CN105245018A - 一种提高光伏电站置信容量的分布式储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高光伏电站置信容量的分布式储能系统，包括光储监控系统和至少两个光储单元；光储监控系统与光伏电站的电网管理系统连接，接收电网调度指令，并向光储单元下发功率调整指令；光储单元包括电池储能单元、双向DC/DC变流器、光伏模组和光伏并网逆变器；光储监控系统包括光伏电站SCADA、光储联合功率控制模块、电池单元管理器和电池单元集成管理器。与现有技术相比，本发明提供的一种提高光伏电站置信容量的分布式储能系统，适用于大型地面光伏电站，利用已有的并网光伏逆变器实现储能单元并网，降低了储能系统的成本，并通过储能单元的分布式接入和控制提高了光储系统的可靠性。

Description

一种提高光伏电站置信容量的分布式储能系统

技术领域

本发明涉及新能源发电技术领域，具体涉及一种提高光伏电站置信容量的分布式储能系统。

背景技术

我国光伏发电呈现集中式与分布式并举的发展形式，我国光伏发电装机容量处于快速增长阶段。在集中式光伏发电富集地区，光伏发电已成为该地区的主要电源之一，其间歇和波动特性为电网的调度运行带来了压力。光伏发电的置信容量是衡量光伏发电对电网影响的重要指标之一，其表征光伏电站可替代的常规机组容量或承担的负荷。受到光照、温度等因素的影响，光伏发电的置信容量不高，通常仅为光伏电站装机容量的10％～20％。利用储能装置的充放电可降低光伏发电的随机性，提高其置信容量，对电网的安全稳定运行有着重要意义。

大型地面光伏电站一般采用集中式逆变器，少部分采用组串式逆变器。对于集中式逆变器，光伏面板串联至一定电压，多路光伏组串经汇流箱集中汇流，接入集中式逆变器。集中式逆变器的功率多在100kW以上，经变压器升压后并入中高压电网。大型光伏电站包含多个集中式逆变器，如一个10MW的光伏电站包含20个500kW的逆变器。现有方案在电站并网处集中单点接入大容量储能系统，该方式下，储能控制方式单一，且当逆变器不工作时，无法对光伏发电进行利用。

综上，针对光伏电站的上述电气结构，需要提供一种采用分布式结构并能够提高光伏电站置信容量的储能系统，以提高光伏发电系统的综合性能。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种提高光伏电站置信容量的分布式储能系统。

本发明的技术方案是：

所述分布式储能系统包括光储监控系统和至少两个光储单元；所述光储监控系统与光伏电站的电网管理系统连接，接收电网调度指令，并向所述光储单元下发功率调整指令；

所述光储单元包括电池储能单元、双向DC/DC变流器、光伏模组和光伏并网逆变器；所述光伏模组通过汇流箱接入直流配电柜；所述电池储能单元通过双向DC/DC变换器接入所述直流配电柜；所述光伏并网逆变器的一端接入所述直流配电柜，另一端与光储监控系统连接；

所述光储监控系统包括光伏电站SCADA、光储联合功率控制模块、电池单元管理器和电池单元集成管理器；所述光伏电站SCADA分别与所述光伏并网逆变器、电网管理系统和光储联合功率控制模块连接；所述光储联合功率控制模块分别与所述电网管理系统和电池单元集成管理器连接。

优选的，所述光伏模组的数目和电池单元管理器的数目均为n，n至少为2；

所述电池单元管理器，用于采集所述电池储能单元的状态信息，并将其发送至电池单元集成管理器；所述电池单元集成管理器将所述状态信息发送至所述光储联合功率控制模块；所述状态信息包括电池储能单元的电压、电流和温度；

优选的，所述光伏电站SCADA采集并网光伏逆变器的交流侧电压和直流侧电压，以及所述光伏模组的汇集电流和工作状态信息；所述光伏电站SCADA将所述交流侧电压、直流侧电压、汇集电流和工作状态信息发送至所述光储联合功率控制模块；

