用于储能系统充电或放电的方法和系统与流程

1.本发明总体涉及储能系统，更具体地涉及用于储能系统充电和/或放电的方法和系统。


背景技术：

2.本发明涉及发送和接收功率的微电网的控制。微电网可以包括多个不同的储能系统，例如不同的电池系统、燃料电池等。不同的储能系统可以具有不同的功率和能量容量，并且可以处于不同的荷电状态。由于储能系统之间的这种变化的特性，以平衡的方式对系统充电和放电可能很困难。充电或放电的不平衡分布可能影响一个或多个储能系统的健康或寿命，并因此负面影响微电网。
3.美国专利9,257,846号(
“’
846专利”)公开了一种用于响应电力需求的变化的方法。所述方法包括：(1)从电网对储能子系统充电；(2)以小于储能子系统的最大放电速率的放电速率将所述储能子系统放电到所述电网中；以及(3)响应于从由提供向上调节服务的信号和提供向下调节服务的信号组成的组中选择的信号来调节所述放电速率。虽然’846专利的系统和方法讨论了调节放电速率，但是该专利涉及需求的变化，并且没有处理多个不同的储能系统。
4.本发明的系统和方法可以解决上述问题中的一个或多个和/或本领域的其他问题。然而，本发明的保护范围由所附权利要求限定，而不是由解决任何具体问题的能力限定。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种跨越微电网分配功率的方法，所述微电网具有多个储能系统，所述储能系统具有不同的功率和/或能量容量以及不同的荷电状态。该方法包括跨越储能系统分配总充电请求和/或总放电请求；以及将一个或多个储能系统的充电和/或放电限制为次最大值。
6.在另一方面，本发明提供了一种跨越微电网分配功率的方法，所述微电网具有多个储能系统，所述储能系统具有不同的功率和/或能量容量以及不同的荷电状态。该方法包括跨越储能系统分配总充电请求和/或总放电请求；以及将多个储能系统的每一个的充电和/或放电限制为限制的窗口的次最大值。次最大值是总期望充电请求或总期望放电请求的函数，并且限制的窗口对于多个储能系统中的每一个是相同的。
7.在又一方面，本发明提供了一种微电网系统，其包括具有不同功率和/或能量容量以及不同荷电状态的多个储能系统；以及通信地耦合到每个储能系统的微电网控制器，用于向每个储能系统发送信息和从每个储能系统接收信息。所述微电网控制器被配置成：跨越储能系统分配总充电请求和/或总放电请求；以及将一个或多个储能系统的充电和/或放电限制为次最大值。
附图说明
8.图1示出了根据本发明的示例性微电网；
9.图2提供了跨越图1的微电网的放电功率分配的方法；
10.图3示出了图1的微电网的储能系统的可用放电能量的示例性条形图；
11.图4示出了图1的微电网的每个储能系统的迭代功率增加的示例性条形图；
12.图5示出了图1的微电网通过迭代的总功率累积的示例性条形图；
13.图6提供了用于跨越图1的微电网的充电功率分配的方法；
14.图7提供了具有次最大放电的图1的微电网上的放电功率分配的方法；
15.图8提供了根据图7的方法的四个储能系统的放电的图表。
具体实施方式
16.上述总体描述和以下详细描述都仅仅是示例性和说明性的，而不是对所要求保护的特征的限制。不同替代方案中的相同附图标记用于描述相同的部件或功能。如本文所使用的，术语“包括”、“包含”、“具有”、“其中包括”或其其他变型旨在覆盖非排他性的包含，使得包括一系列元件的过程、方法、物品或装置不仅包括这些元件，而且可以包括未明确列出的或这种过程、方法、物品或装置所固有的其他元件。在本发明中，相对术语例如“约”、“基本上”、“一般地”和“大约”用于表示所述值或特征的
±
10％的可能变化。
17.图1示出了包括多个储能系统(“ess”)110的微电网100。每个ess110可以包括本地控制器120，并且每个ess 110可以耦合到用于接收和释放电荷的电力总线130。微电网100还可以包括通过通信总线142通信地耦合到每个ess 110的本地控制器120的微电网控制器140。
18.微电网100中可以包括任意数量的储能系统110。例如，如图1所示，微电网100可以包括第一储能系统ess1 112，第二储能系统ess2 114，第三储能系统ess3 116和n个储能系统ess(n)118。每个ess 110可以具有不同的配置并且被额定用于不同的功率和能量容量，以及具有不同的荷电状态(“soc”)。ess 112、114、116、118可包括一个或多个电池、燃料电池、超级电容器和/或任何其它类型的储能源。除了本地控制器120之外，每个ess 110可以包括任何适当的电力电子器件，诸如开关、转换器和/或逆变器，以在ess 110与电力总线130和通信总线142之间提供适当的接口。
