CN106911141A - 一种太阳能光伏储能设备的运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能光伏储能设备的运行方法，本发明的方法可通过对光伏发电装置、储能装置和并网设备一并监控，及时监测光伏储能电站的功率波动信息，并以此为信息动态调节储能装置的功率，从而实现并网点功率平滑；本发明的运行方法采用蓄电池和超级电容器混合使用储存电能的方式，该方式使得电池储能和超级电容器储能各自的优势得以互补其中蓄电池用以满足大容量电能吞吐的需求超级电容器用以满足尖峰功率吞吐的需求；本发明采用平抑光伏发电装置功率波动的方法设置储能装置及其容量，综合考虑了电池充放电损耗和循环寿命等工程实际因素，结果更接近实际要求。

Description

一种太阳能光伏储能设备的运行方法

所属技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，具体涉及一种太阳能光伏储能设备的运行方法。

背景技术

随着地球人口的增长和发展中国家工业化进程的推进，各种化石能源迅速枯竭，而化石能源使用过程中造成的大气污染和生态环境危机也日益严重。

近年来，随着传统能源的急剧消耗以及对环境污染的加剧，新能源产业得到极大关注和大力支持。光伏发电作为最廉价的能源之一，光伏发电得到了广泛的应用。然而，自然光受海拔、气候、温度、地形等多种自然因素的影响具很强的不可控性、波动性和间歇性，且难以进行准确预测和大量存储。

随着光伏光伏储能电站大规模并网，其功率波动对电网的冲击越来越突出。在并网光伏系统中配置适量的储能系统，对风电场的输出功率进行调节，可提高光伏发电出力的可控性，使得光伏光伏储能电站成为灵活可控的电源。当光伏发电出力较大，但电网负荷较低时，由储能系统对光伏光伏储能电站的输出功率进行长时间、大容量的能量存储；待电网负荷达到峰值且对光伏光伏储能电站的出力需求增加时，储能系统将已存储的能量向电网输出，供用户使用。

由于储能系统成本较高，如何选择最大发挥储能系统的经济利用价值，同时提高储能系统使用寿命，成为光伏发电运行企业急需考虑的问题。储能元件本身并不具备主动与光伏光伏储能电站进行精确功率交换的能力，需要加入充放电控制器，对储能元件的充放电功率进行精确控制。当前单一的储能装置不能完全满足工程的要求。将储能设定功率分为频繁波动部分和平滑部分，分别由超级电容和储能电池承担，可以实现对平抑需求的快速响应。

发明内容

本发明提供一种太阳能光伏储能设备的运行方法，该运行方法可通过对光伏发电装置、储能装置和并网设备一并监控，及时获知光伏发电装置的功率波动值，并以此为信息源动态调节储能装置的功率，从而平滑并网点功率，实现光伏储能电站的经济运行。

为了实现上述目的，本发明提供一种太阳能光伏储能设备的运行方法，该方法包括如下步骤：

S1.实时获取光伏发电装置的运行数据，实时获取光伏储能电站并网点运行数据；

S2.根据光伏发电装置运行数据和并网点运行数据，优化储能装置配置；

S3.在优化后的储能配置下，采用如下方法运行储能装置：

S31.优先给超级电容充、放电，利用超级电容可无限次充、放电，减少蓄电池充、放电次数，延长蓄电池使用寿命；

S32.蓄电池进入充、放电状态后，超级电容逐步退出充、放电，以避免超级电容充满电或放完电，节约容量等待下一次直流母线电压波动；

S33.超级电容充、放电控制采用直流母线电压外环和超级电容电压内环的双闭环控制，维持直流母线电压稳定，保证充、放电电流不超过超级电容可承受的最大电流；

S34.蓄电池充、放电控制采用直流母线电压外环和蓄电池电压内环、蓄电池电流内环的三闭环控制，维持直流母线电压稳定，控制蓄电池过放与析气。

优选的，在步骤S2中，具体采用如下方法优化储能配置：

S21.计算光伏发电装置波动时，需要储能装置进行平抑的平衡功率；

S22.采用傅里叶变换方法，对平衡功率数据进行频谱分析；

S23.根据实际储能装置响应速度划分平衡功率频段，确定各频段储能设备的类型并针对不同频段分别进行储能设备容量的配比；

S24.结合储能装置充放电损耗和循环寿命，确定使储能装置成本最低的储能频段分割点及相应的最优储能配置。

优选的，所述储能装置的容量包括功率容量和能量容量；功率容量和能量容量的计算方式如下：

将储能装置响应频率范围外的信号归零，保留响应频率内的信号以实现信号分频；

利用快速傅里叶逆变换算法(IFFT)将滤波后的各频域信号还原至时域；

利用以下公式确定储能装置的最小功率容量P_ES：

P_ES＝max(P_{peak.positive},|P_{peak.negative}|)

