一种锰基锂电池储能装置并离网多模态协同控制方法及系统与流程

本技术属于电池储能，特别涉及一种适配锰基锂电池储能装置并离网多模态协同控制方法及系统。

背景技术：

1、随着新型电力系统建设以及分布式电源接入比例不断提高，电池储能系统已广泛用于区域配电网的功率调节、削峰填谷、调频调压及供电保障。锰基锂电池具有锰资源丰富、正极材料成本较低、热稳定性较好以及循环寿命较长等特点，适用于区域配电网中的规模化储能应用。区域配电网通常通过公共连接点与上级电网连接，在上级电网正常时处于并网运行状态，并根据系统运行需求利用多个储能单元进行充放电功率调节；在上级电网异常或故障时，可由储能系统配合分布式电源维持区域配电网的孤岛运行。现有储能控制通常结合储能变流器控制、电压频率控制、功率分配及运行状态管理等技术，以实现不同运行状态下的能量交换和系统稳定运行。

2、然而，在包含多个锰基锂电池储能单元的区域配电网中，各储能单元受初始荷电状态、额定容量以及实际充放电能力差异影响，长期按照固定比例或固定控制参数进行功率分配时，容易造成不同储能单元之间的荷电状态差异持续扩大。特别是在锰基锂电池处于较低荷电状态区间时，持续深度放电容易增加锰溶出及容量衰减风险。与此同时，并离网切换过程还可能产生电压暂降、频率偏移和暂态电流冲击，固定虚拟惯量难以兼顾不同扰动程度下的频率支撑需求；在孤岛可用出力不足时，若缺少与储能安全运行区间相匹配的负荷分级管理，还难以兼顾锰基锂电池放电深度约束与关键负荷连续供电。因此，需要在统一的多模态控制架构下协调运行模式判别、多储能单元荷电状态均衡、并离网平滑切换、惯量支撑以及功率不足条件下的动态功率平衡。

技术实现思路

1、本技术提供一种锰基锂电池储能装置并离网多模态协同控制方法及系统，适用于高比例分布式电源接入的区域配电网大规模锰基锂电池储能应用场景，主要解决包含多个锰基锂电池储能单元的区域配电网在并网、孤岛及并离网切换过程中，多储能单元荷电状态差异扩大、低荷电状态单元深度过放、切换暂态冲击以及可用出力不足时关键负荷供电与储能安全运行难以协调的问题。

2、为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：

3、第一方面，本技术提供一种锰基锂电池储能装置并离网多模态协同控制方法，包括：

4、构建分层多模态协同控制架构，所述分层多模态协同控制架构包括自上而下通信连接的系统调度层、协调控制层和本地执行层；

5、通过所述系统调度层实时监测区域配电网公共连接点的电气参数，根据所述电气参数和预设判定规则确定所述区域配电网的运行模式，并输出与所述运行模式对应的模式切换指令和总功率指令，所述运行模式包括并网模式、孤岛模式和并离网切换过渡模式；

6、在所述并网模式和所述孤岛模式下，通过所述协调控制层获取各锰基锂电池储能单元的实时荷电状态，根据各所述锰基锂电池储能单元的实时荷电状态确定对应的荷电状态偏差因子，并结合各所述锰基锂电池储能单元的额定容量及可用充放电能力，自适应修正各所述锰基锂电池储能单元的有功功率分配系数，根据所述有功功率分配系数对所述总功率指令对应的功率进行分配，以实现多个所述锰基锂电池储能单元之间的荷电状态均衡；

7、当任一所述锰基锂电池储能单元的荷电状态达到预设荷电状态保护阈值时，对该锰基锂电池储能单元实施充放电功率限制，并根据其余可用锰基锂电池储能单元的可用充放电能力进行功率再分配；

