CN109474016A - 房车/户用风光电互补储能系统能量管理系统与方法 - Google Patents

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Abstract

房车/户用风光电互补储能系统的能量管理系统与方法涉及综合能源利用领域。该系统能够孤立于大电网运行，独立为房车或者由于某种原因不能连接大电网的小型建筑物供电。该系统包括一组或多组光伏发电装置、光伏发电控制器、一组或多组风力发电装置、风力发电控制器、储能电池系统、电池管理系统(BMS)、双向逆变器、储能电池逆变控制器、逆变器、中央控制器和负载；通过监测系统中的相关数据，计算储能电池的有功功率和荷电状态(SOC)，通过预设的限值，确定或切换系统的工作模式，实现平滑控制风、光电场输出功率，同时避免储能电池过度充放电，延长储能电池的循环寿命，更多的使用储能电池对负载供电，使输出功率进一步稳定，达到安全、经济、高效的目的。

Description

房车/户用风光电互补储能系统能量管理系统与方法
技术领域
本发明涉及综合能源利用领域，具体地，涉及到一种房车/户用风光电互补储能系统的能量管理系统与方法。
背景技术
随着新能源发电技术的逐渐普及，利用多种能源综合发电成为国内外研究的热点，尤其是风能和太阳能这两种可再生清洁能源，具有巨大的开发潜力，但是由于其资源不确定性导致的输出功率不稳定成为制约其发展的一个问题，电池及其集成技术的出现为这一问题提出了一种解决途径，储能电池具有快速吸收和释放能量的特点，因此在多种新能源发电的基础上加入储能电池系统，形成一种能量互补的储能发电系统。
孤立于大电网的多能量储能发电系统通常承受扰动的能力较弱，可再生能源发电的间歇性、随机性、波动性都增大了系统运行的风险，因此有效的能量管理系统和能量管理方法具有重大意义。能量管理系统和方法的目的是平滑控制各发电系统的功率波动，保持频率稳定，避免储能系统的过度充放电，延长电池使用寿命，使系统安全、经济、高效的运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足之处，提出一种房车/户用风光电互补储能系统能量管理系统与方法，能够孤立于大电网运行，独立为房车或者由于某种原因不能连接大电网的小型建筑物供电。
本发明采用以下技术方案：
一种房车/户用风光电互补储能系统的能量管理系统，包括一组或多组光伏发电装置、光伏发电控制器、一组或多组风力发电装置、风力发电控制器、储能电池系统、电池管理系统(BMS)、双向逆变器、储能电池逆变控制器、逆变器、中央控制器、交流母线和负载；
所述光伏发电装置和风力发电装置分别与光电变流系统和风电变流系统连接，输出的电能一部分通过DC/DC变流为储能电池系统充电或为直流负载供电，另一部分通过DC/AC变流后连接到交流母线为交流负载供电；所述光电变流系统包括光伏发电控制器和双向逆变器；所述风电变流系统包括风力发电控制器和另一双向逆变器；所述储能电池系统与BMS和电池变流系统连接，输出的电能一部分为直流负载供电，另一部分通过DC/AC变流后连接到交流母线为交流负载供电；所述电池变流系统包括储能电池逆变控制器和逆变器；所述光伏发电控制器、风力发电控制器、BMS、储能电池逆变控制器均连接至中央控制器，进行协调控制；所述负载包括直流负载和交流负载；
一种房车/户用风光电互补储能系统的能量管理方法，能够使储能系统孤立于大电网运行，系统中的各个公共连接点、光伏发电装置、风力发电装置、储能电池系统和所有支路的开关，均汇总到中央控制器进行集中监控，通过各执行机构灵活切换系统工作模式，使整个系统功率平滑输出。
所述的能量管理方法，具体包括以下几个步骤：
步骤1：设定约束条件，光伏发电系统的额定输出功率为Ppv_e、风力发电系统的额定输出功率为Pw_e、储能电池系统的额定输出功率为Pb_e、储能电池系统最低放电限值SOCmin、最高充电限值SOCmax、预设的最大负载限值PL_max、预设的系统最大输出功率为Pa_max；
