CN105811458A - 微电网储能系统及其能量管理方法 - Google Patents

微电网储能系统及其能量管理方法 Download PDF

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CN105811458A CN201610255557.9A CN201610255557A CN105811458A CN 105811458 A CN105811458 A CN 105811458A CN 201610255557 A CN201610255557 A CN 201610255557A CN 105811458 A CN105811458 A CN 105811458A
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邵长伟
吴仕福
王丽芬
周谦
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Abstract

本申请涉及微电网储能系统及其能量管理方法，系统包括光伏组件、储能单元、三相储能逆变器、光伏并网逆变器、发电机等单元，能够实现能量管理功能，三相储能逆变器的核心控制器为主控单元，光伏逆变器及发电机为从控单元，主控单元根据电网条件、负载功率、电池电量及光伏输出等管理其他从控单元的运行状态，完成对整个系统的能量调度，实现在并网时根据负载变化及并网点的功率调节对电池的充放电，在离网时由储能逆变器作为电压源为光伏逆变器并网提供条件为本地负载供电及对电池的充放电，同时在系统能量不足时切换到发电机工作保证负载不断电，真正实现整个系统的能量智能管理及网侧功率的平滑输出。

Description

微电网储能系统及其能量管理方法
技术领域
本申请涉及电力系统技术领域，尤其涉及光伏发电领域微电网储能系统及其能量管理方法。
背景技术
全球能源紧缺，新兴能源产业的发展势在必行，但传统风能、太阳能等清洁能源发电受环境影响较大，导致输出功率不稳定，致使传统电网无法全部承载，造成大量能量被浪费，且其运行条件受电网制约无法满足无电网的偏远山区、海岛等应用。
微电网是电力系统领域较为新颖的概念，其由分布式发电机、新能源发电、负荷、储能系统及控制系统组成，可向负荷提供电能和热能的相对独立的发配电系统，以解决风力发电、光伏发电和燃料电池等新能源的接入问题，具有自我保护、协调控制等功能。
然而，微电网中新能源发电系统输出相对地难以预测，运行方式切换的网络变化，以及面对不同的需求负荷等因素，都对微电网系统能量管理提出了较高的要求。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种光伏发电领域微电网储能系统及其能量管理方法。
根据本申请的一个方面，本申请提供一种微电网储能系统，包括：
储能逆变器，其与电网及本地负载分别耦合；
至少一组光伏逆变器，每一组光伏逆变器分别耦合所述储能逆变器；
储能单元，其耦合所述储能逆变器；
至少两组光伏组件，其中一组光伏组件耦合所述储能逆变器，其余每一组光伏组件分别耦合每一组所述光伏逆变器；
发电机，其耦合所述储能逆变器；
所述储能逆变器还通过通讯总线分别连接所述发电机及所述每一组光伏逆变器，并根据所述电网的电网条件、所述本地负载的负载功率、所述储能单元的电容量以及所述光伏组件的光伏输出，分别对应并网条件和离网条件来管理所述光伏逆变器和所述发电机的运行状态。
在本申请一实施例中，所述储能逆变器包括主核心控制器、开关模块、直流-直流变换器、以及直流-交流变换器，其中，所述开关模块的一端耦合所述电网，另一端耦合所述直流-交流变换器，所述直流-交流变换器耦合所述直流-直流变换器，所述直流-直流变换器耦合所述储能单元，所述直流-交流变换器耦合至一组所述光伏组件；所述主核心控制器通过所述通讯总线分别连接所述发电机及所述每一组光伏逆变器以进行数据交换，所述主核心控制器还用于：在并网条件下，根据所述电网条件及所述负载功率，控制所述直流-直流变换器调节所述储能单元充放电，以达到当相应的所述光伏组件的输出功率大于所述负载功率时为所述储能单元充电，当相应的所述光伏组件的输出功率小于所述负载功率时，所述储能单元放电为所述本地负载供电；在离网条件下，控制所述直流-交流变换器产生逆变交流电压为所述本地负载提供能量，为所述光伏逆变器提供并网条件，并控制所述直流-直流变换器调节所述储能单元充放电，以达到使所述储能逆变器、所述储能单元、所述光伏逆变器、所述本地负载的能量平衡，最大化地利用所述光伏组件的能量为所述本地负载供电及为所述储能单元充电。
