一种基于功率谱熵的混合储能系统充放电功率分配方法与流程

1.本发明涉及储能系统能量调度领域，尤其涉及一种基于功率谱熵的混合储能系统充放电功率分配方法。


背景技术：

2.国家提出构建以“新能源为主体”的新型电力系统。分布式新能源、分布式储能与新型负荷的大量接入使得电力系统出现供电多元化，用电互动化，电力电子化的全新形态。大量的分布式新能源出力、以电动汽车为代表的负荷的不确定性引发了系统运行与经济调度问题。
3.储能系统因其具有时空能量迁移功能，可提高电力系统的稳定性和改善电力系统“源-网-荷”中存在的不确定性扰动。一个储能系统是由多个储能单元共同组成。这些储能单元具有不同的工作环境(如温度，湿度等)，不同的电池材质(三元电池，磷酸铁锂电池，超级电容电池)，不同的充/放电倍率。充分利用不同特性的储能单元的优势，实现储能单元的优势互补，实现储能系统能量的最优化利用。
4.传统的储能单元的储能功率包括通过低通滤波器或者傅里叶变换分解为高、低频率两部分，低频功率响应部分由能量型储能单元承担，高频功率相应部分由功率型储能单元承担，并根据各自储能单元荷电状态(soc)进行二次分配，这种方法更适合于分析平稳信号，对于非平稳功率调度信号存在功率分配不合理的问题；另一方面，利用傅里叶变换法将储能功率分解为高频，中频，低频信号，由不同的储能单元承担相应的频率的功率，此方法分解得到的高频、中频、低频信号存在混叠，导致能量型储能单元和功率型储能单元不能根据各自的特点进行合理的利用；此外，现有的储能能量调度方案在信号传输过程中，仅考虑了能量信号的传递，并未考虑信号传递过程中存在的随机噪声信号干扰。
5.因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于功率谱熵的混合储能系统充放电功率分配方法，针对传统功率分配方法中存在的对于非平稳功率调度信号存在功率分配不合理，能量型储能单元和功率型储能单元不能根据各自的特点进行合理的利用，仅考虑了能量信号的传递，并未考虑信号传递过程中存在的随机噪声信号干扰的缺陷问题，通过提出的基于功率谱熵的功率信号识别方法，将功率调度信号根据不同储能单元的特性，考虑各个储能单元的容量，充/放电倍率以及sop值，实现储能单元功率的合理分配，以解决上述现有技术的不足。


技术实现要素：

6.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是传统功率分配方法中存在的对于非平稳功率调度信号存在功率分配不合理，能量型储能单元和功率型储能单元不能根据各自的特点进行合理的利用，仅考虑了能量信号的传递，并未考虑信号传递过程中存在的随机噪声信号干扰的缺陷问题。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种基于功率谱熵的混合储能系统充放电功率分
配方法，包括以平抑新能源发电波动、用电负荷能量波动等为优化目标(所述优化目标不唯一，也可进行多目标优化)，将功率调度信号根据不同储能单元的特性，考虑各个储能单元的容量、充/放电倍率以及sop值，实现储能单元功率的合理分配；
8.进一步地，所述一种基于功率谱熵的混合储能系统充放电功率分配方法，具体包括以下步骤：
9.步骤1、获取发电厂发出的功率p
ne
、负荷用电功率p
load
、电网功率pg、储能系统充/放电功率p
ess
(正表示充电，负表示放电)、储能系统中各储能单元充/放电功率pu(i)(i＝1,2,
…
n)；
10.在tm时刻，获取n个储能单元的电池功率状态sopu(i
tm
)和额定容量e
urate
(i
tm
)以及荷电状态socu(i
tm
)信息；
11.步骤2、确定不同时刻储能单元充/放电能量区间，包括以下步骤：
12.步骤2-1、据负荷用电需求、电网的出力及新能源电站发电情况，计算出储能系统所需要的充/放电能量，得到储能系统所需充/放电功率调度信号；
13.步骤2-2、将储能系统所需要的充放电能量调度信号分切为m段时间相等的信号，计为t1,t2,t3…
tm；
14.步骤2-3、求得各时间段的能量谱熵，h(1)，h(2)，
…
h(m)，并对各时间段能量谱熵进行从小到大的排序，形成能量谱熵数据集：{h(1)，h(2)，
…
h(m)}；
15.步骤2-4、根据步骤2-3排序结果，求得各时段的分段信号，包括
