CN102969731B - 一种分布式光伏储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光伏储能系统，其特征在于，包括：储能单元和监控单元；其储能单元包括了能够实现交流电和直流电转换的双向逆变器，能够存储电能的电池堆以及对电池堆进行管理的电池管理系统。本发明技术方案能够解决现有分布式发电系统的间歇性和不确定性问题以及降低接入时会对大电网产生的不良影响，能够提高电网的可靠性、稳定性与供电质量。

Description

一种分布式光伏储能系统

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种分布式光伏储能系统。

背景技术

安全、优质、经济、可靠是对电力系统的基本要求，同时也是未来电网中的发展目标。随着全球经济和科学技术的发展，电力系统的运行和需求正在发生巨大的变化，主要问题有：

(1)电力负荷峰谷差增大，系统装机容量难以满足峰值负荷的需求，导致电网在负荷高峰时拉闸限电，而低谷时，要停掉很多机组，机组频繁启停不仅增加能耗，而且影响机组寿命，使电力设备平均利用时间下降、发电效率下降、经济效益降低。

(2)大量非线性负载，对供电系统造成很大的谐波污染，复杂大电网受到扰动后的安全稳定性问题日益突出。

(3)各种新的用电设备在人们日常生产、生活中得到广泛的应用，电网中敏感负荷不断的增加，用户对电能质量和供电可靠性的要求越来越高。

(4)必须考虑环境保护和国家政策因素对电力系统发展的影晌。

为了提高配电网的供电可靠性和电能质量，柔性配电技术的研究逐渐深入，电能存储技术在近年来得到了迅速的发展。储能技术把发电与用电从时间和空间上分隔开来，发电不再是即时传输，用电和发电也不再实时平衡，这将影响传统电网的规划、运行和控制。

智能电网是未来电网的发展趋势，其特征是自愈、兼容、交互、协调、高效、优质、集成。智能电网通常采用新能源分布式发电系统。考虑到新能源分布式发电系统的特殊性，如间歇性、不确定性以及接入时对大电网产生的不良影响，需要引入储能系统技术来提高电网的可靠性、稳定性与供电质量，通过平滑负荷使电力设备得到更好的利用，降低线路损耗。储能技术是实现智能电网能量双向互动的中枢和纽带。

发明内容

本发明实施例提供一种分布式光伏储能系统，以提高电网的可靠性、稳定性与供电质量。

一种分布式光伏储能系统，其特征在于，包括：储能单元和监控单元；

所述监控单元，与电网调度系统连接，用于接受电网调度系统发出的调度指令，将所述调度指令下发给储能单元；

所述储能单元包括：

双向逆变器，用于根据所述监控单元下发的调度指令，在光伏发电系统并网输出交流电给供电网络时，切换为并网模式，将输入的交流电转换为直流电输出给电池堆，在光伏发电系统停止输出交流电给供电网络时，切换为孤岛模式，将电池堆输出的直流电转换为交流电输出给供电网络；

电池堆，用于存储双向逆变器输出的直流电，或者，将自身存储的直流电输出给并网逆变器；

电池管理系统，用于检测电池堆的运行状态，并根据检测数据对电池堆进行保护和管理。

本发明实施例提供的分布式光伏储能系统，由储能单元和监控单元组成，其储能单元包括了能够实现交流电和直流电转换的双向逆变器，能够存储电能的电池堆以及对电池堆进行管理的电池管理系统，该分布式光伏储能系统间能够解决现有分布式发电系统的间歇性和不确定性问题以及降低接入时会对大电网产生的不良影响，能够提高电网的可靠性、稳定性与供电质量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的布式光伏储能系统的逻辑结构示意图；

图2是分布式光伏储能系统，与光伏发电系统和供电网络的连接示意图；

图3是双向逆变器的主要电路结构图；

图4是双向逆变器充/放电控制系统中双环控制结构的示意图；

图5是双向逆变器孤岛模式运行的控制框图；

图6是双向逆变器的控制电路框图。

具体实施方式

本发明实施例提供的分布式光伏储能系统，是整个光伏项目的一部分，光伏项目总体包括：光伏发电系统，分布式光伏储能系统，和其它必要组件，例如，防雷汇流箱、环境气象站、线槽、交流配电柜、配套电缆及通讯及监控系统等。通讯及监控系统由质量可靠的工控PC机、数据采集器、传输光纤及其他相关附件组成。