优选的，所述光储联合功率控制模块依据光伏电站SCADA和电池单元集成管理器的输出信号，判断光储单元的发电状态；

所述光储联合功率控制模块依据所述发电状态和电网管理系统下发的电网调度指令，向所述光储单元下发功率调整指令；

优选的，所述光储联合功率控制模块向光储单元下发功率调整指令，包括：

步骤1：判断并网光伏逆变器是否正常工作：

若正常工作，则计算各光储单元中并网光伏逆变器的分配功率，执行步骤2；

若不正常工作，则向光储单元中双向DC/DC变流器发送进入MPPT工作模式指令，双向DC/DC变流器控制电池储能单元吸收全部光伏模组发出的电能；

步骤2：判断每个光储单元的分配功率是否大于其光伏模组的最大出力：

若大于最大出力，则向所述光储单元的双向DC/DC变流器发送进入放电模式指令，双向DC/DC变流器控制电池储能单元向直流母线释放电能；

若小于最大出力，则向所述光储单元的双向DC/DC变流器发送进入充电模式指令，双向DC/DC变流器控制电池储能单元吸收光伏模组发出的电能，所述电能为光伏模组的最大出力与分配功率的差值。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、本发明针对集中式地面光伏电站的电气结构，克服现有单点接入储能方式的缺点，提供的一种提高光伏电站置信容量的分布式储能系统，适用于大型光伏电站，利用已有的并网光伏逆变器实现储能单元并网，降低了储能系统的成本，并通储能过单元的分布式接入和控制提高了光储单元的可靠性；

2、本发明提供的一种提高光伏电站置信容量的分布式储能系统，实现了光伏电站的灵活调度，提高光伏发电的利用率，提高了光伏电站的置信容量，且具有成本低、可靠性高的特点；

3、本发明提供的一种提高光伏电站置信容量的分布式储能系统，无需对并网光伏逆变器的控制和通讯结构进行改造；依据光伏模组和电池储能单元的状态，以最大程度提高光伏电站置信容量为目标向各个光储单元分配功率，并依据电池储能单元的状态调整双向DC/DC变流器的工作模式和功率大小；该系统能够同时实现光伏电站的有功功率调节和光资源最大化利用。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：本发明实施例中一种提高光伏电站置信容量的分布式储能系统结构图；

图2：本发明实施例中分布式储能系统的光储联合有功功率控制的功能示意图；

图3：本发明实施例中分布式储能系统的光储联合有功功率控制的流程示意图；

图4：本发明实施例中一种光储单元拓扑结构图；

图5：本发明实施例中并网光伏逆变器控制示意图；

图6：本发明实施例中双向DC/DC变流器控制示意图；

图7：本发明实施例中分布式储能系统通讯示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的一种提高光伏电站置信容量的分布式储能系统，基于光伏电站的电气结构和控制方法，设计储能系统的接入方式和控制系统，降低了系统成本、提高了系统可靠性，并可得到更有效的控制效果。

本发明中分布式储能系统的实施例如图1所示，具体为：

该分布式储能系统包括光储监控系统和至少两个光储单元。

一、光储监控系统

光储监控系统包括光伏电站SCADA、光储联合功率控制模块、电池单元管理器(BatteryArrayManagementUnit，BAMU)和电池单元集成管理器(BatteryArrayCentralManagementSystem，BACMS)。光储监控系统与光伏电站的电网管理系统连接，接收电网调度指令，并向光储单元下发功率调整指令，具体的通讯过程如图7所示。其中，

1、光伏电站SCADA分别与光伏并网逆变器、电网管理系统和光储联合功率控制模块建立通讯；

光伏电站SCADA采集并网光伏逆变器的交流侧电压和直流侧电压，以及光伏模组的汇集电流和工作状态信息；光伏电站SCADA将上述交流侧电压、直流侧电压、汇集电流和工作状态信息发送至光储联合功率控制模块。

2、光储联合功率控制模块分别与电网管理系统和电池单元集成管理器连接；

光储联合功率控制模块依据光伏电站SCADA和电池单元集成管理器的输出信号，判断光储单元的发电状态；光储联合功率控制模块依据发电状态和电网管理系统下发的电网调度指令，向光储单元下发功率调整指令。

本实施例中光储联合功率控制模块向光储单元下发功率调整指令的具体如图3所示：

(1)判断并网光伏逆变器是否正常工作：

若正常工作，则计算各光储单元中并网光伏逆变器的分配功率，执行步骤(2)；

若不正常工作分配功率为0，则向光储单元中双向DC/DC变流器发送进入MPPT工作模式指令，双向DC/DC变流器控制电池储能单元吸收全部光伏模组发出的电能；

(2)判断每个光储单元的分配功率是否大于其光伏模组的最大出力：

若大于最大出力，则向光储单元的双向DC/DC变流器发送进入放电模式指令，双向DC/DC变流器控制电池储能单元向直流母线释放电能，补偿光伏模组发出功率的不足；

若小于最大出力，则向光储单元的双向DC/DC变流器发送进入充电模式指令，双向DC/DC变流器控制电池储能单元吸收光伏模组发出的电能，该电能指的是光伏模组的最大出力与分配功率的差值。