在本申请一实施例中，所述主核心控制器还用于：在并网条件下，根据所述电网的电网条件，通过所述通讯总线控制所述光伏逆变器的输出功率以实现防逆流功能；和/或，在离网条件下，当所述储能单元的电容量相对低并且所述光伏组件无法同时满足对所述本地负载供电及为所述储能单元充电时，控制所述储能逆变器和所述光伏逆变器停止工作，并切换到发电机工作模式，以保证所述本地负载的不间断供电。
在本申请一实施例中，每一组所述光伏逆变器包括与所述储能逆变器的主核心控制器相连的从核心控制器、以及耦合于每一组所述光伏组件与所述储能逆变器之间的直流-交流变换器。
在本申请一实施例中，所述从核心控制器受控于所述主核心控制器，用于限制所述光伏逆变器的输出以实现防逆流。
在本申请一实施例中，所述储能单元选自如下至少一种：铅酸电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、锂离子电池和超级电容器；所述通讯总线选自如下至少一种：增强型控制器局域网总线、RS485总线和以太网；所述储能逆变器为三相储能逆变器。
根据本申请的另一个方面，本申请提供一种微电网储能系统的能量管理方法，包括：
提供储能逆变器，使其耦合电网和本地负载；
提供至少一组光伏逆变器，每一组光伏逆变器分别耦合所述储能逆变器；
提供储能单元，使其耦合所述储能逆变器；
提供至少两组光伏组件，使其中一组光伏组件耦合所述储能逆变器，其余每一组光伏组件分别耦合每一组所述光伏逆变器；
提供发电机，使其耦合所述储能逆变器；
通过通讯总线将所述储能逆变器分别连接所述发电机及所述每一组光伏逆变器，并根据所述电网的电网条件、所述本地负载的负载功率、所述储能单元的电容量以及所述光伏组件的光伏输出，分别对应并网条件和离网条件来管理所述光伏逆变器和所述发电机的运行状态。
在本申请一实施例中，所述储能逆变器包括主核心控制器、开关模块、直流-直流变换器、以及直流-交流变换器，其中，所述开关模块的一端耦合所述电网，另一端耦合所述直流-交流变换器，所述直流-交流变换器耦合所述直流-直流变换器，所述直流-直流变换器耦合所述储能单元，所述直流-交流变换器耦合至一组所述光伏组件，所述主核心控制器通过所述通讯总线分别连接所述发电机及所述每一组光伏逆变器以进行数据交换；所述方法包括：在并网条件下，所述主核心控制器根据所述电网条件及所述负载功率，控制所述直流-直流变换器调节所述储能单元充放电，以达到当相应的所述光伏组件的输出功率大于所述负载功率时为所述储能单元充电，当相应的所述光伏组件的输出功率小于所述负载功率时，所述储能单元放电为所述本地负载供电；在离网条件下，所述主核心控制器控制所述直流-交流变换器产生逆变交流电压为所述本地负载提供能量，为所述光伏逆变器提供并网条件，并控制所述直流-直流变换器调节所述储能单元充放电，以达到使所述储能逆变器、所述储能单元、所述光伏逆变器、所述本地负载的能量平衡，最大化地利用所述光伏组件的能量为所述本地负载供电及为所述储能单元充电。
在本申请一实施例中，所述方法还包括：在并网条件下，所述主核心控制器根据所述电网的电网条件，通过所述通讯总线控制所述光伏逆变器的输出功率以实现防逆流功能；和/或，在离网条件下，当所述储能单元的电容量相对低并且所述光伏组件无法同时满足对所述本地负载供电及为所述储能单元充电时，所述主核心控制器控制所述储能逆变器和所述光伏逆变器停止工作，并切换到发电机工作模式，以保证所述本地负载的不间断供电。
在本申请一实施例中，每一组所述光伏逆变器包括与所述储能逆变器的主核心控制器相连的从核心控制器、以及耦合于每一组所述光伏组件与所述储能逆变器之间的直流-交流变换器。
本申请的有益效果体现在：通过提供的由光伏组件、储能单元、储能逆变器、光伏逆变器、发电机等单元组成的微电网储能系统，以储能逆变器作为核心控制单元，其根据电网条件、负载功率、储能单元的电容量以及光伏输出，分别对应并网条件和离网条件来管理光伏逆变器和发电机的运行状态，实现对整个系统的能量管理。
附图说明
图1为本申请一实施例的微电网储能系统的结构示意图；
