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申请/专利权人：国网吉林省电力有限公司电力科学研究院;东北电力大学;国家电网有限公司;吉林省电力科学研究院有限公司

摘要：本发明是一种大规模VRB优化运行的能量管理系统控制方法，其特点是，包括：大规模储能效率数学模型的建立；根据大规模储能效率数学模型及储能单元模块功率‑效率拟合关系，确定能量管理系统总效率；对各采样时刻储能单元个数和储能单元模块功率的求取，等内容。通过基于储能不同功率充放电仿真数据，拟合了功率‑效率关系，结合大规模VRB储能系统结构，依据具体储能充放电功率命令合理选择储能参与充放电模块个数的优化运行模式，通过算例分析显示，控制策略能有效提升储能系统的充放电效率，有利于储能荷电状态的均衡，避免了同一储能单元进行过充或过放的状况，减小了储能系统的寿命损耗。具有方法科学合理，适用性强，效果佳等优点。

主权项：1.一种大规模VRB优化运行的能量管理系统控制方法其特征是，它包括的内容有：1大规模储能效率数学模型的建立： 1式为充电状态，2式为放电状态；式中：ηBE_cha储能系统整体充电效率；ηBE_discha储能系统整体放电效率；PBE为储能系统输出功率；Ppart.i为储能系统中单元模块的端口功率；PBE_stack为电池储能系统内部输入输出功率；ηcha.i为第i个储能系统单元模块的充电效率，ηdischa.i为第i个储能系统单元模块的放电效率；为了方便对储能效率的计算，储能单元效率与充放电功率拟合关系式为3式： 式中：Pcp.u.储能系统充电功率标幺值；Pdp.u.储能系统放电功率标幺值；ηC为储能充电效率，ηd为储能放电效率；2根据大规模储能效率数学模型及储能单元模块功率-效率拟合关系，确定能量管理系统总效率：储能单元模块控制是协调各个储能模块充放电，以达到上层控制下达的功率需求PBE，充放电功率储能系统下达功率命令后，由于各个储能单元均独立启停，所以储能控制系统需要根据功率需求，决定参与该次充放电任务的储能单元模块及功率值大小；实际应用中由于上层功率命令的需要，经常出现低于系统额定功率下运行的情况，如果将储能单元全部投入运行，受到储能功率-效率耦合关系的影响，储能单元均会运行在低效率状态，为使储能运行中避免储能单元分配功率低而引起的整体储能效率问题，根据大规模储能效率数学模型及储能单元模块功率-效率拟合关系，确定能量管理系统总效率为4式和5式： 4式为充电状态，5式为放电状态；式中，ηBE_cha表示储能单元模块的充电效率；ηBE_discha表示储能单元模块的放电效率；Ppart,ip.u.表示第i个储能子单元模块的动作功率标幺值；3对各采样时刻储能单元个数和储能单元模块功率的求取：在每个采样时刻功率命令下达之后，储能单元模块端口总功率需求为定值，以系统效率最优为目标，充放电效率的优化体现在对各个储能单元模块的效率优化中，各个储能单元的效率越高，系统的总效率就越高，而根据功率-效率拟合曲线显示各个储能单元的充放电效率是关于储能各个单元模块的增函数，功率越大，效率越高，因此，通过改变参与的储能单元个数k的大小影响最终每个储能单元模块功率分配的多少，为了避免过多储能单元模块参与分摊系统功率，选取满足功率需求条件下，令储能单元模块个数k跟踪储能系统当前功率，选取满足当前系统功率储能单元个数确定之后将系统功率分配给k个储能单元模块，各采样时刻储能单元个数和储能单元模块功率求取6式和7式， 式中，PESSt表示第t个时刻储能单元的动作功率；Ppart_rating表示储能子单元的额定功率；kt表示第t个时刻储能子单元的动作个数；Ppart_it表示第i个储能子单元的动作功率。