步骤2：检测负载的实时功率PL，与预设的最大负载限值相比PL_max，若PL＜PL_max，则系统正常启动；反之，启动紧急供电模式，只为优先级较高的负载供电；
步骤3：读取风光储系统的相关数据，相关数据包括光伏发电功率值Ppv、风力发电功率值Pw、储能电池SOC，并计算储能电池系统有功功率Pb，；
步骤4：判断储能电池系统SOC是否小于最低放电限值SOCmin，若小于，则停止储能电池放电，否则，启动储能电池为负载供电；
步骤5：若步骤4中停止储能电池放电，则需要同时判断此时是否满足光伏发电系统运行条件或风力发电系统运行条件；若只满足光伏发电系统运行条件，则启动光伏发电系统为负载供电，同时实时监控Ppv，保证系统稳定运行；若只满足风力发电系统运行条件，则启动风力发电系统为负载供电，同时实时监控Pw，保证系统稳定运行；若同时满足光伏发电系统运行条件和风力发电系统运行条件，则启动光伏发电系统和风力发电系统为负载供电，并实时监控Ppv和Pw，保证系统稳定运行；若光伏发电系统运行条件或风力发电系统运行条件均无法满足，则停止系统运行，启动紧急备用电源；
步骤6：若步骤4中启动储能电池放电，则继续判断储能电池SOC是否介于SOCmin和SOCmax之间，若SOCmin＜SOC＜SOCmax，则启动风光电场功率的平滑控制，否则，停止风光电场对储能电池充电；
步骤7：若步骤6中启动风光电场功率的平滑控制，则根据储能电池当前SOC和有功功率Pb，实时修正功率命令；
平滑控制就是将风，光输出的电能都控制在标准频率之内，标准频率是国际通用标准规定的；GB/T 156-2007这是中国标准电压的国标。
步骤8：根据有功功率的符号判断储能电池的充放电状态，设置控制命令，有功功率为正，储能电池处于放电状态；有功功率为负，储能电池处于充电状态；
步骤9：将控制命令发送至BMS执行机构，对储能电池进行控制；
步骤10：重复步骤2～9，维持系统安全、稳定、高效运行。
所述步骤5中的光伏发电系统运行条件和风力发电系统运行条件，具体指，当 时，光伏发电系统和风力发电系统均不启动，启动紧急备用能源供电；当时，只启动风力发电系统供电，此时风电输出功率上限为若功率不足则输出功率上限为Pw_e；当时，同时启动光电和风电系统供电，此时风电输出功率上限为若功率不足则输出功率上限为Pw_e；当时，只启动光电系统供电，此时光电输出功率上限为Ppv_e；
所述步骤7中的功率命令值，通过公式(1)计算：
式中，Pi为功率命令值；ui为第i个储能电池模块所处的状态；SOCi为第i个储能电池模块的SOC；L为储能电池模块的个数；
本发明具有以下有益效果：
本发明提出的房车/户用风光电互补储能系统能量管理系统与方法，以储能电池系统为核心，将光伏系统、风电系统、储能电池系统的控制集成到中央控制器统一进行控制。通过判断储能电池的SOC决定系统的工作模式，在大多数情况下，都只由储能电池向负载供电，风光发电系统此时只为储能电池充电；在少数由风光发电系统向负载供电的情况下，也通过对风光电场的平滑控制，减小其输出功率的波动，提高系统的稳定性。
附图说明
图1为一种房车/户用风光电互补储能系统的能量管理系统；
图2为一种房车/户用风光电互补储能系统的能量管理流程框图。
具体实施方式
下面结合附图以某型号房车的风光电互补储能系统能量管理系统为具体实施例进行详细说明。
某型号房车的风光电互补储能系统的能量管理系统，包括六组光伏发电装置、光伏发电控制器、一组风力发电装置、风力发电控制器、48V储能电池系统、电池管理系统(BMS)、双向逆变器、储能电池逆变控制器、逆变器、中央控制器、交流母线和房车负载；
所述光伏发电装置和风力发电装置分别与光电变流系统和风电变流系统连接，输出的电能一部分通过DC/DC变流为储能电池系统充电或为直流负载供电，另一部分通过DC/AC变流后连接到交流母线为交流负载供电；所述光电变流系统包括光伏发电控制器和双向逆变器；所述风电变流系统包括风力发电控制器和双向变流器；所述储能电池系统与BMS和电池变流系统连接，输出的电能一部分为直流负载供电，另一部分通过DC/AC变流后连接到交流母线为交流负载供电；所述电池变流系统包括储能电池逆变控制器和逆变器；所述光伏发电控制器、风力发电控制器、BMS、储能电池逆变控制器均连接至中央控制器，进行协调控制；所述负载包括直流负载和交流负载；