图2为图1所示结构的进一步具体化示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本申请一实施例提供一种微电网储能系统，其包括：储能逆变器10、N组光伏逆变器20(N为正整数)、发电机30、M组光伏组件(M为正整数)、以及储能单元60。其中，储能逆变器10分别耦合电网40及本地负载70，每一组光伏逆变器50分别耦合储能逆变器10，储能单元60耦合储能逆变器10，一组光伏组件50耦合储能逆变器10，其余每一组光伏组件50分别耦合每一组光伏逆变器20，发电机30耦合储能逆变器10。储能单元可以是：铅酸电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、锂离子电池、超级电容器等。
储能逆变器10包括主核心控制器、开关模块、直流-直流变换器(DC/DC)、以及直流-交流变换器(DC/AC)，其中，开关模块的一端耦合电网40，另一端耦合直流-交流变换器，直流-交流变换器耦合直流-直流变换器，直流-直流变换器耦合储能单元60，直流-交流变换器耦合至一组光伏组件，主核心控制器通过通讯总线80分别连接发电机30及每一组光伏逆变器20以进行数据交换。通讯总线80可以是增强型控制器局域网总线(ECAN)、RS485总线、以太网等。一具体实现中，储能逆变器10为三相储能逆变器，光伏逆变器20为光伏并网逆变器。
每一组光伏逆变器20包括与储能逆变器10的主核心控制器相连的从核心控制器、以及耦合于每一组光伏组件50与储能逆变器10之间的直流-交流变换器。主核心控制器或从核心控制器可以是单片机或数字信号处理器(DSP)。
储能逆变器10还通过通讯总线80分别连接发电机30及每一组光伏逆变器20，并根据电网40的电网条件、本地负载70的负载功率、储能单元60的电容量以及光伏组件50的光伏输出，分别对应并网条件和离网条件来管理光伏逆变器20和发电机30的运行状态。
在并网条件下，主核心控制器根据电网条件及负载功率，控制直流-直流变换器调节储能单元60充放电，以达到当相应的光伏组件的输出功率大于负载功率时，将多余的能量用于为储能单元60充电，当相应的光伏组件的输出功率小于负载功率时，储能单元60放电以便为本地负载70供电。通过此调节，可以做到本地输出能量的平衡，减少电网负荷的效果。
在离网条件下，主核心控制器控制直流-交流变换器产生逆变交流电压为本地负载70提供能量，同时为光伏逆变器20提供并网条件，并且主核心控制器控制直流-直流变换器调节储能单元60充放电，以达到使储能逆变器10、储能单元60、光伏逆变器20、本地负载70的能量平衡，最大化地利用光伏组件50的能量为本地负载70供电及为储能单元60充电。
在另一实施例中，在并网条件下，主核心控制器根据电网40的电网条件，通过通讯总线80控制光伏逆变器20的输出功率以实现防逆流功能。此时，光伏逆变器20的从核心控制器受控于储能逆变器10的主核心控制器，用于限制光伏逆变器20的输出以实现防逆流的目的。
在又一实施例中，在离网条件下，当储能单元60的电容量低并且光伏组件50无法同时满足对本地负载70供电及为储能单元60充电时，主核心控制器控制储能逆变器10和光伏逆变器20停止工作，并切换到由发电机30工作的发电机工作模式，以保证本地负载70的不间断供电。
通过以上实施例描述的微电网储能系统，与传统光伏发电相比，本申请可以实现在并网条件下平滑网侧功率输出，减小电网负荷，稳定电网的目的；在离网条件下构建微电网储能电站为光伏逆变器的运行及负载的持续供电创造条件。
基于上述实施例的微电网储能系统，本申请一实施例还提供一种与之相应的能量管理方法，其包括：
提供储能逆变器10，使其耦合电网40和本地负载70；
提供至少一组光伏逆变器20，每一组光伏逆变器20分别耦合储能逆变器10；
提供储能单元60，使其耦合储能逆变器10；
提供至少两组光伏组件50，使其中一组光伏组件50耦合储能逆变器10，其余每一组光伏组件50分别耦合每一组光伏逆变器20；
提供发电机30，使其耦合储能逆变器10；
通过通讯总线80将储能逆变器10分别连接发电机30及每一组光伏逆变器20，并根据电网40的电网条件、本地负载70的负载功率、储能单元60的电容量以及光伏组件50的光伏输出，分别对应并网条件和离网条件来管理光伏逆变器20和发电机30的运行状态。
该方法实施例中涉及的各部件对应于前述储能逆变器实施例中的各部件，其功能在此不再赘述。