16.能量谱熵的第一四分位数d(q1)：能量谱熵数据集中第25％位数所对用的谱熵值；
17.能量谱熵的第三四分位数d(q3)：能量谱熵数据集中第75％位数所对用的谱熵值；
18.能量谱熵四分位间距(iqr)：能量谱熵数据集中第25％位数至第75％位数之间的数据个数；
19.能量谱熵的非奇异上限值d(max)：d(q3)+1.5*iqr；
20.能量谱熵的非奇异下限值d(min)：d(q1)-1.5*iqr.；
21.步骤3、进行储能单元充/放电分配，根据负荷功率要求及新能源发电厂的出力情况，计算出储能所需的充/放电功率调度信号，并将此信号传递该混合储能单元能量调度系统，具体包括以下步骤：
22.步骤3-1、设在t时刻，其能量谱熵为h(t)，判断h(t)是否大于能量谱熵的非奇异上限值d(max)；
23.若其所在的谱熵数据集中的位置大于d(max)，则判断此时刻的调度信号属于传递过程中存在的随机噪声信号，储能系统的功率分配保持上一时刻(t-1)的功率分配值；
24.若其所在的谱熵数据集中的位置小于d(max)，进行步骤3-2；
25.步骤3-2、判断h(t)所在能量谱熵数据集中的位置是否大于d(q3)，即是否位于d(q3)～d(max)之间；
26.若其所在的谱熵数据集中的位置位于d(q3)～d(max)之间(储能系统所需要的能量无序)，选择充/放电倍率高的储能单元对系统进行充/放电；h(t)所在能量谱熵数据集中的位置越接近与d(max)，则选择充/放电倍率越高的储能单元进行供电；
27.若其所在的谱熵数据集中的位置小于d(q3)，进行步骤3-3；
28.步骤3-3、判断h(t)所在能量谱熵数据集中的位置是否大于d(q1)，即是否位于d
(q1)～d(q3)之间；
29.若h(t)所在能量谱熵数据集中的位置在d(q1)～d(q3)之间(储能系统所需的能量较为无序)，结合储能单元的sop状态和充/放电倍率进行总判断；h(t)越接近d(3)，所需要的储能单元能量越无序，优选充放电倍率的储能单元系统进行充放电，当不能满足系统的需求时，选择sop高的储能单元系统进行补充充放电；
30.若其所在的谱熵数据集中的位置小于d(q1)，进行步骤3-4；
31.步骤3-4、当h(t)所在能量谱熵数据集中的位置在d(min)～d(q1)之间时(储能系统所需的能量较为有序)，选择充放电倍率较低的储能单元对系统进行充/放电，h(t)所在能量谱熵数据集中的位置越接近d(min)，选择充/放电倍率越低的储能单元进行供电；
32.具体地，所述步骤2-1中，计算出储能系统所需要的充/放电能量如式1所示，
33.p
ess
＝p
ne-p
g-p
load
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
34.式1中，
35.p
ess
为储能系统充/放电功率；
36.p
ne
为新能源发电厂发出的功率；
37.p
load
为负荷用电功率；
38.pg为电网功率；
39.具体地，所述步骤2-3中，通过式2计算得出各时间段的能量谱熵
[0040][0041]
式2中，
[0042]
h(m)为在tm时刻储能系统的能量谱熵；
[0043]
we(i
tm
)为储能单元的能量在储能系统中能量占比；
[0044]
进一步地，所述we(i
tm
)具体计算公式为式3：
[0045][0046]
式3中，
[0047]eurate
为tm时刻的额定容量；
[0048]
socu(i
tm
)为tm时刻的荷电状态信息；
[0049]
采用以上方案，本发明公开的基于功率谱熵的混合储能系统充放电功率分配方法，具有以下优点：
[0050]
(1)本发明的基于功率谱熵的混合储能系统充放电功率分配方法，不需要负载的fft滤波和分配，仅仅需要计算不同时刻的能量谱熵值就可以将其进行分类，简化了不同储能单元的功率分配；
[0051]
(2)本发明的基于功率谱熵的混合储能系统充放电功率分配方法，对不同时刻的能量谱熵进行合理的分区控制，有利于在不同时刻对不同储能单元进行功率分配；
[0052]
(3)本发明的基于功率谱熵的混合储能系统充放电功率分配方法，对储能中各单元分配信号考虑了系统的噪声的影响，对于能量谱熵高的非奇异能量谱熵值认为是噪声信号，结果更准确，同时可利用不同储能单元的特点(如高充/放电倍率，不同sop)，增强储能
系统使用的合理性，增强储能系统的利用效率；
[0053]
