CN102110987A - 从电池供给电网能量的***和方法 - Google Patents

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Abstract

一种向电网(26)提供能量和其它辅助服务的***(10)，包括可再生能源(16)。一个或多个功率转换器(28)，(35)，(36)与可再生能源(16)集成。基于电池的能量储存***(12)也与可再生能源集成。控制***(20)，包括算法软件，其运行为用于控制至少一个功率转换器(28)，(35)，(36)连同基于电池的能量储存***(12)以用于在通过基于电池的能量储存***(12)提取储存电池能量供给电网(26)的成本低于为由基于电池的能量储存***(12)提供储存能量而支付的市场价格时将储存的电池能量供给电网(26)。

Description

从电池供给电网能量的***和方法
背景技术
本发明一般涉及电网能量，更具体地涉及将电池能量有效地供给电网的***和方法。
供电和用电必须匹配得好以便保持电力***稳定。传递到***的能量一般以前一日为基础来确定；并且供需之间秒到秒的不匹配由独立的功能或独立的市场(如果适用的话)来解决。这种功能(和/或市场)有时通过被称为频率调节、旋转备用(spinning reserve)和其它电网辅助服务的功能实现。并且，要求这种功能保持***频率稳定。
每天每秒约1％的发电量在爬坡以及滑坡(ramping up and down)来解决负载和发电(需求和供应)间短期的不平衡。今天，这种功能主要由退到低点(且运行效率更低的点，从而电力分配次优)的联合的循环电厂和燃气轮机电厂来实现以提供爬坡和滑坡能力。作为以次优效率提供能量的回报，向电厂提供容量付费(如果存在对于频率调节的市场)以用于响应于电网需要而爬坡以及滑坡。由于可再生能量渗透的增加，提供频率调节所需的发电量将增加。
从上述可知，增强由可再生能源供电的电网的频率调节的***和方法将是有利的。如果该***和方法以达到最佳获利能力的方式为电网提供能量也将是有利的。
发明内容
简言之，根据一个实施例，一种向电网提供能量的***包括：
可再生能源，包括一个或多个与其集成的功率转换器；
与可再生能源集成的基于电池的能量储存***；和
控制***，包括算法软件，其中控制***响应于算法软件而命令至少一个功率转换器连同基于电池的能量储存***在从基于电池的能量储存***提取供电能量的成本低于为从基于电池的能量储存***提取供电能量而支付的市场价格时，将储存的电池能量供给电网。
根据另一个实施例，一种向电网提供能量的方法包括：
提供可再生能源，包括一个或多个与其集成的功率转换器；
提供与可再生能源集成的基于电池的能量储存***；
提供控制***，包括算法软件；并且
经由控制***响应于算法软件而命令至少一个功率转换器连同基于电池的能量储存***使得在从基于电池的能量储存***提取供电能量的成本低于为从基于电池的能量储存***提取供电能量而支付的市场价格时将储存的电池能量供给电网。
附图说明
当参考附图阅读以下的详细描述时，本发明的这些和其它特征，方面以及优点将变得更好理解，在整个附图中，同样的附图标号代表同样的部分，其中：
图1图示了根据一个实施例的可再生能量***，包括多个可控功率转换器，且还包括集成在可再生能量***中的可控的基于电池的能量储存***，其用于在从基于电池的能量储存***提取供电能量的成本低于为从基于电池的能量储存***提取供电能量而支付的市场价格时将储存的电池能量供给电网；
图2图示了根据一个实施例的多个可再生能量***，每个包括可控功率转换器，该功率转换器和共享的集成在可再生能量***中可控的基于电池的能量储存***电气通信，以用于当从共享的基于电池的能量储存***提取供电能量的成本低于为从共享的基于电池的能量储存***提取供电能量而支付的市场价格时将储存的电池能量供给电网；并且
图3是图示根据本发明一个实施例的控制算法软件流程图，它配置成用于控制可再生能源和基于电池的能量储存***，以便在从基于电池的能量储存***提取供电能量的成本低于为从基于电池的能量储存***提取供电能量而支付的市场价格时将储存的电池能量供给电网。
如上讨论，以上显示的附图阐明备选实施例，本发明的其它实施例也被考虑。在所有情况下，本公开呈现了本发明图示的实施例，其是代表性的而非限制。本领域技术人员可设计出的大量其它修改和实施例将落入本发明原理的范围和精神内。
具体实施方式