通过以上实施例的描述可知，本申请的微电网储能系统包括光伏组件、储能单元、三相储能逆变器、光伏并网逆变器、发电机等单元。该系统能够实现能量管理功能，三相储能逆变器的核心控制器为主控单元，光伏逆变器及发电机为从控单元，主控单元根据电网条件、负载功率、电池电量及光伏输出等管理其他从控单元的运行状态，完成对整个系统的能量调度，实现在并网时根据负载变化及并网点的功率调节对电池的充放电，在离网时由储能逆变器作为电压源为光伏逆变器并网提供条件为本地负载供电及对电池的充放电，同时在系统能量不足时切换到发电机工作保证负载不断电，真正实现整个系统的能量智能管理及网侧功率的平滑输出。
在本申请一实施例构建的微电网储能系统中，三相储能逆变器与光伏并网逆变器、发电机等通过通讯总线建立通讯连接进行数据交互，三相储能逆变器为主控制单元，光伏并网逆变器及发电机为从控制单元，主控单元发送控制指令完成对从控制单元的运行状态的管理。当存在电网供电时(即并网条件下)，主核心控制器根据电网输出功率及负载功率大小控制DC/DC模块调节电池充放电，以达到当光伏组件输出功率大于负载功率时多余的能量用于给电池充电，当光伏组件输出功率小于负载功率时电池放电为负载供电的目的，在某些场合不允许系统向电网馈电时，主核心控制器还可以通过通讯总线限制光伏并网逆变器的输出来达到防逆流的目的，在电网存在时发电机不工作。在无电网供电时(即离网条件下)，主核心控制器控制DC/AC模块产生逆变交流电压为负载提供能量同时为光伏并网逆变器提供并网条件，同时核心控制单元控制DC/DC模块完成对电池的充放电管理，以达到储能单元、储能逆变器、光伏并网逆变器、负载等的能量平衡，最大化地利用光伏组件的能量为负载供电及电池充电，当储能单元的电量低并且光伏组件无法同时满足负载及电池充电时，核心控制单元将会控制逆变器停止工作并切换到发电机工作模式以保证负载的不间断供电。并网条件下的能量管理还可以根据现场条件的不同而采用不同的管理，如在确定的时间段进行充电或放电。
如上，本申请所提供的微电网储能系统及其能量管理方法，由三相储能逆变器作为主控单元根据电网条件的不同对整个系统的能量进行不同管理，在有公共电网时可以减少电网负荷，削峰填谷，有序用电；在无公共电网的情况下可以构建微网，为负载持续供电。本申请所提供的微电网储能系统为光伏电站的多工况运行及光伏能量的最优化利用提供了解决方案。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明并不用以限制本发明。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，可以对上述具体实施方式进行变化。

Claims (10)

1.一种微电网储能系统，其特征在于，包括：
储能逆变器，其与电网及本地负载分别耦合；
至少一组光伏逆变器，每一组光伏逆变器分别耦合所述储能逆变器；
储能单元，其耦合所述储能逆变器；
至少两组光伏组件，其中一组光伏组件耦合所述储能逆变器，其余每一组光伏组件分别耦合每一组所述光伏逆变器；
发电机，其耦合所述储能逆变器；
所述储能逆变器还通过通讯总线分别连接所述发电机及所述每一组光伏逆变器，并根据所述电网的电网条件、所述本地负载的负载功率、所述储能单元的电容量以及所述光伏组件的光伏输出，分别对应并网条件和离网条件来管理所述光伏逆变器和所述发电机的运行状态。
2.如权利要求1所述的微电网储能系统，其特征在于，所述储能逆变器包括主核心控制器、开关模块、直流-直流变换器、以及直流-交流变换器，其中，所述开关模块的一端耦合所述电网，另一端耦合所述直流-交流变换器，所述直流-交流变换器耦合所述直流-直流变换器，所述直流-直流变换器耦合所述储能单元，所述直流-交流变换器耦合至一组所述光伏组件；
所述主核心控制器通过所述通讯总线分别连接所述发电机及所述每一组光伏逆变器以进行数据交换，所述主核心控制器还用于：
在并网条件下，根据所述电网条件及所述负载功率，控制所述直流-直流变换器调节所述储能单元充放电，以达到当相应的所述光伏组件的输出功率大于所述负载功率时为所述储能单元充电，当相应的所述光伏组件的输出功率小于所述负载功率时，所述储能单元放电为所述本地负载供电，
