CN113224749A - 油电混合储能电源方舱与全局最优放电控制方法 - Google Patents

油电混合储能电源方舱与全局最优放电控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种油电混合储能电源方舱与全局最优放电控制方法，其特征在于：包括油箱、与油箱连接的柴油发电机、用于控制柴油发电机输出功率的机组控制器、电池组、与电池组的输出端连接的逆变器、用于控制电池组输出功率的电池控制器、用于与外部用电设备连接的配电柜和储能方舱控制器，所述储能方舱控制器与所述机组控制器通信连接，所述储能方舱控制器与电池控制器通信连接，柴油发电机的输出端经交流母线与配电柜连接，逆变器的输出端经交流母线与配电柜连接。

Description

油电混合储能电源方舱与全局最优放电控制方法
技术领域
本发明涉及移动式储能电源方舱技术领域，尤其涉及一种油电混合储能电源方舱与全局最优放电控制方法。
背景技术
近年来，移动式储能电源方舱由于其机动性强，部署方便快捷，在应急保障供电、配网不停电作业、配网临时增容及重要负荷保供电等应用场景得到广泛应用。储能电源方舱现多采用柴油发电机，但柴油发电机在配电供电作业过程中，由于油料价格高，存在运行成本高、噪音大、污染大等不足。此外，也有基于电池组的移动储能电源方舱，但电池储能***在大功率大电流放电需求下，供电时长保障不足。油电协调控制方法上，基于用电规则的油电协调控制方法，大多数依赖于经验，主观性较大，经济性与节能效果不明显；采用瞬时优化的协调控制方法，只考虑当前使用成本，未对全局进行协调控制，经济性与节能效果提升有限。
因此，为了解决上述技术问题，亟需提出一种新的技术方案。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种油电混合储能电源方舱，其特征在于：包括油箱、与油箱连接的柴油发电机、用于控制柴油发电机输出功率的机组控制器、电池组、与电池组的输出端连接的逆变器、用于控制电池组输出功率的电池控制器、用于与外部用电设备连接的配电柜和储能方舱控制器，所述储能方舱控制器与所述机组控制器通信连接，所述储能方舱控制器与电池控制器通信连接，柴油发电机的输出端经交流母线与配电柜连接，逆变器的输出端经交流母线与配电柜连接。
进一步，所述方舱还包括箱体，所述箱体用于以可拆卸式固定安装油箱、柴油发电机、机组控制器、电池组、逆变器、电池控制器、配电柜和储能方舱控制器。
相应地，本发明还提供一种油电混合储能电源方舱全局最优放电控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
S1：将储能方舱控制器储存的供能总时长参数、电池组荷电状态参数、电池组输出功率参数进行离散化处理，所述电池组荷电状态参数包括各时刻荷电状态SOC的离散点个数；
离散化处理后，所述供能总时长为T个时刻，每个时刻内电池组荷电状态参数离散点为m个，T个时刻内荷电状态对应的电池组放电功率的离散点个数n；
S2：采用逆向求解算法，确定每一离散时刻点到最后时刻点的最低累计使用成本，记录对应的电池组和柴油发电机输出功率的功率分配比，得到电池组全局最优放电功率与***最低累计使用成本的二维记录矩阵；
S3.根据二维记录矩阵，确定电池组初始荷电状态下，从供能开始至供能结束过程中，各离散时刻点的电池组最优输出功率；
S4.根据负载功率参数，求解出柴油发电机各时刻的功率输出需求，所述柴油发电各时刻的功率为负载功率减去对应时刻的电池组最优输出功率的差；
S5.将电池输出功率和柴油发电机输出功率，通过储能方舱控制器下发指令至机组控制器和电池控制器，按***全局使用成本最低的功率分配比，控制电池组和柴油发电机的功率输出。
进一步，步骤S2还包括如下步骤：
S21：构建储能方舱的瞬时成本模型，所述成本模型如下：
Figure BDA0003042414570000021
