CN102510086A - 多象限光伏储能、逆变一体化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种多象限光伏储能、逆变一体化装置，包括光伏电池能量变换装置、储能电池双向能量变换装置和直流母线能量双向变换装置等组成。通过基于母线电压变化的一体化能量调度软件，实现多象限光伏、储能、逆变一体化的多功率流向功能。
Description
技术领域
本发明属于光伏并网控制技术领域，涉及多象限光伏储能、逆变一体化装置。
背景技术
太阳能等资源所固有的随机性和间歇性，决定了新能源规模化发展必然会对电网安全稳定运行带来显著影响，必须有先进的储能逆变一体化技术作支撑。储能逆变一体化技术在很大程度上解决了新能源发电的随机性、波动性问题，可以实现新能源发电的平滑输出，能有效调节新能源发电引起的电网电压、频率及相位的变化，使太阳能发电方便、可靠地并入常规电网。
国内已投入运行的光伏并网系统大部分都没有储能逆变一体化设计。随着我国投建光伏电站规模的扩大，其对电网造成的电能质量的影响及功率波动等问题将更加突出。为了提高电网对光伏发电系统的接纳能力，增强电网的兼容性，在光伏并网系统采用光伏储能逆变器一体化设计成为必然趋势。
目前，现有技术的储能系统并入光伏并网系统主要有交流侧并入和直流侧并入两种方式。
1.1、交流侧并入
从交流侧接入是将储能经逆变器接于光伏并网系统的交流侧，其原理图如图1所示。储能系统和光伏组件分别经并网逆变器接于系统交流侧，通过在交流侧统一调度和控制，以平滑光伏组件的输出，并将电能安全稳定的送入电网。
在交流侧连接方式下，光伏组件不能直接为储能系统充电，降低了光伏的利用率和储能系统的灵活性。
2.2、直流侧并入
从直流侧接入是指储能经光伏控制器接于系统直流侧，再经逆变器并入电网，其原理图如图2所示。光伏组件将电能存入储能系统，通过储能装置将电能稳定的送入电网。
光伏组件经光伏控制器，转换成稳定电能为储能系统充电，并以可控功率按需送入电网。这种接入方式主要针对电化学储能，具有更高的灵活性，储能系统对系统输出功率的平滑作用由储能的接入比例决定，其所需电池的容量较低，不需要复杂的控制。
直流侧连接方式由于光伏组件通过控制器和蓄电池连接，提高了储能系统的灵活性，但影响了光伏组件的最大工作点的工作效率。
发明内容
本发明针对现有光伏储能逆变一体化技术的不足，创新的提出了多象限光伏-储能逆变一体化装置。储能逆变一体化装置是基于多向限工作、多功率流向的一体化并网光伏发电装置。此装置通过直流母线功率并联的方式，将光伏能源与储能装置协调控制，灵活、高效的解决了光伏等新能源的不稳定性与高质量并网需求之间的矛盾。同时解决了光伏组件全天候应用等难题并兼顾了对接入点的有功功率和无功功率进行调节的多象限运行方式和灵活的实时调度功能，对提高系统的运行稳定性、提高供电的电能质量有着积极的作用。
本发明提供了一种多象限光伏储能、逆变一体化装置。系统功能框图如附图3所示，该一体化由光伏电池能量变换装置、储能电池双向能量变换装置和直流母线能量双向变换装置等装置组成，这三部分由内部直流母线互联在一起，实现多源协调控制，组合多种能源的输出模式，有效提高了光伏组件的弱光能量利用率和改善光伏能源的并网电能质量。，框图内功能模块为储能、逆变一体化装置中主要功能模块。
所述光伏电池能量变换装置包括：光伏电池电压采样电路、电流采样电路、桥式IGBT桥式模组和PWM控制板；
所述储能电池双向能量变换装置包括：储能电池管理控制器、桥式IGBT功率电路和PWM控制器；
所述直流母线能量双向变换装置包括：桥式IGBT模块、电压采样、电流采样电路和SPWM控制电路；
所述基于母线电压变化的一体化调度控制软件包括对上述实现光伏电池能量变换装置、储能电池双向能量变换装置、直流母线能量双向变换装置的三个装置之间的协调控制策略；