全文数据：一种大规模VRB优化运行的能量管理系统控制方法技术领域本发明涉及大规模储能技术领域，特别涉及一种大规模VRB优化运行的能量管理系统控制方法。背景技术风能是目前应用比较成熟的新能源之一，我国风力资源丰富，装机容量也在逐年攀升，风电已经成为我国电力能源供应的重要组成部分。但是随着风电并网规模的逐渐增大，风电的弊端也逐渐显现出来。首先，风力发电相比于火电机组发电，功率输出不可控，波动幅度大，且具有强烈的随机性，这些特征给电力系统发电计划制定带来了困难，尤其当风电参与电力系统调峰应用时，电网供电在夜间处于负荷低谷，而此时往往是风力发电高峰期，呈现出了明显的反调峰特性。火力发电机组由于启停成本高昂，发电功率在负荷低谷最低维持在强迫功率，受到电源负荷平衡约束，相当部分容量风电机组无法并网发电，由此导致大规模的弃风限电情况发生。为了解决风电在负荷低谷并网问题，储能被认为是提高电网风电接纳规模的有效手段之一。储能的应用能够有效将负荷低谷时的电量存储起来，在负荷高峰时放出，实现的负荷的时空平抑，在一定程度上缓解了弃风严重的现象。随着风电装机容量的增加，对储能规模需求也在逐渐增加。在多种类型的储能介质里面，电化学储能电池储能具有单体批量化、标准化生产以及模块化灵活组合扩容的优点，是契合设备大规模储能较好的储能形式。目前通常将单体电池集成为储能单元模块，储能单元模块根据实际应用功率在数十至数百千瓦不等，即便如此，单一储能单元模块仍旧无法满足电力应用的需要，大规模储能系统将由数量众多的储能单元模块组合而成，电池模块化结构为储能系统规模化扩建带来便利的同时也带来了新的问题。针对大规模储能系统的控制不同于对储能单元模块个体的控制，大规模储能系统必须在满足电力系统功率需求的同时对系统内部各个模块进行控制，控制方法的优劣直接决定了储能系统的技术指标，控制优化指标包括各个模块的储能效率，电池模块寿命、电池荷电状态均一性等。由于模块众多，因此对于大规模储能系统的控制通常涉及因素较多，运行控制较为复杂。因此，如何协调优化各个储能单元模块高效、安全、稳定的工作是亟需解决的一个问题。发明内容本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种科学合理，适用性强，效果佳的大规模VRB优化运行的能量管理系统控制方法。解决其技术问题采用的技术方案是，一种大规模VRB优化运行的能量管理系统控制方法其特征是，它包括的内容有：1大规模储能效率数学模型的建立：1式为充电状态，2式为放电状态；式中：ηBE_cha储能系统整体充电效率；ηBE_discha储能系统整体放电效率；PBE为储能系统输出功率；Ppart.i为储能系统中单元模块的端口功率；PBE_stack为电池储能系统内部输入输出功率；ηcha.i为第i个储能系统单元模块的充电效率，ηdischa.i为第i个储能系统单元模块的放电效率；为了方便对储能效率的计算，储能单元效率与充放电功率拟合关系式为3式：式中：Pcp.u.储能系统充电功率标幺值；Pdp.u.储能系统放电功率标幺值；ηC为储能充电效率，ηd为储能放电效率；2根据大规模储能效率数学模型及储能单元模块功率-效率拟合关系，确定能量管理系统总效率：储能单元模块控制是协调各个储能模块充放电，以达到上层控制下达的功率需求PBE，充放电功率储能系统下达功率命令后，由于各个储能单元均独立启停，所以储能控制系统需要根据功率需求，决定参与该次充放电任务的储能单元模块及功率值大小；实际应用中由于上层功率命令的需要，经常出现低于系统额定功率下运行的情况，如果将储能单元全部投入运行，受到储能功率-效率耦合关系的影响，储能单元均会运行在低效率状态，为使储能运行中避免储能单元分配功率低而引起的整体储能效率问题，根据大规模储能效率数学模型及储能单元模块功率-效率拟合关系，确定能量管理系统总效率为4式和5式：4式为充电状态，5式为放电状态；式中，ηBE_cha表示储能单元模块的充电效率；ηBE_discha表示储能单元模块的放电效率；Ppart,ip.u.