CN107332270B - 用于光伏并网发电系统的能量管理装置 - Google Patents

用于光伏并网发电系统的能量管理装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于光伏并网发电系统的能量管理装置，所述光伏并网发电系统包括光伏电池和并网逆变器，所述光伏电池通过所述并网逆变器连接至电网，所述能量管理装置包括：可充电电池和双向DC‑DC变换器，所述可充电电池通过所述双向DC‑DC变换器连接至所述并网逆变器的输入端；第一功率测量装置，其用于测量所述光伏电池的输出功率；第二功率测量装置，其用于测量所述光伏并网发电系统的用电功率或并网功率；以及变换器控制器，其用于控制所述双向DC‑DC变换器以管理所述可充电电池的容量。本发明的能量管理装置降低了用户的用电成本。

Description

用于光伏并网发电系统的能量管理装置
技术领域
本发明涉及光伏发电领域，具体涉及用于光伏并网发电系统的能量管理装置。
背景技术
光伏并网发电系统是基于光伏效应，将太阳辐射能量直接转换成电能的发电系统。其主要由光伏电池和并网逆变器组成，光伏电池将太阳能转换为直流电能，通过并网逆变器将直流电能转化为与电网同频同相的交流电能后直接为交流负载供电或馈入电网。光伏并网发电系统与电网相连，共同承担供电任务。
图1是现有技术中的光伏并网发电系统的方框图。光伏电池11依次通过并网逆变器12和电表13连接至电网，光伏电池11将太阳能转换为直流电，并网逆变器12将光伏电池11输出的直流电逆变成与电网电压同频、同相的交流电。当阳光充足时，并网逆变器12输出的交流电一部分供给负载14，剩余的交流电通过电表13并入电网(即卖电)。当阳光不充足时，电网自动地通过电表13向负载14提供一部分或全部电能(即买电)。由于目前光伏发电业主向电网卖电的电价低于从电网买电的电价，卖电和买电之间的差价增加了用电成本。如果能够将光伏电池11产生的多余的电能进行存储以备以后使用(而不是先卖电再买电)，可以降低用户的用电成本。但现有技术中的光伏并网发电系统并不具备此功能。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的实施例提供了一种用于光伏并网发电系统的能量管理装置，所述光伏并网发电系统包括光伏电池、并网逆变器和连接在所述并网逆变器输出端的负载，所述光伏电池通过所述并网逆变器连接至电网，所述能量管理装置包括：
可充电电池和双向DC-DC变换器，所述可充电电池通过所述双向DC-DC变换器连接至所述并网逆变器的输入端；
第一功率测量装置，其用于测量所述光伏电池的输出功率；
第二功率测量装置，其用于测量所述光伏并网发电系统的用电功率或并网功率；以及
变换器控制器，其用于控制所述双向DC-DC变换器以管理所述可充电电池的容量。
优选的，所述变换器控制器用于根据所述第一功率测量装置测量的第一功率值和所述第二功率测量装置测量的第二功率值控制所述双向DC-DC变换器的工作模式。
优选的，当所述第一功率值小于第一功率阈值时，所述变换器控制器能够控制所述双向DC-DC变换器对所述可充电电池进行放电并使得所述第二功率值为零；当所述第一功率值大于第二功率阈值时，所述变换器控制器能够控制所述双向DC-DC变换器对所述可充电电池进行充电并使得所述第二功率值为零，其中所述第一功率阈值小于第二功率阈值。
优选的，当所述第一功率值在所述第一功率阈值至所述第二功率阈值之间时，所述变换器控制器控制所述双向DC-DC变换器不工作。
优选的，所述第二功率阈值为连接在所述并网逆变器的输出端的所述负载的功率。
优选的，所述能量管理装置还包括用于测量所述可充电电池的容量值的电池容量测量装置，当所述第一功率值小于第一功率阈值、且所述电池容量测量装置测量的容量值不大于第一容量阈值时，所述变换器控制器控制所述双向DC-DC变换器不工作；当所述第一功率值大于第二功率阈值、且所述电池容量测量装置测量的容量值不小于第二容量阈值时，所述变换器控制器控制所述双向DC-DC变换器不工作，其中所述第一容量阈值小于所述第二容量阈值。
优选的，所述第二容量阈值为所述可充电电池的额定容量。
优选的，所述能量管理装置还包括连接在所述光伏电池的输出端与所述并网逆变器的输入端之间的开关，其中，当所述变换器控制器控制所述双向DC-DC变换器对所述可充电电池进行放电时，所述开关断开。
优选的，所述开关串联在所述光伏电池的输出端与所述双向DC-DC变换器之间。
优选的，所述能量管理装置还包括连接在所述并网逆变器的输入端的第三功率测量装置，其用于测量所述光伏并网发电系统的放电功率。
