CN103199564A - 一种智能电网分布自给式光伏供电系统 - Google Patents

一种智能电网分布自给式光伏供电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种智能电网分布自给式光伏供电系统,包括中央控制器、DC/DC直流斩波电路、电力调配电路、DC/AC双向逆变电路、孤岛检测电路和储能器,中央控制器对实时采集的数据,通过分析计算,对DC/DC直流斩波电路、电力调配电路、DC/AC双向逆变电路、孤岛检测电路和储能器进行控制,实现了并/离网的无缝切换,确保了公用电网正常时并网模式运行,掉电时系统能快速自动脱网、离网模式运行,实现了可接受公共电网对系统的远程调度、系统和电网间的功率交互、负载的错峰用电和系统的经济运行,改善了供电质量、保证了负载用电的安全性和可靠性,提高了系统的自发自用率,减少了光伏发电出力的间歇性和波动性对电网的冲击。

Description

—种智能电网分布自给式光伏供电系统
技术领域
[0001] 本发明涉及光伏供电技术领域,更具体地说,涉及一种智能电网分布自给式光伏供电系统。
背景技术
[0002] 能源是经济社会发展的基础,同时也是影响经济社会发展的主要因素。随着经济社会的发展,人们使用能源特别是化石能源越来越多,能源对经济社会发展的制约日益突出,对赖以生存的自然环境的影响也越来越大,而化石能源最终将消耗殆尽。因此,提高能源利用效率、调整能源结构、开发和利用可再生能源将是能源发展的必然选择。
[0003]目前,随着光伏发电技术的迅速进步,相关制造产业和开发利用规模逐渐扩大,光伏组件及相关设备成本大幅度下降,使光伏发电成本大幅度降低,在广大城镇和农村的各种建筑物和公共设施上推广自给式光伏供电系统成为可能。特别在用电价格较高的中东部地区,自给式光伏发电已经具有较好的经济性,具备较大规模应用的条件。
[0004] 然而,民用太阳能电池的产品用于出口的比例比较高,国内居民自用光伏供电系统应用水平较低、规模小,光伏供电系统在无电地区使用才有经济效益;大型光伏供电系统已有发展,但输电、储电仍存在弊端。分布式发电通过家庭、企业和公共建筑“自发自用为主,多余电量上网”的模式,免去大型电站因为电网集中接入和长距离输送存在的并网难问题,有利于光伏发电快速大规模应用。因此,开发分布自给式光伏供电系统,对于推广“分散开发,就近利用”的优势有着重要意义。
[0005]目前,小型光伏供电系统仍以离网发电系统为主,我国主要应用于西藏、青海、新疆等无电地区,国际上也是主要应用于非洲、东南亚和拉美等电气化水平较低的地区,解决无电地区居民的基本生活用电问题,小型离网光伏供电系统已比较成熟。我国中东部地区是用电主要地区,用电价格比较高,且峰谷差价较大,传统的小型离网光伏供电系统不适用于电网较发达的中东部地区,同时国际上欧美、日本等经济发达国家电气化水平高,随着光伏等新能源发电占比不断增高,新能源发电的间歇性、随机性、波动性特性对公共电网的冲击已逐步显现,所以开发具有并/离网无缝切换功能、通过储能器实现多工作模式的自给式光伏供电系统,一则可改善系统供电质量、提升自给率、扩大电网可承受的光伏发电装机量,再则可实施消峰平谷扩大电网容量、提高系统运行经济性。
发明内容
[0006] 有鉴于此,本发明提供一种智能电网分布自给式光伏供电系统,能够接受公共电网对系统的远程调度,实现系统和电网间的功率交互、负载的错峰用电和系统的经济运行,提高系统自发自用率、降低供电成本、改善供电质量、减少对电网的冲击、提高公共电网可承受的新能源穿透率。
[0007] 为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:一种智能电网分布自给式光伏供电系统,包括:中央控制器、DC/DC直流斩波电路、电力调配电路、DC/AC双向逆变电路、孤岛检测电路和储能器;其中:
[0008] 所述DC/DC直流斩波电路、电力调配电路、DC/AC双向逆变电路和孤岛检测电路依次连接;所述DC/DC直流斩波电路还与光伏组件连接;所述电力调配电路还分别与所述储能器和直流负载连接;所述DC/AC双向逆变电路还与交流负载连接;所述孤岛检测电路还与公用电网连接;
[0009] 所述中央控制器通过通讯总线分别与所述DC/DC直流斩波电路、电力调配电路、DC/AC双向逆变电路、孤岛检测电路和储能器连接,根据实时采集的数据信息,对所述DC/DC直流斩波电路、电力调配电路、DC/AC双向逆变电路、孤岛检测电路和储能器进行控制。
[0010] 优选地,所述实时采集的数据信息包括:光伏组件的发电功率、交流负载和直流负载的用电负荷功率、储能器储能量信息和公用电网状态信息。
