CN104052082B - 一种离网并网运行的光储联合供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种离网并网运行的光储联合供电系统，所述系统包括连接直流母线和交流母线的DC/AC变流器，所述交流母线连接电网；所述交流母线和所述直流母线分别连接交流负载和直流负载；所述直流母线分别通过光伏DC/DC变流器和储能DC/DC变流器连接光伏阵列和电池系统。本发明该提供了光储联合供电系统的控制策略，包括离网状态运行控制策略和并网状态运行控制策略；该系统和方法克服了现有光伏供电系统供电质量不稳定、可调度性差、运行模式单一、能量转换效率低等缺点。
Description
技术领域
本发明涉及一种光伏发电领域的系统，具体涉及一种离网并网运行的光储联合供电系统。
背景技术
太阳能资源没有地域限制，分布广泛且取之不尽，用之不竭。太阳能电池组件结构简单，体积小，重量轻，便于运输和安装，光伏发电系统建设周期短，而用根据用电负载容量可大可小，方便灵活，极易组合、扩容的特点；同时，太阳能光伏发电的过程没有机械转动部件，不需要冷却水也不消耗燃料，并且不排放包括温室气体在内的任何物质，具有无噪声、无污染、性能稳定可靠，使用寿命长等特点。因此，与其它新型发电技术相比，太阳能光伏发电是一种理想清洁能源发电技术。
太阳能辐射具有间歇性和波动性，而且用户负载也是不断变化的，这就造成了在离网状态下光伏发电和用户负载二者之间的不匹配。储能装置主要用来平缓光伏电能与负载之间的不匹配，为了保证系统能够自治运行，系统通常采用储能装置将白天多余的光伏电能存储起来，在夜晚释放以保证离网状态下系统供电连续。
国家电网公司发布《关于做好分布式光伏发电并网服务工作的意见》，提出光伏系统可选择电量全部上网、发电量全部自用和发电量自用余电上网三种运行模式，但目前价格补贴机制不明确，因此从用户角度考虑，光伏系统应具备运行模式灵活切换的功能。专利名称为“一种大容量离网型光储发电系统”提出在离网状态下利用光伏储能联合供电的思路，并且未给出明确的控制策略，缺少光伏组件及储能装置的保护策略，容易导致光伏供电系统供电质量不稳定、可调度性差等问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种离网并网运行的光储联合供电系统。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
一种离网并网运行的光储联合供电系统，所述系统包括连接直流母线和交流母线的DC/AC变流器，所述交流母线连接电网；其改进之处在于：所述交流母线和所述直流母线分别连接交流负载和直流负载；
所述直流母线分别通过光伏DC/DC变流器和储能DC/DC变流器连接光伏阵列和电池系统。
进一步的，所述光伏阵列的光伏组件分别通过防逆流二极管连接所述光伏DC/DC变流器。
进一步的，所述光储联合供电系统的控制策略包括离网状态运行控制策略和并网状态运行控制策略；
所述并网状态运行控制策略包括发电量全部上网运行模式控制策略、发电量全部自用运行模式控制策略和发电量自用余电上网运行模式控制策略。
进一步的，所述离网状态运行控制策略包括以下步骤：
I、初始化所述光伏DC/DC变流器使其运行在MPPT模式；
II、判断电能供需是否平衡，平衡则结束，否则进入步骤III；
III、判断需要增加电能供应或减少电能供应，若减少电能供应则进入步骤IV，若增加电能供应则进入步骤V；
IV、判断锂离子电池系统SOC是否小于0.9，若所述电池系统SOC小于0.9，则控制所述电池系统充电吸收多余的光伏电能；若所述电池系统SOC大于等于0.9，再判断光伏DC/DC变流器是否工作在MPPT模式；若光伏DC/DC变流器是工作在MPPT模式，则控制其调整为非MPPT模式，若光伏DC/DC变流器已工作在非MPPT模式，则控制切除部分光伏组件，减少光伏电能输出；
V、判断所述光伏DC/DC变流器是否工作在MPPT模式，若所述光伏DC/DC变流器工作在非MPPT模式，则控制其调整为MPPT模式；若所述光伏DC/DC变流器已工作在MPPT模式，再判断所述电池系统SOC是否大于0.2，若所述电池系统SOC大于0.2，则控制所述电池系统放电，若所述电池系统SOC小于等于0.2，则切除部分负载。