8、通过所述本地执行层根据所述模式切换指令以及功率分配结果控制各所述锰基锂电池储能单元对应的储能变流器运行。

9、作为本技术进一步改进，所述系统调度层作为全局决策层，用于执行电网状态监测、运行模式判别以及模式切换指令下发；

10、所述协调控制层作为优化协调层，用于执行各所述锰基锂电池储能单元的荷电状态监测、负荷功率采集、功率优化分配以及负荷分级管理决策；

11、所述本地执行层作为实时执行层，用于执行各所述锰基锂电池储能单元对应储能变流器的闭环控制、运行模式切换以及电气量实时采集。

12、作为本技术进一步改进，所述根据所述电气参数和预设判定规则确定所述区域配电网的运行模式，包括：

13、检测所述公共连接点的电压和频率；

14、当所述公共连接点的电压和/或频率偏离对应的额定范围，且异常状态持续预设时间时，判定上级电网发生故障，并输出并网转孤岛切换指令；

15、当检测到所述上级电网的电压和频率恢复至对应的额定范围，且稳定运行预设时间时，判定所述上级电网恢复正常，并输出孤岛转并网切换指令。

16、作为本技术进一步改进，在所述并网模式下，通过所述本地执行层控制各所述锰基锂电池储能单元执行虚拟同步发电机控制，根据系统频率变化率自适应调整各所述锰基锂电池储能单元对应的虚拟惯量，并通过有功-频率控制环节和无功-电压控制环节对所述锰基锂电池储能单元进行并网支撑控制。

17、作为本技术进一步改进，第i个锰基锂电池储能单元的虚拟惯量按照下式确定：

18、

19、其中，为第i个锰基锂电池储能单元的虚拟惯量，为基准虚拟惯量，为自适应增益系数，取值范围为1～5，为系统实时频率变化率，为最大允许频率变化率。

20、作为本技术进一步改进，所述有功-频率控制环节采用虚拟转子运动方程进行有功控制，所述无功-电压控制环节采用下垂控制方程进行无功控制；

21、所述虚拟转子运动方程中的控制参数至少包括虚拟惯量、虚拟角频率、额定角频率、有功功率参考值、实际输出有功功率以及有功阻尼系数；

22、所述下垂控制方程中的控制参数至少包括电压参考值、额定电压、无功电压下垂系数、实际输出无功功率以及无功功率初始值。

23、作为本技术进一步改进，在所述并离网切换过渡模式下执行并网转孤岛平滑切换时，包括：

24、接收到所述并网转孤岛切换指令后，保持各所述储能变流器当前的输出功率以及控制器状态，以保持控制量连续；

25、根据各所述锰基锂电池储能单元的荷电状态确定主储能单元，并在断开所述公共连接点的并网开关前，使所述主储能单元的v/f主控环节进入预启动状态；

26、断开所述公共连接点的并网开关后，控制所述主储能单元建立孤岛系统的电压和频率基准，并控制其余所述锰基锂电池储能单元采用下垂跟随模式；

27、在切换过程中引入自适应虚拟阻抗，以抑制暂态电流冲击；

28、当所述孤岛系统的电压偏差和频率偏差均处于对应的允许范围内并稳定持续预设时间时，判定并网转孤岛切换完成，并退出暂态阻抗控制模式。

29、作为本技术进一步改进，所述根据各所述锰基锂电池储能单元的荷电状态确定主储能单元，包括：

30、将实时荷电状态最高的锰基锂电池储能单元确定为所述主储能单元；

31、当多个所述锰基锂电池储能单元的荷电状态差值处于预设范围内时，将额定容量最大的锰基锂电池储能单元确定为所述主储能单元。

32、作为本技术进一步改进，所述自适应虚拟阻抗包括随时间衰减的虚拟电阻分量和虚拟电抗分量；

33、所述虚拟电阻分量的衰减时间常数小于所述虚拟电抗分量的衰减时间常数；

34、所述虚拟电阻分量和所述虚拟电抗分量均根据对应储能变流器的实时输出电流与暂态过电流限制值之间的关系进行限幅调节，其中，所述时间为自适应虚拟阻抗投入后开始计算的时间，并在判定并网转孤岛切换完成后将所述虚拟电阻分量和所述虚拟电抗分量置零。

