CN105552952A - 一种光储联合发电系统及其能量管理方法 - Google Patents

一种光储联合发电系统及其能量管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光储联合发电系统，包含：三相逆变桥；太阳能光伏电池陈列，其输出端通过Boost电路连接至三相逆变桥的输入端；储能装置，其输出端通过双向DC/DC电路连接至三相逆变桥的输入端；所述的三相逆变桥的输出端连接至电网及交流负载；其中，光储联合发电系统的电路采用直流侧母线并联型拓扑结构，所述太阳能光伏电池陈列及储能装置并联设置在直流母线一侧；监测模块，分别与三相逆变桥、Boost电路及双向DC/DC电路电连接。本发明还公开了一种光储联合发电系统的能量管理方法。本发明系统结构灵活性好，能量管理方法适应光储联合发电系统在并网或离网运行情况下的应用，可以延长储能装置的寿命并且降低用户的电费费用。

Description

一种光储联合发电系统及其能量管理方法
技术领域
本发明涉及光储联合发电技术领域，具体涉及一种光储联合发电系统及其能量管理方法。
背景技术
随着社会的发展，社会对电能的需求越来越大，然而传统化石能源却日益紧缺，寻求新型可再生能源已成为社会发展过程的主要任务。太阳能作为一种清洁的可再生能源，以取之不尽、用之不竭、廉价、无污染的特点使其相对于其他新能源有无法比拟的优势。分布式光伏电源必将成为配电网未来能源发展方向，由光伏发电和储能电池系统构成的联合发电系统近年来日益受到关注。
联合发电系统按是否与电网相联接分为并网状态和离网状态，系统并网运行不仅可实现对电网调峰的作用，而且可降低用户的用电费用；离网运行的联合发电系统可解决贫困山区、偏远地区和岛屿等地的供电问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光储联合发电系统及其能量管理方法，系统结构灵活性好，能量管理方法适应光储联合发电系统在并网或离网运行情况下的应用，可以延长储能装置的寿命并且降低用户的电费费用。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种光储联合发电系统，其特点是，包含：
三相逆变桥；
太阳能光伏电池陈列，其输出端通过Boost电路连接至三相逆变桥的输入端；
储能装置，其输出端通过双向DC/DC电路连接至三相逆变桥的输入端；
所述的三相逆变桥的输出端连接至电网及交流负载；其中
光储联合发电系统的电路采用直流侧母线并联型拓扑结构，所述太阳能光伏电池陈列及储能装置并联设置在直流母线一侧；
监测模块，分别与三相逆变桥、Boost电路及双向DC/DC电路电连接，所述监测模块的输入信号为太阳能光伏电池阵列输出的电压及电流信号、储能装置输出的电压及电流信号、直流母线的电压及电流信号、三相逆变桥输出的电压及电流信号，其输出信号用于控制三相逆变桥、Boost电路及双向DC/DC电路。
一种光储联合发电系统的能量管理方法，其特点是，包含以下步骤：
S1、监测模块监测光储联合发电系统的工作状态，并采样太阳能光伏电池陈列的光伏功率、储能装置的储能功率、储能装置的储能能量占比及交流负载的负载功率；
S2、判断光储联合发电系统工作在并网状态下还是离网状态下；
若光储联合发电系统工作在并网状态下，则转至步骤S3；
若光储联合发电系统工作在离网状态下，则转至步骤S8；
S3、判断光储联合发电系统工作在峰时还是谷时；
若光储联合发电系统工作在谷时，则光储联合发电系统工作在第六工作模式；
若光储联合发电系统工作在峰时，则转至步骤S4；
S4、判断光伏功率是否大于负载功率；
若是，则转至步骤S5；
若否，则转至步骤S6；
S5、判断储能能量占比是否大于等于95％；
若是，则光储联合发电系统工作在第一工作模式；
若否，则光储联合发电系统工作在第二工作模式；
S6、判断储能能量占比是否大于等于20％；
若是，则转至步骤S7；
若否，则光储联合发电系统工作在第五工作模式；
S7、判断光伏功率与储能功率之和是否大于等于负载功率；
若是，则光储联合发电系统工作在第三工作模式；
若否，则光储联合发电系统工作在第四工作模式；
S7、判断光伏功率是否大于负载功率；