[0011] 优选地,所述DC/DC直流斩波电路采用变步长寻优控制策略及模糊PID控制算法对开关管进行导通、关断控制,实时跟踪所述光伏组件的最大功率。
[0012] 优选地,所述电力调配电路,通过所述中央控制器根据光伏组发电功率、用电负荷功率和储能器储能量信息生成的控制信号,对储能器充放电状态、光伏组发电电流流向以及负荷供电优先级进行控制。
[0013] 优选地,所述DC/AC双向逆变电路,采用电压外环、电流内环的控制策略,利用三相PWM调制方法,对功率因数进行校正,并根据公用电网的电压和电流信息实现并网。
[0014] 优选地,所述孤岛检测电路通过主动和被动孤岛检测,在公用电网断电时,离网模式运行向负载供电。
[0015] 优选地,所述储能器包括:充放电控制单元、储能电池管理单元和储能电池;其中:
[0016] 所述充放电控制单元分别与所述储能电池管理单元和储能电池连接;
[0017] 所述储能电池管理单元与所述储能电池连接;
[0018] 所述充放电控制单元对储能电池的充电和放电进行控制,对过充、过放、过流和短路进行保护告警,并将告警信息发送至所述中央控制器;
[0019] 所述电池管理单元监测所述储能电池的电压、电流、荷电状态和将抗状态,并将状态信息发送至所述中央控制器和充放电控制单元。
[0020] 优选地,所述系统还包括连接在所述孤岛检测电路和公用电网之间的双向计量智能电表。
[0021] 优选地,所述系统还包括与所述中央控制器连接的电力调度子控制器。
[0022] 从上述的技术方案可以看出,本发明公开的一种智能电网分布自给式光伏供电系统,通过中央控制器实时采集数据信息,并根据实时采集的数据信息,对DC/DC直流斩波电路、电力调配电路、DC/AC双向逆变电路、孤岛检测电路和储能器进行控制,能够实现并/离网的无缝切换,确保了公用电网正常时并网模式运行,掉电时系统能快速自动脱网、离网模式运行,实现了可接受公共电网对系统的远程调度、系统和电网间的功率交互、负载的错峰用电和系统的经济运行,改善了供电质量、保证了负载用电的安全性和可靠性,提高了系统的自发自用率,减少了光伏发电出力的间歇性和波动性对电网的冲击,提高了公共电网可承受的光伏发电穿透率,有助于扩大分布式光伏发电装机量。附图说明
[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显见下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024] 图1为本发明实施例公开的一种智能电网分布自给式光伏供电系统结构示意图;
[0025] 图2为本发明另一实施例公开的一种智能电网分布自给式光伏供电系统结构示意图。
具体实施方式
[0026] 下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0027] 本发明实施例公开了一种智能电网分布自给式光伏供电系统,能够接受公共电网对系统的远程调度,实现系统和电网间的功率交互、负载的错峰用电和系统的经济运行,提高系统自发自用率、降低供电成本、改善供电质量、减少对电网的冲击、提高公共电网可承受的新能源穿透率。
[0028] 如图1所不,一种智能电网分布自给式光伏供电系统,包括:中央控制器、DC/DC直流斩波电路、电力调配电路、DC/AC双向逆变电路、孤岛检测电路和储能器;其中:
[0029] DC/DC直流斩波电路、电力调配电路、DC/AC双向逆变电路和孤岛检测电路依次连接;DC/DC直流斩波电路还与光伏组件连接;电力调配电路还分别与储能器和直流负载连接;DC/AC双向逆变电路还与交流负载连接;孤岛检测电路还与公用电网连接;
[0030] 中央控制器通过通讯总线分别与DC/DC直流斩波电路、电力调配电路、DC/AC双向逆变电路、孤岛检测电路和储能器连接,根据实时采集的数据信息,对DC/DC直流斩波电路、电力调配电路、DC/AC双向逆变电路、孤岛检测电路和储能器进行控制。
[0031] 具体的,中央控制器实时采集的数据信息包括:光伏组件的发电功率、交流负载和直流负载的用电负荷功率、储能器储能量信息和公用电网状态信息。
[0032] 具体的,DC/DC直流斩波电路采用变步长寻优控制策略及模糊PID控制算法对电路中的开关管进行导通、关断控制,实时跟踪光伏组件的最大功率。
[0033] 具体的,电力调配电路,通过中央控制器根据光伏组件发电功率、用电负荷功率和储能器储能量信息生成的控制信号,对储能器充放电状态、光伏组件发电电流流向以及负荷供电优先级进行控制。
