CN105576677B - 一种光伏储能系统能量管理控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光伏储能系统能量管理控制方法，包括光伏储能系统配置方法、集中储能系统控制方法和分布式储能系统控制方法。相比于传统混合储能结构，本发明采用集中储能与分布式储能分层控制方式，能够方便、有效地对光伏储能系统进行全局控制和局部控制，简化控制电路及控制过程，提高控制效率；通过集中储能和分布式储能控制方法的优化，可有效增加光伏利用率，稳定母线电压；通过蓄电池分组控制方式，解决了采用单一控制时，数据量大、难以合理确定每台蓄电池荷电状态的问题。本发明可广泛用于分布式光伏储能系统，简化控制方式、提高控制效能、提升光伏利用率和供电质量，具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光伏储能联合系统技术领域，更具体地，涉及一种适用于光伏发电系统的能量管理控制方法。
背景技术
由于太阳能资源储量丰富、分布广泛且经济环保，光伏发电技术在近年来得到迅猛发展。光伏电池转换效率不断提高，生产成本不断下降，使得光伏发电将在能源、环境和人类社会未来发展中占据重要地位。但是由于光伏发电的波动性、随机性及间歇性等特性，使其出力不稳定且受环境因素影响较大。特别是在高渗透率光伏接入情况下，其对电网的安全稳定运行和控制带来的问题日益明显。
为了解决上述问题，通常采取在光伏发电系统中引入储能装置。通过合理的储能控制方法，根据系统状态动态地对储能装置充放电进行控制，以平衡电网能量，优化系统运行。储能装置不仅可以平抑光伏电池出力波动，用作备用电源和能量缓冲装置，同时还可以提高光伏容量渗透率水平和利用率水平，优化光伏发电的经济性，并提高整个光伏发电系统的稳定性。合理的储能配置及其控制方法对高渗透率下的光伏储能联合系统的稳定优化运行具有重要意义。
现阶段光伏储能联合系统技术，多集中在联合发电系统的拓扑结构和潮流定向控制，以及光伏最大功率跟踪及并网控制策略方面。现有的基于混合储能的储能充放电控制方法，在系统不同运行状态下合理安排不同储能进行充放电。该方法只限于储能的集中控制，未考虑混合储能装置的配置方式，不能根据不同的控制目标，灵活地安排不同储能装置进行充放电，其控制电路复杂且可操作性不高，控制效率低下，难以有效优化系统运行。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光伏储能系统能量管理控制方法，其目的在于便捷、有效地对光伏储能系统进行全局控制和局部控制，简化控制电路及控制过程，提高控制效率。本发明的方法可用图1所示框图来简要表示。
本发明提出的一种光伏储能系统能量管理控制方法，包括光伏储能系统配置方法、集中储能控制方法和分布式储能控制方法，其中：
所述光伏储能系统配置方法为：每台光伏发电装置配置一组储能装置，构成一个光储单元；多个光储单元与一条直流母线连接，各直流母线通过变流器与交流母线连接，交流母线经变压器，与区域配电网连接；集中储能系统和分布式储能系统互不相连，分别通过变流器与交流母线相连；所述集中储能系统是指集中储能区的储能装置串并联形成的储能系统，所述分布式储能系统则是指分布在集中储能区之外的各处单个储能装置；
所述集中储能系统控制方法为：当光伏储能系统中光伏发电装置整体出力大于总负荷时，集中储能系统对储能装置进行充电；当全部储能装置达到最大荷电状态，将多余的光伏出力电能向光伏储能系统外输送；当光伏发电装置整体出力小于负荷时，集中储能系统放电；当全部储能装置达到最小荷电状态，从外部向光伏储能系统送入电能。采用该方法，可以平衡系统功率，减少负荷峰谷差，提高光伏利用率。
所述分布式储能系统控制方法为：当某光伏发电装置的输出功率高于其平均值时，其相应的储能装置充电，吸收该光伏发电装置输出功率；当某光伏发电装置的输出功率低于其平均值时，其相应的储能装置放电，补充该光伏发电装置输出功率。采用该方法，可减小光伏出力波动。
本发明所述的光伏发电装置，指一个最小可控制的光伏阵列。
进一步的，所述集中储能系统采用蓄电池组为储能装置；所述分布式储能系统采用超级电容器组为储能装置。采用该配置方案，兼顾了响应速度与配置成本要求。