进一步的，所述发电量全部上网运行模式控制策略包括以下步骤：
I、初始化所述光伏DC/DC变流器使其运行在MPPT模式
II、判断所述交流母线的电能是否满足并网标准；若满足则结束，否则判断所述储能系统需进行放电调节或充电调节，若所述储能系统充电，则进入步骤III，若所述储能系统放电，则进入步骤IV；
III、判断所述电池系统的SOC是否小于0.9，若小于0.9，则控制所述电池系统充电调节并网点电能质量；否则放弃部分光伏电能并网；
IV、判断所述电池系统的SOC是否大于0.2，若大于0.2，则控制所述电池系统放电调节并网点电能质量；否则放弃部分光伏电能并网。
进一步的，所述发电量全部自用运行模式控制策略包括以下步骤：
I、初始化所述光伏DC/DC变流器使其工作在MPPT模式；
II、判断光伏电能供应是否与负载需求平衡，若平衡则结束，否则进入步骤III；
III、判断需要增加电能供应还是较少电能供应，若减少电能供应，则进入步骤IV，若增加电能供应，则进入步骤V；
IV、判断所述电池系统的SOC是否小于0.9，若小于0.9，则控制所述电池系统充电吸收多余的光伏电能；否则再判断所述光伏DC/DC变流器是否工作在MPPT模式，若工作在MPPT模式，则控制其调整为非MPPT模式，若工作在非MPPT模式，则控制切除部分光伏组件，减少光伏电能输出；
V、判断所述光伏DC/DC变流器是否工作在MPPT模式，若工作在非MPPT模式，则控制其调整为MPPT模式，否则再判断所述电池系统SOC是否大于0.2；若大于0.2，则控制所述电池系统放电，否则利用电网电能，保证负载电能供应。
进一步的，所述发电量自用余电上网运行模式控制策略包括以下步骤：
I、初始化所述光伏DC/DC变流器使其工作在MPPT模式；
II、判断光伏电能供应是否与负载需求平衡，若平衡则结束，否则进入步骤III；
III判断需要增加电能供应还是较少电能供应，若减少电能供应，则进入步骤IV，若增加电能供应，则进入步骤V；
IV、判断所述电池系统的SOC是否小于0.9，若小于0.9，则控制所述电池系统充电吸收多余的光伏电能；否则将多余光伏电能馈送到电网；
V、判断所述电池系统SOC是否大于0.2，若大于0.2，则控制所述电池系统放电，否则则部分利用电网电能，保证负载电能供应。
进一步的，所述离网状态运行控制策略包括电池系统保护策略，所述电池系统保护策略为判断所述电池系统的负荷状态是否越限，若越限则所述电池储能系统不动作。
进一步的，所述电池系统为锂离子储能系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明系统的光伏阵列中每个光伏组件都通过防逆流二极管连接到光伏DC/DC变流器，防止光伏组件在不发电时，锂离子电池系统的电流反过来向组件倒送，避免组件因发热而损坏，同时防止光伏阵列各支路之间的电流倒送，避免降低光伏阵列总体输出电压。
2、本发明系统中光伏阵列发电系统与锂离子电池系统共用一个DC/AC变流器，减少功率转换器件个数，提高了光伏阵列发电系统与锂离子电池系统之间能量交换效率，同时利于直流电压稳定。
3、本发明系统的电池储能系统为锂离子电池储能系统，与传统铅酸电池相比，具有能量效率高、自放电率低、循环寿命长、电压平台高、体积小、重量轻和环保等特点。
4、本发明的系统和方法利用锂离子电池储能系统调节光伏发电并网电能质量，克服了现有光伏供电系统供电质量不稳定的问题。
5、本发明的系统和方法具备发电量全部上网运行模式、发电量全部自用运行模式和发电量自用余电上网运行模式，克服了现有光伏系统运行模式单一的问题。
附图说明
图1为本实施例中适用于离网并网运行的光储联合供电系统拓扑结构；
图2为本实施例中适用于离网并网运行的光储联合供电系统离网运行模式控制流程图；
图3为本实施例中适用于离网并网运行的光储联合供电系统并网状态发电量全部上网运行模式控制流程图；
图4为本实施例中适用于离网并网运行的光储联合供电系统并网状态发电量全部自用运行模式控制流程图；
