一种用于电网调频的混合储能能量控制系统的制作方法

本发明涉及电力系统调频，具体涉及一种用于电网调频的混合储能能量控制系统。

背景技术：

1、本发明的技术背景基于当前电力系统和储能技术的发展需求，尤其是在可再生能源广泛接入电网的情况下，电网的稳定性和灵活性成为关键问题。随着全球对清洁能源的需求日益增长，风能、太阳能等可再生能源的比例迅速增加，但这些能源的间歇性和波动性也为电力系统的稳定运行带来了新的挑战。传统的电网调频技术主要依赖于大规模的火力发电和水力发电机组，通过调整这些机组的输出功率来维持电网频率的稳定。然而，传统机组的调节速度和灵活性有限，无法快速响应电网中频率的快速变化，特别是在高比例可再生能源接入的情况下，调频能力显得尤为不足。

2、为了应对这一问题，储能技术成为了电网调频的重要手段之一。储能系统可以在电网频率发生波动时，快速响应，提供所需的功率支持，从而有效稳定电网频率。目前市场上已有多种储能技术被应用于电网调频，其中，锂电子电池因其高能量密度和较长的循环寿命而广泛应用于长时间尺度的能量平衡。然而，锂电子电池的功率密度相对较低，难以快速响应频率的剧烈波动。相反，超级电容器具有高功率密度和快速响应的特点，非常适合用于短时间尺度的高频调节，但其能量密度较低，无法维持长时间的功率输出。

3、在此背景下，混合储能系统应运而生，通过将超级电容器和锂电子电池结合，形成一种能够在不同时间尺度上进行高效调节的储能系统。这种混合储能系统可以在短时间内利用超级电容器快速响应频率波动，同时在较长时间内依靠锂电子电池进行能量平衡，从而实现对电网频率的全方位调控。

4、然而，尽管混合储能系统具有显著优势，其在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，不同储能元件的协调控制与能量管理是一个复杂的过程，需要开发高效的控制策略，以充分发挥各储能单元的优势。其次，储能系统的热管理也是一个重要的问题，尤其是在高功率密度应用场景中，电池的温度控制直接影响其寿命和安全性。因此，如何在复杂的电力系统环境中实现混合储能系统的优化控制，成为了研究的重点。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明旨在提供一种用于电网调频的混合储能能量控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、本发明创造的目的通过以下技术方案实现：

3、一种用于电网调频的混合储能能量控制系统，包括协调控制器、储能变流器(pcs)、超级电容子系统、锂电子系统；协调控制器包括协调控制器数据端和协调控制器控制端，协调控制器数据端负责收集、处理和分析实时数据，提供决策支持，协调控制器控制端负责执行优化算法生成的充放电策略，控制各储能单元的运行，储能变流器负责电能的转换和传输，实现储能系统与电网之间的能量交换，超级电容子系统提供瞬时大功率输出、平滑电网波动和辅助电网调频，锂电子系统用于电网调峰、备用电源和可再生能源的平滑输出。

4、进一步的，所述协调控制器对整个系统进行全面的监控、分析和控制，确保储能系统能够根据电网需求和状态进行精确的能量调度，协调控制器包括协调控制器数据端和协调控制器控制端，协调控制器数据端对采集到的数据进行清洗、过滤和格式转换，消除噪声和异常值，确保数据的准确性和可靠性，能够实时估算储能系统的状态，估算结果为系统的预测分析提供了依据，使得协调控制器能够预判电网的需求，并制定相应的充放电策略，协调控制器控制端根据协调控制器数据端提供的分析结果，能够动态调节储能系统的充放电功率，确保系统在不同工况下都能以最佳状态运行，协调控制器控制端具备实时监控和动态调节能力，通过反馈控制机制，协调控制器能够在电网发生频率波动情况时，迅速调整储能系统的运行状态，提供快速响应，维持电网的稳定性。

5、进一步的，所述协调控制器数据端包括数据采集单元、数据处理单元、状态估计单元、预测分析单元、决策支持单元，所述数据采集单元实时收集电网和储能系统的电压、电流、频率、温度和剩余电量数据，所述数据处理单元对采集到的数据进行数据清洗、过滤和格式转换，通过数据清洗去除噪声和异常值，使用低通滤波器方法对数据进行平滑，消除高频噪声，对数据进行去量纲化处理，使得数据消除量纲之间带来的统计差异，完成格式转换；状态估计单元基于实时数据和数学模型，估计储能系统的当前状态，建立状态估计模型：