进一步的，所述集中储能系统中的储能装置是分组连接的，储能装置的充放电根据其荷电状态分组进行；荷电状态越高的储能装置组，充电时间越少，放电时间越长；荷电状态越低的储能装置组，充电时间越长，放电时间越短。
进一步的，所述能量管理控制方法中，所述集中储能装置为蓄电池，分底层、中层和顶层控制，其中：底层控制管理单体蓄电池电压采集、多点温度采集、蓄电池均衡控制功能；中层控制管理单个蓄电池组中的全部蓄电池，同时负责蓄电池组的总电压采集、充放电电流采集、漏电检测、故障报警，荷电状态计算，与底层控制协同完成该蓄电池组的均衡控制；顶层控制管理集中储能系统中的全部蓄电池组，通过收集各组蓄电池的数据信息，对集中储能系统的信息进行统计、分析和处理。采用该方法，可解决控制数据计算量和通信量大的问题，提高控制效率。
进一步的，所述能量管理控制方法，还包括交流母线末端的分布式储能装置控制方法：检测交流母线末端的光储单元，当交流母线末端负荷较小而其对应的光储单元的出力较大时，该光储单元中的储能装置充电，吸收光伏发电装置出力；当交流母线末端负荷较大而其对应的光储单元出力较小时，该光储单元中的储能装置放电，补充光伏发电装置出力。采用该方法，可进一步稳定交流母线电压。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、针对现有光伏储能系统，根据不同储能装置充放电特性的不同，将其进行合理分层配置。相比于传统混合储能结构，利用该分层储能结构，能够方便、有效地对光伏储能系统进行全局控制和局部控制，简化控制电路及控制过程，提高控制效率，有利于光伏储能系统的优化运行。
2、分别建立了集中储能全局控制和分布式储能局部控制的优化方法，所提出的控制方法可有效增加光伏利用率，稳定母线电压。
3、在集中储能全局控制中，针对集中管理大量蓄电池存在诸多困难的问题，提出了蓄电池分层控制，通过该控制结构可自底向上逐层对蓄电池进行管理，解决采用单一控制单元时，数据量大、难以合理确定每台蓄电池荷电状态的问题。
附图说明
图1是本发明的方法示意框图；
图2是本发明实施例的含高渗透率光伏储能的配电网结构图；
图3是本发明实施例的集中储能控制方法流程图；
图4是本发明实施例的蓄电池控制结构图；
图5是本发明实施例的分布式储能控制方法流程图；
图6是本发明实施例的整体控制方法流程图；
图7是本发明实施例的加入集中储能后负荷变化曲线；
图8是本发明实施例的光伏有效利用小时数变化曲线；
图9是本发明实施例的分布式储能对光伏出力的平波曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提出的一种光伏储能系统能量管理控制方法包括光伏储能系统配置方法、集中储能系统控制方法和分布式储能控制方法。
1.光伏储能系统配置方法
本实施例中，光伏储能系统配置方法为：每台光伏发电装置配置一组储能装置，构成一个光储单元；多个光储单元与一条直流母线连接，各直流母线通过变流器与交流母线连接，交流母线经变压器，与区域配电网连接；集中储能系统和分布式储能系统互不相连，分别通过变流器与交流母线相连；所述集中储能系统是指集中储能区的储能装置串并联形成的储能系统，所述分布式储能系统则是指分布在集中储能区之外的各处单个储能装置；本实例采用混合储能装置的分层配置方案，主要包括储能装置分层结构的确定以及储能类型的选择。具体如下:
(1)确定储能装置结构
图2所示为含高渗透率光伏储能的配电网结构图，其中，DC/DC和DC/AC分别为直流斩波器和逆变器，DC BUS和AC BUS分别为直流母线和交流母线，DVR为负荷电压调节器。本发明实施例所述的储能结构是指集中储能以及分布式储能两层结构。集中储能是指数量众多的储能装置串并联形成的大规模储能系统，一般集中部署在某一特定地区。而分布式储能则是指分布在配电网各处的小规模储能装置，与分布式光伏发电装置合称光储单元。
(2)选择储能装置类型
根据光伏储能系统的能量管理要求，分层储能结构应同时具有就地平衡光伏出力波动性以及调节整个配电网峰谷差的作用。因此，在集中储能处部署能量密度较高，适合较长时间储存的蓄电池组，而在分布式储能处部署响应速较快，充放电效率高的超级电容器。
2.集中储能系统控制方法
