CN105281352A - 一种光储一体化离网系统及其多级优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光储一体化离网系统，所述系统包括通过DC/AC变流器相连的交流母线和直流母线；所述直流母线连接光伏系统和电池储能系统；所述直流母线和交流母线分别连接直流负荷和交流负荷。该方法包括光伏系统优化控制方法、电池储能系统优化控制方法和电力负荷优化控制方法。本发明的系统及其控制方法能够克服现有离网负荷供电系统供电质量不稳定、免维护性差、能量转换效率低、清洁能源利用率低等缺点。

Description

一种光储一体化离网系统及其多级优化控制方法

技术领域

本发明涉及一种光伏发电领域的系统及方法，具体讲涉及一种光储一体化离网系统及其多级优化控制方法。

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，而用根据用电负荷容量可大可小，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的离网供电技术。

光伏发电随外部条件的变化而变化，表现出间歇性和随机性等特点，使得电源仅依靠自身的调节能力难以满足负荷的功率平衡，从而造成了光伏发电和电力负荷二者之间的不匹配；需要其他电源或储能装置的配合以提供支持和备用。

储能装置主要用于平缓光伏电能与负荷之间的不匹配，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，在夜晚释放以保证系统供电连续。

现有的离网供电系统多以间歇式可再生能源为主，例如光伏和风电。这些可再生能源的波动性和间歇性导致其供电质量不稳定；以风电机组为主的离网供电系统，需要定期进行维护；以光伏为主的离网供电系统，多采用两级变流器，即包含DC/DC变流器和DC/AC变流器，能量转换效率低；以光伏为主的离网供电系统，在输出功率大于负荷所需功率时，多采用非MPPT模式，即减少光伏系统输出的方式，不能达到对清洁能源的最大利用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种光储一体化离网系统及其多级优化控制方法。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种光储一体化离网系统，所述系统包括通过DC/AC变流器相连的交流母线和直流母线；其改进之处在于：所述直流母线连接光伏系统和电池储能系统；

所述直流母线和交流母线分别连接直流负荷和交流负荷。

进一步的，所述直流母线通过防逆流装置与所述光伏系统连接；

所述防逆流装置为防止电池系统的电流反过来向光伏系统倒送，避免光伏组件因发热而损坏的装置。

进一步的，所述直流负荷包括与所述直流母线直接连接的负荷和通过直流负荷开关与所述直流母线连接的负荷；

所述交流负荷包括与所述交流母线直接连接的负荷和通过交流负荷开关与所述交流母线连接的负荷。

进一步的，所述直流负荷开关为切出与其相连的直流负荷保证所述与所述直流母线直接连接的负荷供电的装置；

所述交流负荷开关为切出与其相连的交流负荷保证所述与所述交流母线直接连接的负荷供电的装置。

一种应用于权利要求1所述的光储一体化离网系统的多级优化控制方法，其改进之处在于：所述方法包括光伏系统优化控制方法、电池储能系统优化控制方法和电力负荷优化控制方法。

进一步的，所述光伏系统优化控制方法包括以下步骤：

I、判断所述离网系统电能供需是否平衡，若平衡则结束控制，若不平衡则进入步骤II；

II、判断是否需要增大电能供应，若需要增大电能供应则进入步骤III，若需减小电能供应则进入步骤IV；

III、判断光伏系统是否运行在非MPPT模式，若光伏系统运行在所述非MPPT模式，则调整所述储能系统进入MPPT模式以增大光伏系统输出功率，否则进行储能系统调节电能；

IV、判断所述光伏系统是否运行在所述MPPT模式，若所述光伏系统运行在所述MPPT模式，则调整为所述非MPPT模式以减小光伏系统输出功率，若所述光伏系统运行在所述非MPPT模式，则进行储能系统调节电能。

进一步的，所述电池储能系统优化控制方法包括以下步骤：

I、根据所述光伏系统优化控制方法判断是否需要电池储能系统调节电能供应，若需要电池储能系统调节则判断是否需要增大电能供应，若需要增大电能供应时进入步骤II；若需要减小电能供应时则进入步骤III；

II、判断所述电池储能系统的剩余容量是否达到下限，若未达到下限，则控制所述电池储能系统放电以增大电能供应，若达到下限，则进行电力负荷调节；

III、判断所述电池储能系统的剩余容量是否达到上限，若未达到上限，则控制所述电池储能系统充电以减小电能供应，若达到上限，则进行电力负荷调节。

进一步的，所述电力负荷优化控制方法包括以下步骤：

依据所述电池储能系统优化控制方法判断是否需要电力负荷调节，若需要电力负荷调节则判断是否需要增大电力负荷，若需要增大电力负荷再判断通过负荷开关与母线连接的负荷是否处于切出状态，若所述通过负荷开关与母线连接的负荷处于切出状态，则投入所述通过负荷开关与母线连接的负荷以增大电力负荷，若所述通过负荷开关与母线连接的负荷未处于切出状态，则切出光伏组件，当需要减小电力负荷时则切出通过负荷开关与母线连接的负荷。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的系统采用单级式变流器，即光伏系统和电池储能系统直接通过直流母线连接到DC/AC变流器，减少了DC/DC变流器，提高了能量转换效率。

