电池储能系统及储能方法技术方案

本发明专利技术提供电池储能系统，建立串联型、并联型及串/并联型锂离子大容量电池单元的等效电路模型；采用扩展卡尔曼滤波法对大容量电池单元进行荷电状态估计；提出风力机不工作时孤网系统稳定运行控制策略，分析了电池储能系统工作原理，根据电池单元工作特性并结合传统下垂控制策略，提出了基于电池单元荷电状态的有功功率下垂控制策略，即外环功率控制；针对下垂控制存在固有静态误差、中低压电网线路阻抗不完全为纯感性等因素而导致下垂控制的控制精度不高的问题，提出了含线性补偿环的电压幅值‑频率控制策略，即内环电压控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电池领域，具体涉及电池储能系统。
技术介绍
电池储能系统是一种能实现能量存取、功率双向流动的装置，其开发与应用极大地促进了电网智能化发展，相当于为电网增加了一个存储电能的环节，有利于提高电网设备综合利用率、增强电网运行灵活性；抑制高比重可再生能源的波动程度，稳定其功率输出，又能与可再生能源协调控制实现系统孤网稳定供电，有助于解决可再生能源大规模并网或孤网运行的问题；能实现系统有功、无功功率的平衡控制，维持系统电压和频率稳定，尤其是对孤网系统而言，有利于提高系统稳定性、改善电能质量。电池储能系统主要由电池子系统、功率转换子系统、电池管理子系统、监控子系统组成。电池储能系统的工作模式之一为孤网运行模式，电池储能系统工作于孤网运行模式时，常用控制方法之一为对等式下垂控制，对等式下垂控制通过借鉴同步发电机的自同步和电压-频率下垂特性，各控制器利用当地检测信息来控制各自运行方式，无需外部提供给定信息。对等式下垂控制因其无互联线、可实现即插即用、易扩展及可靠性高等优点，已被广泛应用于孤网运行控制。但是，对等式下垂控制在实际应用中存在的局限性：现有控制策略主要着眼于下垂控制自身存在的局限性或主要针对可再生能源与单个电池储能系统并联运行控制等问题，而较少考虑实现可再生能源与电池储能系统、多个电池储能系统并联运行协调控制及其负荷分配控制等问题。
技术实现思路
本专利技术提供电池储能系统，解决现有电池储能系统未解决可再生资源与电池储能系统、多个电池储能系统并联运行协调控制及其负荷分配控制等问题。本专利技术通过以下技术方案解决上述问题：电池储能系统，其电能存储的步骤为：1)建立串联型、并联型、串/并联型大容量电池等效电路的建模；2)基于扩展卡尔曼滤波法的电池系统SOC估计，采用安时法来估计的同时，通过电池端电压观测值的反馈作用修正安时法所得的SOC，从而保证电池端电压估计值迅速跟随其电压观测值，得到更为精确的SOC估计值；选取电池系统的SOC及两个电容的端电压作为系统状态变量，选取电池系统的电流作为系统输入量，得到系统离散状态空间方程如式；将电池的回路方程作为观测方程，得到SOC估计值的递推关系式，建立整个SOC估计过程中协方差的递归关系式；确定SOC预测估计误差协方差的初始值，确定了算法的初值后，再结合地推过程估计电池系统的SOC估计值。上述方案中，所述电池储能系统应用于风-储孤网系统时，所述电池储能系统在允许范围内通过协调控制各模块电池储能系统子系统输出端的有功、无功功率来平滑风电与负载间的功率差，进而保证系统电压和频率稳定在一定范围以满足供电要求；通过调节各模块化电池储能系统子系统输出端能量补偿风电与负载间的能量差以保证系统能量供求平衡；在电池系统充满电且风电大于负荷需求时，投入卸荷装置，消耗多余的能量；当电池系统放完电且风电小于负荷需求时，为继续向系统中敏感负载供电，投入备用电源；所述电池储能系统的接入用于解决由风能波动与负荷扰动给孤网系统所产生的频率稳定性问题提供一种有效的方式；当系统频率突升时，通过控制电池储能系统进行充电来吸收系统多余的有功功率；而当系统频率突降时，通过控制电池储能系统进行放电来补偿系统有功功率缺额。上述方案中，所述风-储孤网系统含风力机，所述风力机不工作时，通过控制并联运行的模块化电池储能系统子系统的出力来实现公共母线电压和频率的稳定；采用含电压线性补偿的电压-频率双环控制策略；在该策略下，任意2个模块化电池储能系统子系统并联运行时系统协调控制策略有关；模块化电池储能系统子系统并联运行协调控制策略为每个模块化电池储能系统子系统分别检测各自本地信息，如电压、电流，并计算出对应有功功率、无功功率及电压幅值；利用BMS给定的SOC估计值及其无功容量给定值分别确定有功及无功功率下垂控制系数；结合由下垂控制特性得到相应的电压幅值和角频率给定值；与电压线性补偿环的输出相叠加，并经电压控制而产生开关信号，从而协调控制各模块化电池储能系统子系统输出的有功、无功功率幅值和流向，进而控制电池储能系统输出电压幅值和频率的大小，最终实现维持频率和电压的稳定。上述方案中，在所述风-储孤网系统中，单个模块化电池储能系统子系统控制策略为检测模块化电池储能系统子系统本地公共母线的线电压和相电流，并计算出本地有功功率、无功功率和电压幅值，经基于电池系统SOC估计值的改进型下垂控制特性分别得到相应的电压幅值及角频率，再与由线性补偿环得到的电压幅值和角频率进行相加，分别得到给定电压幅值和角频率，计算调制比、产生开关信号，控制输出有功、无功功率的幅值和流向，最终实现对频率和电压的控制。上述方案中，所述下垂控制的相当于比例调节器，引入线性补偿以微调电压幅值和频率的给定值；线性补偿环节主要由公共母线电压幅值给定与检测值的差值作为比例-积分调节器的输入，得到电压补偿值；由公共母线电压角频率给定直接经过频率补偿系数后，产生角频率补偿值。本专利技术的优点与效果是：本专利技术建立串联型、并联型及串/并联型锂离子大容量电池系统的等效电路模型；采用扩展卡尔曼滤波法对大容量电池系统进行荷电状态估计；提出风力机不工作时孤网系统稳定运行控制策略，分析了电池储能系统工作原理，根据电池系统工作特性并结合传统下垂控制策略，提出了基于电池系统荷电状态的有功功率下垂控制策略，即外环功率控制；针对下垂控制存在固有静态误差、中低压电网线路阻抗不完全为纯感性等因素而导致下垂控制的控制精度不高的问题，提出了含线性补偿环的电压幅值-频率控制策略，即内环电压控制。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术并不局限于这些实施例。串联型大容量电池等效电路的建模分析：由多个电池单体经串联而成，在串联电路中，电流处处相等、总电压等于串联各部分电路两端电压之和，由于电池单体的不一致，实际放电时大容量电池的工作状态由性能最差的电池单体决定，如容量最小的电池单体，最先到达放电截止电压而停止放电，从而导致大容量电池停止放电。因此，大容量电池的实际端电压等于性能最差电池达到其放电截止电压时各电池单体端电压之和，且一般不小于各电池单体放电截止电压之和；串联型大容量电池的开路电压为各电池单体开路电压之和，且不小于串联型大容量电池的端电压；串联型大容量电池的阻抗等于各电池单体阻抗之和；对于串联型大本文档来自技高网...