若是，则光储联合发电系统工作在第七工作模式；
若否，则光储联合发电系统工作在第八工作模式。
所述的第一工作模式为太阳能光伏电池陈列发电，电网吸收电能。
所述的第二工作模式为太阳能光伏电池陈列发电，储能装置进行充电。
所述的第三工作模式为太阳能光伏电池陈列发电，储能装置进行放电。
所述的第四工作模式为太阳能光伏电池陈列发电，储能装置进行放电，电网供电。
所述的第五工作模式为太阳能光伏电池陈列发电，电网供电。
所述的第六工作模式为电网供电，储能装置进行充电。
所述的第七工作模式为太阳能光伏电池陈列发电，储能装置进行充电。
所述的第八工作模式为太阳能光伏电池陈列发电，储能装置进行放电。
本发明一种光储联合发电系统及其能量管理方法与现有技术相比具有以下优点：通过对能量的管理，满足了交流负载的需求，提高了光储联合发电系统的稳定性；本发明充分利用了太阳能光伏电池陈列产生的电能；通过对储能装置容量的控制，延长了储能装置的寿命；结合电价制度，可有效降低用户的电费费用。
附图说明
图1为本发明一种光储联合发电系统的整体结构示意图；
图2为本发明一种光储联合发电系统的能量管理方法的流程图；
图3A～3H分别为本发明第以工作模式至第八工作模式对应的控制框图，其中实线箭头方向为能量流动的方向；
图4A为第一工作模式中太阳能光伏电池陈列的光伏功率波形图；
图4B为第一工作模式中电网的输出功率波形图；
图4C为第一工作模式中单相电流的波形图；
图5为第二工作模式中储能装置的储能能量占比SOC波形图；
图6A为第三工作模式中储能装置的储能功率波形图；
图6B为第三工作模式中储能装置的储能能量占比SOC波形图；
图7为第四工作模式中电网消耗总功率的波形图；
图8为第七工作模式中储能装置的储能功率波形图；
图9为第八工作模式中储能装置的储能功率波形图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1所示，一种光储联合发电系统，包含：三相逆变桥100；太阳能光伏电池陈列200，其输出端通过Boost电路201连接至三相逆变桥100的输入端；储能装置300，其输出端通过双向DC/DC电路301连接至三相逆变桥100的输入端；所述的三相逆变桥100的输出端连接至电网400及交流负载500；其中，光储联合发电系统的电路采用直流侧母线并联型拓扑结构，所述太阳能光伏电池陈列及储能装置并联设置在直流母线一侧；监测模块，分别与三相逆变桥100、Boost电路201及双向DC/DC电路301电连接，所述监测模块的输入信号为太阳能光伏电池阵列200输出的电压及电流信号、储能装置300输出的电压及电流信号、直流母线的电压及电流信号、三相逆变桥100输出的电压及电流信号，其输出信号用于控制三相逆变桥100、Boost电路201及双向DC/DC电路301中开关器件，开关器件包括但不限于IGBT或MOSFET等；光储联合发电系统还包括与Boost电路201连接的MPPT控制器202；与双向DC/DC电路301连接的PWM控制器302；与三相逆变桥100连接的逆变控制器101；设置在三相逆变桥100与交流负载500之间的滤波器600。
结合上述的光储联合发电系统，本发明还提供一种光储联合发电系统的能量管理方法，如图2所示，包含以下步骤：
S1、监测模块监测光储联合发电系统的工作状态，并采样太阳能光伏电池陈列的光伏功率Ppv、储能装置的储能功率Pbat、储能装置的储能能量占比SOC及交流负载的负载功率PL；
S2、判断光储联合发电系统工作在并网状态下还是离网状态下；
若光储联合发电系统工作在并网状态下，则转至步骤S3；
若光储联合发电系统工作在离网状态下，则转至步骤S8；
S3、判断光储联合发电系统工作在峰时还是谷时；
若光储联合发电系统工作在谷时，则光储联合发电系统工作在第六工作模式，电网供电，储能装置进行充电；
若光储联合发电系统工作在峰时，则转至步骤S4；
S4、判断光伏功率是否大于负载功率；
若是，则转至步骤S5；
若否，则转至步骤S6；
S5、判断储能能量占比是否大于等于95％；
若是，则光储联合发电系统工作在第一工作模式，储能装置已充满电，太阳能光伏电池陈列发电，电网吸收电能；
若否，则光储联合发电系统工作在第二工作模式，储能装置未充满电，太阳能光伏电池陈列发电，储能装置进行充电；