综上所述，本发明公开的基于功率谱熵的混合储能系统充放电功率分配方法，将能量谱熵引入储能系统不同储能单元能量分配系统中，算法简单，可利用不同储能单元的特点(如高充/放电倍率，不同sop)，增强储能系统使用的合理性，增强储能系统的利用效率。
[0054]
以下将结合具体实施方式对本发明的构思、具体技术方案及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
[0055]
图1是本发明一种基于功率谱熵的混合储能系统充放电功率分配方法的步骤2(谱熵计算)流程图；
[0056]
图2是本发明一种基于功率谱熵的混合储能系统充放电功率分配方法的步骤3(储能单元能量算法分配)流程图；
[0057]
图3是本发明实施例1的新能源电站-储能系统结构框图；
[0058]
图4是本发明实施例1的能量谱熵分段信号图；
具体实施方式
[0059]
以下介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，这些实施例为示例性描述，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
[0060]
实施例1、采用一种基于功率谱熵的混合储能系统充放电功率分配方法对某新能源发电站和储能电站进行充放电功率分配
[0061]
如图3所示为以新能源发电站和储能电站为基础的电力系统结构图；
[0062]
步骤1、获取新能源发电厂发出的功率p
ne
、负荷用电功率p
load
、电网功率pg、储能系统充/放电功率p
ess
(正表示充电，负表示放电)、储能系统中各储能单元充/放电功率pu(i)(i＝1,2,
…
n)；
[0063]
在tm时刻，获取n个储能单元的电池功率状态sopu(i
tm
)和额定容量e
urate
(i
tm
)以及荷电状态socu(i
tm
)信息；
[0064]
步骤2、确定不同时刻储能单元充/放电能量区间，包括以下步骤：
[0065]
步骤2-1、据负荷用电需求、电网的出力及新能源电站发电情况，计算出储能系统所需要的充/放电能量(式1)，得到储能系统所需充/放电功率调度信号；
[0066]
p
ess
＝p
ne-p
g-p
load
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0067]
式1中，
[0068]
p
ess
为储能系统充/放电功率；
[0069]
p
ne
为新能源发电厂发出的功率；
[0070]
p
load
为负荷用电功率；
[0071]
pg为电网功率；
[0072]
步骤2-2、将储能系统所需要的充放电能量调度信号分切为m段时间相等的信号，计为t1,t2,t3…
tm；
[0073]
步骤2-3、求得各时间段的能量谱熵(式2)，h(1)，h(2)，
…
h(m)，并对各时间段能量谱熵进行从小到大的排序，形成能量谱熵数据集：{h(1)，h(2)，
…
h(m)}；
[0074][0075]
式2中，
[0076]
h(m)为在tm时刻储能系统的能量谱熵；
[0077]
we(i
tm
)为储能单元的能量在储能系统中能量占比；
[0078]
所述we(i
tm
)具体计算公式为式3：
[0079][0080]
式3中，
[0081]eurate
为tm时刻的额定容量；
[0082]
socu(i
tm
)为tm时刻的荷电状态信息；
[0083]
步骤2-4、根据步骤2-3排序结果，求得各时段的分段信号，如图4所示，包括能量谱熵的第一四分位数d(q1)：能量谱熵数据集中第25％位数所对用的谱熵值；
[0084]
能量谱熵的第三四分位数d(q3)：能量谱熵数据集中第75％位数所对用的谱熵值；
[0085]
能量谱熵四分位间距(iqr)：能量谱熵数据集中第25％位数至第75％位数之间的数据个数；
[0086]
能量谱熵的非奇异上限值d(max)：d(q3)+1.5*iqr；
[0087]
能量谱熵的非奇异下限值d(min)：d(q1)-1.5*iqr.；
[0088]
步骤3、进行储能单元充/放电分配，根据负荷功率要求及新能源发电厂的出力情况，计算出储能所需的充/放电功率调度信号，并将此信号传递该混合储能单元能量调度系统，具体包括以下步骤：
[0089]
步骤3-1、设在t时刻，其能量谱熵为h(t)，判断h(t)是否大于能量谱熵的非奇异上限值d(max)；
[0090]