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7、

8、

9、其中，为第k步的数据预测状态，为第k-1步的数据更新状态，μk-1为第k-1步系统的控制量，a、b、c为系统矩阵，为第k步的数据更新状态，pk-1|k-1为第k-1步更新的预测误差协方差，pk|k为第k步更新的预测误差协方差，zk为数据观测值，σ和为高斯方差，gauss(0,σ)表示均值为0，方差为σ的高斯函数，cov为协方差函数，i为单位矩阵，预测分析单元记数据更新状态矩阵为x，有成立，其中，α、β为常数，p为自回归阶数，q为移动平均阶数，φ为自回归系数，θj为移动平均系数，ε(k)为第k步的误差项，决策支持单元结合状态估计和预测分析结果，生成储能系统的充放电策略。

10、进一步的，所述协调控制器控制端包括策略执行单元、实时监控单元、动态调节单元、故障管理单元，策略执行单元接收并执行优化算法生成的充放电策略，控制储能设备的运行状态，实时监控单元监控电网和储能系统的实时运行状态，确保系统在安全范围内运行，动态调节单元根据实时监控数据，使用反馈控制算法调整充放电功率，确保系统在设定范围内运行，记u(t)为t时刻下的控制输入，有：

11、

12、其中，kp、ki、kd分别为比例、积分、微分控制系数，e(t)为偏差，基于系统的动态模型，预测未来的系统状态，并优化控制输入，确保系统的性能，在t时刻下，有：

13、

14、其中，xk为系统状态，xref为参考状态，uk为控制输入，q和r为权重矩阵，故障管理单元检测并处理系统故障，故障包括硬件故障、软件故障、系统故障，故障管理单元通过故障检测、故障隔离、故障恢复、故障记录与分析对检测到的故障进行处理。

15、进一步的，所述储能变流器主要功能包括ac/dc转换、dc/dc转换、功率调节和电能质量管理，通过ac/dc转换将交流电(ac)转换为直流电(dc)，或将直流电转换为交流电，实现储能系统与电网之间的能量交换，对于小功率，采用单相整流器通过二极管桥实现交流电到直流电的转换，对于大功率，通过六脉冲整流桥实现交流电到直流电的转换，有：

16、

17、其中，vac为交流电电压，vdc为直流电电压，对于dc/dc转换，考虑到储能系统的充电过程和放电过程，有：

18、

19、其中，d为占空比，vin为输入电压，vout为输出电压，通过功率调节通过控制充放电功率，实现对储能系统的精确控制，通过电能质量管理通过滤波、无功功率补偿方法，改善电能质量，稳定电网频率和电压，利用有源滤波技术检测电网中的谐波成分，生成相应的补偿电流，消除谐波干扰，并通过检测电网中的无功功率成分，生成相应的补偿功率，稳定电网电压通过调节储能系统的充放电功率，稳定电网电压。

20、进一步的，所述超级电容子系统提供瞬时大功率输出，平滑电网波动，并在短时间内迅速响应电网频率的变化，与传统的电池系统相比，超级电容子系统通过电极-电解质界面处的电荷积累来储存和释放能量，这一过程通过双电层电容和赝电容两种机制来实现，双电层电容机制主要依赖于物理吸附的电荷积累，其非法拉第过程使得超级电容能够在不涉及化学反应的情况下进行能量存储，从而大幅延长了其使用寿命，赝电容机制则通过电极材料表面的快速法拉第反应来实现，能够在短时间内释放大量能量，适合用来应对电网中瞬时的大功率需求；超级电容子系统能够循环寿命，能够在数百万次的充放电循环中保持稳定的性能，超级电容在高频率充放电过程中表现出低能量损失，具备高效的能量管理的能力。