表示第i个储能子单元模块的动作功率标幺值；3对各采样时刻储能单元个数和储能单元模块功率的求取在每个采样时刻功率命令下达之后，储能单元模块端口总功率需求为定值，以系统效率最优为目标，充放电效率的优化体现在对各个储能单元模块的效率优化中，各个储能单元的效率越高，系统的总效率就越高，而根据功率-效率拟合曲线显示各个储能单元的充放电效率是关于储能各个单元模块的增函数，功率越大，效率越高，因此，通过改变参与的储能单元个数k的大小影响最终每个储能单元模块功率分配的多少，为了避免过多储能单元模块参与分摊系统功率，选取满足功率需求条件下，令储能单元模块个数k跟踪储能系统当前功率，选取满足当前系统功率储能单元个数确定之后将系统功率分配给k个储能单元模块，各采样时刻储能单元个数和储能单元模块功率求取6式和7式，式中，PESSt表示第t个时刻储能单元的动作功率；Ppart_rating表示储能子单元的额定功率；kt表示第t个时刻储能子单元的动作个数；Ppart_it表示第i个储能子单元的动作功率。本发明的一种大规模VRB优化运行的能量管理系统控制方法，它是一种综合考虑各个储能单元的SOC状态，应用于大规模全钒液流电池VRB优化运行的能量管理系统控制方法，具体内容为：大规模储能效率数学模型的建立；根据大规模储能效率数学模型及储能单元模块功率-效率拟合关系，确定能量管理系统总效率；对各采样时刻储能单元个数和储能单元模块功率的求取，由于采用大规模储能效率数学模型的建立，基于储能不同功率充放电仿真数据，拟合了功率-效率关系，结合大规模VRB储能系统结构，依据具体储能充放电功率命令合理选择储能参与充放电模块个数的优化运行模式，通过算例分析显示，该控制方法能有效提升储能系统的充放电效率，有利于储能荷电状态的均衡，避免了同一储能单元进行过充或过放的状况，减小了储能系统的寿命损耗。进一步，适用于全钒液流电池-电化学电容器VRB-EC混合储能系统HESS的控制，能够分析EC的最优配置数量及HESS的最小成本；根据风电预测数据设计HESS总充放电功率,通过设定EC的动作区间以降低对VRB的损耗，通过排序法实现对VRB各单元充电任务的合理分配；基于某风电场30d实测及预测数据，仿真分析了EC配置数量对HESS成本的影响，得到了HESS的最优配置及最小成本，为工程应用中VRB-EC混合储能系统运行方式的制定和配置的选择提供了参考依据。本发明具有方法科学合理，适用性强，效果佳等优点。附图说明图1为大规模VRB储能系统主电路结构示意图；图2为储能系统单元模块充电的采样点功率图；图3为储能系统单元模块的充电采样点的充电状态变化图；图4为储能系统单元模块放电的采样点功率图；图5为储能系统单元模块的充电采样点的放电状态变化图；图6为一天的储能系统单元模块的荷电状态的变化图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本发明的一种大规模VRB优化运行的能量管理系统控制方法进行详细说明。如图1所示，本发明的一种大规模VRB优化运行的能量管理系统控制方法，它的储能单元模块控制是协调各个储能模块充放电，以达到上层控制下达的功率需求PBE，充放电功率储能系统下达功率命令后，由于各个储能单元均独立启停，所以储能控制系统需要根据功率需求，决定参与该次充放电任务的储能单元模块及功率值大小；实际应用中由于上层功率命令的需要，经常出现低于系统额定功率下运行的情况，如果将储能单元全部投入运行，受到储能功率-效率耦合关系的影响，储能单元均会运行在低效率状态，储能运行中考虑避免储能单元分配功率低而引起的整体储能效率问题。1大规模储能效率数学模型的建立：1式为充电状态，2式为放电状态；式中：ηBE_cha储能系统整体充电效率；ηBE_discha储能系统整体放电效率；PBE为储能系统输出功率；Ppart.i为储能系统中单元模块的端口功率；PBE_stack为电池储能系统内部输入输出功率；ηcha.i为第i个储能系统单元模块的充电效率，ηdischa.i为第i个储能系统单元模块的放电效率，为了方便对储能效率的计算，储能单元效率与充放电功率拟合关系式为3式：式中：Pcp.u.储能系统充电功率标幺值；Pdp.u.