19.仍然参考图1，本地控制器120可以包括与ess1 112相关联的控制器1 122，与ess2 114相关联的控制器2 124，与ess3 116相关联的控制器3 126，以及与ess(n)118相关联的控制器(n)128。每个本地控制器120可以包括任何适当的硬件、软件、固件等，感测和控制ess 110，并向微电网控制器140发送信息和从微电网控制器140接收信息。例如，本地控制器120可以被配置成感测、确定和/或存储其相应储能系统110的各种特性。ess 110的这种特性可包括ess 110的当前soc、当前能量、soc最小阈值、soc最大阈值和放电限制等。ess 110的这些特性可以以任何常规方式感测、确定和/或存储。虽然本地控制器120被描述为单个控制器，但是应当理解，控制器120可以包括多个控制器，使得与本地控制器120相关联的功能可以分布在多于一个控制器之间。
20.微电网控制器140可以包括任何适当的硬件、软件、固件等，以感测、确定和/或存储微电网100的各个方面，并控制微电网100的各个方面。微电网控制器140还可以经由相应
的ess本地控制器122、124、126、128向多个储能系统112、114、116、118中的每一个发送信息和从其接收信息。例如，微电网控制器140可以接收或确定对来自微电网100的功率的充电或放电的需要，并且微电网控制器140可以被配置成确定和发送信号以跨多个储能系统110中的每一个分配总充电请求和/或总放电请求。
21.如以下将更详细地讨论的，当执行功率分配功能时，微电网控制器140可以根据每个储能系统110的可用能量容量跨越储能系统分配总充电请求和/或总放电请求。可用能量容量对应于储能系统响应于总充电请求(可用充电能量)能够接收的能量的容量或量，或者储能系统响应于总放电请求(可用放电能量)能够放电的能量的容量或量。可用充电能量是储能系统的最大荷电状态、当前荷电状态和当前能量的函数，可用放电能量是储能系统的最小荷电状态、当前荷电状态和当前能量的函数。微电网控制器140可以确定每个ess 110的可用充电/放电容量、每个ess 110的期望充电/放电、剩余功率。虽然微电网控制器140被描述为单个控制器，但是应当理解，微电网控制器140可以包括多个控制器，使得在此讨论的微电网控制器140的功能可以分布在多于一个控制器之间。
22.微电网控制器140可以使用适当的硬件、软件、固件等并经由有线和/或无线系统以任何适当的方式发送和接收信息。例如，如上所述，微电网控制器140可以经由通信总线142向每个ess 110的本地控制器120发送信息和从每个ess 110的本地控制器120接收信息。
23.图2提供了用于跨越微电网100的放电功率分配的方法200。因此，方法200可以对应于在微电网控制器140处接收的监督或其他请求或指令，以将来自微电网100的储能系统110的总期望放电放电至电力总线130。方法200可以包括：确定每个储能系统110的可用放电能量(步骤202)，确定微电网100的可用放电能量的总和(步骤204)，确定来自每个储能系统110的期望放电(步骤206)，基于放电限制确定期望放电的差数(步骤208)，以及跨越不饱和储能系统110分配差数直到满足总的期望放电(步骤210)。图2的放电功率分配方法可以在微电网控制器140内执行，使得微电网控制器向每个ess 110发送放电请求，或者方法200的一个或多个方面可以由诸如本地控制器120的其它控制器或系统来执行。
24.对每个储能系统110的可用放电能量的确定(步骤202)可以包括从每个ess 110读取当前能量，确定在soc最小阈值处的ess 110的能量含量，以及将ess 110的可用放电能量确定为当前能量与在最小soc阈值处的能量之间的差。如以下等式1所提供的，在soc最小阈值处的ess 110的能量含量可以被确定为从ess 110的当前soc和soc最小阈值的外推。在该等式以及后续等式中，ess(i)是指ess1到ess(n)。
25.[等式1]
[0026]
ess(i)的可用放电能量＝ess(i)的当前能量
–
(ess(i)的当前能量*(ess(i)的soc最小/ess(i)的当前soc))