若其所在的谱熵数据集中的位置大于d(max)，则判断此时刻的调度信号属于传递过程中存在的随机噪声信号，储能系统的功率分配保持上一时刻(t-1)的功率分配值；
[0091]
若其所在的谱熵数据集中的位置小于d(max)，进行步骤3-2；
[0092]
步骤3-2、判断h(t)所在能量谱熵数据集中的位置是否大于d(q3)，即是否位于d(q3)～d(max)之间；
[0093]
若其所在的谱熵数据集中的位置位于d(q3)～d(max)之间(储能系统所需要的能量无序)，选择充/放电倍率高的储能单元对系统进行充/放电；h(t)所在能量谱熵数据集中的位置越接近与d(max)，则选择充/放电倍率越高的储能单元进行供电；
[0094]
若其所在的谱熵数据集中的位置小于d(q3)，进行步骤3-3；
[0095]
步骤3-3、判断h(t)所在能量谱熵数据集中的位置是否大于d(q1)，即是否位于d(q1)～d(q3)之间；
[0096]
若h(t)所在能量谱熵数据集中的位置在d(q1)～d(q3)之间(储能系统所需的能量较为无序)，结合储能单元的sop状态和充/放电倍率进行总判断；h(t)越接近d(3)，所需要
的储能单元能量越无序，优选充放电倍率的储能单元系统进行充放电，当储能单元不能满足电力系统的需求时，选择从其他储能单元中选择sop高的储能单元系统进行能量补充；
[0097]
若其所在的谱熵数据集中的位置小于d(q1)，进行步骤3-4；
[0098]
步骤3-4、当h(t)所在能量谱熵数据集中的位置在d(min)～d(q1)之间时(储能系统所需的能量较为有序)，选择充放电倍率较低的储能单元对系统进行充/放电，h(t)所在能量谱熵数据集中的位置越接近d(min)，选择充/放电倍率越低的储能单元进行供电；
[0099]
结果：
[0100]
通过实施例1的步骤，可以针对每个储能单元的特性(如soc，放电倍率，sop)等信息对储能系统中的各个储能单元进行分类划分，结合储能系统所需的充放电功率情况，优化每个储能单元在储能系统中的出力情况，提高储能单元的利用率和使用寿命。
[0101]
当储能系统调度信号为噪声信号时，各个储能单元保持上一时刻的出力情况；
[0102]
当储能系统调度信号由本专利能量谱熵方法判别为充放电无序信号时，选择充放电倍率高的储能单元进行出力，当充放电倍率一样时，选择sop高的储能单元进行充放电；
[0103]
当储能系统调度信号由本专利能量谱熵方法判别为充电点有序信号时，选择充放电倍率低的储能单元进行出力，能量谱熵越小，选择选择充放电倍率越小的储能单元进行充放电，当充放电倍率相等时，选择sop较小的储能单元进行充放电。
[0104]
综上所述，本专利技术方案，将能量谱熵引入储能系统不同储能单元能量分配系统中，算法简单，可利用不同储能单元的特点(如高充/放电倍率，不同sop)，增强储能系统使用的合理性，增强储能系统的利用效率。
[0105]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于功率谱熵的混合储能系统充放电功率分配方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1、获取发电厂发出的功率p
ne
、负荷用电功率p
load
、电网功率p
g
、储能系统充/放电功率p
ess
，正值表示充电，负值表示放电、储能系统中各储能单元充/放电功率p
u
(i)，i＝1,2,
…
n；在t
m
时刻，获取n个储能单元的电池功率状态sop
u
(i
tm
)和额定容量e
urate
(i
tm
)以及荷电状态soc
u
(i
tm
)信息；步骤2、确定不同时刻储能单元充/放电能量区间；步骤3、进行储能单元充/放电分配，根据负荷功率要求及新能源发电厂的出力情况，计算出储能所需的充/放电功率调度信号，并将此信号传递该混合储能单元能量调度系统。2.如权利要求1所述基于功率谱熵的混合储能系统充放电功率分配方法，其特征在于，所述步骤2中，具体包括以下步骤：步骤2-1、据负荷用电需求、电网的出力及新能源电站发电情况，计算出储能系统所需要的充/放电能量，得到储能系统所需充/放电功率调度信号；步骤2-2、将储能系统所需要的充放电能量调度信号分切为m段时间相等的信号，计为t1,t2,t3…
t
m
；步骤2-3、求得各时间段的能量谱熵，h(1)，h(2)，
…