某型号房车的房车风光电互补储能系统的能量管理方法，能够使储能系统孤立于大电网运行，系统中的各个公共连接点、光伏发电装置、风力发电装置、储能电池系统和所有支路的开关，均汇总到中央控制器进行集中监控，通过各执行机构灵活切换系统工作模式，使整个系统功率平滑输出。
所述的能量管理方法，具体包括以下几个步骤：
步骤1：设定约束条件，光伏发电系统的额定输出功率Ppv_e为1kW、风力发电系统的额定输出功率为Pw_e为2kW、储能电池系统的额定输出功率Pb_e为3.5kW、储能电池系统最低放电限值SOCmin为0.2、最高充电限值SOCmax为0.8、预设的最大负载限值PL_max为4kW、预设的系统最大输出功率Pa_max为6kW；
步骤2：检测负载的实时功率PL，与预设的最大负载限值相比PL_max，若PL＜PL_max，则系统正常启动；反之，启动紧急供电模式，只为优先级较高的负载供电；
步骤3：读取风光储系统的相关数据，相关数据包括光伏发电功率值Ppv、风力发电功率值Pw、储能电池SOC，并计算储能电池系统有功功率Pb，；
步骤4：判断储能电池系统SOC是否小于最低放电限值SOCmin，若小于，则停止储能电池放电，否则，启动储能电池为负载供电；
步骤5：若步骤4中停止储能电池放电，则需要同时判断此时是否满足光伏发电系统运行条件或风力发电系统运行条件；若只满足光伏发电系统运行条件，则启动光伏发电系统为负载供电，同时实时监控Ppv，保证系统稳定运行；若只满足风力发电系统运行条件，则启动风力发电系统为负载供电，同时实时监控Pw，保证系统稳定运行；若同时满足光伏发电系统运行条件和风力发电系统运行条件，则启动光伏发电系统和风力发电系统为负载供电，并实时监控Ppv和Pw，保证系统稳定运行；若光伏发电系统运行条件或风力发电系统运行条件均无法满足，则停止系统运行，启动紧急备用电源；
步骤6：若步骤4中启动储能电池放电，则继续判断储能电池SOC是否介于SOCmin和SOCmax之间，若SOCmin＜SOC＜SOCmax，则启动风光电场功率的平滑控制，否则，停止风光电场对储能电池充电；
步骤7：若步骤6中启动风光电场功率的平滑控制，则根据储能电池当前SOC和有功功率Pb，实时修正功率命令；
步骤8：根据有功功率的符号判断储能电池的充放电状态，设置控制命令，有功功率为正，储能电池处于放电状态；有功功率为负，储能电池处于充电状态；
步骤9：将控制命令发送至BMS执行机构，对储能电池进行控制；
步骤10：重复步骤2～9，维持系统安全、稳定、高效运行。
所述步骤5中的光伏发电系统运行条件和风力发电系统运行条件，具体指，当 时，光伏发电系统和风力发电系统均不启动，启动紧急备用能源供电；当时，只启动风力发电系统供电，此时风电输出功率上限为若功率不足则输出功率上限为Pw_e；当时，同时启动光电和风电系统供电，此时风电输出功率上限为若功率不足则输出功率上限为Pw_e；当时，只启动光电系统供电，此时光电输出功率上限为Ppv_e；
所述步骤7中的功率命令值，通过公式(1)计算：
式中，Pi为功率命令值；ui为第i个储能电池模块所处的状态；SOCi为第i个储能电池模块的SOC；L为储能电池模块的个数。
表1展示的是某型号房车的房车风光电互补储能系统的几种工作模式。
表1
最后需要说明的是，以上具体实施例仅有说明作用，并不会对本发明的技术方案进行限制。

Claims (3)

1.一种房车/户用风光电互补储能系统的能量管理系统，其特征在于，包括一组或多组光伏发电装置、光伏发电控制器、一组或多组风力发电装置、风力发电控制器、储能电池系统、电池管理系统BMS、双向逆变器、储能电池逆变控制器、逆变器、中央控制器、交流母线和负载；
