场站级储能系统及其能量管理系统和方法

技术领域

本发明涉及能量管理技术领域，特别涉及一种场站级储能系统及其能量管理系统和方法。

背景技术

当前GWh级大型储能电站、单箱体MWh级储能系统日趋成为典型应用，在发电、用电之间增加储电设备，大大提升了电力系统的灵活性；但是，如此大规模的应用，使得储能系统的充放电效率、电池系统的状态均衡性，都备受关注。

关于系统效率，对其产生影响的主要设备包括：变压器、PCS(Power ConversionSystem，储能逆变器)、电池及其配套的保温设备；在节能减排的需求下，目前各设备方都在通过器件优化进行自身设备的效率提升，但这种效率提升都仅限于单一设备；也即，目前只能做到各局部子系统效率自寻优，尚且无法实现储能场站级的整体效率最优。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种场站级储能系统及其能量管理系统和方法，以实现储能场站级的整体效率优化。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种场站级储能系统的能量管理方法，包括：

根据电网调度的功率指令，以及，所述场站级储能系统中功率支路的功率和效率之间的预设关系，确定至少一个运行设置方案；所述运行设置方案中包括所述功率支路的运行个数和功率；所述功率支路中包括至少一个DCAC变换电路；

对各个所述运行设置方案下的总效率进行比较，根据总效率最高的所述运行设置方案控制所述场站级储能系统运行。

可选的，所述预设关系中包括至少两个效率等级，各所述效率等级下分别对应多个不同取值的功率。

可选的，所述预设关系中，效率最高的效率等级所对应的各个功率均处于同一个第一取值区间内，其他效率等级所对应的各个功率分别处于两个第二取值区间，且每对两个所述第二取值区间分别位于所述第一取值区间的两侧。

可选的，根据电网调度的功率指令，以及，所述场站级储能系统中功率支路的功率和效率之间的预设关系，确定至少一个运行设置方案，包括：

以效率更高的效率等级为优先，对多个所述功率支路的功率进行设置，得到总功率满足所述功率指令的至少一个所述运行设置方案。

可选的，对各个所述运行设置方案下的总效率进行比较，根据总效率最高的所述运行设置方案控制所述场站级储能系统运行，包括：

对于各个所述运行设置方案，分别根据其各所述功率支路在相应功率下的效率进行求和，确定相应所述运行设置方案下的总效率；

对各个所述总效率进行比较，得到总效率最高的所述运行设置方案，并据其控制所述场站级储能系统运行。

可选的，在根据电网调度的功率指令，以及，所述场站级储能系统中功率支路的功率和效率之间的预设关系，确定至少一个运行设置方案之前，还包括：

根据所述功率指令及所述场站级储能系统的当前状态，确定所述场站级储能系统的调度模式；

若所述调度模式为效率最优，则执行根据电网调度的功率指令，以及，所述场站级储能系统中功率支路的功率和效率之间的预设关系，确定至少一个运行设置方案的步骤。

可选的，所述调度模式还包括：温度均衡、SOC均衡、SOP均衡和SOH均衡。

本发明第二方面提供了一种场站级储能系统的能量管理系统，用于执行如本发明第一方面任一段落所述的场站级储能系统的能量管理方法。

本发明第三方面提供了一种场站级储能系统，包括：至少一个储能系统和如本发明第二方面任一段落所述的场站级储能系统的能量管理系统；所述储能系统包括：控制系统和多个功率支路；