集中储能系统控制方法为：当光伏储能系统中光伏发电装置整体出力大于总负荷时，集中储能系统对储能装置进行充电；当全部储能装置达到最大荷电状态，将多余的光伏出力电能向光伏储能系统外输送；当光伏发电装置整体出力小于负荷时，集中储能系统放电；当全部储能装置达到最小荷电状态，从外部向光伏储能系统送入电能。该方法目的是为了满足系统电能供需平衡，以及对负荷进行削峰填谷，以减小系统峰谷差。本实施例在集中储能系统控制中进一步引入蓄电池分层管理方法：所述集中储能系统中的储能装置是分组连接的，储能装置的充放电根据其荷电状态分组进行；荷电状态越高的储能装置组，充电时间越少，放电时间越长；荷电状态越低的储能装置组，充电时间越长，放电时间越短。采用该方法，可提升集中储能系统中蓄电池的控制效能，便于控制管理，提高电池使用寿命。
控制策略包括集中储能控制方法以及蓄电池组内部分层控制方法。具体步骤如下：
2.1：建立集中储能控制方法的调节控制关系式。本实施例所述的调节控制关系为：
式中，PPVi表示第i台光伏出力功率，n表示光伏总数，l表示储能装置总数，PESj表示第j台储能设备的出力功率，当其为正值时，储能放电；其为负值时，储能充电。PSPG表示外部电网出力，PL表示负荷功率。
当光伏储能系统中光伏发电装置整体出力大于负荷功率PL时，集中储能系统对储能装置进行充电，PESj吸收功率，实现了系统功率平衡。
当全部储能装置达到最大荷电状态SOCB＝SOCB max，将多余的光伏出力电能向配电网外输送，外部电网吸收功率，此时PSPG实际为负，实现了系统功率平衡。
当光伏储能系统中光伏发电装置整体出力小于负荷功率PL时，集中储能系统对储能装置进行放电，PESj输出功率，实现了系统功率平衡。
当全部储能装置达到最小荷电状态SOCB＝SOCB min，从外部电网向光伏储能系统输入功率，此时PSPG实际为正，实现了系统功率平衡。其中，SOCB为当前蓄电池荷电状态，SOCB min和SOCB max分别为蓄电池最小和最大允许荷电状态。
2.2：蓄电池组内部分层控制方法。所述集中储能系统中的储能装置是分组连接的，本实施例中，储能装置为蓄电池，分底层、中层和顶层控制，其中：底层控制管理单体蓄电池电压采集、多点温度采集、蓄电池均衡控制功能；中层控制管理单个蓄电池组中的全部蓄电池，同时负责蓄电池组的总电压采集、充放电电流采集、漏电检测、故障报警，荷电状态计算，与底层控制协同完成该蓄电池组的均衡控制；顶层控制管理集中储能系统中的全部蓄电池组，通过收集各组蓄电池的数据信息，对集中储能系统的信息进行统计、分析和处理。蓄电池组内部分层控制为实现集中储能控制提供了有力保证，其控制结构框图如图4所示。采用该方法，可解决控制数据计算量和通信量大的问题，提高控制效率。
3.分布式储能系统控制方法
分布式储能系统控制方法为：当某光伏发电装置的输出功率高于其平均值时，其相应的储能装置充电，吸收该光伏发电装置输出功率；当某光伏发电装置的输出功率低于其平均值时，其相应的储能装置放电，补充该光伏发电装置输出功率。该方法主要目的是平衡光伏出力波动，稳定母线电压。本实施例的具体实施方法如下：
3.1：建立分布式储能控制的目标函数。一般分布式储能控制的目标是减少光储单元出力波动。目标函数有多种形式，本实例采用一个控制周期内光储单元出力波动最小为目标函数(实践中可采用多控制周期或其它形式的目标函数，以有效表征目标变量与调节变量关系，便于实现控制为准)，其表达式为：
式中，F2表示光储单元出力波动，PPVi表示第i台光伏出力功率，PSCi表示第i台超级电容器出力功率，PPVi max和PPVi min分别表示一个控制周期中，第i台光伏发电装置可输出的最大和最小功率，为光伏发电装置出力平均值。
当某光伏发电装置的输出功率PPVi高于其平均值时，其相应的储能装置充电，PSCi实际输出功率为负，吸收该光伏发电装置输出功率，实现了光储单元出力的稳定；
当某光伏发电装置的输出功率PPVi低于其平均值时，其相应的储能装置放电，PSCi实际输出功率为正，补充该光伏发电装置输出功率，实现了光储单元出力的稳定；
3.2交流母线末端的分布式储能装置控制方法