所述协调控制策略包括：当阳光较强时，光伏电池能量变换装置通过升压变换给直流母线提供稳定的直流电流，直流母线能量双向变换装置正向向电网输出同频、同相的交流电力；在满功率发电时，储能电池双向能量变换装置处于待机或浮充状态；在部分功率发电时，此时，光伏电池的一部分能量通过储能电池双向能量变换装置给储能电池充电；当阳光较弱时，储能电池双向变换装置正向变换和光伏电池能量变换装置一起维持直流母线电压稳定，以实现稳定的并网交流电力；在夜间无阳光时，光伏电池能量变换装置停止工作，直流母线能量双向变换装置反向从交流电网变换直流，以维持直流母线电压，储能电池双向能量变换装置反向从直流母线给储能电池充电；充满后，系统处于待机状态；同时，也有储能电池双向变换器单独给直流母线电压维持稳定，通过直流母线能量双向变换装置向交流电网输送同频、同相的交流电力；
所述光伏电池能量变换装置、储能电池双向能量变换装置通过内部直流母线进行互连，上述三个装置之间通过高效、稳定的CAN总线互连，直流母线能量双向变换装置将直流母线的能量适时的并入电网或将电网能量转换到直流母线上，以维持直流母线电压。
光伏储能逆变一体化的拓扑结构如附图4所示，PV光伏组件通过第五部分的直流H桥的左臂桥同步BOOST变换，实现MPPT最大功率点跟踪变换，以维持母线电压稳定，直流H桥的右臂桥同步BUCK-BOOST变换，同步BOOST变换实现储能电池的稳定升压功能，在多源协调控制策略下稳定母线电压，同步BUCK变换实现储能电池智能化充电，第十部分的交流H桥变换器，在协调控制策略下正向功率流将直流母线能量逆变位与电网同频、同相的交流，反向变换时，将电网交流可控整流为高功率因数的直流电压，以提供电池充电的直流母线电压稳定。
本发明的有益效果是：
1、依据本发明的装置具有全天候工作效应；
2、依据本发明的装置具有光伏组件工作效率最大化；
3、依据本发明的装置具有多象限、多工作模式；
4、依据本发明的装置具有并网能量稳定的优点；
5、依据本发明的装置具有对电网系统进行削峰填谷的功能；
6、依据本发明的装置具有拓扑结构简洁，工作效率高的优点；
7、依据本发明的装置具有对发电时间和容量灵活调度的优点。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1示出了依据本发明的装置的交流侧并入方式原理图。
图2示出了依据本发明的装置的直流侧并入方式原理图。
图3示出了依据本发明的装置的系统功能框图。
图4示出了依据本发明的装置的光伏储能逆变一体化的拓扑结构图。
图5示出了依据本发明的装置的模式1工作的结构示意图。
图6示出了依据本发明的装置的模式2工作的结构示意图。
图7示出了依据本发明的装置的模式3工作的结构示意图。
图8示出了依据本发明的装置的模式4工作的结构示意图。
图9示出了依据本发明的装置的模式5工作的结构示意图。
图10示出了依据本发明的装置的光照利用-输出功率效果图。
图4-图9中，1-光伏阵列，2-直流断路器1，3-直流电容，4-电感1，5-直流H桥，6-电感2，7-直流断路器2，8-储能部件，9-直流支撑电容，10-逆变H桥，11-滤波单元，12-隔离变压器，13-交流断路器，14-电网，15-采样、控制单元。
具体实施方式
下面结合实施例对依据本发明的装置的光伏储能逆变一体化系统工作原理和过程进行详细描述：
模式1：仅光伏能量并网
光伏阵列的输出能源满足调度并网能源时，电感L1和Q1、Q2构成的升压电路完成MPPT功能，将PV光伏产生的全时间段能量提升到母线电压上，母线支撑能量通过交流H桥向电网供电。通过调整交流H桥的并网电流与电网电压的相位角及控制环节的参数来实现有功功率、无功功率的控制，根据调度指令实时调节有功、无功功率。能量流如图5红线所示。
模式2：光伏能量和储能系统共同并网
光伏阵列的输出能源不能满足调度并网能源，特别是早晚或阴天的弱光时，电感L1、直流H桥构成的升压电路完成MPPT功能，此时储能电池通过L2、直流H桥构成升压工作模式完成不足能量的补偿，母线支撑能量通过交流H桥向电网供电，并实时调节有功、无功功率。能量流如图6红线所示.