35、作为本技术进一步改进，在所述并离网切换过渡模式下执行孤岛转并网平滑切换时，包括：

36、接收到所述孤岛转并网切换指令后，启动预同步锁相控制，并实时采集电网侧和孤岛侧的电压相角、电压幅值以及频率；

37、根据所述电网侧与所述孤岛侧之间的同步偏差调节所述主储能单元的输出；

38、当所述同步偏差满足预设同步精度要求时，闭合所述公共连接点的并网开关；

39、通过功率斜坡过渡，将各所述锰基锂电池储能单元由离网控制模式切换至并网虚拟同步发电机控制模式。

40、作为本技术进一步改进，在所述主储能单元的v/f控制环中叠加比例-积分型同步调节分量，其中：

41、相角同步调节量根据电网侧电压相角与孤岛侧电压相角之间的偏差进行比例积分调节；

42、电压幅值同步调节量根据电网侧电压幅值与孤岛侧电压幅值之间的偏差进行比例积分调节。

43、作为本技术进一步改进，第i个锰基锂电池储能单元对应的荷电状态偏差因子按照下式确定：

44、

45、其中，多个所述锰基锂电池储能单元的容量加权平均荷电状态按照下式确定：

46、

47、式中，为第i个锰基锂电池储能单元的实时荷电状态，为多个所述锰基锂电池储能单元按额定容量加权得到的容量加权平均荷电状态，和分别为荷电状态允许上限和荷电状态允许下限，为第i个锰基锂电池储能单元的额定容量，n为锰基锂电池储能单元的数量。

48、作为本技术进一步改进，各所述锰基锂电池储能单元的有功功率分配系数根据基准有功功率分配系数、对应锰基锂电池储能单元的额定容量、多个所述锰基锂电池储能单元的总额定容量、对应的荷电状态偏差因子以及荷电状态均衡调节系数确定，并针对充电工况和放电工况采用相反的荷电状态偏差调节关系，以使荷电状态相对较低的储能单元在充电过程中获得相对较大的充电功率分配权重，并使荷电状态相对较高的储能单元在放电过程中获得相对较大的放电功率分配权重。

49、作为本技术进一步改进，当任一所述锰基锂电池储能单元的实时荷电状态低于预设保护下限时，控制该锰基锂电池储能单元退出放电，并由其余可用锰基锂电池储能单元以及区域配电网中的分布式电源协同补足因该锰基锂电池储能单元退出放电形成的功率缺口。

50、作为本技术进一步改进，将所述区域配电网的负荷按照供电优先级划分为：

51、一级负荷，所述一级负荷为人身安全与关键基础设施负荷；

52、二级负荷，所述二级负荷为重要工商业负荷；

53、三级负荷，所述三级负荷为可中断负荷；

54、其中，所述一级负荷的供电优先级高于所述二级负荷，所述二级负荷的供电优先级高于所述三级负荷。

55、作为本技术进一步改进，根据储能系统和分布式电源的总可用出力确定供电保障工况，所述供电保障工况包括：

56、全负荷保障工况，在所述全负荷保障工况下保持所述一级负荷、所述二级负荷和所述三级负荷供电；

57、受限保障工况，在所述受限保障工况下保持所述一级负荷和所述二级负荷供电；

58、关键保障工况，在所述关键保障工况下仅保持所述一级负荷供电；

59、根据所述储能系统和所述分布式电源的总可用出力在所述全负荷保障工况、所述受限保障工况和所述关键保障工况之间进行切换。

60、作为本技术进一步改进，按照下式确定系统功率裕度指标：

61、

62、其中，为储能系统总可用输出功率，为所述区域配电网中的分布式电源总出力，为区域总负荷功率；

63、当所述系统功率裕度指标低于第一预设阈值时，启动三级负荷的需求响应；

64、当所述系统功率裕度指标低于第二预设阈值，且所述储能系统总可用输出功率与所述分布式电源总出力之和不足以满足负荷需求时，按照供电优先级由低至高依次压减三级负荷和二级负荷，直至恢复系统功率平衡；

65、当所述系统功率裕度指标恢复至第三预设阈值以上，且总可用出力满足负荷恢复条件时，按照供电优先级由高至低依次恢复被压减的负荷。

66、作为本技术进一步改进，当多个所述锰基锂电池储能单元的容量加权平均荷电状态低于预设临界值，且所述分布式电源总出力与所述储能系统总可用输出功率之和不足以满足全部负荷需求时，按照供电优先级压减低优先级负荷；

67、当所述分布式电源总出力与所述储能系统总可用输出功率之和仅能够满足所述一级负荷的供电需求时，仅保持所述一级负荷供电，并发送紧急告警信号。

68、作为本技术进一步改进，在多个所述锰基锂电池储能单元的荷电状态均衡约束下，以储能系统总充放电损耗最小为目标执行功率优化分配；

69、第i个锰基锂电池储能单元的充放电损耗按照下式确定：

70、

71、其中，为第i个锰基锂电池储能单元的充放电损耗，为第i个锰基锂电池储能单元的输出功率，、和分别为第i个锰基锂电池储能单元对应储能变流器的开关损耗系数、导通损耗系数和空载固定损耗系数；