所述的光伏发电系统，以额定容量为40KWp的光伏发电系统为例，该系统由两部分组成，第一部分是20KWp单晶光伏组件组成的单晶阵列发电系统；第二部分是20KWp多晶光伏组件组成的多晶阵列发电系统。

其中，光伏组件为单晶电池时，效率为15.85％，参数如表1所示：

表1

光伏组件为多晶电池时，效率为15.54％，参数如表2所示：

表2

所述的分布式光伏储能系统，是本发明的关键，如图1所示，该系统包括储能单元110和监控单元120；

所述监控单元120，与电网调度系统连接，用于接受电网调度系统发出的调度指令，将所述调度指令下发给储能单元110；

所述储能单元110包括：

双向逆变器(PCS)1101，用于根据所述监控单元下发的调度指令，在光伏发电系统并网输出交流电给供电网络时，切换为并网模式，将输入的交流电转换为直流电输出给电池堆，在光伏发电系统停止输出交流电给供电网络时，切换为孤岛模式，将电池堆输出的直流电转换为交流电输出给供电网络；

电池堆(BP)1102，用于存储双向逆变器输出的直流电，或者，将自身存储的直流电输出给并网逆变器；

电池管理系统(BMS)1103，用于检测电池堆的运行状态，并根据检测数据对电池堆进行保护和管理。

该分布式光伏储能系统，与光伏发电系统和供电网络的连接示意图，如图2所示，图中，供电网络用AC380伏母线表示，光伏发电系统的PV多晶阵列和PV单晶阵列分别通过PV逆变器与供电网络连接。

下面，对分布式光伏储能系统的各个组件做进一步详细的描述。

一、电池堆

电池堆(BP)是实现电能存储和释放的载体，本文中将电池堆的集成过程统一为：电芯(cell)——电池模块——电池串(BS)——电池堆(BP)。其中，电芯是组成磷酸铁锂电池最小电化学单元，通常，磷酸铁锂电池由很多电芯通过串并连接组成，电池模块一般就是指大容量的磷酸铁锂电池，电池串一般指一组磷酸铁锂电池串联，均衡性是衡量电池阵列指标重要参数，均衡性及系统储能电压等参数都与电池串密切相关，电池堆一般指的是MW级别的、由很多的电池串并联组成磷酸铁锂电池储能阵列。

电池堆集成的环节，又称为电池的组成设计，基本原则归纳如下：

1、单元电池中电芯的并联数一方面取决于电芯的额定数量，另一方面取决于电池连接的安全可靠性。为避免单元电池的均流控制问题，在满足大容量电芯可靠性和安全性的前提下，应尽量减少电芯的并联数。鉴于铁锂电池产品的材料和制造工艺，一般采用单体为200Ah以下的铁锂电池作为电芯。

2、电池模块中单元电池的串联数以方便管理和更换为原则，同时结合BMU的接口数目进行设计。电池模块以8、10或12个单元电池串联为主。

3、电池模块(Block)的串联数应参照PCS工作电压范围设计，但考虑到串联连接对电池容量的一致性要求较高，因此在满足工作电压范围的前提下，模块的串联数应尽量减少。

4、电池堆中电池串的并联数量取决于储能系统的总容量、冗余度和运行模式。

二、电池管理系统

电池管理系统(BMS)用于检测电池堆的运行状态，并根据检测数据对电池堆进行保护和管理，是用于监测、评估及保护电池运行状态的电子设备集合，具备监测功能、运行报警功能、保护功能、自诊断功能、均衡管理功能、参数管理功能和本地运行状态显示功能等。

电池管理系统分两级结构，即电池管理单元(BMU)和电池管理系统(BMS)。BMU采集电池模块中各单元电池的电压和温度；BMS收集一个串联支路中全部BMU信息，同时检测本电流串的电流，并实现各种保护措施。电池串的均衡管理也分两级结构，BMU可实现电池模块中单元电池之间的均衡，BMS在各电池模块之间进行均衡，从而实现电池串内所有单元电池之间的均衡管理。

