装置协调控制器只调用一级储能装置对总不平衡功率Ps进行平抑；
模式二：若总不平衡功率Ps超出一级储能装置协调预设功率范围且当前一级储能装置处于能充放电的状态，则储能装置协调控制器调用一级、二级储能装置共同对总不平衡功率Ps进行平抑；
模式三：若当前一级储能装置处于不能充放电的状态，则储能装置协调控制器只调用二级储能装置对总不平衡功率Ps进行平抑；
S3、调用二级储能装置时，采用经验模态分解的方法将总的不平衡功率进行分解，得到不同频率下的分量，再结合二级储能装置的功率型储能装置和能量型储能装置的响应特性，对高频功率和低频功率分别进行平抑。
本发明的技术方案通过储能装置协调控制器优化补偿功率的分配，来协调一级储能装置、二级储能装置在不同的运行模式相互配合工作，从而实现对功率波动的精准调节；同时对储能装置的充放电进行限制，确保储能装置的使用安全，延长其使用寿命，使得整个系统的安全、稳定运行。
一种多类型储能装置分级协调控制方法，应用于分级协调控制系统，所述的分级协调控制系统包括：光伏发电装置、一级储能装置、二级储能装置、储能装置协调控制器、负载；光伏发电装置和一级储能装置以及二级储能装置通过变换器接入交流电网，负载与交流电网连接；
作为本发明技术方案的进一步改进，模式一中所述的只调用一级储能装置对总不平衡功率Ps进行平抑，其中一级储能装置设置的参考不平衡功率为总不平衡功率Ps。
作为本发明技术方案的进一步改进，模式二中所述的调用一级、二级储能装置共同对总不平衡功率Ps进行平抑，其中一级储能装置设置的参考不平衡功率为一级储能装置的额定功率，二级储能装置设置的参考不平衡功率为总不平衡功率Ps与一级储能装置的额定功率的差。
作为本发明技术方案的进一步改进，模式三中所述的只调用二级储能装置对总不平衡功率Ps进行平抑，其中二级储能装置设置的参考不平衡功率为总不平衡功率Ps。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的一级储能装置采用飞轮储能装置，所述的二级储能装置包括蓄电池储能装置和超级电容储能装置。
一种多类型储能装置分级协调控制系统，包括：光伏发电装置、一级储能装置、二级储能装置、储能装置协调控制器、负载；光伏发电装置和一级储能装置以及二级储能装置通过变换器接入交流电网，负载与交流电网连接；光伏发电装置采用MPPT控制以最大功率向交流电网供电，当光照强度或者负载变化时，储能装置协调控制器用于控制一级储能装置和/或二级储能装置平抑总不平衡功率Ps；
储能装置协调控制器实时采集光伏发电装置发电侧功率PPV以及交流电网负荷侧功率PLoad，两者的功率差值即为总不平衡功率Ps；
储能装置协调控制器根据总不平衡功率Ps的大小调用一级储能装置和/或二级储能装置对总不平衡功率Ps进行平抑，具体情况如下：
模式一：若总不平衡功率Ps在一级储能装置协调预设功率范围内且当前一级储能装置处于能充放电的状态，则储能装置协调控制器只调用一级储能装置对总不平衡功率Ps进行平抑；
模式二：若总不平衡功率Ps超出一级储能装置协调预设功率范围且当前一级储能装置处于能充放电的状态，则储能装置协调控制器调用一级、二级储能装置共同对总不平衡功率Ps进行平抑；
模式三：若当前一级储能装置处于不能充放电的状态，则储能装置协调控制器只调用二级储能装置对总不平衡功率Ps进行平抑；
调用二级储能装置时，采用经验模态分解的方法将总的不平衡功率进行分解，得到不同频率下的分量，再结合二级储能装置的功率型储能装置和能量型储能装置的响应特性，对高频功率和低频功率分别进行平抑。
作为本发明技术方案的进一步改进，模式一中所述的只调用一级储能装置对总不平衡功率Ps进行平抑，其中一级储能装置设置的参考不平衡功率为总不平衡功率Ps。
作为本发明技术方案的进一步改进，模式二中所述的调用一级、二级储能装置共同对总不平衡功率Ps进行平抑，其中一级储能装置设置的参考不平衡功率为一级储能装置的额定功率，二级储能装置设置的参考不平衡功率为总不平衡功率Ps与一级储能装置的额定功率的差。
作为本发明技术方案的进一步改进，模式三中所述的只调用二级储能装置对总不平衡功率Ps进行平抑，其中二级储能装置设置的参考不平衡功率为总不平衡功率Ps。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的一级储能装置采用飞轮储能装置，所述的二级储能装置包括蓄电池储能装置和超级电容储能装置。
本发明的优点在于：
(1)本发明的技术方案通过储能装置协调控制器优化补偿功率的分配，来协调一级储能装置、二级储能装置在不同的运行模式相互配合工作，从而实现对功率波动的精准调节；同时对储能装置的充放电进行限制，确保储能装置的使用安全，延长其使用寿命，使得整个系统的安全、稳定运行。