2、发明的系统采用了以电力二极管为主的防逆流装置，防止光伏组件因电流到送而发热损坏，提高了整个系统运行的稳定性。

3、本发明的系统及其控制方法通过光伏系统优化控制、电池储能系统优化控制和电力负荷优化控制的多级优化控制方法，能够在保证电力负荷供电需求的同时，最大程度上的利用光伏能源，提高清洁能源的利用率。

附图说明

图1本发明的光储一体化离网系统拓扑结构；

图2本发明实施例光储一体化离网系统多级优化控制方法第一级光伏系统优化控制；

图3本发明实施例光储一体化离网系统多级优化控制方法第二级电池储能系统优化控制；

图4本发明实施例光储一体化离网系统多级优化控制方法第三级电力负荷优化控制。

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为本发明的光储一体化离网系统拓扑结构，该系统包括光伏系统、电池储能系统、电力负荷、防逆流装置、直流负荷开关、交流负荷开关、DC/AC变流器、直流母线和交流母线。

电力负荷包括直流负荷和交流负荷。其中，直流负荷包括与直流母线直接连接的负荷和通过直流负荷开关与直流母线连接的负荷。交流负荷包括与交流母线直接连接的负荷和通过交流负荷开关与交流母线连接的负荷

国标《供配电系统设计规范》将电力系统负荷分为三级，要求较为宽泛。在实际运用中本发明中的负荷分配可以参考国标的规定，也可根据不同负荷运行需求灵活设定的。

例如，国标中三级负荷是可以断电的，但是采用本发明的离网供电系统后，可以将其设定为“与母线直接连接的负荷”而始终保持其供电稳定。而可以切断的负荷可以设定为“通过负荷开关与母线连接的负荷”。总而言之，本申请的供电稳定性高于国标要求。

实际运用中，居民用户的负荷可以设定为“通过负荷开关与母线连接的负荷”，因为在电力维护中可以断开，而某些在国家或者一个地区(城市)的社会、政治、经济生活中占有重要地位，对其中断供电将可能造成人身伤亡、较大环境污染、较大政治影响、较大经济损失、社会公共秩序严重混乱的用电单位或对供电可靠性有特殊要求的用电场所则设定为“与母线直接连接的负荷”，保证供电。当然，实际应用中，负荷的分级由不同系统中负荷的重要程度决定。

该系统的交流母线和直流母线通过DC/AC变流器相连；直流母线连接光伏系统和电池储能系统；直流母线和交流母线分别连接直流负荷和交流负荷。所述光伏系统通过防逆流装置连接直流母线；所述电池储能系统直接连接直流母线。

所述直流负荷包括与所述直流母线直接连接的负荷和通过直流负荷开关与所述直流母线连接的负荷；所述交流负荷包括与所述交流母线直接连接的负荷和通过交流负荷开关与所述交流母线连接的负荷。

所述直流负荷开关为切出与其相连的直流负荷保证所述与所述直流母线直接连接的负荷供电的装置；所述交流负荷开关为切出与其相连的交流负荷保证所述与所述交流母线直接连接的负荷供电的装置。

直流负荷开关和交流负荷开关能够在光伏和电池储能系统供应电能有限的时候，通过切出与其相连的负荷保证重要负荷供电。

在光伏系统和直流母线之间加入防逆流装置，防止电池系统的电流反过来向光伏系统倒送，避免光伏组件因发热而损坏。

光伏系统通过防逆流装置连接到直流母线，电池储能系统直接连接到直流母线，没有在光伏系统和直流母线之间、电池储能系统和直流母线之间加入DC/DC变流器，减少了电能损耗，提高了能量利用率。

防逆流装置的主体是电力二极管，依据二极管的单向导电性，电流只能从光伏系统流向直流母线，而不能从直流母线倒送至光伏组件。

本发明还提供了一种应用于该光储一体化离网系统的多级优化控制方法，该方法包括光伏系统优化控制方法、电池储能系统优化控制方法和电力负荷优化控制方法。

光伏系统优化控制方法为第一级控制，如图2所示，图2本发明实施例光储一体化离网系统多级优化控制方法第一级光伏系统优化控制。

光伏系统优化控制方法包括：

判断离网系统电能供需是否平衡，若不平衡则继续判断是否需要增大电能供应，当需要增大电能供应时再判断光伏系统是否运行在非MPPT模式，若光伏系统运行在非MPPT模式，则调整为MPPT模式以增大光伏系统输出功率，若光伏系统已运行在MPPT模式，则需要储能系统调节，

当需要减小电能供应时再判断光伏系统是否运行在MPPT模式，若光伏系统运行在MPPT模式，则调整为非MPPT模式以减小光伏系统输出功率，若光伏系统已运行在非MPPT模式，则需要储能系统调节。