储能系统放电功率标幺值；ηC为储能充电效率，ηd为储能放电效率；2根据大规模储能效率数学模型及储能单元模块功率-效率拟合关系，确定能量管理系统总效率：储能单元模块控制是协调各个储能模块充放电，以达到上层控制下达的功率需求PBE，充放电功率储能系统下达功率命令后，由于各个储能单元均独立启停，所以储能控制系统需要根据功率需求，决定参与该次充放电任务的储能单元模块及功率值大小；实际应用中由于上层功率命令的需要，经常出现低于系统额定功率下运行的情况，如果将储能单元全部投入运行，受到储能功率-效率耦合关系的影响，储能单元均会运行在低效率状态，为使储能运行中避免储能单元分配功率低而引起的整体储能效率问题，根据大规模储能效率数学模型及储能单元模块功率-效率拟合关系，确定能量管理系统总效率为4式和5式：4式为充电状态，5式为放电状态；式中，ηBE_cha表示储能单元模块的充电效率；ηBE_discha表示储能单元模块的放电效率；Ppart,ip.u.表示第i个储能子单元模块的动作功率标幺值；3对各采样时刻储能单元个数和储能单元模块功率的求取：在每个采样时刻功率命令下达之后，储能单元模块端口总功率需求为定值，以系统效率最优为目标，充放电效率的优化体现在对各个储能单元模块的效率优化中，各个储能单元的效率越高，系统的总效率就越高，而根据功率-效率拟合曲线显示各个储能单元的充放电效率是关于储能各个单元模块的增函数，功率越大，效率越高。因此，通过改变参与的储能单元个数k的大小影响最终每个储能单元模块功率分配的多少，为了避免过多储能单元模块参与分摊系统功率，选取满足功率需求条件下，令储能单元模块个数k跟踪储能系统当前功率，选取满足当前系统功率储能单元个数确定之后将系统功率分配给k个储能单元模块，各采样时刻储能单元个数和储能单元模块功率求取6式和7式，式中，PESSt表示第t个时刻储能单元的动作功率；Ppart_rating表示储能子单元的额定功率；kt表示第t个时刻储能子单元的动作个数；Ppart_it表示第i个储能子单元的动作功率。协调和优化方法是控制每个储能单元模块，并分别分析每个储能单元模块的状态。由于系统储能功率的不断变化，每次储能单元模块的数量都不同。因此，当系统充电和放电功率未达到系统额定功率时，确定储能模块的数量，然后通过SOC的差异进行特定选择。参与此操作的模块。为方便起见，400个储能模块编号为1-400。1充电状态下储能模块的充电状态分析图2显示了两个采样时间的充电功率变化。02:00-02:15采样时的充电功率为73.42MW，02:15-02:30采样时的充电功率为175.34MW。根据协调优化方法，分别在这两个采样时间调用147个储能模块和351个储能模块。每个储能模块的SOC变化如图3所示。在02:00，低谷充电阶段开始。此时，每个储能模块的SOC为0.2。根据73.42MW功率命令，能量存储模块1-147开始操作，即图3中的蓝色实线部分。此时，148-400储能模块的SOC保持不变。在02:15，电力需求需要351个储能模块同时工作。受SOC的平衡控制的影响，能量存储模块148-400同时操作。由于SOC较低，所有单元都投入运行，而这部分储能单元不足以支持当前的储能功率指令。因此，1-94储能模块选自1-147储能模块继续充电，而其他储能模块不再充电。2放电状态下储能模块充电状态分析图4中显示了两个采样时间的放电功率变化。采样时间为17:30-17:45，放电功率为80.76MW，采样时间为17:45-18:00，放电功率为189.38MW。根据控制方法，在这两个采样时间调用162个储能单元模块和379个储能单元模块。对应于每个能量存储单元模块的SOC变化如图4所示。由于能量存储系统在放电时经历了许多充电和放电变化，因此每个能量存储单元有许多充电状态区域，图中的曲线堆叠得更多。根据17:30放电时的充电状态，储能模块分为三个区域。电荷状态集中在0.57,0.62和0.63区域。每个区域分别在17:30有19个，171个和210个储能模块。能量存储系统在17:30-17:45的时间段内调用162个储能模块。这时，三个区域的储能单元模块完全满足电力需求。他们中的一些人不需要搬家。放电后，有两种充电状态：0.56和0.63。