模式3：光伏能量提供储能系统和并网能量
光伏阵列的输出能源大于满足调度并网能源时，电感L1和直流H桥构成的升压电路完成MPPT功能，此时储能电池通过L2、直流H桥构成降压工作模式完成对储能电池能量的补偿，母线支撑电压通过交流H桥向电网输出设定期望的能量。能量流如图7红线所示
模式4：电网向储能系统馈送能量
电网通过交流H桥工作可控整流模式，向储能电池通过L2、直流H桥构成降压工作模式完成对储能电池能量的补偿，实现电网削峰的功能。能量流如图8红线所示
模式5：储能系统向电网提供能量
储能电池通过L2、直流H桥构成升压工作模式完成对母线电压支撑功能，通过交流逆变桥向电网馈送能量。实现对市电的填谷功能。能量流如图9红线所示。
该发明涉及到光伏储能、逆变一体化装置所获得的光照利用-输出功率效果图，如图10所示，满功率发电时，绿色的部分是现有光伏逆变系统所不能收集的能量。矩形面积为逆变器输出的稳定功率，黄色的部分为储能部分补充的能量。
部分功率发电时，图中蓝色的部分是转移到蓄电池中的能量。如图10所示。
此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。
Claims (1)
1.一种多象限光伏储能、逆变一体化装置，其特征在于包括实现光伏电池能量变换装置、储能电池双向能量变换装置、直流母线能量双向变换装置、和基于母线电压变化的一体化调度控制软件，从而实现多功率流向控制；
所述光伏电池能量变换装置包括：光伏电池电压采样电路、电流采样电路、桥式IGBT桥式模组和PWM控制板；
所述储能电池双向能量变换装置包括：储能电池管理控制器、桥式IGBT功率电路和PWM控制器；
所述直流母线能量双向变换装置包括：桥式IGBT模块、电压采样、电流采样电路和SPWM控制电路；
所述基于母线电压变化的一体化调度控制软件包括对上述实现光伏电池能量变换装置、储能电池双向能量变换装置、直流母线能量双向变换装置的三个装置之间的协调控制策略；
所述协调控制策略包括：当阳光较强时，光伏电池能量变换装置通过升压变换给直流母线提供稳定的直流电流，直流母线能量双向变换装置正向向电网输出同频、同相的交流电力；在满功率发电时，储能电池双向能量变换装置处于待机或浮充状态；在部分功率发电时，此时，光伏电池的一部分能量通过储能电池双向能量变换装置给储能电池充电；当阳光较弱时，储能电池双向变换装置正向变换和光伏电池能量变换装置一起维持直流母线电压稳定，以实现稳定的并网交流电力；在夜间无阳光时，光伏电池能量变换装置停止工作，直流母线能量双向变换装置反向从交流电网变换直流，以维持直流母线电压，储能电池双向能量变换装置反向从直流母线给储能电池充电；充满后，系统处于待机状态；同时，也有储能电池双向变换器单独给直流母线电压维持稳定，通过直流母线能量双向变换装置向交流电网输送同频、同相的交流电力；
所述光伏电池能量变换装置、储能电池双向能量变换装置通过内部直流母线进行互连，上述三个装置之间通过高效、稳定的CAN总线互连，直流母线能量双向变换装置将直流母线的能量适时的并入电网或将电网能量转换到直流母线上，以维持直流母线电压。
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Legal Events
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Effective date of registration: 20130809 Address after: 102200 Beijing city Changping District South Shao Zhen Nan Road No. 16 Applicant after: China Electric Prime Technology Co., Ltd. Applicant after: China Electric Power Research Institute Applicant after: State Grid Corporation of China Address before: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15 Applicant before: China Electric Prime Technology Co., Ltd. Applicant before: China Electric Power Research Institute |
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Granted publication date: 20150610 Termination date: 20181118 |