所述功率支路中包括至少一个DCAC变换电路；

各所述DCAC变换电路均为双向DCAC变换电路，其直流侧直接或间接连接相应的电池单元，其交流侧直接或间接连接电网；

各所述功率支路中的全部变换电路均受控于所述控制系统，且所述控制系统通信连接于所述能量管理系统。

可选的，所述功率支路包括：储能变流器PCS、多个DCDC变换器及多个电池堆；

各所述电池堆分别作为一个所述电池单元，通过相应的所述DCDC变换器，连接所述PCS的直流侧；

各所述功率支路中的所述PCS的交流侧均通过变压器连接电网；

所述PCS的主电路为所述DCAC变换电路；所述DCDC变换器的主电路为双向DCDC变换电路；

所述控制系统包括：各所述功率支路中所述PCS的内部控制器及各所述DCDC变换器的内部控制器；

各所述功率支路中，各所述DCDC变换器的内部控制器分别与所述PCS的内部控制器通信连接；各所述PCS的内部控制器分别与所述能量管理系统通信连接。

可选的，所述功率支路包括：电池堆及DCAC变换器；

各所述电池堆分别作为一个所述电池单元，连接相应的所述DCAC变换器的直流侧；

各所述DCAC变换器的交流侧均通过变压器连接电网；

所述DCAC变换器的主电路为所述DCAC变换电路；

所述控制系统包括：各所述DCAC变换器的内部控制器。

可选的，各所述DCAC变换器的交流侧与所述变压器之间，还设置有配电柜。

可选的，各所述DCAC变换器的直流侧与相应所述电池堆之间，还设置有DCDC变换器；

所述控制系统还包括：各所述DCDC变换器的内部控制器；

各所述功率支路中，各所述DCDC变换器的内部控制器分别与所述DCAC变换器的内部控制器通信连接；各所述DCAC变换器的内部控制器分别与所述能量管理系统通信连接。

可选的，所述功率支路包括：多个电池簇、多个DCDC变换器及多个DCAC变换器；

各所述电池簇分别依次连接相应的所述DCDC变换器及相应的所述DCAC变换器；

各所述DCAC变换器的直流侧均并联连接；

各所述DCAC变换器的交流侧均并联连接，且并联后通过变压器连接电网；

所述DCAC变换器的主电路为所述DCAC变换电路；所述DCDC变换器的主电路为双向DCDC变换电路；

所述控制系统包括：各所述功率支路中所述DCAC变换器的内部控制器及各所述DCDC变换器的内部控制器；各内部控制器分别直接或间接与所述能量管理系统通信连接。

本发明提供的场站级储能系统的能量管理方法，其首先在能量管理系统内预置有功率支路的功率和效率之间的预设关系，然后基于该预设关系，确定至少一个运行设置方案，该运行设置方案中包括功率支路的运行个数和功率，各运行设置方案均能够满足电网调度的功率指令；然后，对各个运行设置方案下各功率支路的总效率进行比较，得到总效率最高的运行设置方案，并据其控制场站级储能系统运行，使场站级储能系统的总效率最高，进而实现储能场站级的整体效率优化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的体现功率支路的功率与效率之间预设关系的曲线图；

图2为本发明实施例提供的场站级储能系统的能量管理方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的场站级储能系统的能量管理方法的另一种流程图；

图4为本发明实施例提供的场站级储能系统的结构示意图；

图5、图6及图7分别为本发明实施例提供的场站级储能系统中储能系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明提供一种场站级储能系统的能量管理系统，以实现储能场站级的整体效率优化。

该场站级储能系统的结构有多种实现方式，如图5-图7所示，不过大规模储能应用的场景下，无论该场站级储能系统包括何种个数的储能系统，都需要包括多个功率支路，该功率支路中包括至少一个DCAC变换电路，用于对相应的电池单元进行功率变换；各个功率支路均通过相应的变压器并入电网。该场站级储能系统中的各个储能系统，均受控于EMS(Energy Management System，能量管理系统)，即可实现一个单箱体MWh级储能系统，或者，GWh级大型储能电站(如图4所示)。

以两级变换的功率支路为例，其效率η＝ηP*ηD*ηB。

其中，ηP为DCAC变换电路的转换效率；ηD为DCDC变换电路的转换效率；ηB为电池单元的充放电效率，含辅助供电，如电池保温系统功耗。

也即，影响功率支路效率的因素有以上三个部分，但本能量管理方法并不对三个部分分别进行优化，而是先对各个功率支路这一整体运行于不同功率段的转换效率进行区间划分，得到其功率和效率之间的预设关系，并将其预置于EMS中，以便EMS执行该能量管理方法。