[0027]
在方法200的步骤204中，根据等式1确定的每个ess(112、114、116、118)的所确定的可用放电能量被求和以提供微电网100的总可用能量。
[0028]
[等式2]
[0029]
总可用放电能量＝求和(ess(i)的可用放电能量)
[0030]
在步骤206中，为每个储能系统110确定期望的放电。这可以通过将微电网100的总期望放电乘以单个储能系统110的可用放电能量(等式1)与总可用放电能量(等式2)的比率
来确定。
[0031]
[等式3]
[0032]
期望放电ess(i)＝总期望放电*(可用放电能量ess(i)/总可用放电能量)
[0033]
当方法200到步骤208－基于放电限制确定期望放电的差数－微电网控制器140确保ess 110的期望放电不超过ess 110的放电限制。如果ess 110的期望放电将超过ess 110的放电限制，则微电网控制器建立对应于ess 110的期望放电和放电限制之间的差的差数。参见以下等式4。如以下等式5所提供的，然后对每个ess 110的差数求和以找到差数总数。
[0034]
[等式4]
[0035]
如果ess(i)的期望放电》ess(i)的放电限制，则：
[0036]
期望放电ess(i)＝ess(i)的放电限制，并且
[0037]
ess(i)的差数＝(期望放电ess(i)－放电限制(i))
[0038]
如果ess(i)的期望放电≤ess(i)的放电限制，则：
[0039]
期望放电ess(i)＝期望放电ess(i)，并且
[0040]
ess(i)的差数＝0
[0041]
[等式5]
[0042]
总差数＝求和(ess(i)的差数)
[0043]
图2的步骤210包括微电网控制器140将总差数分布或分配给未饱和的任何ess 110
–
未达到其放电限制的任何ess 110。然后可以通过使用剩余不饱和ess 110的单独可用放电能量与所有不饱和ess的可用放电能量的比率来确定剩余期望放电，从而分配总差数。并且重复该过程直到差数为零。因此，步骤206－210确定从微电网控制器140发送到每个ess 110的命令，并且在这些步骤期间发送这些命令直到满足总期望放电。每个ess的放电请求包括期望放电加上任何剩余的期望放电。方法200的这个步骤210可以用以下等式进一步解释。
[0044]
[等式6]
[0045]
对于期望放电《放电限制的任何ess(i)：
[0046]
剩余的期望放电＝总差数*(可用放电能量(i)/总可用放电能量)
[0047]
[等式7]
[0048]
期望放电(i)＝期望放电(i)+剩余的期望放电(i)
[0049]
图2的放电功率分配方法200可以参考图3－5的条形图进一步解释。在图3－5的图表中，使用了具有不同放电限制和可用放电能量的七个储能系统110。图3提供了图表，其中条形表示根据上述等式1的每个ess110的可用放电能量。如图表所示，ess 4具有最大的可用放电能量，而ess2和ess5具有最小的可用放电能量。
[0050]
虽然图3示出了可用放电能量(例如，kwh)，但是图4示出了跨越每个ess 110的功率分配(例如，kw)。根据上述等式3－7确定功率分配。特别是，图4中的每个条形包括第一迭代期望放电410，其对应于分配总期望放电的第一迭代中ess的期望放电。如上述等式3所提供的，ess4的第一迭代期望放电410大于ess2和ess5的第一迭代期望放电410，这表明ess4在第一迭代中接收比ess2和ess5更大的功率分配，因为ess4具有更大的可用放电能量。
[0051]
ess4、ess6和ess7的第一迭代期望放电410延伸条形的整体高度，表明根据上述等式4第一迭代的期望放电大于或等于ess4、ess6和ess7的放电限制412。因此，这些储能系统
110可以提供差数，并且这些差数的总和对应于以上等式6的总差数。ess1、ess2、ess3和ess5的第一迭代期望放电410小于其各自的放电限制412，并且因此可以根据等式6将总差数分配给这些储能系统110。这些储能系统将具有第二迭代剩余的期望放电414，其中ess1和ess3的那些达到或超过其各自的放电限制。因此，ess1和ess3可以提供根据等式6分配给ess2和ess5的另一差数。这些储能系统将具有第三迭代剩余的期望放电416。由于这些分配不满足ess2或ess5的放电限制，则没有差数并且第三迭代已经分配了总期望放电。此时，从微电网控制器140发送到每个ess 110的本地控制器120的放电请求可以根据等式7来确定。