[0034] 具体的,DC/AC双向逆变电路,采用电压外环、电流内环的控制策略,利用三相PWM调制方法,实现功率因数校正(PFC)功能,大幅度减小了谐波含量和直流分量,抑制谐波电流注入电网,提高了功率因数,减小了对电网的干扰;逆变功能的实现是以公用电网的电压、电流参数为参考,实现并网,并可根据公用电网或用电负荷的需要通过调节电压、电流相位角实现功率因数从-1到I的调节。
[0035] 具体的,孤岛检测电路通过主动和被动孤岛检测,在公用电网断电时,向负载供电。
[0036] 具体的,储能器包括:充放电控制单元、储能电池管理单元和储能电池;
[0037] 充放电控制单元根据不同的储能电池进行合理的充电管理,合理的放电管理,并具有过充、过放、过流、短路等保护告警功能,并将告警信息上传给中央控制器;储能电池管理单元能够监测每组储能电池的电压、电流、荷电状态(S0C)、健康状态(SOH)等相关数据,并且具有储能电池正负极对地绝缘检测功能,直流漏电告警和保护功能,并将状态信息实时上传给中央控制器和充放电控制单元;储能电池由多组(1+N,N彡I)电池构成,一则通过电池组并联实现储能电池的模块化,能使储能模块在线更换,再则通过电力调配电路和每一组储能电池分别连接实现多组储能电池充放电的异步并行,让至少一组储能电池处于在(待)放电状态、至少一组储能电池处于在(待)充电状态,根据每一组储能电池的荷电状态中央控制器计算分析决定每一组储能电池的工作状态,以此延长电池使用寿命,提高整个系统的经济性。
[0038] 在上述实施例中,当中央控制器检测到公用电网正常时,DC/AC双向逆变电路并网运行,光伏组件产生的电能通过DC/DC直流斩波电路、电力调配电路,即可经DC/AC双向逆变电路向交流负载供电或回馈到公用电网中,也可对储能器中的电池组进行充电。中央控制器基于光伏组件产生的电能、储能器的储能状态、公用电网峰谷时间段和分时电价,通过计算分析经济用电模式,决定光伏组件、储能器或公用电网对负载供电的优先顺序、回馈公用电网和储能器充电的优先顺序、储能器充电和放电的优先顺序。
[0039] 具体的,当公用电网正常,DC/AC双向逆变电路并网时,光伏组件产生的电能通过DC/DC直流斩波电路、电力调配电路,DC/AC双向逆变电路向交流负载供电;当光伏组件产生的电能功率大于用电负载功率,储能器不需要充电时,光伏组件产生的电能通过DC/DC直流斩波电路、电力调 配电路,DC/AC双向逆变电路和孤岛检测电路回馈到公共电网中;当光伏组件产生的电能功率大于用电负载功率,储能器需要充电时,首先给用电负载供电,然后通过电力调配电路对储能器充电,其余电量反馈到公共电网中;当光伏组件产生的电能功率小于用电负载功率时,储能器通过电力调配电路经过DC/AC双向逆变电路向用电负载供电,如果仍不能满足用电负载,公共电网作为补充给交流负载供电;当光伏组件产生的电能功率小于用电负载功率,储能器需要充电时,光伏组件通过电力调配电路给储能器充电,用电负载由公共电网直接供电;当连续阴雨天或夜间时,公共电网通过孤岛检测电路,给用电负载供电,并经过DC/AC双向逆变电路给储能器充电。
[0040] 当中央控制器检测到公用电网故障时,DC/AC双向逆变电路离网运行,光伏组件产生的电能通过DC/DC直流斩波电路、电力调配电路向交流负载供电,也可向储能器充电或从储能器取电。中央控制器基于光伏组件产生的电能、储能器的储能状态,通过计算分析保障用电模式,决定光伏组件、储能器对负载供电的优先顺序、储能器充电和放电的优先顺序,并对负载进行分级管理。
[0041] 具体的,当公共电网故障时,DC/AC双向逆变电路离网运行,根据储能器的容量,对用电负载进行分级管理,储能器容量较低时,先后切除交流负荷、直流负荷。
[0042] 在上述实施例的基础上,本发明的另一实施例还公开了一种智能电网分布自给式光伏供电系统,如图2所示,包括:中央控制器、DC/DC直流斩波电路、电力调配电路、DC/AC双向逆变电路、孤岛检测电路、储能器双向计量智能电表和电力调度子控制器;[0043] DC/DC直流斩波电路、电力调配电路、DC/AC双向逆变电路和孤岛检测电路依次连接;DC/DC直流斩波电路还与光伏组件连接;电力调配电路还分别与储能器和直流负载连接;DC/AC双向逆变电路还与交流负载连接;孤岛检测电路还与公用电网连接;
[0044] 中央控制器通过通讯总线分别与DC/DC直流斩波电路、电力调配电路、DC/AC双向逆变电路、孤岛检测电路和储能器连接,根据实时采集的数据信息,对DC/DC直流斩波电路、电力调配电路、DC/AC双向逆变电路、孤岛检测电路和储能器进行控制;
[0045] 双向计量智能电表连接在孤岛检测电路和公用电网之间,实现对公共电网的双向计量,能够直观的反映出用户的收益;
[0046] 电力调度子控制器与中央控制器连接,通过电力载波的形式将中央控制器运行的数据上传到电力调度子控制器中,实现分布式能源的可预测性和可调度性。