图1示出了该预设关系的一种具体示例，具体的：

(1)功率p属于第一取值区间，即0≦p

(2)功率p属于第二取值区间，即X11≦p

(3)功率p属于第三取值区间，即X2≦p

也即，该预设关系中，效率最高的效率等级(如图1中所示的第一效率等级)所对应的各个功率，均处于同一个第一取值区间(比如X2≦p

当然，图1仅为一种示例，对于该预设关系的划分，并不一定仅限于此，只要该预设关系中包括至少两个效率等级，且各效率等级下分别对应多个不同取值的功率即可，均在本申请的保护范围内。

在预置有该预设关系之后，该能量管理系统即可执行该场站级储能系统的能量管理方法，参见图2，该场站级储能系统的能量管理方法包括：

S101、根据电网调度的功率指令，以及，场站级储能系统中功率支路的功率和效率之间的预设关系，确定至少一个运行设置方案。

该运行设置方案中包括功率支路的运行个数和功率。

该步骤S101的具体过程可以是：以效率更高的效率等级为优先，对多个功率支路的功率进行设置，得到总功率满足功率指令的至少一个运行设置方案。

实际应用中，可以以预设关系中效率最高点对应的功率(如图1中所示的X3)为基本单位，确定满足该功率指令所需的基本单位个数；由于一般情况下无法实现整除，所以可以再将最后一个不足X3的功率分摊至功率为X3的功率支路，使这些功率支路的功率大于X3而小于X5，即仍处于第一效率等级范围内；若分摊之后会出现至少一个功率支路的功率超过X5，则可以考虑将各个功率支路的功率均调节至X2与X3之间，使它们仍处于第一效率等级范围内；当然一些情况下并不能保证各个功率支路的功率均处于第一效率等级范围内，则可以退而求其次，设置部分功率支路的功率处于第二效率等级范围甚至更低级的效率等级范围内。

也就是说，要在满足电网调度需求的前提下，以总效率最优为能量管理的跟踪目标，使运行于效率最高的效率等级的功率支路数量最多，效率次高的效率等级的功率支路数量次多，依次类推。

以图1为例，假设同一功率指令下，第一种运行设置方案是：m1个X3≦p

S102、对各个运行设置方案下的总效率进行比较，根据总效率最高的运行设置方案控制场站级储能系统运行。

该步骤的具体过程可以是：

(1)对于各个运行设置方案，分别根据其各功率支路在相应功率下的效率进行求和，确定相应运行设置方案下的总效率。

上述示例中，第一种运行设置方案的总效率为：m1个第一效率等级η1+m2个第二效率等级η2；第二种运行设置方案的总效率为：(n1+n2)个第一效率等级η1+n3个第二效率等级η2。实际应用中，代入具体的取值，即可得到两者的总效率取值。

(2)对各个总效率进行比较，得到总效率最高的运行设置方案，并据其控制场站级储能系统运行。

得到不同运行设置方案的总效率之后，对其进行大小比较，取其中最大值所对应的运行设置方案，作为该场站级储能系统的运行策略。

本实施例提供的场站级储能系统的能量管理方法，针对场站级储能系统中功率支路在不同功率下的效率进行分区，在EMS接收到调度的功率指令后，以储能场站级效率最优来确定投入功率支路的数量及其相应功率，即可使场站级储能系统的总效率最高，进而实现储能场站级的整体效率优化。

在上一实施例的基础之上，参见图3，该能量管理方法，在步骤S101之前，还包括：

S100、根据功率指令及场站级储能系统的当前状态，确定场站级储能系统的调度模式。

该调度模式包括：效率最优、温度均衡、SOC(State Of Charge，荷电状态)均衡、SOP(State Of Power，动力状态)均衡和SOH(State of Health，健康状态)均衡。

若该调度模式为效率最优，则执行步骤S101和S102。若该调度模式为其他模式，则执行相应的控制策略，通过调节各功率支路的充放电功率，使其相应参数趋于均衡状态。其他调节模式的控制策略可以参见现有技术，此处不再一一赘述；只要能够在该EMS中设置多变量分配功率的运行模式可选，即可通过EMS对各储能系统的调度模式进行设置，以实现储能场站级效率、温度、功率、SOC、SOP或SOH均衡可选控制，并达到整体最佳。