本实施例中，交流母线末端电压允许波动范围设置为±5％。检测交流母线末端电压及负荷，当交流母线末端负荷较小而其对应的光储单元的出力较大，使母线电压高于额定电压5％时，交流母线末端的光储单元中的储能装置充电，吸收光伏发电装置出力；当交流母线末端负荷较大而其对应的光储单元的出力较小，使母线电压低于额定电压5％时，交流母线末端的光储单元中的储能装置放电，补充光伏发电装置出力。
在本发明实施例中，为验证所提出光伏储能系统能量管理控制方法的有效性，将提出的方法应用于光伏储能系统的控制。选取某典型配电网区域，根据其光伏出力预测数据及负荷预测数据，选取一天24小时为一个控制周期，验证上述所提控制方法的效果。
将集中储能作为虚拟负荷，在原负荷谷值时储能充电，此时储能等效为正负荷；在原负荷峰值时储能放电，此时储能等效为负负荷，合成出力为集中储能调节功率和负荷功率的相加值。由此得到的储能参与调节后的负荷变化曲线如图7所示。由图可知加入集中储能后等效的负荷峰谷差减小。考虑储能加入后对系统的调节作用，分析不同的储能调节时间对光伏发电利用率的影响，得到如图8所示的光伏有效利用小时数变化曲线。由图可知，一定范围内，在相同光伏能量渗透率下，储能调节时间越长，光伏发电利用率越大。根据分布式储能系统控制方法，仿真得到如图9所示的光伏储能混合出力曲线。可见，利用分布式储能的调节作用，可有效平抑光伏出力波动。
综上所述，本发明所提出的光伏储能系统能量管理控制方法可有效提高光伏利用率，同时减小光伏出力波动性，减小系统等效负荷峰谷差。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种光伏储能系统能量管理控制方法，其特征在于，包括光伏储能系统配置方法、集中储能系统控制方法、分布式储能系统控制方法和交流母线末端的分布式储能装置控制方法，其中：
所述光伏储能系统配置方法为：每台光伏发电装置配置一组储能装置，构成一个光储单元；多个光储单元与一条直流母线连接，各直流母线通过变流器与交流母线连接，交流母线经变压器，与区域配电网连接；集中储能系统和分布式储能系统互不相连，分别通过变流器与交流母线相连；所述集中储能系统是指集中储能区的储能装置串并联形成的储能系统，所述分布式储能系统则是指分布在集中储能区之外的各处单个储能装置；
所述集中储能系统控制方法为：当光伏储能系统中光伏发电装置整体出力大于总负荷时，集中储能系统对储能装置进行充电；当全部储能装置达到最大荷电状态，将多余的光伏出力电能向光伏储能系统外输送；当光伏发电装置整体出力小于负荷时，集中储能系统放电；当全部储能装置达到最小荷电状态，从外部向光伏储能系统送入电能；
所述分布式储能系统控制方法为：当某光伏发电装置的输出功率高于其平均值时，其相应的储能装置充电，吸收该光伏发电装置输出功率；当某光伏发电装置的输出功率低于其平均值时，其相应的储能装置放电，补充该光伏发电装置输出功率；
所述交流母线末端的分布式储能装置控制方法：检测最靠近交流母线末端的光储单元，当交流母线末端负荷较小而其对应的光储单元的出力较大时，该光储单元中的储能装置充电，吸收光伏发电装置出力；当交流母线末端负荷较大而其对应的光储单元出力较小时，该光储单元中的储能装置放电，补充光伏发电装置出力。
2.根据权利要求1所述的一种光伏储能系统能量管理控制方法，其特征在于，所述集中储能系统采用蓄电池组为储能装置；所述分布式储能系统采用超级电容器组为储能装置。
3.根据权利要求1或2所述能量管理控制方法，其特征在于，所述集中储能系统中的储能装置是分组连接的，储能装置的充放电根据其荷电状态分组进行；荷电状态越高的储能装置组，充电时间越少，放电时间越长；荷电状态越低的储能装置组，充电时间越长，放电时间越短。
4.根据权利要求3所述的能量管理控制方法，其特征在于，所述储能装置为蓄电池，分底层、中层和顶层控制，其中：
底层控制管理单体蓄电池电压采集、多点温度采集、蓄电池均衡控制功能；
中层控制管理单个蓄电池组中的全部蓄电池，同时负责蓄电池组的总电压采集、充放电电流采集、漏电检测、故障报警，荷电状态计算，与底层控制协同完成该蓄电池组的均衡控制；
顶层控制管理集中储能系统中的全部蓄电池组，通过收集各组蓄电池的数据信息，对集中储能系统的信息进行统计、分析和处理。
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