其中，L[P(k),SOC(k)]表示瞬时成本，P(k)表示电池组输出的离散点功率，SOC(k)表示电池组离散点荷电状态，Pe表示柴油发动机的输出功率，kW；b表示燃油消耗率，g/(kW·h)；ρg表示柴油密度与重力加速度的乘积常数，一般表示表示：7.94～8.13N/L；Pbat表示电池组输出功率，kW；Qlhv表示柴油低热值，J/g；s0表示油电等效因子；
S22：确定储能方舱供能总时长的最后一个离散点T时刻，令t表示当前时刻，其中，t＝T,T-1,…3,2,1,电池组各个荷电状态
Figure BDA0003042414570000031
在不同电池输出功率等级下的瞬时使用成本，同时，比对并记录最低瞬时使用成本与其对应下的电池组和柴油发电机输出功率的功率分配比；
S23：确定离散点t时刻的上一离散时间点t-1时刻，电池组各个荷电状态
Figure BDA0003042414570000036
在不同电池输出功率下的瞬时使用成本；
S24：确定当前时刻内的荷电状态SOC所有离散点对应的转移荷电状态,具体步骤如下：
S241：令当前时刻内电池组荷电状态SOC的离散点个数的变量为i，其中，i＝1,2…m,其中，m表示每个时刻内电池组荷电状态参数离散点总数；
所述离散点i+1时刻的转移荷电状态采用如下方法确定：
Figure BDA0003042414570000032
其中，
Figure BDA0003042414570000033
表示t-1时刻点内电池组荷电状态第i+1个离散点的电池荷电状态，
Figure BDA0003042414570000034
表示t-1时刻点内电池组荷电状态第i个离散点的电池荷电状态，i表示各个时刻内电池组荷电状态SOC的离散点个数的变量，
Figure BDA0003042414570000035
表示t-1时刻点内电池组荷电状态第i个离散时间点的电路开路电压，Qc表示电池组总电量，Pbat表示电池输出功率，Rint表示电池组内阻；
S242：i＝i+1，判断i≤n，其中n表示储能方舱供能时长内荷电状态对应的电池组放电功率的离散点个数n，若是，则进入步骤S241，若否，则退出；
S25：确定t-1时刻累计使用成本，所述累计使用成本采用如下方法确定：
Jt-1＝min{∑(L[P(k),SOC(k)]+Jt)} (3)
其中，Jt-1为t-1时刻的累计最低使用成本，Jt为t时刻的累计最低使用成本，L[P(k),SOC(k)]表示瞬时成本，P(k)表示电池组输出的离散点功率，SOC(k)表示电池组离散点荷电状态；
所述t时刻的累计最低使用成本函数Jt采用如下方法确定：
Jt＝min{L[P(k),SOC(k)]} (3-1)
其中，Jt为t时刻的累计最低使用成本，L[P(k),SOC(k)]表示瞬时成本，P(k)表示电池组输出的离散点功率，SOC(k)表示电池组离散点荷电状态；
S26：比较S25步骤中的t-1时刻下的各个荷电状态
Figure BDA0003042414570000041
所对应的不同电池输出功率下到最后时刻新的累计使用成本，并记录最低累计使用成本与其对应下的电池组和柴油发电机输出功率的功率分配比；
S27：t＝t-1，判断t≥1,若是，则进入步骤S23，若否，则退出。
本发明的有益技术效果：本发明提出的油电混合储能电源方舱将柴油发电机和电池组供能***整合为一体，并根据油电混合储能的电源方舱中接入用电设备的功率需求和供能时长，通过全局最优控制算法合理分配油电混合储能的电源方舱中油、电功能功率的输出，根据使用工况动态规划油、电输出功率比例，可有效提高油电混合储能电源方舱的运行经济性和供能时长，具有良好的推广应用前景。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的结构图。
图2为本发明的离散求解算法的流程图。