图1示出了根据一个实施例的可再生能量***10，包括多个可控功率转换器28，35，36，且还包括集成在可再生能量***中的可控的基于电池的能量储存***12，其用于当从基于电池的能量储存***12提取供电能量的成本低于为从基于电池的能量储存***12提取能量而支付的市场价格时，将能量供给电网26。更具体地，向电网26提供能量的***10包括一个或多个可再生能源16，该可再生能源可由例如，而不限于一个或多个风力涡轮机18和/或一个或多个太阳能电池板21组成。一个或多个功率转换器28和可再生能源16集成。基于电池的能量储存***12包括一个或多个也和可再生能源16集成的电池14。控制***20包括算法软件，其操作成控制至少一个功率转换器28，35，36以及基于电池的能量储存***12以用于当从基于电池的能量储存***12提取供电能量的成本低于为由基于电池的能量储存***12提供储存能量而支付的市场价格时将储存的电池能量供给电网26。
根据一个实施例的可再生能源16产生多相AC电压34，AC电压34转换为DC电压24，DC电压24然后重新转换为期望电压水平的AC电压。变压器40将AC电压转换为期望的电网AC电压。
如前所述，当可再生能量的渗透增加时，用于提供电网26的频率调节所需的发电量也将增加。可再生能量***10通过向电网26提供附加能量而提供上述的频率调节；然而，根据一个实施例，当从基于电池的能量储存***12提取供电能量的成本低于为电网26提供储存的电池能量而支付的市场价格时，将该附加能量供给电网26。根据一个实施例，基于电池的能量储存***12包括一个或多个储存DC电荷/电压的电池14。每个电池14可通过相应的连接到DC总线电压24的双向DC-DC转换器35或相应的连接到AC总线电压34的双向AC-DC转换器36被充电/再充电。在可再生能量的供给是可变的且没有达到满意的稳定期间，每个双向转换器有利地允许能量以交替方式从可再生能源和储存的电池能源向电网供应。
控制***20响应于集成于其中的算法软件运行，并且参照图3进一步详细描述。控制***20产生命令信号，其被向外发送到每个***功率转换器。DC-DC转换器35，例如，产生DC电压，该DC电压通过逆变器37转化为AC电压；而AC-DC转换器36产生DC电压，该DC电压通过逆变器38转换为AC电压。转换器/逆变器子***28、29运行成将相应的可再生能源16的AC输出电压34转换为处于电网26需要的电压水平的期望AC电压。
每个功率转换器/逆变器对(28，29)，(35，37)和(36，38)响应于控制***20产生的命令信号来运行。当通过如下参考图3描述的算法软件的那样的指示，当从基于电池的能量储存***12提取供电能量的成本低于为从基于电池的能量储存***12提取储存的电池能量而支付的市场价格时，基于电池的能量储存***12将储存的电池能量供给电网26。通过这种方式，在风能和/或太阳能不足期间，电网26的频率稳定性得到加强。由于在从基于电池的能量储存***12提取供电能量的成本低于为从基于电池的能量储存***12的提取储存电池能量而支付的市场价格时的期间，利用了基于电池的能量储存***12，维持电网26的成本也降低了。
图2示出了根据一个实施例的多个可再生能量***200，每个该***包括可控功率转换器/逆变器，该转换器/逆变器和共享的与其集成的可控的基于电池的能量储存***210电气通信，该基于电池的能量储存***210用于在当从共享的基于电池的能量储存***210提取供电能量的成本低于为从共享的基于电池的能量储存***210提取储存的电池能量而支付的市场价格时，将能量供给电网26。***200如前面描述的可再生能量***10的运行方式类似地运行。更具体地，向电网26提供能量的***200包括一对可再生能源15，16，每个可再生能源由例如，而非限制性的一个或多个风力涡轮机18和/或一个或多个太阳能电池板21组成。一个或多个功率转换器/逆变器子***(28，29)，(128，129)，(35，37)，(43，45)和各自的可再生能源15，16集成。基于电池的能量储存***210包括一个或多个电池114，其也与可再生能源15，16集成并在可再生能源15，16间共享。
控制***20包括算法软件，根据一个实施例，其运行为控制至少一个功率转换器/逆变器对(28，29)，(128，129)，(35，37)，(43，45)以及基于电池的能量储存***210，其用于当从共享的基于电池的能量储存***210提取供电能量的成本低于为从共享的基于电池的能量储存***210提取储存的电池能量而支付的市场价格时将储存的电池能量供给电网26。