在离网条件下，控制所述直流-交流变换器产生逆变交流电压为所述本地负载提供能量，为所述光伏逆变器提供并网条件，并控制所述直流-直流变换器调节所述储能单元充放电，以达到使所述储能逆变器、所述储能单元、所述光伏逆变器、所述本地负载的能量平衡，最大化地利用所述光伏组件的能量为所述本地负载供电及为所述储能单元充电。
3.如权利要求2所述的微电网储能系统，其特征在于，所述主核心控制器还用于：在并网条件下，根据所述电网的电网条件，通过所述通讯总线控制所述光伏逆变器的输出功率以实现防逆流功能；和/或，在离网条件下，当所述储能单元的电容量相对低并且所述光伏组件无法同时满足对所述本地负载供电及为所述储能单元充电时，控制所述储能逆变器和所述光伏逆变器停止工作，并切换到发电机工作模式，以保证所述本地负载的不间断供电。
4.如权利要求2所述的微电网储能系统，其特征在于，每一组所述光伏逆变器包括与所述储能逆变器的主核心控制器相连的从核心控制器、以及耦合于每一组所述光伏组件与所述储能逆变器之间的直流-交流变换器。
5.如权利要求2所述的微电网储能系统，其特征在于，所述从核心控制器受控于所述主核心控制器，用于限制所述光伏逆变器的输出以实现防逆流。
6.如权利要求1所述的微电网储能系统，其特征在于，
所述储能单元选自如下至少一种：铅酸电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、锂离子电池和超级电容器；
所述通讯总线选自如下至少一种：增强型控制器局域网总线、RS485总线和以太网；
所述储能逆变器为三相储能逆变器。
7.一种微电网储能系统的能量管理方法，其特征在于，包括：
提供储能逆变器，使其耦合电网和本地负载；
提供至少一组光伏逆变器，每一组光伏逆变器分别耦合所述储能逆变器；
提供储能单元，使其耦合所述储能逆变器；
提供至少两组光伏组件，使其中一组光伏组件耦合所述储能逆变器，其余每一组光伏组件分别耦合每一组所述光伏逆变器；
提供发电机，使其耦合所述储能逆变器；
通过通讯总线将所述储能逆变器分别连接所述发电机及所述每一组光伏逆变器，并根据所述电网的电网条件、所述本地负载的负载功率、所述储能单元的电容量以及所述光伏组件的光伏输出，分别对应并网条件和离网条件来管理所述光伏逆变器和所述发电机的运行状态。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述储能逆变器包括主核心控制器、开关模块、直流-直流变换器、以及直流-交流变换器，其中，所述开关模块的一端耦合所述电网，另一端耦合所述直流-交流变换器，所述直流-交流变换器耦合所述直流-直流变换器，所述直流-直流变换器耦合所述储能单元，所述直流-交流变换器耦合至一组所述光伏组件，所述主核心控制器通过所述通讯总线分别连接所述发电机及所述每一组光伏逆变器以进行数据交换；
所述方法包括：
在并网条件下，所述主核心控制器根据所述电网条件及所述负载功率，控制所述直流-直流变换器调节所述储能单元充放电，以达到当相应的所述光伏组件的输出功率大于所述负载功率时为所述储能单元充电，当相应的所述光伏组件的输出功率小于所述负载功率时，所述储能单元放电为所述本地负载供电；
在离网条件下，所述主核心控制器控制所述直流-交流变换器产生逆变交流电压为所述本地负载提供能量，为所述光伏逆变器提供并网条件，并控制所述直流-直流变换器调节所述储能单元充放电，以达到使所述储能逆变器、所述储能单元、所述光伏逆变器、所述本地负载的能量平衡，最大化地利用所述光伏组件的能量为所述本地负载供电及为所述储能单元充电。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在并网条件下，所述主核心控制器根据所述电网的电网条件，通过所述通讯总线控制所述光伏逆变器的输出功率以实现防逆流功能；和/或，在离网条件下，当所述储能单元的电容量相对低并且所述光伏组件无法同时满足对所述本地负载供电及为所述储能单元充电时，所述主核心控制器控制所述储能逆变器和所述光伏逆变器停止工作，并切换到发电机工作模式，以保证所述本地负载的不间断供电。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，每一组所述光伏逆变器包括与所述储能逆变器的主核心控制器相连的从核心控制器、以及耦合于每一组所述光伏组件与所述储能逆变器之间的直流-交流变换器。
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