图3为本发明全局最优控制算法原理图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明：
本发明提供一种油电混合储能电源方舱，其特征在于：如图1所示，包括油箱、与油箱连接的柴油发电机、用于控制柴油发电机输出功率的机组控制器、电池组、与电池组的输出端连接的逆变器、用于控制电池组输出功率的电池控制器、用于与外部用电设备连接的配电柜和储能方舱控制器，所述储能方舱控制器与所述机组控制器通信连接，所述储能方舱控制器与电池控制器通信连接，柴油发电机的输出端经交流母线与配电柜连接，逆变器的输出端经交流母线与配电柜连接。所述方舱还包括箱体，所述箱体用于以可拆卸式固定安装油箱、柴油发电机、机组控制器、电池组、逆变器、电池控制器、配电柜和储能方舱控制器。
上述技术方案，将柴油发电机和电池组供能***整合为一体，并根据油电混合储能的电源方舱中接入用电设备的功率需求和供能时长，通过全局最优控制算法合理分配油电混合储能的电源方舱中油、电功能功率的输出，根据使用工况动态规划油、电输出功率比例，可有效提高油电混合储能电源方舱的运行经济性和供能时长，具有良好的推广应用前景。
相应地，本发明还提供一种油电混合储能电源方舱全局最优放电控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
S1：将储能方舱控制器储存的供能总时长参数、电池组荷电状态参数、电池组输出功率参数进行离散化处理，所述电池组荷电状态参数包括各时刻荷电状态SOC的离散点个数；
离散化处理后，所述供能总时长为T个时刻，每个时刻内电池组荷电状态参数离散点为m个，T个时刻内荷电状态对应的电池组放电功率的离散点个数n；
S2：采用逆向求解算法，确定每一离散时刻点到最后时刻点的最低累计使用成本，记录对应的电池组和柴油发电机输出功率的功率分配比，得到电池组全局最优放电功率与***最低累计使用成本的二维记录矩阵；如图3所示；
S3.根据二维记录矩阵，确定电池组初始荷电状态下，从供能开始至供能结束过程中，各离散时刻点的电池组最优输出功率；
S4.根据负载功率参数，求解出柴油发电机各时刻的功率输出需求，所述柴油发电各时刻的功率为负载功率减去对应时刻的电池组最优输出功率的差；
S5.将电池输出功率和柴油发电机输出功率，通过储能方舱控制器下发指令至机组控制器和电池控制器，按***全局使用成本最低的功率分配比，控制电池组和柴油发电机的功率输出。
如图2所示，步骤S2还包括如下步骤：
S21：构建储能方舱的瞬时成本模型，所述成本模型如下：
Figure BDA0003042414570000061
其中，L[P(k),SOC(k)]表示瞬时成本，P(k)表示电池组输出的离散点功率，SOC(k)表示电池组离散点荷电状态，Pe表示柴油发动机的输出功率，kW；b表示燃油消耗率，g/(kW·h)；ρg表示柴油密度与重力加速度的乘积常数，一般表示表示：7.94～8.13N/L；Pbat表示电池组输出功率，kW；Qlhv表示柴油低热值，J/g；s0表示油电等效因子；
S22：确定储能方舱供能总时长的最后一个离散点T时刻，令t表示当前时刻，其中，t＝T,T-1,…3,2,1,电池组各个荷电状态
Figure BDA0003042414570000062
在不同电池输出功率等级下的瞬时使用成本，同时，比对并记录最低瞬时使用成本与其对应下的电池组和柴油发电机输出功率的功率分配比；
S23：确定离散点t时刻的上一离散时间点t-1时刻，电池组各个荷电状态
Figure BDA0003042414570000063
在不同电池输出功率下的瞬时使用成本；
S24：确定当前时刻内的荷电状态SOC所有离散点对应的转移荷电状态,具体步骤如下：
S241：令当前时刻内电池组荷电状态SOC的离散点个数的变量为i，其中，i＝1,2…m,其中，m表示每个时刻内电池组荷电状态参数离散点总数；
所述离散点i+1时刻的转移荷电状态采用如下方法确定：
Figure BDA0003042414570000071