本发明的能量管理装置最大程度地减少了从电网买电，降低了耗电成本。且其能用于市场上光伏并网发电系统中。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1是现有技术中的光伏并网发电系统的方框图。
图2是根据本发明第一个实施例的用于光伏并网发电系统的能量管理装置的方框图。
图3是图2中的光伏电池在一天内提供的功率曲线图。
图4是根据本发明第二个实施例的用于光伏并网发电系统的能量管理装置的方框图。
图5是根据本发明第三个实施例的用于光伏并网发电系统的能量管理装置的方框图。
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，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。
图2是根据本发明第一个实施例的用于光伏并网发电系统的能量管理装置的方框图。如图2所示，能量管理装置20包括与并网逆变器12的输入端和输出端分别相连的第一功率测量装置23和第二功率测量装置24。其中第一功率测量装置23用于测量光伏电池11的输出功率，第二功率测量装置24用于测量光伏并网发电系统的用电功率(买电功率)或并网功率(卖电功率)。能量管理装置20还包括可充电电池21、双向DC-DC变换器22和变换器控制器25，可充电电池21通过双向DC-DC变换器22连接至并网逆变器12的输入端。变换器控制器25根据第一功率测量装置23测量的第一功率值和第二功率测量装置24测量的第二功率值，控制双向DC-DC变换器22处于充电模式(即对可充电电池21进行充电)、放电模式(即对可充电电池21进行放电)和待机模式(即不工作)。
以下将结合图3所示的光伏电池11在一天内的输出功率曲线图详细描述变换器控制器25的功能。为了便于理解，假定负载14的功率为5千瓦，且能量的转换效率都为100％。
在t0时刻，光伏电池11提供7千瓦的电能。并网逆变器12将光伏电池11提供的7千瓦直流电转换为7千瓦的交流电，其中的5千瓦用于对负载14进行供电，其余的2千瓦馈入电网中。此时变换器控制器25根据第一功率测量装置23测量的输出功率(7千瓦)和第二功率测量装置24测量的并网功率(2千瓦)，控制双向DC-DC变换器22对可充电电池21进行充电，使得第二功率测量装置24测量的并网功率从2千瓦降低为0。光伏电池11在t0-t1时间内提供7千瓦的电能，对可充电电池21的充电功率为2千瓦，实现了将多余的2千瓦电能储存在可充电电池21中。
在t1时刻后，光伏电池11提供的电能从7千瓦增加到8千瓦。增加的1千瓦交流电馈入电网中，变换器控制器25根据第一功率测量装置23测量的输出功率(8千瓦)和第二功率测量装置24测量的并网功率(1千瓦)，控制双向DC-DC变换器22增加对可充电电池21的充电功率，并使得第二功率测量装置24测量的并网功率从1千瓦减小至0。光伏电池11在t1-t2时间内提供8千瓦的电能，对可充电电池21的充电功率为3千瓦。
在t2时刻后，光伏电池11提供的电能从8千瓦减小到6千瓦，在可充电电池21的充电功率为3千瓦的情况下，第二功率测量装置24测量的用电功率为2千瓦。变换器控制器25根据第一功率测量装置23测量的输出功率(6千瓦)和第二功率测量装置24测量的用电功率(2千瓦)，控制双向DC-DC变换器22减小对可充电电池21的充电功率，并使得第二功率测量装置24测量的用电功率减小至0。光伏电池11在t2-t3时间内提供6千瓦的电能，对可充电电池21的充电功率为1千瓦。
在t3时刻后，光伏电池11提供的电能从6千瓦减小到5千瓦，在可充电电池21的充电功率为1千瓦的情况下，第二功率测量装置24测量的用电功率为1千瓦。变换器控制器25根据第一功率测量装置23测量的输出功率(5千瓦)和第二功率测量装置24测量的用电功率(1千瓦)，控制双向DC-DC变换器22减小对可充电电池21的充电功率，同时使得第二功率测量装置24测量的用电功率减小至0。光伏电池11在t3-t4时间内提供5千瓦的电能，此时光伏电池11输出的电能全部用于对负载14进行供电。
在t4时刻后，光伏电池11提供的电能在0.5千瓦～5千瓦，变换器控制器25根据第一功率测量装置23测量的输出功率(0.5千瓦～5千瓦)，控制双向DC-DC变换器22不工作(即不给双向DC-DC变换器22提供脉宽调制信号)，此时图2所示的光伏并网发电系统等效于图1所示的光伏并网发电系统。光伏电池11在t4-t5时间内提供的电能在0.5千瓦～5千瓦，此时电网和光伏电池11共同承担供电任务，电网自动地向负载14提供所需的交流电。