3、电池单元管理器的一端分别与光储单元的电池储能单元和双向DC/DC变流器连接。另一端与电池单元集成管理器连接。

电池单元管理器，用于采集电池储能单元的状态信息，并将其发送至电池单元集成管理器；电池单元集成管理器将状态信息发送至光储联合功率控制模块。状态信息包括电池储能单元的电压、电流和温度。本实施例中状态信息还可以包括电池储能单元的SOC值和故障报警信息等。

本实施例中，电池单元管理器对单个光储单元中的电池组进行管理，电池单元集成管理器对系统中所有的电池单元管理器进行集成管理。

二、光储单元

本实施例中光储单元为分布式结构，依据光伏电站内集中式光伏逆变器的数量，将其划分为若干个单元。光储单元包括电池储能单元、双向DC/DC变流器、光伏模组和光伏并网逆变器。其中，

1、光伏模组通过汇流箱接入直流配电柜，光伏模组的数目为n，n至少为2；

2、电池储能单元通过双向DC/DC变换器接入直流配电柜；

本实施例中双向DC/DC变流器包括三种工作模式，具体为：

①：充电模式

电池储能单元吸收光伏模组发出的电流，并网光伏逆变器发出的功率近似为光伏模组的功率减去电池储能单元中电池组的充电功率；

②：放电模式

电池储能单元向直流母线注入电流，并网光伏逆变器发出的功率近似为光伏模组的功率与电池组的放电功率之和；

③：MPPT模式

光伏模组、电池储能单元和双向DC/DC变流器脱离并网光伏逆变器独立运行，使得电池储能单元吸收并网光伏模组输出的全部发电功率。

当双向DC/DC变流器工作于充电模式或者放电模式时，并网光伏逆变器控制直流母线电压，使得光伏模组处于最大功率输出状态，双向DC/DC变流器处于降压(Buck)或者升压(Boost)工作状态，控制电池储能单元的充放电电流；当并网光伏逆变器不工作时，双向DC/DC变流器切换至MPPT模式，控制直流母线的电压，使得光伏模组保持最大功率输出。

本实施例中双向DC/DC变流器的控制过程如图6所示：

①：当双向DC/DC变流器工作在充电模式或者放电模式时，控制开关处于位置1，采用电流闭环控制跟踪参考电流

若则双向DC/DC工作在Boost方式，电池储能单元放电；

若则双向DC/DC工作在Buck方式，电池储能单元充电；

②：当并网光伏逆变器关闭时，双向DC/DC变流器工作于MPPT模式，控制开关处于位置2，采用电压外环和电流内环的双闭环控制直流母线电压。直流母线电压的参考值由MPPT算法计算得出，双向DC/DC变流器工作在Buck方式，电池储能单元吸收光伏模组发出的功率。

参考电流的计算公式为：

$i_L^{*}=\frac{P_{ref}-U_d{i}_{PV}}{U_b}---\left(1\right)$

其中，P_ref为光伏并网逆变器得到的分配功率，U_b为电池储能单元的端电压，i_PV为光伏模组的汇集电流，U_d为直流母线电压。

3、光伏并网逆变器的一端接入直流配电柜，另一端与光储监控系统连接。

本实施例中为了保证分布式储能系统的正常工作，在系统中光伏模组的峰值功率电压需要小于电池储能单元中电池组的最低允许电压。并网光伏逆变器控制过程如图5所示，并网光伏逆变器实时采集光伏模组的汇集电流i_pv，通过MPPT算法获得直流母线电压参考值并通过外电压和内电流的双闭环控制跟踪直流母线电压。图5中其他参数的含义为：

①：I_qref为逆变器输出侧电感电流的交轴分量参考值，I_dref为逆变器输出侧电感电流的直轴分量参考值；

②：I_q为逆变器输出侧电感电流的交轴分量，I_d为逆变器输出侧电感电流的直轴分量；

③：U_q为逆变器并网电压的交轴分量，U_d为逆变器并网电压的直轴分量；

④：v_ga、v_gb和v_gc分别为逆变器并网处的A、B、C三相电压；i_ga、i_gb和i_gc分别为逆变器并网处的A、B、C三相电流；θ为经锁相环(PLL)计算得到的并网处A相电压相位。

本发明中光储单元的一种拓扑结构如图4所示，光伏模组被简化为电压控制的电流源i_pv，i_pv＝f(U_d)，U_d为直流母线电压；电池储能单元U_b与DC/DC变流器连接，DC/DC变流器与光伏模组一起并入三相光伏逆变器的直流母线中。