负载包括直流负载和交流负载；所述光伏发电装置和风力发电装置分别与光电变流系统和风电变流系统连接，输出的电能一部分通过DC/DC变流为储能电池系统充电或为直流负载供电，另一部分通过DC/AC变流后连接到交流母线为交流负载供电；所述光电变流系统包括光伏发电控制器和双向逆变器；所述风电变流系统包括风力发电控制器和另一个双向逆变器；所述储能电池系统与BMS和电池变流系统连接，输出的电能一部分为直流负载供电，另一部分通过DC/AC变流后连接到交流母线为交流负载供电；所述电池变流系统包括储能电池逆变控制器和逆变器；所述光伏发电控制器、风力发电控制器、BMS、储能电池逆变控制器均连接至中央控制器。
2.一种房车/户用风光电互补储能系统的能量管理方法，其特征在于，所述能量管理方法能够使储能系统孤立于大电网运行，系统中的各个公共连接点、光伏发电装置、风力发电装置、储能电池系统和所有支路的开关，均汇总到中央控制器进行集中监控，通过各执行机构灵活切换系统工作模式；
具体包括以下几个步骤：
步骤1：设定约束条件，光伏发电系统的额定输出功率为Ppv_e、风力发电系统的额定输出功率为Pw_e、储能电池系统的额定输出功率为Pb_e、储能电池系统最低放电限值SOCmin、最高充电限值SOCmax、预设的最大负载限值PL_max、预设的系统最大输出功率为Pa_max；
步骤2：检测负载的实时功率PL，与预设的最大负载限值相比PL_max，若PL＜PL_max，则系统正常启动；反之，启动紧急供电模式，只为优先级较高的负载供电；
步骤3：读取风光储系统的相关数据，相关数据包括光伏发电功率值Ppv、风力发电功率值Pw、储能电池SOC，并计算储能电池系统有功功率Pb，；
步骤4：判断储能电池系统SOC是否小于最低放电限值SOCmin，若小于，则停止储能电池放电，否则，启动储能电池为负载供电；
步骤5：若步骤4中停止储能电池放电，则需要同时判断此时是否满足光伏发电系统运行条件或风力发电系统运行条件；若只满足光伏发电系统运行条件，则启动光伏发电系统为负载供电，同时实时监控Ppv，保证系统稳定运行；若只满足风力发电系统运行条件，则启动风力发电系统为负载供电，同时实时监控Pw，保证系统稳定运行；若同时满足光伏发电系统运行条件和风力发电系统运行条件，则启动光伏发电系统和风力发电系统为负载供电，并实时监控Ppv和Pw，保证系统稳定运行；若光伏发电系统运行条件或风力发电系统运行条件均无法满足，则停止系统运行，启动紧急备用电源；
步骤6：若步骤4中启动储能电池放电，则继续判断储能电池SOC是否介于SOCmin和SOCmax之间，若SOCmin＜SOC＜SOCmax，则启动风光电场功率的平滑控制，否则，停止风光电场对储能电池充电；
步骤7：若步骤6中启动风光电场功率的平滑控制，则根据储能电池当前SOC和有功功率Pb，实时修正功率命令；平滑控制就是将风，光输出的电能都控制在标准频率之内，标准频率是国际通用标准规定的；
步骤8：根据有功功率的符号判断储能电池的充放电状态，设置控制命令，有功功率为正，储能电池处于放电状态；有功功率为负，储能电池处于充电状态；
步骤9：将控制命令发送至BMS执行机构，对储能电池进行控制；
步骤10：重复步骤2～9；
所述步骤5中的光伏发电系统运行条件和风力发电系统运行条件，具体指，当 时，光伏发电系统和风力发电系统均不启动，启动紧急备用能源供电；当时，只启动风力发电系统供电，此时风电输出功率上限为若功率不足则输出功率上限为Pw_e；当 时，同时启动光电和风电系统供电，此时风电输出功率上限为若功率不足则输出功率上限为Pw_e；当时，只启动光电系统供电，此时光电输出功率上限为Ppv_e。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤7中的功率命令值，通过公式(1)计算：
式中，Pi为功率命令值；ui为第i个储能电池模块所处的状态；SOCi为第i个储能电池模块的SOC；L为储能电池模块的个数。
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