【技术保护点】
电池储能系统，其特征在于，其电能存储的步骤为：1)建立串联型、并联型、串/并联型大容量电池等效电路的建模；2)基于扩展卡尔曼滤波法的电池系统SOC估计，采用安时法来估计的同时，通过电池端电压观测值的反馈作用修正安时法所得的SOC，从而保证电池端电压估计值迅速跟随其电压观测值，得到更为精确的SOC估计值；选取电池系统的SOC及两个电容的端电压作为系统状态变量，选取电池系统的电流作为系统输入量，得到系统离散状态空间方程如式；将电池的回路方程作为观测方程，得到SOC估计值的递推关系式，建立整个SOC估计过程中协方差的递归关系式；确定SOC预测估计误差协方差的初始值，确定了算法的初值后，再结合地推过程估计电池系统的SOC估计值。

【技术特征摘要】
1.电池储能系统，其特征在于，其电能存储的步骤为：
1)建立串联型、并联型、串/并联型大容量电池等效电路的建模；
2)基于扩展卡尔曼滤波法的电池系统SOC估计，采用安时法来估计
的同时，通过电池端电压观测值的反馈作用修正安时法所得的SOC，从而
保证电池端电压估计值迅速跟随其电压观测值，得到更为精确的SOC估计
值；
选取电池系统的SOC及两个电容的端电压作为系统状态变量，选取
电池系统的电流作为系统输入量，得到系统离散状态空间方程如式；
将电池的回路方程作为观测方程，得到SOC估计值的递推关系式，
建立整个SOC估计过程中协方差的递归关系式；
确定SOC预测估计误差协方差的初始值，确定了算法的初值后，再
结合地推过程估计电池系统的SOC估计值。
2.根据权利要求1所述的电池储能系统，其特征在于：
所述电池储能系统应用于风-储孤网系统时，所述电池储能系统在允
许范围内通过协调控制各模块电池储能系统子系统输出端的有功、无功功
率来平滑风电与负载间的功率差，进而保证系统电压和频率稳定在一定范
围以满足供电要求；
通过调节各模块化电池储能系统子系统输出端能量补偿风电与负载
间的能量差以保证系统能量供求平衡；
在电池系统充满电且风电大于负荷需求时，投入卸荷装置，消耗多
余的能量；
当电池系统放完电且风电小于负荷需求时，为继续向系统中敏感负
载供电，投入备用电源；
所述电池储能系统的接入用于解决由风能波动与负荷扰动给孤网系
统所产生的频率稳定性问题提供一种有效的方式；
当系统频率突升时，通过控制电池储能系统进行充电来吸收系统多
余的有功功率；而当系统频率突降时，通过控制电池储能系统进行放电来
补偿系统有功功率缺额。
3.根据权利要求2所述的电池储能系统，其特征在于：
所述风-储孤网系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘丰，
申请(专利权)人：刘丰，
类型：发明
国别省市：广西;45