在t5时刻后，光伏电池11提供的电能小于0.5千瓦，第二功率测量装置24测量的用电功率大于4.5千瓦。变换器控制器25根据第一功率测量装置23测量的输出功率(＜0.5千瓦)和第二功率测量装置24测量的用电功率(＞4.5千瓦)，控制双向DC-DC变换器22对可充电电池21的放电功率为5千瓦，同时使得第二功率测量装置24测量的用电功率降低为0。光伏电池11在t5-t6时间内提供的电能小于0.5千瓦，此时负载14完全由可充电电池21进行供电。当然，一旦可充电电池21中存储的电能耗尽，将由电网承担供电任务。
在t6时刻后，光伏电池11提供的电能在0.5千瓦～5千瓦，变换器控制器25根据第一功率测量装置23测量的输出功率(0.5千瓦～5千瓦)，控制双向DC-DC变换器22不工作。光伏电池11在t5-t6时间内提供的电能在0.5千瓦～5千瓦，此时电网和光伏电池11共同承担供电任务。
在t7时刻后，光伏电池11提供的电能增加至6千瓦，在双向DC-DC变换器22不工作情况下，第二功率测量装置24测量的并网功率为1千瓦。变换器控制器25根据第一功率测量装置23测量的输出功率(6千瓦)和第二功率测量装置24测量的并网功率(1千瓦)，控制双向DC-DC变换器22对可充电电池21的充电功率增加至1千瓦，同时使得第二功率测量装置24测量的并网功率降低为0。光伏电池11在t7-t8时间内提供6千瓦的电能，对可充电电池21的充电功率为1千瓦。
在t8时刻后，光伏电池11提供的电能从6千瓦增加至7千瓦，在可充电电池21的充电功率为1千瓦的情况下，第二功率测量装置24测量的并网功率为1千瓦。变换器控制器25根据第一功率测量装置23测量的输出功率(7千瓦)和第二功率测量装置24测量的并网功率(1千瓦)，控制双向DC-DC变换器22对可充电电池21的充电功率增加至2千瓦，同时使得第二功率测量装置24测量的并网功率减小至0。光伏电池11在t8-t9时间内提供7千瓦的电能，对可充电电池21的充电功率为2千瓦。
根据上述对可充电电池21的充电和放电过程可知，当光伏电池11提供的功率小于第一功率阈值(例如0.5千瓦)时，变换器控制器25控制双向DC-DC变换器22处于放电模式中，对可充电电池21进行放电并使得第二功率测量装置24测量的用电功率或并网功率为0。
当光伏电池11提供的功率大于第二功率阈值(例如5千瓦)时，变换器控制器25控制双向DC-DC变换器22处于充电模式中，对可充电电池21进行充电并使得第二功率测量装置24测量的用电功率或并网功率为0。
当光伏电池11提供的功率在第一功率阈值至第二功率阈值之间时，变换器控制器25控制双向DC-DC变换器22处于待机模式。
采用本发明的能量管理装置20，当太阳光充足时，将多余的太阳能储存在可充电电池中，当基本没有太阳能时，可充电电池放电以对负载进行供能。最大程度地减少了从电网买电，降低了耗电成本。
另外，由于变换器控制器25使得光伏电池11和可充电电池21并不同时对负载14供电，变换器控制器25与用于并网逆变器12的逆变器控制器(图2未示出)之间相互独立，无需改变逆变器控制器的控制算法和控制参数，因而不会影响并网逆变器12的功能。本发明实施例的能量管理装置20能用于市场上任何一个具有光伏电池11和并网逆变器12的光伏并网发电系统中，且不会影响和改变光伏并网放电系统的原功能。
本发明的第一功率阈值和第二功率阈值并不意欲限定为0.5千瓦和5千瓦。在本发明的其他实施例中，第一功率阈值可以小于负载功率，例如是负载功率的某一百分比值，优选为负载功率的5％～10％，第二功率阈值可以等于或大于(例如略大于)负载功率。另外，第一功率阈值和第二功率阈值可以是变化的值，例如，它们可以基于负载功率的变化而发生改变。
图4是根据本发明第二个实施例的用于光伏并网发电系统的能量管理装置的方框图。其与图2基本相同，区别在于，能量管理装置30还包括连接在第一功率测量装置23和并网逆变器12的输入端之间的开关26，以及用于测量可充电电池21的容量值的电池容量测量装置27。在可充电电池21的放电过程中(例如在图3的t5-t6时间内)，开关26被控制为断开，从而防止双向DC-DC变换器22输出的直流电回流至光伏电池11中，避免对光伏电池11造成不期望的损坏。变换器控制器35根据电池容量测量装置27测量的容量值来判断是否对可充电电池21进行充电或放电。如果太阳光充足(例如在图3的t0-t4时间内和t7-t9时间内)，且电池容量测量装置27测量的容量值等于可充电电池21的额定容量(即可充电电池21已充满)，变换器控制器35控制双向DC-DC变换器22不工作，即停止对可充电电池21进一步充电。此时光伏电池11提供的多余电能将馈入电网中，避免了电能的浪费和对可充电电池21过充电造成损坏。当没有或基本没有太阳能时(例如在图3的t5-t6时间内)，且电池容量测量装置27测量的数值低于预定的容量阈值(即可充电电池21基本放电完毕)或接近0(可充电电池21放电完毕)，变换器控制器35控制双向DC-DC变换器22不工作以停止对可充电电池21进一步放电，避免了对可充电电池21过放电造成损坏，此时负载14完全由电网进行供电。