每个可再生能源15，16结合各自的发电机或逆变器产生各自的多相AC电压34，134，该多相AC电压转换为各自的DC电压24，124，然后DC电压再转换为相应电网26需要电压水平的AC电压。相应的变压器40，140将AC电压转换为需要的电网AC电压。
如前所述，当可再生能量的渗透增加时，提供电网26频率调节所需要的发电量也将增加。根据一个实施例，在当从基于电池的能量储存***210提取供电能量的成本低于为由基于电池的能量储存***210供给电网26储存的电池能量而支付的市场价格时的期间，可再生能量***200通过向电网26提供能量而提供上述的频率调节。根据一个实施例，基于电池的能量储存***210包括一个或多个用于储存DC电荷/电压的电池114。每个电池114可通过连接到各自的DC总线电压24，124的相应双向DC-DC转换器35，43来被充电/再充电。
控制***20响应于集成于其中的算法软件来运行，并参照图3在下面作更详细的说明。控制***20产生命令信号，其被向外发送到每个***功率转换器28，128，35，43以及它们各自的逆变器29，129，37，45。例如，DC-DC转换器35产生DC电压，该DC电压通过逆变器37转换为AC电压；而DC-DC转换器43产生DC电压，该DC电压通过逆变器45转换为AC电压。每个转换器/逆变器子***28，128运行为将相应的可再生能源15，16的AC输出电压34，134转换为不同电压水平的期望AC电压。
每个功率转换器/逆变器对(28，29)，(128，129)，(35，37)和(43，45)响应于控制***20产生的命令信号而运行。当通过如下参考图3描述的算法软件的那样的指示，当从基于电池的能量储存***210提取供电能量的成本低于为由基于电池的能量储存***210提供储存的电池能量而支付的市场价格时，基于电池的能量储存***210将储存的电池能量供给电网26。然而应用没有作如此限制，并且，应该理解，其它实施例可配置为即使当供给电网的储存的电池能量的成本不低于为由基于电池的能量储存***210提供储存的电池能量而支付的市场价格时，也将储存的电池能量供给电网。通过这种方式，在风能和/或太阳能不足期间，电网26的频率稳定可以得到加强。当从基于电池的能量储存***210提取供电能量的成本低于为由基于电池的能量储存***210提供储存的电池能量而支付的市场价格期间，利用了基于电池的能量储存***210，这时维持电网26的成本也降低了。
图3是说明控制***算法软件300的流程图，该软件配置为控制可再生能源15，16和基于电池的能量储存***12，210，使可再生能源15，16和基于电池的能量储存***12，210一起运行成当从基于电池的能量储存***12，210提取供电能量的成本低于为由基于电池的能量储存***12，210供给电网的储存的电池能量而支付的市场价格时，将储存的电池能量供给电网26。
根据一个实施例，算法软件300包括优化算法302，该优化算法基于市场价格预测数据304、可再生能量预测数据306、例如风能预测数据，以及电池能量储存***(BESS)经济性和性能数据308来确定控制***20的命令信号314。根据一个实施例，市场价格预测数据304基于通过第三方提供的以前的市场数据。根据一个实施例，风能预测数据306基于涡轮机电厂限制，例如基于风力预测数据的估计的可得到的风力涡轮机逆变器容量310。BESS经济性数据308基于1)根据一个实施例的确定为满足电网特定能量需要而要求的电池百分比放电深度(batterypercent depth of discharge)的电池寿命数据312，2)市场价格预测数据304，和3)基于估计的可得到的风力涡轮机逆变器容量的电池更换/再充电时间。更具体地，BESS经济性数据308确定使用基于电池的能量储存***12，210供给电网26能量的成本。
然后，优化算法302将市场价格预测数据304与由BESS经济模型308确定的通过基于电池的能量储存***210提取储存的电池能量以供给电网26的成本进行比较，并进行确定从基于电池的能量储存***12，210提取的供电能量的成本是否低于为该供电能量支付的市场价格。