S6、判断储能能量占比是否大于等于20％；
若是，则转至步骤S7；
若否，则光储联合发电系统工作在第五工作模式，太阳能光伏电池陈列发电，电网供电；
S7、判断光伏功率与储能功率之和是否大于等于负载功率；
若是，则光储联合发电系统工作在第三工作模式，太阳能光伏电池陈列发电，储能装置进行放电；
若否，则光储联合发电系统工作在第四工作模式，太阳能光伏电池陈列发电，储能装置进行放电，电网供电；
S7、判断光伏功率是否大于负载功率；
若是，则光储联合发电系统工作在第七工作模式，太阳能光伏电池陈列发电，储能装置进行充电；
若否，则光储联合发电系统工作在第八工作模式，太阳能光伏电池陈列发电，储能装置进行放电。
将光储联合发电系统的能量管理方法与对应的工作模式整理如表1所示，每一工作模式对应的控制框图如图3A～3H所示。
具体地，针对本发明，采用基于Matlab/Simulink的软件搭建了15kW三相光储联合发电系统的仿真模型，如图1所示。其中，太阳能光伏电池陈列的电气参数见表2所示。储能装置的电气参数设置如表3所示。假设仿真模型的交流负载采用阻性负载，系统在并网和离网状态中涉及的PI调节器参数见表4和表5。下面对本次发明提出的8种工作模式进行仿真分析。
表2光伏电气参数设置
表3储能电池电气参数设置
表4系统并网状态PI参数设置
表5系统离网状态PI参数设置
第一工作模式：
光储联合发电系统工作在第一工作模式时，太阳能光伏电池陈列的光伏功率大于交流负载所需的负载功率，并且储能装置已充满电，设负载功率PL＝1kW，通过仿真后可得到太阳能光伏电池陈列的光伏功率、电网的输出功率和单相电流的波形，分别如图4A～4C所示。
由图4A～4C可知，太阳能光伏电池陈列在0.07s达到最大功率点，其光伏功率在5kW上下波动，之后有4kW剩余功率流向电网，此时电网电流与之前方向相反，单相电网电流幅值接近于9A，之后保持这个电流值不变，此模式达到能量管理控制要求。
第二工作模式：
若第一工作模式中储能装置的容量未满，则光储联合发电系统工作在第二工作模式，设储能装置的储能能量占比SOC＝50％，通过仿真后可得到此模式下储能装置的储能能量占比SOC波形，如图5所示。
由图5可以看出，储能装置在0.07s后在能量管理方法控制下开始充电，其控制有较好的响应速度和精度，实现了控制要求。
第三工作模式：
若第二工作模式中的交流负载增大至10kW，此时太阳能光伏电池陈列的光伏功率小于交流负载的负载功率，但光伏功率和储能功率之和大于负载功率，储能电池只需提供5kW功率即可，此时系统工作在第三工作模式。设储能装置的储能能量占比SOC＝80％，通过仿真可得到储能装置的储能功率波形和储能能量占比SOC波形，分别如图6A和图6B所示。
由图6A和图6B可以看到，由于光伏功率小于负载功率，储能装置在0.07s后提供不足功率，在短暂波动后稳定在5kW上下，储能能量占比SOC也从80％逐渐减少，此时可满足负载的需求。
第四工作模式：
第四工作模式与第三工作模式的不同是光伏功率和储能功率之和小于负载功率，此时需要电网提供不足的电能，设定负载功率PL＝16kW，那么电网需提供1kW的功率，通过仿真得到电网消耗总功率的波形，如图7所示。
由图7可知，电网输出功率经过短暂的波动后在0.07s时稳定在1kW上下，实现了能量管理的控制。
第五工作模式：
当第四工作模式中的储能能量占比SOC不足时(放电至20％)，系统切换至第五工作模式，此时只有太阳能光伏电池陈列和电网向交流负载供电。同第四工作模式一样，电网的输出功率在0.07s时趋于稳定，数值大小在11kW附近，所以电网输出功率的波形与图7相似，此处不再赘述。
第六工作模式：
在谷时段(22时～次日6时)，由于没有光照而且电网电价较为便宜，对于容量未满的储能装置则由电网提供电能进行充电，并且交流负载也由电网供电，那么此工作模式就变成了储能装置充电的情形，不再详细介绍。
第七工作模式：
若光储联合发电系统工作在离网状态，设负载功率PL＝3kW，此时太阳能光伏电池陈列的光伏功率大于交流负载所需的负载功率，那么剩余功率给储能装置充电，通过仿真后可得到储能装置的储能功率波形，如图8所示。
