CN102005807B - 一种利用超级电容器储能系统调控光伏发电系统的方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及一种以超级电容器作为光伏发电系统的储能装置时,在超级电容器储能系统和光伏发电系统之间进行能量交换的控制方法,属控制技术领域。
背景技术
太阳能光伏发电是太阳能利用的一种有效方式,它以输出电能作为表现形式,具有使用方便、无污染、无噪声、建设周期短、规模可大可小、可与建筑物相结合等优势,是常规发电方式所不可比拟的。但是,光伏发电一般又具有能量分散、受气候、季节等因素影响较大、且受负荷波动影响较大的特点,致使系统供电持续性与稳定性较差,难以满足常规用电负载的要求。解决上述问题比较有效的办法是在光伏发电系统中安装一定容量的储能装置,利用储能装置提高光伏发电系统的供电电能质量和运行稳定性,并实现平抑峰谷之目的。
目前,国内外光伏发电系统一般采用蓄电池组作为储能装置,当发电系统能量充足时,光伏电源为电力用户和储能蓄电池组供电;当发电系统能量不足或无法发电时,蓄电池组放电为电力用户继续提供电能。采用蓄电池组进行储能存在一定缺陷,一方面,蓄电池内部存在电化学反应,充放电速度慢,需要配置的蓄电池容量偏大。另一方面,蓄电池充放电次数有限,使用寿命短,废弃的蓄电池会对环境造成污染,经常更换蓄电池将使光伏发电系统运行成本增大;再有,常规蓄电池储能装置在运行过程中可控性能较差,这是因为其充放电状态完全由蓄电池储能装置空载端电压和发电系统连接处电压之差来决定,而蓄电池输出电压会随着其运行状态和寿命的缩短而发生变化。
超级电容器储能系统具有充放电速度快、使用寿命长和无环境污染的优点,非常适合用做光伏发电系统的储能装置。目前,极板为活性炭材料的双电层电容器获得实际应用,由于不存在电介质,充电时为了达到电化学平衡,电荷在电极和电解质的界面之间自发的分配形成阴阳离子层,从而达到保存能量的目的。因充放电时不进行电化学反应,只有电荷的吸附与解吸附,所以充放电功率大、速度快且使用寿命长。其漏电流非常小,能量储存时间长,综合效率可达95%以上,高于超导储能和飞轮储能。将超级电容器用于光伏发电系统稳定控制的关键在于超级电容器储能系统的结构及其相应的控制方法,现有的方法主要包括直流母线电压自然控制方法和直流母线电压PI控制方法。直流母线电压自然控制方法充分利用超级电容器端电压不能突变的自然特性,将超级电容器组件直接并联在直流母线上,依靠超级电容器对直流母线电压瞬时波动起到一定的抑制作用。这种方法不能充分利用超级电容器的储能容量,在光伏发电系统中应用时控制效果不佳。直流母线电压PI控制方法依靠超级电容器与直流母线间的电能变换器对直流母线电压进行比例积分控制,但对超级电容器自身运行状态的调节未提出行之有效的技术方案。以上方法虽然都可以在一定程度上提高光伏发电系统的电压稳定性,但因无法实时获得光伏发电系统能量的不平衡程度,所以无法实现超级电容器对光伏发电系统的快速、准确的能量补偿。因此,将超级电容器储能技术应用于光伏发电系统稳定控制的关键问题集中在超级电容器储能系统和光伏发电系统能量状态的描述、实时测量与计算以及超级电容器和光伏电网之间能量交换控制方法等方面。
发明内容
本发明用于克服现有技术的缺陷、提供一种能对光伏发电系统实施快速、准确能量补偿的、利用超级电容器储能系统调控光伏发电系统的方法。
本发明所称问题是以下述技术方案实现的:
一种利用超级电容器储能系统调控光伏发电系统的方法,它按如下步骤进行:
a. 将带有超级电容器组件、双向电能传输控制电路及控制系统的超级电容器储能系统接入光伏发电系统的电压中枢点;
c. 建立光伏发电系统的广义动量模型,选择光伏发电系统中枢点母线电压作为广义速度,光伏发电系统等效惯性参数为,光伏发电系统广义动量模型为,其中为折算系数,其计算公式为,为光伏发电系统中枢点母线标准电压;
本发明将两个能量体以物理学中广义动量描述体系有机联系在一起,从而使能量交换的控制过程更具操作性。它采用高储能密度、大功率、长寿命的超级电容器储能系统调控光伏发电系统,在建立超级电容器储能系统和光伏发电系统广义动量模型的基础上,通过实时检测光伏电网中枢点母线电压,计算电网动量的变化量,获得电网能量的不平衡程度,并实时控制超级电容器储能系统的补偿动量。当光伏电网中枢点电压因各种原因引起电压质量不满足要求时,利用超级电容器储能系统与光伏发电系统发生能量碰撞,通过碰撞使电网动量发生改变,从而使电网中枢点电压恢复到满足电能质量要求的水平。本发明不仅能实时计算电网能量的不平衡程度,对光伏发电系统进行快速、准确补偿,而且储能装置运行寿命长,对环境无污染。
附图说明
图1是本发明的原理框图;
图2是控制系统中控制程序流程图。
具体实施方式
本发明主要技术方案涉及:(1)超级电容器储能系统广义动量模型;(2)光伏发电系统广义动量模型;(3)采用超级电容器储能系统的光伏发电系统广义动量补偿控制方法。
1. 超级电容器储能系统广义动量模型
控制超级电容器储能系统在一定时间内与光伏发电系统发生能量交换,储能系统从一种运行状态变化到另一种运行状态,与之相互作用的电网因获得了能量或失去了能量其运行状态也会发生变化。我们将这一过程描述为:超级电容器储能系统与电网发生了能量碰撞,在碰撞过程中总的动量保持不变。实时测量超级电容器组件端电压的大小即可快速计算出超级电容器储能系统的瞬时动量以及一定时间内动量的变化量。
2. 光伏发电系统广义动量模型
光伏发电系统和常规发电系统不同,它没有较大惯性的旋转部件,自然环境因素及负荷扰动会引起光伏供电网电能质量下降,特别是光伏电源无法提供一个具有恒定电压特性的电能。对于一个独立运行的太阳能光伏发电系统,任何时刻的阳光照度变化或负载变化均可造成供电电压的较大变化,其抗扰动能力比较差。如果是一个中等容量的联网运行光伏发电系统,阳光照度的变化将引起所联电网调度困难,给电网稳定运行带来危害。如果能够将超级电容器储能系统接入这些光伏发电系统的电压中枢点,控制好中枢点母线电压质量即可实现全网电压质量的有效控制。
该发明选择光伏发电系统中枢点母线电压作为广义速度,它既能反映光伏发电系统的运行状态又可方便测量。基于广义速度的光伏发电系统能量函数用表示,等效惯性参数采用表示。主要由光伏电网的构成形式、设备参数以及电网的结线方式所决定。与之相应的光伏发电系统广义动量模型为
采用霍尔电压传感器和程序控制的微处理器可以实现光伏发电系统中枢点母线电压的实时测量,从而可以迅速地计算出光伏发电系统的瞬时动量以及一定时间内动量的变化量。
3. 采用超级电容器储能系统的光伏发电系统广义动量补偿控制方法
广义动量守恒理论为超级电容器储能系统与光伏发电系统之间的能量交换控制提供了可靠依据。当外界环境因素发生变化或负载发生变化时,可以认为光伏发电系统与外界发生了能量碰撞,系统原来的平衡状态发生了变化,其动量发生了改变,光伏发电系统的中枢点母线电压也发生了相应的变化,从而影响了供电电压质量。同样,当电网因短路、断路等原因引起电网网络结构突然发生变化时,等效惯性参数发生了变化,系统为维持其广义动量守恒,也必然发生相应的变化,可能超出允许供电电压范围。