[0052]
图5的条形图示出了跨越三次迭代的总功率累积。如图所示，第一迭代提供期望放电510和总差数512，第二迭代提供更大的期望放电514和更小的差数516。迭代3包括等于总期望放电的期望放电518，因此没有差数。
[0053]
前面对图2－5的讨论解决了放电功率分配。当微电网控制器140接收到总充电请求时，可以以与上述用于放电功率分配的方式类似的方式将该请求分配给每个ess 110。图6提供了用于跨越微电网100的充电功率分配的方法600。方法600可以对应于在微电网控制器140处接收到的监管请求，以从电力总线130向微电网100的储能系统110充总期望充电。方法600可以包括：确定每个储能系统110的可用充电能量(步骤602)，确定微电网100的可用充电能量的总和(步骤604)，确定到每个储能系统110的期望充电(步骤606)，基于充电限制确定期望充电差数(步骤608)，以及跨越不饱和储能系统110分配差数直到满足总期望充电(步骤610)。图6的充电功率分配方法可以在微电网控制器140内执行，使得微电网控制器向每个ess 110发送充电请求，或者方法600的一个或多个方面可以由诸如本地控制器120的其它控制器或系统来执行。
[0054]
在充电功率分配期间确定每个储能系统110的可用充电能量(步骤602)可以包括从每个ess 110读取当前能量，确定在soc最大阈值处的ess110的能量含量，以及将ess 110的可用能量确定为当前能量与在最大阈值处的能量之间的差。如以下等式中所提供的，在soc最大阈值处的ess110的能量含量可以被确定为从ess 110的当前soc和soc最大阈值的外推。在该等式以及后续等式中，ess(i)是指ess1到ess(n)。
[0055]
[等式8]
[0056]
ess(i)的可用充电能量＝ess(i)的当前能量－(ess(i)的当前能量*(ess(i)的soc最大/ess(i)的soc))
[0057]
在方法600的步骤604中，将每个ess 112、114、116、118的可用充电能量求和以提供微电网100的总可用充电能量。
[0058]
[等式9]
[0059]
总可用充电能量＝求和(ess(i)的可用充电能量)
[0060]
在步骤606中，为每个储能系统110确定期望充电。这可以包括将微电网100的总期望充电乘以单个储能系统110的可用充电与总可用充电能量的比率。
[0061]
[等式10]
[0062]
期望充电ess(i)＝总期望充电*(可用充电能量ess(i)/总可用充电能量)
[0063]
当方法600到步骤608－基于充电限制确定期望充电的差数－微电网控制器140确保ess 110的期望充电不超过ess 110的充电限制。如果ess 110的期望充电超过ess 110的充电限制，则微电网控制器建立对应于ess 110的期望充电和充电限制之间的差的差数。然
后对每个ess 110的差数求和以找到总差数。
[0064]
[等式11]
[0065]
如果ess(i)的期望充电》ess(i)的充电限制，则：
[0066]
期望充电ess(i)＝ess(i)的充电限制，并且
[0067]
ess(i)的差数＝(期望充电ess(i)－充电限制(i))
[0068]
如果ess(i)的期望充电≤ess(i)充电限制，则：
[0069]
期望充电ess(i)＝期望充电ess(i)，并且
[0070]
ess(i)的差数＝0
[0071]
[等式12]
[0072]
总差数＝求和(ess(i))
[0073]
图6的步骤610包括微电网控制器140将总差数分布或分配给未饱和的任何ess 110
–
未达到其充电限制的任何ess 110。然后可以通过使用剩余不饱和ess110的单独可用充电能量与所有不饱和ess110的可用充电能量的比率来确定剩余期望充电，从而分配总差数。并且重复该过程直到差数为零。因此，步骤606-610确定从微电网控制器140发送到每个ess110的命令，并且在这些步骤期间发送这些命令直到满足总期望充电。每个ess的充电请求包括期望充电加上任何剩余的期望充电。方法200的这个步骤210可以用以下等式进一步解释。
[0074]
[等式13]
[0075]
对于期望充电《充电限制的任何ess(i)：
[0076]
剩余的期望充电＝总差数*(可用充电能量(i)/总可用充电能量)
[0077]