其中，
Figure BDA0003042414570000072
表示t-1时刻点内电池组荷电状态第i+1个离散点的电池荷电状态，
Figure BDA0003042414570000074
表示t-1时刻点内电池组荷电状态第i个离散点的电池荷电状态，i表示各个时刻内电池组荷电状态SOC的离散点个数的变量，
Figure BDA0003042414570000073
表示t-1时刻点内电池组荷电状态第i个离散时间点的电路开路电压，Qc表示电池组总电量，Pbat表示电池输出功率，Rint表示电池组内阻；
S242：i＝i+1，判断i≤n，其中n表示储能方舱供能时长内荷电状态对应的电池组放电功率的离散点个数n，若是，则进入步骤S241，若否，则退出；
S25：确定t-1时刻累计使用成本，所述累计使用成本采用如下方法确定：
Jt-1＝min{∑(L[P(k),SOC(k)]+Jt)} (3)
其中，Jt-1为t-1时刻的累计最低使用成本，Jt为t时刻的累计最低使用成本，L[P(k),SOC(k)]表示瞬时成本，P(k)表示电池组输出的离散点功率，SOC(k)表示电池组离散点荷电状态；
所述t时刻的累计最低使用成本函数Jt采用如下方法确定：
Jt＝min{L[P(k),SOC(k)]} (3-1)
其中，Jt为t时刻的累计最低使用成本，L[P(k),SOC(k)]表示瞬时成本，P(k)表示电池组输出的离散点功率，SOC(k)表示电池组离散点荷电状态；
S26：比较S25步骤中的t-1时刻下的各个荷电状态
Figure BDA0003042414570000075
所对应的不同电池输出功率下到最后时刻新的累计使用成本，并记录最低累计使用成本与其对应下的电池组和柴油发电机输出功率的功率分配比；
S27：t＝t-1，判断t≥1,若是，则进入步骤S23，若否，则退出。
上述技术方案，根据油电混合储能的电源方舱中接入用电设备的功率需求和供能时长，通过全局最优控制算法合理分配油电混合储能的电源方舱中油、电功能功率的输出，根据使用工况动态规划油、电输出功率比例，可有效提高油电混合储能电源方舱的运行经济性和供能时长
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种油电混合储能电源方舱，其特征在于：包括油箱、与油箱连接的柴油发电机、用于控制柴油发电机输出功率的机组控制器、电池组、与电池组的输出端连接的逆变器、用于控制电池组输出功率的电池控制器、用于与外部用电设备连接的配电柜和储能方舱控制器，所述储能方舱控制器与所述机组控制器通信连接，所述储能方舱控制器与电池控制器通信连接，柴油发电机的输出端经交流母线与配电柜连接，逆变器的输出端经交流母线与配电柜连接。
2.根据权利要求1所述油电混合储能电源方舱，其特征在于：所述方舱还包括箱体，所述箱体用于以可拆卸式固定安装油箱、柴油发电机、机组控制器、电池组、逆变器、电池控制器、配电柜和储能方舱控制器。
3.一种油电混合储能电源方舱全局最优放电控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
S1：将储能方舱控制器储存的供能总时长参数、电池组荷电状态参数、电池组输出功率参数进行离散化处理，所述电池组荷电状态参数包括各时刻荷电状态SOC的离散点个数；
离散化处理后，所述供能总时长为T个时刻，每个时刻内电池组荷电状态参数离散点为m个，T个时刻内荷电状态对应的电池组放电功率的离散点个数n；
S2：采用逆向求解算法，确定每一离散时刻点到最后时刻点的最低累计使用成本，记录对应的电池组和柴油发电机输出功率的功率分配比，得到电池组全局最优放电功率与***最低累计使用成本的二维记录矩阵；
S3.根据二维记录矩阵，确定电池组初始荷电状态下，从供能开始至供能结束过程中，各离散时刻点的电池组最优输出功率；