图5中绿线和紫线的变化为17:30-17:45，而其他变化保持不变，即17:30-17:45的红线和蓝线变化。在17:45-18:00期间，动员了379个储能模块。此时，1区和2区的所有储能模块均放电，3区的189个储能模块放电，3区的所有放电均在0.63状态下放电，部分放电在0.56状态下放电。放电后，充电状态变为0.50和0.56。图5中显示了17:45-18:00绿线，棕线和紫线的变化。所有储能单元模块严格按照充电状态依次充放电，避免了同一储能单元模块的过充电和过放电。3一天的储能模块充放电状态分析在1-400能量存储系统中，选择22和106个能量存储单元模块以比较全天SOC的变化。两个模块的SOC的具体变化如图所示。从图6中看出，两个储能单元模块的选择在每个采样时间受SOC的影响，并且在每个采样时间的充电和放电动作是不同的。在一整天中，两个储能单元模块的SOC交替上升。在全年运行周期中，能量存储单元模块的SOC差值不大于0.0625，并且在充电状态下保持切换充电和放电的模式。本发明实施例中的计算条件、图例等仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

权利要求：1.一种大规模VRB优化运行的能量管理系统控制方法其特征是，它包括的内容有：1大规模储能效率数学模型的建立：1式为充电状态，2式为放电状态；式中：ηBE_cha储能系统整体充电效率；ηBE_discha储能系统整体放电效率；PBE为储能系统输出功率；Ppart.i为储能系统中单元模块的端口功率；PBE_stack为电池储能系统内部输入输出功率；ηcha.i为第i个储能系统单元模块的充电效率，ηdischa.i为第i个储能系统单元模块的放电效率；为了方便对储能效率的计算，储能单元效率与充放电功率拟合关系式为3式：式中：Pcp.u.储能系统充电功率标幺值；Pdp.u.储能系统放电功率标幺值；ηC为储能充电效率，ηd为储能放电效率；2根据大规模储能效率数学模型及储能单元模块功率-效率拟合关系，确定能量管理系统总效率：储能单元模块控制是协调各个储能模块充放电，以达到上层控制下达的功率需求PBE，充放电功率储能系统下达功率命令后，由于各个储能单元均独立启停，所以储能控制系统需要根据功率需求，决定参与该次充放电任务的储能单元模块及功率值大小；实际应用中由于上层功率命令的需要，经常出现低于系统额定功率下运行的情况，如果将储能单元全部投入运行，受到储能功率-效率耦合关系的影响，储能单元均会运行在低效率状态，为使储能运行中避免储能单元分配功率低而引起的整体储能效率问题，根据大规模储能效率数学模型及储能单元模块功率-效率拟合关系，确定能量管理系统总效率为4式和5式：4式为充电状态，5式为放电状态；式中，ηBE_cha表示储能单元模块的充电效率；ηBE_discha表示储能单元模块的放电效率；Ppart,ip.u.表示第i个储能子单元模块的动作功率标幺值；3对各采样时刻储能单元个数和储能单元模块功率的求取：在每个采样时刻功率命令下达之后，储能单元模块端口总功率需求为定值，以系统效率最优为目标，充放电效率的优化体现在对各个储能单元模块的效率优化中，各个储能单元的效率越高，系统的总效率就越高，而根据功率-效率拟合曲线显示各个储能单元的充放电效率是关于储能各个单元模块的增函数，功率越大，效率越高，因此，通过改变参与的储能单元个数k的大小影响最终每个储能单元模块功率分配的多少，为了避免过多储能单元模块参与分摊系统功率，选取满足功率需求条件下，令储能单元模块个数k跟踪储能系统当前功率，选取满足当前系统功率储能单元个数确定之后将系统功率分配给k个储能单元模块，各采样时刻储能单元个数和储能单元模块功率求取6式和7式，式中，PESSt表示第t个时刻储能单元的动作功率；Ppart_rating表示储能子单元的额定功率；kt表示第t个时刻储能子单元的动作个数；Ppart_it表示第i个储能子单元的动作功率。

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