由于太阳能光伏电池陈列在0.07s左右时达到最大功率点，所以储能装置充电功率应在此时稳定在2kW附近，而图8的储能功率波形恰好说明剩余功率向储能装置流动，实现了系统功率的平衡。
第八工作模式：
假设负载功率PL＝10kW，此时太阳能光伏电池陈列的光伏功率小于交流负载所需的负载功率，需要储能装置提供5kW的功率，此时系统在第八工作模式，通过仿真可得到第八工作模式的储能装置的储能功率波形，如图9所示。
由图9可以看出，由于太阳能光伏电池陈列在初始阶段的功率较小，交流负载所需的负载功率主要由储能装置提供，随着太阳能光伏电池陈列的光伏功率逐渐增大至稳定值，储能装置的储能功率逐渐减少，最终在5kW上下波动。
从以上的仿真结果可知，光储联合发电系统在各种条件下均可正常工作，也验证了本发明所提能量管理方法的正确性和有效性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种光储联合发电系统，其特征在于，包含：
三相逆变桥；
太阳能光伏电池陈列，其输出端通过Boost电路连接至三相逆变桥的输入端；
储能装置，其输出端通过双向DC/DC电路连接至三相逆变桥的输入端；
所述的三相逆变桥的输出端连接至电网及交流负载；其中
光储联合发电系统的电路采用直流侧母线并联型拓扑结构，所述太阳能光伏电池陈列及储能装置并联设置在直流母线一侧；
监测模块，分别与三相逆变桥、Boost电路及双向DC/DC电路电连接，所述监测模块的输入信号为太阳能光伏电池阵列输出的电压及电流信号、储能装置输出的电压及电流信号、直流母线的电压及电流信号、三相逆变桥输出的电压及电流信号，其输出信号用于控制三相逆变桥、Boost电路及双向DC/DC电路。
2.一种光储联合发电系统的能量管理方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、监测模块监测光储联合发电系统的工作状态，并采样太阳能光伏电池陈列的光伏功率、储能装置的储能功率、储能装置的储能能量占比及交流负载的负载功率；
S2、判断光储联合发电系统工作在并网状态下还是离网状态下；
若光储联合发电系统工作在并网状态下，则转至步骤S3；
若光储联合发电系统工作在离网状态下，则转至步骤S8；
S3、判断光储联合发电系统工作在峰时还是谷时；
若光储联合发电系统工作在谷时，则光储联合发电系统工作在第六工作模式；
若光储联合发电系统工作在峰时，则转至步骤S4；
S4、判断光伏功率是否大于负载功率；
若是，则转至步骤S5；
若否，则转至步骤S6；
S5、判断储能能量占比是否大于等于95％；
若是，则光储联合发电系统工作在第一工作模式；
若否，则光储联合发电系统工作在第二工作模式；
S6、判断储能能量占比是否大于等于20％；
若是，则转至步骤S7；
若否，则光储联合发电系统工作在第五工作模式；
S7、判断光伏功率与储能功率之和是否大于等于负载功率；
若是，则光储联合发电系统工作在第三工作模式；
若否，则光储联合发电系统工作在第四工作模式；
S7、判断光伏功率是否大于负载功率；
若是，则光储联合发电系统工作在第七工作模式；
若否，则光储联合发电系统工作在第八工作模式。
3.如权利要求2所述的能量管理方法，其特征在于，所述的第一工作模式为太阳能光伏电池陈列发电，电网吸收电能。
4.如权利要求2所述的能量管理方法，其特征在于，所述的第二工作模式为太阳能光伏电池陈列发电，储能装置进行充电。
5.如权利要求2所述的能量管理方法，其特征在于，所述的第三工作模式为太阳能光伏电池陈列发电，储能装置进行放电。
6.如权利要求2所述的能量管理方法，其特征在于，所述的第四工作模式为太阳能光伏电池陈列发电，储能装置进行放电，电网供电。
7.如权利要求2所述的能量管理方法，其特征在于，所述的第五工作模式为太阳能光伏电池陈列发电，电网供电。
8.如权利要求2所述的能量管理方法，其特征在于，所述的第六工作模式为电网供电，储能装置进行充电。
9.如权利要求2所述的能量管理方法，其特征在于，所述的第七工作模式为太阳能光伏电池陈列发电，储能装置进行充电。
10.如权利要求2所述的能量管理方法，其特征在于，所述的第八工作模式为太阳能光伏电池陈列发电，储能装置进行放电。
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