三、双向逆变器

双向逆变器的主要电路的结构如图3所示。

双向逆变器的核心结构包括PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)三相IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)全桥变换器，该三相IGBT全桥变换器能够进行AC/DC变换和DC/AC变换。

所述双向逆变器还包括直流滤波单元(C5，L1，C4)，该直流滤波单元能够对双向逆变器的输出进行滤波。直流滤波单元在PCS进行PWM整流工作时对输出进行滤波，有效减少输入电池的纹波电流和纹波电压，同时在PCS进行逆变输出时，减少开关频率脉冲电流对电池的影响，起到双重滤波作用

所述双向逆变器还包括隔离变压器，该隔离变压器起隔离和电压匹配作用，同时也可起到交流滤波器的作用。在隔离变压器设计时，可将一定的漏感设计其中，如图3中Ld，使其和滤波电容C1～C3组成交流滤波单元，从而有效减小PCS的体积，使系统更简单。

所述双向逆变器还包括交流接触器(KM1，KM2)，该交流接触器用于双向逆变器工作在孤岛模式时，将关键负荷与供电网络隔开，防止电网电压突然恢复对系统造成冲击。

下面介绍双向逆变器的控制方法：

电池充电要求直流电流或直流电压恒定，而在电池放电时，一般要求直流电流恒流放电。因此在PCS充/放电控制系统设计中，一般采用双环控制，即直流电压(或电流)外环和交流电流内环，如图4所示：

直流电压(或电流)外环的目是维持直流电压(或电流)恒定，为实现直流电压的稳态无差，外环可采用PI调节器。对于内环，其作用主要是按直流电压(或电流)外环输出的电流指令进行电流控制，可实现单位功率因数正弦波电流控制，具体方法为由外环调节器输出的指令电流值与实际检测的电网电流作差求其偏差值，然后再经由电流内环控制器和电网电压锁相环信号得到网侧输出电压指令信号，其中id为PWM变换器输出三相电流ia，ib，ic经过Park变换后的有功电流。

当供电网络断电时，PCS首先断开图3中的交流接触器KM1，将交流输出与供电网络隔离开，然后开始孤岛模式运行，其控制框图如图5所示，孤岛模式运行控制目标是在不同的输出负载情况下，均能保持输出交流电压稳定。因此孤岛模式运行控制也采用双环结构，外环为输出交流电压有效值环，目的是保持输出交流电压的稳定。内环为输出交流电压瞬时值环，目的是保证输出交流电压具有很好的动态性能具体方法为外环的给定交流电压有效值与反馈交流电压有效值差值输出进行PI积分控制，可有效减小输出的静态误差，外环PI输出后与正弦信号相乘，做为内环输出电压瞬时值的给定，与交流电压瞬时值反馈做差值比较，然后经过比列放大，作为PWM发生器的输入。图5中Uip为偏磁分量，可防止输出电流偏磁，造成输出变压器饱和，其值为输出交流电流做平均值后，再换算成偏值电压。

下面继续介绍双向逆变器的控制电路：

PCS控制电路框图如图6所示，控制电路采用双DSP(digitalsignalprocessor，一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件)+FPGA(Field-ProgrammableGateArray，现场可编程门阵列)的结构。DSP具体可为TMS320C2812，主频达到150MHz，具有PWM事件管理器。控制电路分控制侧和逻辑侧，控制侧由DSP1负责，主要实现控制算法和脉冲输出，关键的保护信号输入；逻辑侧由DSP2负责，主要完成A/D采集，对外通信，开入开出等。DSP1和DSP2通过双口RAM(randomaccessmemory，随机存储器)交换信息，同时对外的A/D，PWM输出，开入开出等都可以通过FPGA进行灵活分配，即A/D采集既可由DSP1采集，也可由DSP2采集，只需根据系统需要配置FPGA即可。