h(m)，并对各时间段能量谱熵进行从小到大的排序，形成能量谱熵数据集：{h(1)，h(2)，
…
h(m)}；步骤2-4、根据步骤2-3排序结果，求得各时段的分段信号，包括能量谱熵的第一四分位数d(q1)：能量谱熵数据集中第25％位数所对用的谱熵值；能量谱熵的第三四分位数d(q3)：能量谱熵数据集中第75％位数所对用的谱熵值；能量谱熵四分位间距(iqr)：能量谱熵数据集中第25％位数至第75％位数之间的数据个数；能量谱熵的非奇异上限值d(max)：d(q3)+1.5*iqr；能量谱熵的非奇异下限值d(min)：d(q1)-1.5*iqr。3.如权利要求1所述基于功率谱熵的混合储能系统充放电功率分配方法，其特征在于，所述步骤3中，具体包括以下步骤：步骤3-1、设在t时刻，其能量谱熵为h(t)，判断h(t)是否大于能量谱熵的非奇异上限值d(max)；若其所在的谱熵数据集中的位置大于d(max)，则判断此时刻的调度信号属于传递过程中存在的随机噪声信号，储能系统的功率分配保持上一时刻(t-1)的功率分配值；若其所在的谱熵数据集中的位置小于d(max)，进行步骤3-2；步骤3-2、判断h(t)所在能量谱熵数据集中的位置是否大于d(q3)，即是否位于d(q3)～d(max)之间；若其所在的谱熵数据集中的位置位于d(q3)～d(max)之间(储能系统所需要的能量无序)，选择充/放电倍率高的储能单元对系统进行充/放电；h(t)所在能量谱熵数据集中的位置越接近与d(max)，则选择充/放电倍率越高的储能单元进行供电；若其所在的谱熵数据集中的位置小于d(q3)，进行步骤3-3；步骤3-3、判断h(t)所在能量谱熵数据集中的位置是否大于d(q1)，即是否位于d(q1)～
d(q3)之间；若h(t)所在能量谱熵数据集中的位置在d(q1)～d(q3)之间(储能系统所需的能量较为无序)，结合储能单元的sop状态和充/放电倍率进行总判断；h(t)越接近d(3)，所需要的储能单元能量越无序，优选充放电倍率的储能单元系统进行充放电，当储能单元不能满足电力系统的需求时，选择从其他储能单元中选择sop高的储能单元系统进行能量补充；若其所在的谱熵数据集中的位置小于d(q1)，进行步骤3-4；步骤3-4、当h(t)所在能量谱熵数据集中的位置在d(min)～d(q1)之间时(储能系统所需的能量较为有序)，选择充放电倍率较低的储能单元对系统进行充/放电，h(t)所在能量谱熵数据集中的位置越接近d(min)，选择充/放电倍率越低的储能单元进行供电。4.如权利要求2所述基于功率谱熵的混合储能系统充放电功率分配方法，其特征在于，所述步骤2-1中，计算出储能系统所需要的充/放电能量如式1所示，p
ess
＝p
ne-p
g-p
load
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式1中，p
ess
为储能系统充/放电功率；p
ne
为新能源发电厂发出的功率；p
load
为负荷用电功率；p
g
为电网功率。5.如权利要求2所述基于功率谱熵的混合储能系统充放电功率分配方法，其特征在于，所述步骤2-3中，所述计算得出各时间段的能量谱熵如式2所示，式2中，h(m)为在t
m
时刻储能系统的能量谱熵；w
e
(i
tm
)为储能单元的能量在储能系统中能量占比。6.如权利要求5所述基于功率谱熵的混合储能系统充放电功率分配方法，其特征在于，所述步骤2-3中，所述w
e
(i
tm
)具体计算公式为式3：式3中，e
urate
为t
m
时刻的额定容量；soc
u
(i
tm
)为t
m
时刻的荷电状态信息。

技术总结
本发明的基于功率谱熵的混合储能系统充放电功率分配方法，以平抑新能源发电波动、用电负荷能量波动等为优化目标(所述优化目标不唯一，也可进行多目标优化)，将功率调度信号根据不同储能单元的特性，考虑各个储能单元的容量、充/放电倍率以及SOP值，实现储能单元功率的合理分配；将能量谱熵引入储能系统不同储能单元能量分配系统中，算法简单，可利用不同储能单元的特点(如高充/放电倍率，不同SOP)，增强储能系统使用的合理性，增强储能系统的利用效率。效率。效率。


技术研发人员：刘智勋 王逸超 冯美方 克潇 孙鹏 王艳 刘硕 张则栋 梁忠豪 李建林
受保护的技术使用者：新源智储能源发展（北京）有限公司
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/9