即最小功率容量P_ES取决于滤波后对应时域信号中的正负峰值P_{peak.positive}、P_{peak.negative}的绝对值最大值；确保储能装置可有效平抑对应频段内的全部波动；

利用以下公式确定储能装置的最小能量容量E_ES.：

E_{ES.calculated}＝max(E_{peak.positive},|E_{peak.negative}|)，

E_ES＝2E_{ES.calculated}其中：

E_{peak.positive}＝max(∫P_b)/3600

E_{peak.negative}＝min(∫P_b)/3600，P_b为平衡功率。

优选的，最低成本的储能配置优化具体包括以下步骤：

根据功率总成本和能量总成本相等的关系，对储能额定功率容量和储能额定能量容量进行修订；

将修订后的储能额定能量容量带入下列公式计算储能装置在寿命结束前可消纳或发出的全部能量：

E_{ES_total}＝E_{ES_rated}/2×[1+(1－m)+(1－m)²+…+(1－m)^N-1]；m为对应储能装置单次充放电损耗容量，N为储能总循环寿命。

通过下列公式计算计混合储能组合中各分割频率下的储能装置更换次数：

t＝E_{station_total}/E_{ES_total}

根据储能装置更换次数建立成本与分割频率函数关系，求得最低成本下的最优储能配置。

优选的，所述脉冲充电方法包括下述内容：

蓄电池充电电压低于预设析气电压值时，直流母线电压外环起主要作用，蓄电池电压内环不起作用，此时蓄电池有能力吸收光伏发电装置中所有剩余能量；

当蓄电池充电电压等于预设析气电压值时，电压内环开始起作用，此时对蓄电池进行△t(0.5-1s)时间的负脉冲放电，使蓄电池电压下降，继续以放电以前的电流充电，到蓄电池电压再次达到预设析气电压值，再进行△t时间的负脉冲放电，以此循环，直到充电时间间隔和放电时间间隔相同；

蓄电池充满，脉冲充电已充不进去，进入恒压控制的小电流浮充阶段，蓄电池电压内环起主要作用；

蓄电池电流环限制充放电电流，当充放电电流达到限值还是不能稳定直流母线电压，超级电容开始充放电。

本发明的太阳能光伏储能设备的运行方法具有如下优点：(1)可通过对光伏发电装置、储能装置和并网设备一并监控，及时监测光伏储能电站的功率波动信息，并以此为信息动态调节储能装置的功率，从而实现并网点功率平滑；(2)储能装置采用蓄电池和超级电容器混合使用储存电能的方式，该方式使得电池储能和超级电容器储能各自的优势得以互补其中蓄电池用以满足大容量电能吞吐的需求超级电容器用以满足尖峰功率吞吐的需求；(3)本发明采用平抑光伏发电装置功率波动的方法设置储能装置及其容量，综合考虑了电池充放电损耗和循环寿命等工程实际因素，结果更接近实际要求。

附图说明

图1示出了具有本发明的一种太阳能光伏储能设备的光伏储能电站的框图；

图2示出了一种本发明的太阳能光伏储能设备的运行方法流程图。

具体实施方式

图1是示出了一种太阳能光伏储能设备11，该太阳能光伏储能设备11设置在光伏储能电站10中，所述太阳能光伏储能设备11包括：

储能装置115，用于存储能量，并可在光伏储能电站并网运行时，输出功率；

直流母线114，用于实现光伏发电装置12、储能装置115、电网20之间的功率交换；

光伏发电装置监控模块113，用于实时监控光伏发电装置12，并对光伏发电装置12的发电功率进行预测；

并网监控模块112，用于监测光伏储能电站10并网点交流母线电压，并用于控制光伏储能电站10经由并网装置13进行并网运行；

储能装置监控模块117，用于实时监控储能装置115的功率损耗情况，并控制储能装置115的运行；

中控模块116，用于确定光伏储能电站10的运行方法，并向上述各模块发出指令，以执行该运行方法；

通信总线111，用于上述各个模块的通信联络。

优选的，所述储能装置115包括超级电容器组和蓄电池组，所述蓄电池组和超级电容组分别通过第一非隔离型双向DC/DC变换器、第二非隔离型双向DC/DC变换器并联到所述直流母线114上。