[等式14]
[0078]
期望充电(i)＝期望充电(i)+剩余的期望充电(i)
[0079]
在图7所示的本发明的另一方面，放电或充电分配方法200、600(图2、图6)可以包括与方法200(和600在充电过程中)相同的步骤702、704、706、708、710，并且可以包括将一个或多个储能系统110的最大放电限制(或充电限制)限制为限制窗口的次最大值的附加步骤712。之后，放电限制将线性增加到其各自的最大值，以满足期望的总放电/充电请求。
[0080]
可以参考图8和具有四个在线储能系统110，例如电池1－4，的示例性微电网100来进一步解释图7的该方法的步骤712。在该示例中，如上所述，总期望放电(2500kw)由微电网控制器140接收或在微电网控制器140中确定。图8的每个ess具有不同的放电限制，如为每个ess 110标识的水平线812所示，并且这些放电限制812总和为总期望放电(2500kw)。根据以下等式15，每个ess 110的放电820可以被限制在次最大放电限制。对于图8中的每个ess 110，利用水平线822标识次最大放电限制值，其中次最大值是ess 110的放电限制乘以收敛因子。
[0081]
[等式15]
[0082]
次最大排放限制(i)＝排放限制(i)*收敛因子
[0083]
收敛因子可以是恒定值，例如(0.7或70％)，并且可以由微电网控制器140存储或确定和应用。如图8所示，每个ess被放电到其各自的次最大值，直到所有ess 110达到其次最大放电限制。如图8所示，电池2首先在总期望放电的大约30％处达到其次最大放电限制822。然后电池1满足其次最大放电限制822(总期望放电的大约45％)，接着电池4满足总期
望放电的大约60％，最后电池3达到其次最大放电限制822总期望放电的大约70％。如每个ess 110的放电820的水平部分所示，电池1、2和4等待电池3达到其次最大放电限制822。根据图7的步骤712，所有ess110被放电到其次最大放电限制822(并等待最后一个ess达到其次最大放电限制822)的这一时期对应于ess 110的限制窗口。在该限制窗口之后，所有ess线性地放电到其放电限制812，以满足总期望放电(2500kw)。这通过每个放电820从总期望放电的大约70％到总期望放电(100％)的线性增加来表示。
[0084]
通过使用次最大放电限制(步骤712)，微电网100可以避免限制窗口的每个储能系统110的最大放电(或充电)。例如，使用次最大放电限制822可以允许一个ess使用其更多的放电限制(812)，同时允许具有较低放电限制812的其它储能系统后退其放电限制812，其中在限制窗口期间没有ess 110达到最大放电限制(或充电限制)。因此，这种系统可以帮助那些具有较低放电限制的储能系统110在整个放电/充电过程中以最大放电/充电运行。
[0085]
工业实用性
[0086]
所公开的用于对储能系统充电和/或放电的方法和系统可以用在发送和接收功率的任何微电网类型的系统中。
[0087]
当微电网100的储能系统110具有不同的功率和/或能量容量以及不同的荷电状态时，在此公开的方法和系统可以提供跨越微电网100的储能系统110的荷电状态(soc)和功率分布的平衡。该方法和系统允许微电网控制器140提供根据每个储能系统110的可用容量的非对称充电请求或放电请求。由此，在此公开的系统和方法可以允许每个储能系统110的soc在储能系统的额定容量不同时最终收敛。提供储能系统110的soc的这种平衡可以延长系统的健康和寿命，并且因此可以延长微电网100的健康和寿命。
[0088]
此外，如上所述，执行图7的方法的步骤712可以限制ess 110以最大放电/充电运行的时间量。限制储能系统110以最大功率运行可以延长系统的健康和寿命，并且可以提供更稳定的微电网100。
[0089]
对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对所公开的机器进行各种修改和变化。考虑到本文描述的系统和方法的说明书和实践，机器的其它实施例对于本领域技术人员来说是显而易见的。例如，上述过程步骤不需要以所述顺序执行，而是某些步骤可以以不同的顺序执行和/或可以与其它步骤同时执行。此外，应当理解，微电网100的一个或多个储能系统110可以从上面提供的充电或放电分配中排除或下线。说明书和示例旨在仅被视为示例性的，本发明的真实范围由以下权利要求及其等同物指示。