21、进一步的，所述超级电容子系统利用电极-电解质界面处的电荷积累来储存能量，包括双电层电容机制和赝电容机制，其中双电层电容机制基于电荷在电极-电解质界面的积累形成双电层，有：其中e为存储能量，∈r为电介质常数，∈0为真空介电常数，a为电极面积，dm为双电层厚度，赝电容机制表示为基于电极材料表面发生的快速法拉第反应，有：其中q为电荷量，i(x)为电流，t1，t2为时间区间，每个超级电容器单元的电压范围一般为2.5v至3v。

22、进一步的，所述锂电子系统相比于超级电容子系统具有更高的能量密度，但功率密度较低，充放电速率相对较慢，适用于长时间的能量存储和释放，锂电子系统包含锂电子电池，由正极、负极、电解质和隔膜组成，其中多孔薄膜，用于隔离正负极，防止短路，同时允许锂离子通过，锂电子电池为可充电电池，利用锂离子在正极和负极之间的嵌入和脱嵌来储存和释放电能，锂电子系统具有热管理功能，热传导包括热扩散、对流和热源项的影响，热传导通过三维的非稳态热传导方程表出如下：

23、

24、其中，t(x,y,z,t)是锂电子电池内部任意点(x,y,z)处在时间t的温度分布，ρ是电池材料的密度，cp是电池材料的比热容，kx，ky，kz分别是电池材料在x、y、z方向上的导热系数,j(x,y,z,t)e`(x,y,z,t)是由欧姆损耗引起的热源，η(x,y,z,t)ζ(x,y,z,t)是由电化学反应引起的热源，

25、是由极化效应引起的热源，j(x,y,z,t)是电流密度向量，e`(x,y,z,t)是电场强度，η(x,y,z,t)是电极的过电势，ζ(x,y,z,t)是电极反应电流密度，cp(x,y,z)是极化电容，对于锂电子电池，包含对流换热边界条件和辐射换热边界条件，表示如下：

26、

27、其中，k`为导热系数，是表面温度梯度，hc是对流换热系数，ts是电池表面的温度，t∞是冷却介质的温度，ε是电池表面的发射率，σ是斯特藩-玻尔兹曼常数，通过构建控制目标函数来控制冷却系统的参数，使电池温度保持在安全范围内，有：

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29、有约束条件：

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31、

32、其中，ti(t)是第i个锂电池的温度，tref是目标参考温度，wi是不同锂电池的权重系数，pcool是冷却系统的功耗，λ是功耗与温度偏差之间的权衡系数，tmin，tmax分别是电池允许的最低和最高温度，是冷却系统的最大功率限制。

33、本发明的有益效果：本发明通过引入一种新型的混合储能能量控制系统，为电网频率调节提供了一种高效、稳定且灵活的解决方案，本发明结合了超级电容和锂电子电池两种储能技术，分别发挥各自的优势，形成了一个既能快速响应电网频率波动，又能长时间平衡能量的储能架构。超级电容以其高功率密度和快速充放电特性，能够在电网频率波动时提供瞬时大功率支持，从而有效平滑电网的短时波动。而锂电子电池则以其高能量密度优势，承担电网的长时间调峰任务，提供稳定的能量输出。本发明将超级电容器与锂电子电池相结合，能够在不同时间尺度上实现快速、稳定的频率调节。在具体实施中，超级电容器被用来快速响应电网中的频率波动，提供瞬时功率支持，而锂电子电池则负责长时间的能量平衡，确保电网在各种运行条件下的稳定性。通过这种混合储能方式，系统能够有效应对传统调频手段难以处理的频率波动问题，特别是在高比例可再生能源接入的电网中，提供了更加灵活和可靠的调频手段。通过热管理系统的优化控制，本发明能够在实时监测电网频率的基础上，动态调整超级电容器和锂电子电池的工作状态，从而实现对电网频率的精确控制。模型预测控制方法使得系统能够在考虑多种约束条件的情况下，最优化地分配储能资源，从而在保证电网稳定的同时，最大限度地提高系统的效率。此外，本发明还通过热传导模型对储能系统的热管理进行了优化设计，在锂电子电池和超级电容器的热源建模过程中，综合考虑了欧姆损耗、电化学反应以及极化效应因素，使得热管理系统能够更好地控制储能设备的温度，延长其使用寿命，并提高系统的安全性。