S4.根据负载功率参数，求解出柴油发电机各时刻的功率输出需求，所述柴油发电各时刻的功率为负载功率减去对应时刻的电池组最优输出功率的差；
S5.将电池输出功率和柴油发电机输出功率，通过储能方舱控制器下发指令至机组控制器和电池控制器，按***全局使用成本最低的功率分配比，控制电池组和柴油发电机的功率输出。
4.根据权利要求3所述油电混合储能电源方舱全局最优放电控制方法，其特征在于：步骤S2还包括如下步骤：
S21：构建储能方舱的瞬时成本模型，所述成本模型如下：
Figure FDA0003042414560000021
其中，L[P(k),SOC(k)]表示瞬时成本，P(k)表示电池组输出的离散点功率，SOC(k)表示电池组离散点荷电状态，Pe表示柴油发动机的输出功率，kW；b表示燃油消耗率，g/(kW·h)；ρg表示柴油密度与重力加速度的乘积常数，一般表示表示：7.94～8.13N/L；Pbat表示电池组输出功率，kW；Qlhv表示柴油低热值，J/g；s0表示油电等效因子；
S22：确定储能方舱供能总时长的最后一个离散点T时刻，令t表示当前时刻，其中，t＝T,T-1,…3,2,1,电池组各个荷电状态
Figure FDA0003042414560000026
在不同电池输出功率等级下的瞬时使用成本，同时，比对并记录最低瞬时使用成本与其对应下的电池组和柴油发电机输出功率的功率分配比；
S23：确定离散点t时刻的上一离散时间点t-1时刻，电池组各个荷电状态
Figure FDA0003042414560000027
在不同电池输出功率下的瞬时使用成本；
S24：确定当前时刻内的荷电状态SOC所有离散点对应的转移荷电状态,具体步骤如下：
S241：令当前时刻内电池组荷电状态SOC的离散点个数的变量为i，其中，i＝1,2…m,其中，m表示每个时刻内电池组荷电状态参数离散点总数；
所述离散点i+1时刻的转移荷电状态采用如下方法确定：
Figure FDA0003042414560000022
其中，
Figure FDA0003042414560000023
表示t-1时刻点内电池组荷电状态第i+1个离散点的电池荷电状态，
Figure FDA0003042414560000024
表示t-1时刻点内电池组荷电状态第i个离散点的电池荷电状态，i表示各个时刻内电池组荷电状态SOC的离散点个数的变量，
Figure FDA0003042414560000025
表示t-1时刻点内电池组荷电状态第i个离散时间点的电路开路电压，Qc表示电池组总电量，Pbat表示电池输出功率，Rint表示电池组内阻；
S242：i＝i+1，判断i≤n，其中n表示储能方舱供能时长内荷电状态对应的电池组放电功率的离散点个数n，若是，则进入步骤S241，若否，则退出；
S25：确定t-1时刻累计使用成本，所述累计使用成本采用如下方法确定：
Jt-1＝min{∑(L[P(k),SOC(k)]+Jt)} (3)
其中，Jt-1为t-1时刻的累计最低使用成本，Jt为t时刻的累计最低使用成本，L[P(k),SOC(k)]表示瞬时成本，P(k)表示电池组输出的离散点功率，SOC(k)表示电池组离散点荷电状态；
所述t时刻的累计最低使用成本函数Jt采用如下方法确定：
Jt＝min{L[P(k),SOC(k)]} (3-1)
其中，Jt为t时刻的累计最低使用成本，L[P(k),SOC(k)]表示瞬时成本，P(k)表示电池组输出的离散点功率，SOC(k)表示电池组离散点荷电状态；
S26：比较S25步骤中的t-1时刻下的各个荷电状态
Figure FDA0003042414560000031
所对应的不同电池输出功率下到最后时刻新的累计使用成本，并记录最低累计使用成本与其对应下的电池组和柴油发电机输出功率的功率分配比；
S27：t＝t-1，判断t≥1,若是，则进入步骤S23，若否，则退出。
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