假设供电网络来电时，PCS为孤岛模式运行，即离网运行，若需要切换到并网模式运行，则通过DSP控制：停止目前孤岛运行方式，并进行并网前检测，检测判断符合并网条件后并网，使KM1/KM2吸合。

下面对监控单元做进一步介绍：

监控单元是整个储能系统的高级控制中枢，负责监控整个系统的运行状态，保证储能系统处于最优的工作状态。储能监控是连接电网调度和分布式光伏储能系统的桥梁，起到上传下达的作用：一方面接受电网调度系统发出的调度指令，另一方面把电网调度指令下发给储能单元，分配至各个储能支路，同时监控整个系统的运行状态，分析运行数据，确保系统处于良好的工作状态。

实际应用中，要根据应用场合和作用，合理的进行电池储能系统的容量配置和选型；通过合理的电池组成设计方法及电池管理系统配置实现系统安全、高效运行；为提高电池堆的运行效率，使用寿命和可靠性，配置合理结构、容量的PCS，采用相应的控制策略。

综上，本发明实施例提供了一种分布式光伏储能系统，该系统由储能单元和监控单元组成，其储能单元包括了能够实现交流电和直流电转换的双向逆变器，能够存储电能的电池堆以及对电池堆进行管理的电池管理系统，该分布式光伏储能系统间能够解决现有分布式发电系统的间歇性和不确定性问题以及降低接入时会对大电网产生的不良影响，能够提高电网的可靠性、稳定性与供电质量。

以上对本发明实施例所提供的分布式光伏储能系统进行了详细介绍，但以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，不应理解为对本发明的限制。本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种分布式光伏储能系统，其特征在于，包括：储能单元和监控单元；

所述监控单元，与电网调度系统连接，用于接受电网调度系统发出的调度指令，将所述调度指令下发给储能单元；

所述储能单元包括：

双向逆变器，用于根据所述监控单元下发的调度指令，在光伏发电系统并网输出交流电给供电网络时，切换为并网模式，将输入的交流电转换为直流电输出给电池堆，在光伏发电系统停止输出交流电给供电网络时，切换为孤岛模式，将电池堆输出的直流电转换为交流电输出给供电网络；

电池堆，用于存储双向逆变器输出的直流电，或者，将自身存储的直流电输出给并网逆变器；

电池管理系统，用于检测电池堆的运行状态，并根据检测数据对电池堆进行保护和管理；所述电池管理系统包括电池管理单元，所述电池管理单元用于采集所述电池堆中各单元电池的电压和温度；

所述电池堆是由很多的电池串并联组成的磷酸铁锂电池储能阵列，所述电池串指包括一组串联的磷酸铁锂电池，所述磷酸铁锂电池由很多电芯通过串并连接组成，所述电芯是单体为200Ah以下的铁锂电池；

所述双向逆变器包括三相IGBT全桥变换器，该三相IGBT全桥变换器能够进行AC/DC变换和DC/AC变换；

所述双向逆变器包括直流滤波单元，该直流滤波单元能够对双向逆变器的输出进行滤波；

所述双向逆变器包括隔离变压器，该隔离变压器起隔离和电压匹配作用；所述隔离变压器设计有一定的漏感Ld，所述漏感Ld和滤波电容组成交流滤波单元；

所述双向逆变器包括交流接触器，该交流接触器用于双向逆变器工作在孤岛模式时，将关键负荷与供电网络隔开；

所述双向逆变器包括微处理器DSP和现场可编程门阵列FPGA，用来实现在并网模式和孤岛模式之间的切换；

所述双向逆变器在充/放电控制中采用双环控制，包括：直流电压或电流外环，交流电流内环；所述直流电压或电流外环用于维持直流电压或电流恒定，所述交流电流内环用于按所述直流电压或电流外环输出的电流指令进行电流控制；

当供电网络断电时，所述双向逆变器首先断开交流接触器，将交流输出与供电网络隔离开，然后开始孤岛模式运行；孤岛模式运行控制采用双环结构，外环为输出交流电压有效值环，用于保持输出交流电压的稳定；内环为输出交流电压瞬时值环，用于保证输出交流电压的动态性能。