优选的，所述储能装置监控模块117采用如下方式控制储能装置115：

(1)优先给超级电容充、放电，利用超级电容可无限次充、放电，减少蓄电池充、放电次数，延长蓄电池使用寿命；

(2)蓄电池进入充、放电状态后，超级电容逐步退出充、放电，以避免超级电容充满电或放完电，节约容量等待下一次直流母线电压波动；

(3)超级电容充、放电控制采用直流母线电压外环和超级电容电压内环的双闭环控制，维持直流母线电压稳定，保证充、放电电流不超过超级电容可承受的最大电流；

(4)蓄电池充、放电控制采用直流母线电压外环和蓄电池电压内环、蓄电池电流内环的三闭环控制，维持直流母线电压稳定，控制蓄电池过放与析气。

优选的，所述脉冲充电方法包括下述内容：

蓄电池充电电压低于预设析气电压值时，直流母线电压外环起主要作用，蓄电池电压内环不起作用，此时蓄电池有能力吸收光伏发电装置中所有剩余能量；

当蓄电池充电电压等于预设析气电压值时，电压内环开始起作用，此时对蓄电池进行△t(0.5-1s)时间的负脉冲放电，使蓄电池电压下降，继续以放电以前的电流充电，到蓄电池电压再次达到预设析气电压值，再进行△t时间的负脉冲放电，以此循环，直到充电时间间隔和放电时间间隔相同；

蓄电池充满，脉冲充电已充不进去，进入恒压控制的小电流浮充阶段，蓄电池电压内环起主要作用；

蓄电池电流环限制充放电电流，当充放电电流达到限值还是不能稳定直流母线电压，超级电容开始充放电。

优选的，所述光伏发电装置监控模块113包括：

模式控制单元，用于若出现储能装置115故障，则控制光伏发电装置12单向DC/DC变换器工作在所述直流母线电压恒压源模式；

第一判断单元，用于判断光伏电池板PV是否满足预设跟踪调整条件；

电流限定单元，用于若判断PV满足所述预设跟踪调整条件，则将所述单向DC/DC变换器的电流环最大电流给定值限定为预设调整值；

第二判断单元，用于判断直流母线电压是否满足额定条件；

电流回升单元，用于若判断所述直流母线电压满足所述额定条件，则控制所述单向DC/DC变换器的电流环最大电流给定值以预设速率由所述预设调整值回升至原值。

优选的，所述第一判断单元包括：

第一判断模块，用于判断PV输出功率是否随PV电压减小而减少；

第二判断模块，用于若判断PV输出功率随PV电压减小而减少，则判断PV电流随PV电压的变化是否小于预设差值；若所述第二判断模块判断PV电流随PV电压的变化小于所述预设差值，则判定PV满足所述预设跟踪调整条件。

优选的，所述预设调整值为：I_refmax＝K×I_sc；

其中，K为电流限定系数，I_sc为短路电流。

优选的，所述短路电流为当前PV电流。

优选的，所述第二判断单元用于判断所述直流母线电压是否满足额定条件时，具体用于判断所述直流母线电压是否回升到额定值，且回升到所述额定值的连续时长超过预设时长。

优选的，所述储能装置115采用如下方式配置：

计算光伏发电装置12波动时，需要储能装置进行平抑的平衡功率；

采用傅里叶变换方法，对平衡功率数据进行频谱分析；

根据实际储能装置115响应速度划分平衡功率频段，确定各频段储能设备的类型并针对不同频段分别进行储能设备容量的配比；

结合储能装置115充放电损耗和循环寿命，确定使储能装置成本最低的储能频段分割点及相应的最优储能配置。

优选的，所述储能装置115的容量包括功率容量和能量容量；功率容量和能量容量的计算方式如下：

将储能装置115响应频率范围外的信号归零，保留响应频率内的信号以实现信号分频；

利用快速傅里叶逆变换算法(IFFT)将滤波后的各频域信号还原至时域；

利用以下公式确定储能装置115的最小功率容量P_ES：

P_ES＝max(P_{peak.positive},|P_{peak.negative}|)

即最小功率容量P_ES取决于滤波后对应时域信号中的正负峰值P_{peak.positive}、P_{peak.negative}的绝对值最大值；确保储能装置115可有效平抑对应频段内的全部波动；

利用以下公式确定储能装置115的最小能量容量E_ES.：

E_{ES.calculated}＝max(E_{peak.positive},|E_{peak.negative}|)，

E_ES＝2E_{ES.calculated}其中：

E_{peak.positive}＝max(∫P_b)/3600

E_{peak.negative}＝min(∫P_b)/3600，P_b为平衡功率。

优选的，最低成本的储能配置115优化具体包括以下步骤：

根据功率总成本和能量总成本相等的关系，对储能额定功率容量和储能额定能量容量进行修订；

将修订后的储能额定能量容量带入下列公式计算储能装置在寿命结束前可消纳或发出的全部能量：

E_{ES_total}＝E_{ES_rated}/2×[1+(1－m)+(1－m)²+…+(1－m)^N-1]；m为对应储能装置单次充放电损耗容量，N为储能总循环寿命。