本发明另一实施例还提供了一种场站级储能系统的EMS，其能够执行如上述任一实施例所述的能量管理方法。

该EMS的结构及其他工作原理参见现有技术即可，此处不再一一赘述，只要其能够实现上述实施例所述的能量管理方法即可，均在本申请的保护范围内。

该能量管理方法的具体原理和过程参见上述实施例即可，不再赘述。

本发明另一实施例还提供了一种场站级储能系统，如图4所示，包括：至少一个储能系统和如上一实施例所述的场站级储能系统的EMS。该EMS与各个储能系统分别通信连接。

对于该储能系统的结构，可以有多种设置，但都主要包括：控制系统和多个功率支路。

该功率支路中包括至少一个DCAC变换电路。该DCAC变换电路可以是集成在任意设备中的相应电路，比如PCS中的主电路，或者DCAC变换器中的主电路。

各DCAC变换电路均为双向DCAC变换电路，以实现对于相应电池单元的充电或放电；该电池单元可以是电池簇，也可以是电池堆，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

各DCAC变换电路的直流侧直接连接相应的电池单元，或者，通过DCDC变换电路间接连接相应的电池单元。各DCAC变换电路的交流侧直接连接电网，或者，通过变压器间接连接电网。

各功率支路中的全部变换电路均受控于控制系统，且该控制系统通信连接于上一实施例所述的EMS。

该EMS能够实现上述任一实施例所述的能量管理方法。

下面对于该储能系统的结构给出一些具体示例：

比如，参见图5，其功率支路包括：PCS、多个DCDC变换器及多个电池堆；各电池堆分别作为一个电池单元，通过相应的DCDC变换器，连接PCS的直流侧；各功率支路中的PCS的交流侧均通过变压器连接电网；PCS的主电路为DCAC变换电路；DCDC变换器的主电路为双向DCDC变换电路。

对应的，其控制系统包括：各功率支路中PCS的内部控制器及各DCDC变换器的内部控制器；而且，各功率支路中，各DCDC变换器的内部控制器分别与PCS的内部控制器通信连接；各PCS的内部控制器分别与EMS通信连接，进而避免全部DCDC变换器与EMS之间的通信连接，也便于PCS与相应DCDC变换器之间的信号传递。

或者，参见图6，其功率支路包括：电池堆及DCAC变换器；各电池堆分别作为一个电池单元，连接相应的DCAC变换器的直流侧；各DCAC变换器的交流侧均通过变压器连接电网；DCAC变换器的主电路为DCAC变换电路。

此时，其控制系统包括：各DCAC变换器的内部控制器。

该情况下，各DCAC变换器的交流侧与变压器之间，还可以设置有配电柜。

而且，各DCAC变换器的直流侧与相应电池堆之间，也可以进一步设置有DCDC变换器(未进行图示)；此时，该控制系统中还包括：各DCDC变换器的内部控制器；则在各功率支路中，各DCDC变换器的内部控制器分别与DCAC变换器的内部控制器通信连接；各DCAC变换器的内部控制器分别与EMS通信连接。

又或者，参见图7，其功率支路包括：多个电池簇、多个DCDC变换器及多个DCAC变换器；各电池簇分别依次连接相应的DCDC变换器及相应的DCAC变换器；各DCAC变换器的直流侧均并联连接；各DCAC变换器的交流侧均并联连接，且并联后通过变压器连接电网；DCAC变换器的主电路为DCAC变换电路；DCDC变换器的主电路为双向DCDC变换电路。

对应的，其控制系统包括：各功率支路中DCAC变换器的内部控制器及各DCDC变换器的内部控制器；并且，各个内部控制器可以分别直接与EMS通信连接；当然，各DCDC变换器的内部控制器也可以通过相应功率支路上的DCAC变换器的内部控制器与EMS通信连接；视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

上述几种设置方式均为示例，对于储能系统的结构设置并不仅限于此，只要其EMS能够实现上述能量管理方法即可，均在本申请的保护范围内。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。