本发明中分布式储能系统的有功功率控制的功能分布图2所示，具体为：

本实施例中分布式储能系统的有功功率控制由系统监控层和执行层组成。其中，

一、系统监控层

该系统监控层包括储能系统监控、光伏发电监控和光储联合功率控制三部分。

①：储能系统监控指的是对光储单元中的电池储能单元和双向DC/DC变流器进行监控；

②：光伏发电监控指的是对光储单元中并网光伏逆变器和光伏模组及进行监控；

③：光储联合功率控制指的是根据各光储单元的状态信息，结合电网调度指令，以光伏发电置信容量最大为目标，首先对各个光储单元的分配功率进行计算；然后以分配功率为约束，以光伏发电功率最大为目标，根据光伏模组的发电状态和电池储能单元的荷电状态对直流母线电压和电池储能单元充放电电流进行决策。

二、执行层

该执行层包括并网光伏逆变器和双向DC/DC变流器两个部分。

执行层根据系统监控层下发的功率调整指令，调整直流母线电压和电池储能单元充放电电流，由并网光伏逆变器和双向DC/DC变流器执行功率调整指令。

本发明中与上述有功功率控制的功能分布图对应的控制策略可以分为功率分配层和光储协调MPPT层，能够同时实现光伏电站的有功功率调节和光资源的最大利用。当并网光伏逆变器接收到功率调整指令后，设定光伏模组发电的最大功率点，通过调整双向DC/DC变流器的电流达到并网光伏逆变器接收到的分配功率。当并网光伏逆变器发生故障时，光伏模组和电池储能单元进入独立运行模式，即离网运行，双向DC/DC变流器启动MPPT工作模式，电池储能单元吸收光伏模组发出的全部电能。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (5)

1.一种提高光伏电站置信容量的分布式储能系统，其特征在于，所述分布式储能系统包括光储监控系统和至少两个光储单元；所述光储监控系统与光伏电站的电网管理系统连接，接收电网调度指令，并向所述光储单元下发功率调整指令；

所述光储单元包括电池储能单元、双向DC/DC变流器、光伏模组和光伏并网逆变器；所述光伏模组通过汇流箱接入直流配电柜；所述电池储能单元通过双向DC/DC变换器接入所述直流配电柜；所述光伏并网逆变器的一端接入所述直流配电柜，另一端与光储监控系统连接；

所述光储监控系统包括光伏电站SCADA、光储联合功率控制模块、电池单元管理器和电池单元集成管理器；所述光伏电站SCADA分别与所述光伏并网逆变器、电网管理系统和光储联合功率控制模块连接；所述光储联合功率控制模块分别与所述电网管理系统和电池单元集成管理器连接。

2.如权利要求1所述的分布式储能系统，其特征在于，所述光伏模组的数目和电池单元管理器的数目均为n，n至少为2；

所述电池单元管理器，用于采集所述电池储能单元的状态信息，并将其发送至电池单元集成管理器；所述电池单元集成管理器将所述状态信息发送至所述光储联合功率控制模块；所述状态信息包括电池储能单元的电压、电流和温度。

3.如权利要求1所述的分布式储能系统，其特征在于，所述光伏电站SCADA采集并网光伏逆变器的交流侧电压和直流侧电压，以及所述光伏模组的汇集电流和工作状态信息；所述光伏电站SCADA将所述交流侧电压、直流侧电压、汇集电流和工作状态信息发送至所述光储联合功率控制模块。

4.如权利要求2或3所述的分布式储能系统，其特征在于，所述光储联合功率控制模块依据光伏电站SCADA和电池单元集成管理器的输出信号，判断光储单元的发电状态；

所述光储联合功率控制模块依据所述发电状态和电网管理系统下发的电网调度指令，向所述光储单元下发功率调整指令。

5.如权利要求4所述的分布式储能系统，其特征在于，所述光储联合功率控制模块向光储单元下发功率调整指令，包括：

步骤1：判断并网光伏逆变器是否正常工作：

若正常工作，则计算各光储单元中并网光伏逆变器的分配功率，执行步骤2；

若不正常工作，则向光储单元中双向DC/DC变流器发送进入MPPT工作模式指令，双向DC/DC变流器控制电池储能单元吸收全部光伏模组发出的电能；

步骤2：判断每个光储单元的分配功率是否大于其光伏模组的最大出力：

若大于最大出力，则向所述光储单元的双向DC/DC变流器发送进入放电模式指令，双向DC/DC变流器控制电池储能单元向直流母线释放电能；

若小于最大出力，则向所述光储单元的双向DC/DC变流器发送进入充电模式指令，双向DC/DC变流器控制电池储能单元吸收光伏模组发出的电能，所述电能为光伏模组的最大出力与分配功率的差值。