通过下列公式计算计混合储能组合中各分割频率下的储能装置更换次数：

t＝E_{station_total}/E_{ES_total}

根据储能装置更换次数建立成本与分割频率函数关系，求得最低成本下的最优储能配置。

附图2示出了本发明的一种太阳能光伏储能设备的运行方法，该方法包括如下步骤：

S1.实时获取光伏发电装置的运行数据，实时获取光伏储能电站并网点运行数据；

S2.根据光伏发电装置运行数据和并网点运行数据，优化储能装置配置；

S3.在优化后的储能配置下，采用如下方法运行储能装置：

S31.优先给超级电容充、放电，利用超级电容可无限次充、放电，减少蓄电池充、放电次数，延长蓄电池使用寿命；

S32.蓄电池进入充、放电状态后，超级电容逐步退出充、放电，以避免超级电容充满电或放完电，节约容量等待下一次直流母线电压波动；

S33.超级电容充、放电控制采用直流母线电压外环和超级电容电压内环的双闭环控制，维持直流母线电压稳定，保证充、放电电流不超过超级电容可承受的最大电流；

S34.蓄电池充、放电控制采用直流母线电压外环和蓄电池电压内环、蓄电池电流内环的三闭环控制，维持直流母线电压稳定，控制蓄电池过放与析气。

优选的，在步骤S2中，具体采用如下方法优化储能配置：

S21.计算光伏发电装置12波动时，需要储能装置进行平抑的平衡功率；

S22.采用傅里叶变换方法，对平衡功率数据进行频谱分析；

S23.根据实际储能装置115响应速度划分平衡功率频段，确定各频段储能设备的类型并针对不同频段分别进行储能设备容量的配比；

S24.结合储能装置115充放电损耗和循环寿命，确定使储能装置成本最低的储能频段分割点及相应的最优储能配置。

优选的，所述储能装置115的容量包括功率容量和能量容量；功率容量和能量容量的计算方式如下：

将储能装置115响应频率范围外的信号归零，保留响应频率内的信号以实现信号分频；

利用快速傅里叶逆变换算法(IFFT)将滤波后的各频域信号还原至时域；

利用以下公式确定储能装置115的最小功率容量P_ES：

P_ES＝max(P_{peak.positive},|P_{peak.negative}|)

即最小功率容量P_ES取决于滤波后对应时域信号中的正负峰值P_{peak.positive}、P_{peak.negative}的绝对值最大值；确保储能装置115可有效平抑对应频段内的全部波动；

利用以下公式确定储能装置115的最小能量容量E_ES.：

E_{ES.calculated}＝max(E_{peak.positive},|E_{peak.negative}|)，

E_ES＝2E_{ES.calculated}其中：

E_{peak.positive}＝max(∫P_b)/3600

E_{peak.negative}＝min(∫P_b)/3600，P_b为平衡功率。

优选的，最低成本的储能配置115优化具体包括以下步骤：

根据功率总成本和能量总成本相等的关系，对储能额定功率容量和储能额定能量容量进行修订；

将修订后的储能额定能量容量带入下列公式计算储能装置在寿命结束前可消纳或发出的全部能量：

E_{ES_total}＝E_{ES_rated}/2×[1+(1－m)+(1－m)²+…+(1－m)^N-1]；m为对应储能装置单次充放电损耗容量，N为储能总循环寿命。

通过下列公式计算计混合储能组合中各分割频率下的储能装置更换次数：

t＝E_{station_total}/E_{ES_total}

根据储能装置更换次数建立成本与分割频率函数关系，求得最低成本下的最优储能配置。

优选的，所述脉冲充电方法包括下述内容：

蓄电池充电电压低于预设析气电压值时，直流母线电压外环起主要作用，蓄电池电压内环不起作用，此时蓄电池有能力吸收光伏发电装置中所有剩余能量；

当蓄电池充电电压等于预设析气电压值时，电压内环开始起作用，此时对蓄电池进行△t(0.5-1s)时间的负脉冲放电，使蓄电池电压下降，继续以放电以前的电流充电，到蓄电池电压再次达到预设析气电压值，再进行△t时间的负脉冲放电，以此循环，直到充电时间间隔和放电时间间隔相同；