图5为本实施例中适用于离网并网运行的光储联合供电系统并网状态发电量自用余电上网运行模式控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，图1为本实施例中适用于离网并网运行的光储联合供电系统拓扑结构；该系统包括光伏阵列、防逆流二极管、光伏DC/DC变流器、锂离子电池储能系统、储能双向DC/DC变流器、直流母线、DC/AC变流器和交流母线。
直流母线与交流母线通过DC/AC变流器连接，交流母线通过开关与电网连接。交流母线和直流母线分别连接交流负载和直流负载，直流母线和交流母线分别向直流负载和交流负载提供电能。
光伏阵列中的光伏组件通过各自的防逆流二极管连接到光伏DC/DC变流器的输入端，光伏DC/DC变流器的输出端连接到直流母线上。
防逆流二极管用于防止光伏组件在不发电时，锂离子电池系统的电流反过来向组件倒送，避免组件因发热而损坏，同时防止光伏阵列各支路之间的电流倒送，避免降低光伏阵列总体输出电压。
电池储能系统连接到储能双向DC/DC变流器的输入端，储能双向DC/DC变流器的输出端连接到直流母线上。
本实施例中，所述电池储能系统为采用锂离子的锂离子电池储能系统。与传统铅酸电池相比，具有能量效率高、自放电率低、循环寿命长、电压平台高、体积小、重量轻和环保等特点。
本实施例中，所述直流负载包括各子负载，各子负载通过直流负载开关连接到直流母线。
本实施例中，所述交流负载包括各子负载，各子负载通过交流负载开关连接到交流母线。
针对上述适用于离网并网运行的光储联合供电系统，本发明还提供了一种控制策略，该控制策略可使光储联合供电系统运行在离网和并网两种状态。
上述光储联合供电系统的控制策略包括离网状态运行控制策略和并网状态运行控制策略；所述并网状态运行控制策略包括发电量全部上网运行模式控制策略、发电量全部自用运行模式控制策略和发电量自用余电上网运行模式控制策略。
上述控制策略的初始状态均为光伏DC/DC变流器工作在MPPT模式。
如图2所示，图2为本实施例中适用于离网并网运行的光储联合供电系统离网运行模式控制流程图。
初始状态使光伏DC/DC变流器工作在MPPT模式，实时监测直流母线、交流母线电能供需是否平衡。
光储联合供电系统离网运行模式控制方法包括以下步骤：实时监测直流母线、交流母线电能供需是否平衡；当电能供需不平衡时，判断需要增加电能供应或者需要减少电能供应；若需要减少电能供应，优先考虑利用锂离子电池系统吸收光伏电能；若需要增加电能供应，优先考虑将光伏DC/DC变流器调整为MPPT模式。
需要减少电能供应，利用锂离子电池系统吸收光伏电能：首先判断锂离子电池系统SOC是否小于0.9，若锂离子电池系统SOC小于0.9，则控制锂离子电池系统充电吸收多余的光伏电能；若锂离子电池系统SOC大于等于0.9，再判断光伏DC/DC变流器是否工作在MPPT模式；若光伏DC/DC变流器是工作在MPPT模式，则控制其调整为非MPPT模式，若光伏DC/DC变流器已工作在非MPPT模式，则控制切除部分光伏组件，减少光伏电能输出。
需要增加电能供应时，优先考虑将光伏DC/DC变流器调整为MPPT模式：首先判断光伏DC/DC变流器已工作在MPPT模式，若光伏DC/DC变流器工作在非MPPT模式，则控制其调整为MPPT模式；若光伏DC/DC变流器已工作在MPPT模式，再判断锂离子电池系统SOC是否大于0.2，若锂离子电池系统SOC大于0.2，则控制锂离子电池系统放电；若锂离子电池系统SOC小于等于0.2，则切除部分负载。
上述部分负载的选定根据负载的需求选定可根据负载等级确定，负荷的分级可根据国标《供配电系统设计规范》，也可根据不同负荷运行需求灵活设定的。
如图3所示，图3为本实施例中适用于离网并网运行的光储联合供电系统并网状态发电量全部上网运行模式控制流程图。
初始状态使光伏DC/DC变流器工作在MPPT模式，实时监测交流母线电能是否满足并网标准。
光储联合供电系统并网状态发电量全部上网运行模式控制方法为：
实时监测交流母线电能是否满足并网标准，当电能不满足相关标准时，判断需要储能进行放电调节还是充电调节。
若需要储能充电，首先判断锂离子电池系统SOC是否小于0.9；若锂离子电池系统SOC小于0.9，则控制锂离子电池系统充电调节并网点电能质量；若锂离子电池系统SOC大于等于0.9，则选择放弃部分光伏电能并网。