控制***命令314然后被产生且传送到可再生能源功率转换器/逆变器，和每个相应的基于电池的能量储存***12，210的功率转换器/逆变器，来控制是经由可再生能源还是经由基于电池的能量储存***供应能量到电网26。当可再生能源15，16可用时，即使在储存的电池能量是可用时的期间，在某些应用中，如果从基于电池的能量储存***12，210提取供电能量的成本高于为储存的电池能量支付的市场价格时，可以使用可再生能源15，16。
使用储存的电池能量的成本取决于供给电网能量所要求的电池放电深度，因为电池接着需要通过可再生能源或电网本身被再充电来使得从电池提取的能量归位，且从而使电池恢复到其满电位。如果给电池的再充电成本大于电池的放电成本，则不能实现成本优势，则储存的电池能量将不被从基于电池的能量储存***12，210提取。
总而言之，为电网提供能量的***实施例已被描述。该实施例包括至少一个可再生能源和一个或多个与其集成的功率转换器。基于电池的能量储存***也与可再生能源集成。控制***包括算法软件，使得控制***响应于算法软件而命令至少一个功率转换器和基于电池的能量储存***当从基于电池的能量储存***提取供电能量的成本低于为从基于电池的能量储存***提取的供电能量而支付的市场价格时将储存的电池能量供给电网。
本文描述的实施例方法根据提供能量、调节响应或两者的机会成本来估计从基于电池的能量储存装置/***来调度的能量的最佳量。由于能量储存装置/***能与例如风力涡轮机的可再生能源共享逆变器，根据一个实施例，存在需要做出关于联合式***应该从电池还是从风力转子提供能量的决定。考虑因素包括1)关于单个充电放电循环对储存装置/***寿命的影响以及将这种影响与从储存装置/***以调节服务的方式向电力***/电网提供该附加能量的所意识到的效益进行比较的信息；2)关于近期(未来某天至未来某一小时)能量和辅助价格的信息以量化以辅助服务为代价提供能量或反之情况的值和/或关于提供辅助服务的其它发电与提供这种服务的能量储存的成本相比的机会成本；和3)关于在进入量化以辅助服务为代价提供能量或反之情况的值的时帧时可精细化和并入更新的预测中的预测风力的信息。
虽然本文仅说明和描述了本发明的某些技术特征，对本领域技术人员将会想到有很多修改和变化。因此，应理解附上的权利要求计划涵盖落入本发明真正精神范围内的所有修改和变化。
元件列表
Figure BSA00000426850300081
Figure BSA00000426850300091

Claims (10)

1.一种向电网(26)提供能量的***(10)，该***包括：
可再生能源(16)；
一个或多个功率转换器(28，35，36)；
基于电池的能量储存***(12)；和
控制***(20)，包括算法软件，其中由控制***(20)响应于算法软件而命令至少一个功率转换器(28，35，36)连同基于电池的能量储存***(12)以用于在从基于电池的能量储存***(12)提取供电能量的成本低于为由基于电池的能量储存***(12)供给储存的能量而支付的市场价格时将储存的电池能量供给电网(26)。
2.根据权利要求1所述的***(10)，其中该可再生能源(16)从至少一个或多个风能源(18)以及一个或多个太阳能源(21)中选择。
3.根据权利要求1所述的***(10)，其中该算法软件响应于市场价格预测数据、可再生能源预测数据和基于电池的能量储存***经济性数据来运行，使得控制***(20)产生功率转换器信号来命令可再生能源(16)和基于电池的能量储存***(12)的运行。
4.根据权利要求3所述的***(10)，其中该市场价格预测数据基于第三方提供的以前的市场数据。
5.根据权利要求3所述的***(10)，其中该可再生能源预测数据是基于风力预测数据的估计的可得到的风力涡轮机容量数据。
6.根据权利要求3所述的***(10)，其中该可再生能源预测数据是基于太阳能预测数据的估计的可得到的太阳能逆变器容量数据。
7.根据权利要求3所述的***(10)，其中该可再生能源预测数据是基于风力预测数据的估计的可得到的风力涡轮机容量数据和基于太阳能预测数据的估计的可得到的太阳能逆变器容量数据。
8.根据权利要求3所述的***(10)，其中该基于电池的能量储存***经济性数据是基于响应于市场价格预测数据和可再生能源预测数据所要求的电池放电深度数据。
9.根据权利要求8所述的***(10)，其中该电池放电深度数据基于电池寿命循环模型。
10.根据权利要求9所述的***(10)，其中该电池寿命循环模型基于电池历史趋势和电池历史性能数据。
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