蓄电池充满，脉冲充电已充不进去，进入恒压控制的小电流浮充阶段，蓄电池电压内环起主要作用；

蓄电池电流环限制充放电电流，当充放电电流达到限值还是不能稳定直流母线电压，超级电容开始充放电。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种太阳能光伏储能设备的运行方法，该方法包括如下步骤：

S1.实时获取光伏发电装置的运行数据，实时获取光伏储能电站并网点运行数据；

S2.根据光伏发电装置运行数据和并网点运行数据，优化储能装置配置；

S3.在优化后的储能配置下，采用如下方法运行储能装置：

S31.优先给超级电容充、放电，利用超级电容可无限次充、放电，减少蓄电池充、放电次数，延长蓄电池使用寿命；

S32.蓄电池进入充、放电状态后，超级电容逐步退出充、放电，以避免超级电容充满电或放完电，节约容量等待下一次直流母线电压波动；

S33.超级电容充、放电控制采用直流母线电压外环和超级电容电压内环的双闭环控制，维持直流母线电压稳定，保证充、放电电流不超过超级电容可承受的最大电流；

S34.蓄电池充、放电控制采用直流母线电压外环和蓄电池电压内环、蓄电池电流内环的三闭环控制，维持直流母线电压稳定，控制蓄电池过放与析气。

2.如权利要求1所述的运行方法，其特征在于，在步骤S2中，具体采用如下方法优化储能配置：

S21.计算光伏发电装置波动时，需要储能装置进行平抑的平衡功率；

S22.采用傅里叶变换方法，对平衡功率数据进行频谱分析；

S23.根据实际储能装置响应速度划分平衡功率频段，确定各频段储能设备的类型并针对不同频段分别进行储能设备容量的配比；

S24.结合储能装置充放电损耗和循环寿命，确定使储能装置成本最低的储能频段分割点及相应的最优储能配置。

3.如权利要求2所述的运行方法，其特征在于，所述储能装置的容量包括功率容量和能量容量；功率容量和能量容量的计算方式如下：

将储能装置响应频率范围外的信号归零，保留响应频率内的信号以实现信号分频；

利用快速傅里叶逆变换算法(IFFT)将滤波后的各频域信号还原至时域；

利用以下公式确定储能装置的最小功率容量P_ES：

P_ES＝max(P_{peak.positive},|P_{peak.negative}|)

即最小功率容量P_ES取决于滤波后对应时域信号中的正负峰值P_{peak.positive}、P_{peak.negative}的绝对值最大值；确保储能装置可有效平抑对应频段内的全部波动；

利用以下公式确定储能装置的最小能量容量E_ES.：

E_{ES.calculated}＝max(E_{peak.positive},|E_{peak.negative}|)，

E_ES＝2E_{ES.calculated}其中：

E_{peak.positive}＝max(∫P_b)/3600

E_{peak.negative}＝min(∫P_b)/3600，P_b为平衡功率。

4.如权利要求3所述的运行方法，其特征在于，最低成本的储能配置优化具体包括以下步骤：

根据功率总成本和能量总成本相等的关系，对储能额定功率容量和储能额定能量容量进行修订；

将修订后的储能额定能量容量带入下列公式计算储能装置在寿命结束前可消纳或发出的全部能量：

E_{ES_total}＝E_{ES_rated}/2×[1+(1－m)+(1－m)²+…+(1－m)^N-1]；m为对应储能装置单次充放电损耗容量，N为储能总循环寿命。

通过下列公式计算计混合储能组合中各分割频率下的储能装置更换次数：

t＝E_{station_total}/E_{ES_total}

根据储能装置更换次数建立成本与分割频率函数关系，求得最低成本下的最优储能配置。

5.如权利要求1-4任一所述的运行方法，其特征在于，所述脉冲充电方法包括下述内容：

蓄电池充电电压低于预设析气电压值时，直流母线电压外环起主要作用，蓄电池电压内环不起作用，此时蓄电池有能力吸收光伏发电装置中所有剩余能量；

当蓄电池充电电压等于预设析气电压值时，电压内环开始起作用，此时对蓄电池进行△t(0.5-1s)时间的负脉冲放电，使蓄电池电压下降，继续以放电以前的电流充电，到蓄电池电压再次达到预设析气电压值，再进行△t时间的负脉冲放电，以此循环，直到充电时间间隔和放电时间间隔相同；

蓄电池充满，脉冲充电已充不进去，进入恒压控制的小电流浮充阶段，蓄电池电压内环起主要作用；

蓄电池电流环限制充放电电流，当充放电电流达到限值还是不能稳定直流母线电压，超级电容开始充放电。