若需要储能放电，首先判断锂离子电池系统SOC是否大于0.2；若锂离子电池系统SOC大于0.2，则控制锂离子电池系统放电调节并网点电能质量；若锂离子电池系统SOC小于等于0.2，则选择切断部分光伏组件，放弃部分光伏电能并网。
如图4所示，图4为本实施例中适用于离网并网运行的光储联合供电系统并网状态发电量全部自用运行模式控制流程图。
初始状态使光伏DC/DC变流器工作在MPPT模式，实时监测直流母线、交流母线光伏电能供应是否与负载需求平衡。
光储联合供电系统并网状态发电量全部自用运行模式控制方法为：
实时监测直流母线、交流母线光伏电能供应是否与负载需求平衡，若电能供需不平衡，判断需要增加电能供应还是较少电能供应。若需要减少电能供应，优先考虑利用锂离子电池系统吸收光伏电能；若需要增加电能供应，优先考虑将光伏DC/DC变流器调整为MPPT模式。
若需要减少电能供应，优先考虑利用锂离子电池系统吸收光伏电能：首先判断锂离子电池系统SOC是否小于0.9；若锂离子电池系统SOC小于0.9，则控制锂离子电池系统充电吸收多余的光伏电能；若锂离子电池系统SOC大于等于0.9，再判断光伏DC/DC变流器是否工作在MPPT模式。若光伏DC/DC变流器是工作在MPPT模式，则控制其调整为非MPPT模式，若光伏DC/DC变流器已工作在非MPPT模式，则控制切除部分光伏组件，减少光伏电能输出。
若需要增加电能供应，优先考虑将光伏DC/DC变流器调整为MPPT模式：首先判断光伏DC/DC变流器已工作在MPPT模式。若光伏DC/DC变流器工作在非MPPT模式，则控制其调整为MPPT模式。若光伏DC/DC变流器已工作在MPPT模式，再判断锂离子电池系统SOC是否大于0.2。若锂离子电池系统SOC大于0.2，则控制锂离子电池系统放电，若锂离子电池系统SOC小于等于0.2，则部分利用电网电能，保证负载电能供应。
如图5所示，图5为本实施例中适用于离网并网运行的光储联合供电系统并网状态发电量自用余电上网运行模式控制流程图。
初始状态使光伏DC/DC变流器工作在MPPT模式，实时监测直流母线、交流母线光伏电能供应是否与负载需求平衡。
光储联合供电系统并网状态发电量自用余电上网运行模式控制方法为：
实时监测直流母线、交流母线光伏电能供应是否与负载需求平衡，若电能供需不平衡，判断需要增加电能供应还是较少电能供应。
若需要减少电能供应，首先判断锂离子电池系统SOC是否小于0.9。若锂离子电池系统SOC小于0.9，则控制锂离子电池系统充电吸收多余的光伏电能；若锂离子电池系统SOC大于等于0.9，则将多余光伏电能馈送到电网。
若需要增加电能供应，首先判断锂离子电池系统SOC是否大于0.2。若锂离子电池系统SOC大于0.2，则控制锂离子电池系统放电，若锂离子电池系统SOC小于等于0.2，则利用电网电能辅助供电，保证负载电能供应。
本实施例中，在控制策略中加入电池系统保护策略。所述电池系统保护策略为：实时监测所述锂离子电池系统的荷电状态SOC，判断各检测量是否越限，当检测量越限时，锂离子电池储能系统不动作。
判断方法包括：若锂离子电池系统荷电状态SOC≤0.2，锂离子电池系统仅可以响应充电需求；若锂离子电池系统荷电状态SOC≥0.9时，锂离子电池系统仅可以响应放电需求；若0.2＜锂离子电池系统荷电状态SOC＜0.9时，锂离子电池系统可以响应充电或放电需求，其余情况下，为保证锂离子电池系统安全运行、延长锂离子电池寿命，锂离子电池系统不动作。
系统运行的目标是电能供应等于负荷需求，即发电功率等于负荷耗电功率。当发电功率大于负荷耗电功率时，需减少发电功率(即减少电能供应)；当发电功率小于负荷耗电功率时，需增大发电功率(即增大电能供应)；负荷包括直流负荷和交流负荷。上述电能供应是否与负载需求平衡指的就是电能供应等于负荷需求。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种离网并网运行的光储联合供电系统，所述系统包括连接直流母线和交流母线的DC/AC变流器，所述交流母线连接电网；其特征在于：所述交流母线和所述直流母线分别连接交流负载和直流负载；
所述直流母线分别通过光伏DC/DC变流器和储能DC/DC变流器连接光伏阵列和电池系统；所述电池系统为锂离子储能系统；
所述光储联合供电系统的控制策略包括离网状态运行控制策略和并网状态运行控制策略；