电池储能系统优化控制方法为第二级控制，如图3所示，图3本发明实施例光储一体化离网系统多级优化控制方法第二级电池储能系统优化控制。

电池储能系统优化控制方法包括：

依据第一级的光伏系统优化控制方法判断是否需要电池储能系统调节电能供应，若需要电池储能系统调节则继续判断是否需要增大电能供应，当需要增大电能供应时再判断电池储能系统剩余容量是否达到下限，若电池储能系统剩余容量未达到下限，则控制电池储能系统放电以增大电能供应，若电池储能系统剩余容量已达到下限，则需要电力负荷调节，当需要减小电能供应时再判断电池储能系统剩余容量是否达到上限，若电池储能系统剩余容量未达到上限，则控制电池储能系统充电以减小电能供应，若电池储能系统剩余容量已达到上限，则需要电力负荷调节。

电力负荷优化控制方法为第三级控制，如图4所示，图4本发明实施例光储一体化离网系统多级优化控制方法第三级电力负荷优化控制。

电力负荷优化控制方法包括：

依据第二级的电池储能系统优化控制判断是否需要电力负荷调节，若需要电力负荷调节则继续判断是否需要增大电力负荷，当需要增大电力负荷时再判断通过负荷开关与母线连接的负荷是否处于切出状态，若通过负荷开关与母线连接的负荷处于切出状态，则投入通过负荷开关与母线连接的负荷以增大电力负荷，若通过负荷开关与母线连接的负荷未处于切出状态，则切出部分光伏组件，当需要减小电力负荷时则切出通过负荷开关与母线连接的负荷。

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。

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 (8)

1.一种光储一体化离网系统，所述系统包括通过DC/AC变流器相连的交流母线和直流母线；其特征在于：所述直流母线连接光伏系统和电池储能系统；

所述直流母线和交流母线分别连接直流负荷和交流负荷。

2.如权利要求1所述的一种光储一体化离网系统，其特征在于：所述直流母线通过防逆流装置与所述光伏系统连接；

所述防逆流装置为防止电池系统的电流反过来向光伏系统倒送，避免光伏组件因发热而损坏的装置。

3.如权利要求1所述的一种光储一体化离网系统，其特征在于：

所述直流负荷包括与所述直流母线直接连接的负荷和通过直流负荷开关与所述直流母线连接的负荷；

所述交流负荷包括与所述交流母线直接连接的负荷和通过交流负荷开关与所述交流母线连接的负荷。

4.如权利要求3所述的一种光储一体化离网系统，其特征在于：所述直流负荷开关为切出与其相连的直流负荷保证所述与所述直流母线直接连接的负荷供电的装置；

所述交流负荷开关为切出与其相连的交流负荷保证所述与所述交流母线直接连接的负荷供电的装置。

5.一种应用于权利要求1所述的光储一体化离网系统的多级优化控制方法，其特征在于：所述方法包括光伏系统优化控制方法、电池储能系统优化控制方法和电力负荷优化控制方法。

6.如权利要求5所述的多级优化控制方法，其特征在于：所述光伏系统优化控制方法包括以下步骤：

I、判断所述离网系统电能供需是否平衡，若平衡则结束控制，若不平衡则进入步骤II；

II、判断是否需要增大电能供应，若需要增大电能供应则进入步骤III，若需减小电能供应则进入步骤IV；

III、判断光伏系统是否运行在非MPPT模式，若光伏系统运行在所述非MPPT模式，则调整所述储能系统进入MPPT模式以增大光伏系统输出功率，否则进行储能系统调节电能；

IV、判断所述光伏系统是否运行在所述MPPT模式，若所述光伏系统运行在所述MPPT模式，则调整为所述非MPPT模式以减小光伏系统输出功率，若所述光伏系统运行在所述非MPPT模式，则进行储能系统调节电能。

7.如权利要求6所述的多级优化控制方法，其特征在于：所述电池储能系统优化控制方法包括以下步骤：

I、根据所述光伏系统优化控制方法判断是否需要电池储能系统调节电能供应，若需要电池储能系统调节则判断是否需要增大电能供应，若需要增大电能供应时进入步骤II；若需要减小电能供应时则进入步骤III；

II、判断所述电池储能系统的剩余容量是否达到下限，若未达到下限，则控制所述电池储能系统放电以增大电能供应，若达到下限，则进行电力负荷调节；

III、判断所述电池储能系统的剩余容量是否达到上限，若未达到上限，则控制所述电池储能系统充电以减小电能供应，若达到上限，则进行电力负荷调节。

8.如权利要求7所述的多级优化控制方法，其特征在于：所述电力负荷优化控制方法包括以下步骤：

依据所述电池储能系统优化控制方法判断是否需要电力负荷调节，若需要电力负荷调节则判断是否需要增大电力负荷，若需要增大电力负荷再判断通过负荷开关与母线连接的负荷是否处于切出状态，若所述通过负荷开关与母线连接的负荷处于切出状态，则投入所述通过负荷开关与母线连接的负荷以增大电力负荷，若所述通过负荷开关与母线连接的负荷未处于切出状态，则切出光伏组件，当需要减小电力负荷时则切出通过负荷开关与母线连接的负荷。