图5是根据本发明第三个实施例的用于光伏并网发电系统的能量管理装置的方框图。其与图4基本相同，区别在于，能量管理装置40还包括连接在并网逆变器12的输入端的第三功率测量装置28，其用于测量并网逆变器12的输入端的功率(即光伏并网发电系统的放电功率)。在可充电电池21的放电过程中(例如在t5-t6时间内)，变换器控制器45根据电池容量测量装置27测量的电池容量值和第三功率测量装置28测量的放电功率，即可预测可充电电池21还可持续放电的时间。
本发明实施例中的第一、第二和第三功率测量装置23、24、28可选用市场上公知的功率计或功率表，电池容量测量装置27可选用市场上公知的电池容量计。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (8)

1.一种用于光伏并网发电系统的能量管理装置，所述光伏并网发电系统包括光伏电池、并网逆变器和连接在所述并网逆变器输出端的负载，所述光伏电池通过所述并网逆变器连接至电网，其特征在于，所述能量管理装置包括：
可充电电池和双向DC-DC变换器，所述可充电电池通过所述双向DC-DC变换器连接至所述并网逆变器的输入端；
第一功率测量装置，其用于测量所述光伏电池的输出功率；
第二功率测量装置，其用于测量所述光伏并网发电系统的用电功率或并网功率；以及
变换器控制器，其用于控制所述双向DC-DC变换器以管理所述可充电电池的容量；其中，所述变换器控制器用于根据所述第一功率测量装置测量的第一功率值和所述第二功率测量装置测量的第二功率值控制所述双向DC-DC变换器的工作模式；以及
当所述第一功率值小于第一功率阈值时，所述变换器控制器能够控制所述双向DC-DC变换器对所述可充电电池进行放电并使得所述第二功率值为零；
当所述第一功率值大于第二功率阈值时，所述变换器控制器能够控制所述双向DC-DC变换器对所述可充电电池进行充电并使得所述第二功率值为零，其中所述第一功率阈值小于第二功率阈值；以及
其中，所述第一功率阈值和第二功率阈值是变化的值，所述第一功率阈值和第二功率阈值中的每一个能够基于负载功率的变化而改变；
所述第一功率阈值为所述负载功率的5％～10％，所述第二功率阈值等于或大于所述负载功率。
2.根据权利要求1所述的能量管理装置，其特征在于，当所述第一功率值在所述第一功率阈值至所述第二功率阈值之间时，所述变换器控制器控制所述双向DC-DC变换器不工作。
3.根据权利要求1所述的能量管理装置，其特征在于，所述第二功率阈值为连接在所述并网逆变器的输出端的所述负载的功率。
4.根据权利要求1所述的能量管理装置，其特征在于，所述能量管理装置还包括用于测量所述可充电电池的容量值的电池容量测量装置，
当所述第一功率值小于第一功率阈值、且所述电池容量测量装置测量的容量值不大于第一容量阈值时，所述变换器控制器控制所述双向DC-DC变换器不工作；
当所述第一功率值大于第二功率阈值、且所述电池容量测量装置测量的容量值不小于第二容量阈值时，所述变换器控制器控制所述双向DC-DC变换器不工作，其中所述第一容量阈值小于所述第二容量阈值。
5.根据权利要求4所述的能量管理装置，其特征在于，所述第二容量阈值为所述可充电电池的额定容量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的能量管理装置，其特征在于，所述能量管理装置还包括连接在所述光伏电池的输出端与所述并网逆变器的输入端之间的开关，其中，当所述变换器控制器控制所述双向DC-DC变换器对所述可充电电池进行放电时，所述开关断开。
7.根据权利要求6所述的能量管理装置，其特征在于，所述开关串联在所述光伏电池的输出端与所述双向DC-DC变换器之间。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的能量管理装置，其特征在于，所述能量管理装置还包括连接在所述并网逆变器的输入端的第三功率测量装置，其用于测量所述光伏并网发电系统的放电功率。
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