为了提高电压质量,该发明提出采用超级电容器储能系统对光伏发电系统进行能量碰撞的方法,通过碰撞使光伏电网动量发生改变,使中枢点母线电压恢复到满足电能质量要求的水平。如果光伏电网电压降低,控制系统快速计算出电网动量缺乏量,同时计算出超级电容器组件输出等效大小的补偿动量需要降低的电压和时间并对超级电容器储能系统进行发电调节。若光伏电网电压升高,控制系统快速计算出电网动量突升量,同时计算出超级电容器组件获得等效大小的动量需要升高的电压和时间并对超级电容器储能系统进行储能调节。
参看图1,图中表示光伏发电系统的广义动量变化量,表示超级电容器储能系统的广义动量变化量。超级电容器储能系统主要包括储存能量用的超级电容器组件、双向电能传输控制电路和控制系统。双向电能传输控制电路和控制系统相结合,可以控制超级电容器储能系统工作在储能、发电或待机状态。控制系统主要包括霍尔电压传感器和程序控制的微处理器等,以实现光伏发电系统和超级电容器储能系统运行状态的计算、补偿动量的计算和对超级电容器储能系统运行状态的控制。
运行过程中,控制系统的程序流程如图2所示。控制系统实时检测光伏发电系统的中枢点母线电压和超级电容器组件端电压;当不满足供电质量要求时,根据小碰撞方法计算光伏发电系统的等效惯性参数和电网需要补偿的动量,实时控制超级电容器储能系统的运行状态,使之与光伏发电系统发生动量交换,控制电网中枢点母线电压运行在额定值附近,从而保证光伏发电系统的供电稳定性和电能质量。在控制系统的作用下,双向电能传输控制电路调节超级电容器组件灵活地运行在储能获得动量、发电释放动量或待机运行状态。由于超级电容器储能系统的动量变化过程完全可以控制,所以光伏电网的电压质量可以实现全程实时调节。
当外界环境发生变化或负载发生变化时,光伏发电系统原来的平衡状态发生了变化,其广义动量和中枢点母线电压均发生了改变,影响了供电电压质量。霍尔电压传感器实时检测光伏发电系统的中枢点母线电压和超级电容器储能系统的运行状态参数,微处理根据这些信息快速计算出光伏发电系统需要补偿的动量和超级电容器储能系统的动量状态,并计算出超级电容器动量变化控制规律,实时调节储能装置向光伏电网注入适当的补偿动量,使电网中枢点母线电压恢复到额定电压附近。
当电网因短路、断路等原因引起电网网络结构突然发生变化时,系统为维持其广义动量守恒,也会发生相应的变化而影响供电电压质量。此时,控制系统同样根据图2中补偿动量计算结果实时调整超级电容器储能系统的运行状态,向电网注入适当的补偿动量,使电网中枢点母线电压恢复到额定电压附近。
由此可见,无论光伏发电系统受到外部干扰还是内部网络变化扰动影响,超级电容器储能系统均可实时地向光伏发电系统提供合适的补偿动量,对光伏发电系统供电电压进行快速、准确地调节。该方法解决了光伏发电系统运行状态与能量状态之间数学关系难以建立的问题,实现了超级电容器储能系统与光伏发电系统能量状态的合理描述、实时计算和能量交换全程控制。
Claims (1)
1.一种利用超级电容器储能系统调控光伏发电系统的方法,其特征在于,它按如下步骤进行:
a. 将带有超级电容器组件、双向电能传输控制电路及控制系统的超级电容器储能系统接入光伏发电系统的电压中枢点;
c. 建立光伏发电系统的广义动量模型,选择光伏发电系统中枢点母线电压作为广义速度,光伏发电系统等效惯性参数为,光伏发电系统广义动量模型为,其中为折算系数,其计算公式为,为光伏发电系统中枢点母线标准电压;
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