[0047] 综上所述,本发明能够实现光伏供电系统的并/离网多种工作模式,能够将光伏组件产生的电能存储到储能器中的储能电池中,实现自发自用,多余电能回馈公共电网;能够实现并网、离网之间的无缝切换,确保公共正常时并网模式运行,电网掉电时系统快速自动脱网、离网模式运行,保证了负载用电的安全性和可靠性;实现了光伏优先、储能器调节、公共电网备用,提高了分布式光伏系统的自发自用率;能够实现错峰用电,用电高峰时段电价较高时,光伏〉储能电池 > 公共电网,平时段电价平衡时,光伏 > 公共电网〉储能电池,低谷时段电价较低时,利用公共电网为储能电池补充电;模块化设计,能够支持并机功能,使整个系统容易扩展;采用标准的通讯协议,可以通过电力载波形式将系统运行数据上传到电力调度子控制器,实现了分布式能源的可预测、可调度性;通过负载的分类管理,把负载分为交流负载和直流负载,当公共电网停电时,中央控制器会根据光伏发电情况、储能器的荷电状态,对交、直流负载进行分类管理,I级输出稳定的220V交流电压,供正常负载使用;
2级输出稳定的12V直流电压给照明或相同电压等级的直流负载应急供电;3级输出稳定的5V直流电压,给手机、MP3等小型电子设备不间断充电。
[0048] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0049] 对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种智能电网分布自给式光伏供电系统,其特征在于,包括:中央控制器、DC/DC直流斩波电路、电力调配电路、DC/AC双向逆变电路、孤岛检测电路和储能器;其中: 所述DC/DC直流斩波电路、电力调配电路、DC/AC双向逆变电路和孤岛检测电路依次连接;所述DC/DC直流斩波电路还与光伏组件连接;所述电力调配电路还分别与所述储能器和直流负载连接;所述DC/AC双向逆变电路还与交流负载连接;所述孤岛检测电路还与公用电网连接; 所述中央控制器通过通讯总线分别与所述DC/DC直流斩波电路、电力调配电路、DC/AC双向逆变电路、孤岛检测电路和储能器连接,根据实时采集的数据信息,对所述DC/DC直流斩波电路、电力调配电路、DC/AC双向逆变电路、孤岛检测电路和储能器进行控制。
2.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述实时采集的数据信息包括:光伏组件的发电功率、交流负载和直流负载的用电负荷功率、储能器储能量信息和公用电网状态信肩、O
3.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述DC/DC直流斩波电路采用变步长寻优控制策略及模糊PID控制算法对电路中的开关管进行导通、关断控制,实时跟踪所述光伏组件的最大功率。
4.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述电力调配电路,通过所述中央控制器根据光伏组件发电功率、用电负荷功率和储能器储能量信息生成的控制信号,对储能器充放电状态、光伏组件发电电流流向以及负荷供电优先级进行控制。
5.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述DC/AC双向逆变电路,采用电压外环、电流内环的控制策略,利用三相PWM调制方法,对功率因数进行校正,并根据公用电网的电压和电流信息实现并网。
6.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述孤岛检测电路通过主动和被动孤岛检测,在公用电网断电时,离网模式运行向负载供电。
7.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述储能器包括:充放电控制单元、储能电池管理单元和储能电池;其中: 所述充放电控制单元分别与所述储能电池管理单元和储能电池连接; 所述储能电池管理单元与所述储能电池连接; 所述充放电控制单元对储能电池的充电和放电进行控制,对过充、过放、过流和短路进行保护告警,并将告警信息发送至所述中央控制器; 所述电池管理单元监测所述储能电池的电压、电流、荷电状态和健康状态,并将状态信息发送至所述中央控制器和充放电控制单元。
8.根据权利要求7所述的系统,其特征在于,还包括连接在所述孤岛检测电路和公用电网之间的双向计量智能电表。
9.根据权利要求8所述的系统,其特征在于,还包括与所述中央控制器连接的电力调度子控制器。
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