72、以

73、

74、为优化目标，并设置以下约束：

75、

76、

77、

78、其中，为荷电状态最大允许偏差，和分别为第i个锰基锂电池储能单元的功率下限和功率上限；

79、通过拉格朗日乘子法求解由所述优化目标和所述约束形成的优化问题，得到各所述锰基锂电池储能单元的目标出力分配结果。

80、第二方面，本技术提供一种锰基锂电池储能装置并离网多模态协同控制系统，包括：

81、分层控制架构模块，用于实现系统调度层、协调控制层和本地执行层之间的通信交互与指令闭环；

82、模式判别模块，部署于所述系统调度层，用于监测区域配电网的电网状态、判别运行模式并下发模式切换指令；

83、并网控制模块，部署于所述本地执行层，用于执行并网支撑控制，并配合所述协调控制层完成并网工况下的功率分配；

84、平滑切换模块，部署于所述本地执行层，用于执行并网转孤岛以及孤岛转并网的双向平滑切换控制；

85、荷电状态均衡控制模块，部署于所述协调控制层，用于根据各锰基锂电池储能单元的荷电状态偏差因子自适应调整有功功率分配系数，以实现多个所述锰基锂电池储能单元之间的荷电状态均衡；

86、负荷分级管理模块，部署于所述协调控制层，用于根据储能系统与分布式电源的总可用出力执行多工况自适应控制以及动态功率平衡控制。

87、作为本技术进一步改进，所述系统调度层包括公共连接点状态监测功能、运行模式判别功能以及指令下发功能；

88、所述协调控制层包括荷电状态汇总功能、荷电状态偏差因子计算功能、功率分配权重计算功能以及功率约束协调功能；

89、所述本地执行层包括储能变流器闭环控制功能、运行模式切换功能以及电气量采集功能；

90、所述本地执行层与多个锰基锂电池储能单元通信连接。

91、作为本技术进一步改进，所述平滑切换模块用于在并网转孤岛过程中保持储能变流器控制量连续，根据各锰基锂电池储能单元的荷电状态确定主储能单元，在公共连接点并网开关断开前使所述主储能单元的v/f主控环节进入预启动状态，在所述公共连接点并网开关断开后控制所述主储能单元建立孤岛系统的电压和频率基准，并通过自适应虚拟阻抗抑制暂态电流冲击；以及在孤岛转并网过程中，通过预同步锁相控制使孤岛侧与电网侧的电压相角、电压幅值和频率达到预设同步条件后进行并网；

92、所述负荷分级管理模块用于根据储能系统总可用输出功率、分布式电源总出力以及区域总负荷功率确定系统功率裕度，并根据所述系统功率裕度对不同供电优先级的负荷实施压减或恢复。

93、相比现有技术，本技术至少具有以下有益效果：

94、本技术通过构建系统调度层、协调控制层和本地执行层相互通信的分层多模态协同控制架构，将电网运行模式判别、多储能单元功率协调以及储能变流器执行控制纳入统一控制链路，使并网模式、孤岛模式以及并离网切换过渡模式之间形成相互衔接的控制关系，有利于提高多个锰基锂电池储能单元在不同运行状态下的协调性。

95、本技术根据各锰基锂电池储能单元的实时荷电状态确定荷电状态偏差因子，并结合各储能单元的额定容量及可用充放电能力自适应修正有功功率分配系数，使不同荷电状态及不同容量的储能单元能够根据自身运行状态承担相应的充放电功率。在放电过程中使荷电状态相对较高的储能单元承担相对较大的放电功率、荷电状态相对较低的储能单元承担相对较小的放电功率，并在充电过程中采用相反的调节方向，从而逐步减小多个储能单元之间的荷电状态差异，降低低荷电状态储能单元持续深度放电的概率，并降低锰溶出及容量衰减风险。

96、本技术在储能单元达到预设荷电状态保护阈值时，对对应储能单元实施充放电功率限制，并根据其余可用储能单元的可用充放电能力重新分配功率，使单个储能单元受到荷电状态保护限制后，其对应的功率需求能够由其他可用储能单元进行协调承担，兼顾电池保护与区域配电网功率平衡。

97、本技术还可通过自适应虚拟惯量、自适应虚拟阻抗和预同步控制改善不同运行工况下的频率支撑及并离网切换性能，并通过功率裕度与负荷优先级相结合的动态功率平衡控制，在储能系统和分布式电源总可用出力不足时优先保障高等级负荷供电，使锰基锂电池放电深度约束与关键负荷供电需求相协调。