(2)本发明的技术方案根据超级电容器和蓄电池的各自优势将二者联合起来组成的混合储能系统，可实现性能互补，极大地提升了储能系统的性能，在此基础上以飞轮储能为一级协调装置，不仅能够延长储能装置的使用寿命，还增加了电网储能的多元性和灵活性。
附图说明
图1为多类型储能系统分级协调控制系统的拓扑图；
图2为多类型储能系统分级协调控制方法的流程图；
图3为一级储能装置和二级储能装置的功率曲线图；
图4为参考功率经过经验模态分解处理后的固有模态函数曲线；
图5为超级电容储能装置和蓄电池储能装置的功率分配曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
如图1所示，本实施例的分级协调控制系统包括：光伏发电装置、一级储能装置、二级储能装置、储能装置协调控制器、负载；一级储能装置采用飞轮储能装置、二级储能装置分别采用蓄电池储能装置和超级电容储能装置、光伏发电装置和飞轮储能装置、蓄电池储能装置以及超级电容储能装置通过变换器接入交流电网，负载与交流电网连接；光伏发电装置采用MPPT控制以最大功率向交流电网供电，当光照强度或者负载变化时，储能装置协调控制器用于控制一级储能装置和/或二级储能装置平抑不平衡功率Ps。
如图2所示为分级协调控制方法的流程图，混合储能协调控制系统通过以下步骤实现：
(1)储能装置协调控制器实时采集光伏发电装置发电侧功率PPV以及交流电网负荷侧功率PLoad，两者的功率差值即为不平衡功率Ps；
(2)模式一：当储能装置协调控制器判定Ps在预设范围Pr内时，仅调用飞轮储能装置对不平衡功率进行平抑。Pr是根据飞轮储能装置的额定功率选取的，在仅调用飞轮储能装置的模式下，飞轮储能装置的参考功率即为不平衡功率Ps，将该参考功率换算成转速传递到飞轮储能装置的进行控制，飞轮储能装置的功率和转速有如下关系：
式中，ωn表示飞轮给定跟随角速度，J表示飞轮的转动惯量。
本发明实施例中飞轮的工作角速度区间为150rad/s～2200rad/s，将此区间划分为3部分，即低速区(＜314rad/s)、正常工作区(314rad/s～2000rad/s)、高速区(>2000rad/s)。当飞轮转速位于正常工作区时，按照额定功率进行充放电，转速达到低速区上限或高速区下限时，飞轮保持当前转速，不再继续充放电，始终让转速保持在正常工作区内，具体调节策略如下：
式中：Pf表示参考功率；表示调整后的功率；ωf表示当前飞轮的转速；ωb表示低速区临界值；ωt表示高速区临界值。
(3)模式二：如图3所示，当不平衡功率Ps超过飞轮储能装置单独平抑的功率范围，且飞轮储能装置满足充放电的条件，即转速位于正常工作区间，则通过飞轮储能装置、蓄电池储能装置和超级电容储能装置三种储能装置共同协调平抑，飞轮储能装置按照额定功率大小进行充放电，然后用Ps减去飞轮额定功率，从而得到二级协调装置即蓄电池储能装置和超级电容储能装置的参考不平衡功率Pe。
(4)模式三：若当前飞轮储能装置处于不能充放电的状态，则储能装置协调控制器只调用蓄电池储能装置和超级电容储能装置对不平衡功率Ps进行平抑，不平衡功率Ps即为蓄电池储能装置和超级电容储能装置的参考不平衡功率Pe。
(5)如图4所示，通过经验模态分解的方法将参考不平衡功率Pe分解成一系列频率由高到低分布的固有模态函数(IMFs)。如图5所示，将高频分量和低频分量各自求和得到Psc和Pbat，将Psc和Pbat分别作为超级电容储能装置和蓄电池储能装置的参考功率，用以控制其充放电，具体调节策略如下：
式中：P表示过充过放调整前功率；P*表示过充过放调整后功率；SOCx表示当前储能系统的荷电状态；SOCmin表示放电下限值；SOCmax表示充电区上限值。
本实施例的技术方案若不平衡功率在预设范围内，则控制储能系统进入飞轮单独运行模式来对功率进行平抑；若超过预设范围，则以飞轮为一级协调装置，蓄电池和超级电容作为二级协调装置，通过控制系统对三种储能装置进行功率分配来协调控制。这样做的优势在于飞轮相比于蓄电池有更大的功率密度，又比超级电容有更大的能量密度，是介于两者之间的一种储能装置，而且飞轮的充放电循环寿命达几百万次，因此在功率波动在一定区间范围内只用飞轮来调节系统功率既可以达到调整目的，能减少蓄电池和超级电容的充放电次数，能够延长储能系统整体的使用寿命。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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