所述并网状态运行控制策略包括发电量全部上网运行模式控制策略、发电量全部自用运行模式控制策略和发电量自用余电上网运行模式控制策略；
所述离网状态运行控制策略包括以下步骤：
I、初始化所述光伏DC/DC变流器使其运行在MPPT模式；
II、判断电能供需是否平衡，平衡则结束，否则进入步骤III；
III、判断需要增加电能供应或减少电能供应，若减少电能供应则进入步骤IV，若增加电能供应则进入步骤V；
IV、判断锂离子电池系统SOC是否小于0.9，若所述电池系统SOC小于0.9，则控制所述电池系统充电吸收多余的光伏电能；若所述电池系统SOC大于等于0.9，再判断光伏DC/DC变流器是否工作在MPPT模式；若光伏DC/DC变流器是工作在MPPT模式，则控制其调整为非MPPT模式，若光伏DC/DC变流器已工作在非MPPT模式，则控制切除部分光伏组件，减少光伏电能输出；
V、判断所述光伏DC/DC变流器是否工作在MPPT模式，若所述光伏DC/DC变流器工作在非MPPT模式，则控制其调整为MPPT模式；若所述光伏DC/DC变流器已工作在MPPT模式，再判断所述电池系统SOC是否大于0.2，若所述电池系统SOC大于0.2，则控制所述电池系统放电，若所述电池系统SOC小于等于0.2，则切除部分负载。
2.如权利要求1所述的光储联合供电系统，其特征在于：所述光伏阵列的光伏组件分别通过防逆流二极管连接所述光伏DC/DC变流器。
3.如权利要求1所述的光储联合供电系统，其特征在于：所述发电量全部上网运行模式控制策略包括以下步骤：
I、初始化所述光伏DC/DC变流器使其运行在MPPT模式；
II、判断所述交流母线的电能是否满足并网标准；若满足则结束，否则判断所述储能系统需进行放电调节或充电调节，若所述储能系统充电，则进入步骤III，若所述储能系统放电，则进入步骤IV；
III、判断所述电池系统的SOC是否小于0.9，若小于0.9，则控制所述电池系统充电调节并网点电能质量；否则放弃部分光伏电能并网；
IV、判断所述电池系统的SOC是否大于0.2，若大于0.2，则控制所述电池系统放电调节并网点电能质量；否则放弃部分光伏电能并网。
4.如权利要求1所述的光储联合供电系统，其特征在于：所述发电量全部自用运行模式控制策略包括以下步骤：
I、初始化所述光伏DC/DC变流器使其工作在MPPT模式；
II、判断光伏电能供应是否与负载需求平衡，若平衡则结束，否则进入步骤III；
III、判断需要增加电能供应还是减少电能供应，若减少电能供应，则进入步骤IV，若增加电能供应，则进入步骤V；
IV、判断所述电池系统的SOC是否小于0.9，若小于0.9，则控制所述电池系统充电吸收多余的光伏电能；否则再判断所述光伏DC/DC变流器是否工作在MPPT模式，若工作在MPPT模式，则控制其调整为非MPPT模式，若工作在非MPPT模式，则控制切除部分光伏组件，减少光伏电能输出；
V、判断所述光伏DC/DC变流器是否工作在MPPT模式，若工作在非MPPT模式，则控制其调整为MPPT模式，否则再判断所述电池系统SOC是否大于0.2；若大于0.2，则控制所述电池系统放电，否则利用电网电能，保证负载电能供应。
5.如权利要求1所述的光储联合供电系统，其特征在于：所述发电量自用余电上网运行模式控制策略包括以下步骤：
I、初始化所述光伏DC/DC变流器使其工作在MPPT模式；
II、判断光伏电能供应是否与负载需求平衡，若平衡则结束，否则进入步骤III；
III判断需要增加电能供应还是减少电能供应，若减少电能供应，则进入步骤IV，若增加电能供应，则进入步骤V；
IV、判断所述电池系统的SOC是否小于0.9，若小于0.9，则控制所述电池系统充电吸收多余的光伏电能；否则将多余光伏电能馈送到电网；
V、判断所述电池系统SOC是否大于0.2，若大于0.2，则控制所述电池系统放电，否则则部分利用电网电能，保证负载电能供应。
6.如权利要求1所述的光储联合供电系统，其特征在于：所述离网状态运行控制策略包括电池系统保护策略，所述电池系统保护策略为判断所述电池系统的负荷状态是否越限，若越限则所述电池储能系统不动作。
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