CN109861288B - 基于cps的光伏混合储能电力系统 - Google Patents

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Abstract

基于CPS的光伏混合储能电力系统，包括多组光伏阵列、第一DC/DC转换器、单相全桥逆变器、高频变压器、单相全桥整流器、第一DC/AC转换器、超级电容、第二DC/DC转换器、第二DC/AC转换器、蓄电池组模块。该系统还包括由负载单元，储能单元和调度控制单元组成的信息物理系统CPS；所述调度控制单元，用于计算，分析、存储电网侧单元的数据从而确定控制方法，并将控制方法发送给电网侧单元同时在内存中保存；调度控制单元对从电网侧单元所接受到的信息流和电力流进行分析，并根据分析结果，对储能单元及时的执行调度方案并令其予以实施。本发明能有效减少储能设备的容量配置和平抑光伏供电功率波动，提升设备整体运行速度，并延长设备整体使用寿命，提高供电系统的电能质量和稳定性，提升系统运行的经济性。

Description

基于CPS的光伏混合储能电力系统
技术领域
本发明涉及光伏供电系统技术领域，具体是一种基于CPS的光伏混合储能电力系统。
背景技术
信息物理系统(cyber physical systems ,简称CPS)作为计算进程和物理进程的统一体，是集成计算、通信与控制于一体的下一代智能系统。信息物理系统通过人机交互接口实现和物理进程的交互，使用网络化空间以远程的、可靠的、实时的、安全的、协作的方式操控一个物理实体。CPS包含了将来无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程，使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能。它注重计算资源与物理资源的紧密结合与协调，主要用于一些智能系统上如设备互联，物联传感，智能家居，机器人，智能导航等。CPS是在环境感知的基础上，深度融合计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式检测或者控制一个物理实体。
独立光伏供电系统发电具有不可准确预测性，所以独立光伏供电系统在电能供应上可靠性较低，因此，电网的电能质量和安全运行也面临着新的挑战。另外，独立光伏供电站的发电规模较大，需要通过安装补偿设备，减少发电站对公共电网造成的影响，只有对公共电网进行调整，才实现发电系统的安全稳定。但是，由于光伏发电除了受昼夜交替影响外，还会受到气候条件影响，所以其供电电能的主要性能问题是间歇性和波动性，从而导致设备发出的功率会表现出随机性和波动性，并且采用并网也会导致功率平衡不稳，供电可靠性不高，电能质量不达标等一系列问题。
专利文献CN103683467A公开了一种具有其启动功能的独立光伏供电系统，考虑到独立光伏供电系统广泛用于我国偏远地区，其工作的必要条件就是必须保障系统启动的电力，通过设置自动启动功能及相应部件在系统无损伤的异常停机情况下，使其停机后自动蓄电与供电，从而自动启动重新进入正常工作运行状态。专利文献CN109026536A公开了一种多风轮混合储能式风力发电机装置。通过该装置进行风力发电储能工作时，风力带动第一风轮、第二风轮及第三风轮转动，第一风轮带动第一转动块转动将齿环块带动转动，此时第一直齿轮转动带动第一转轴在储能发电机内转动储能，同时第二风轮转动带动第二转轴转动将第二直齿轮带动，使第三直齿轮带动第三转轴在储能发电机内转动储能，同时第三风轮也转动带动第五转轴转动将带动第四转轴在储能发电机内转动储能。本装置能够自动化对风力储能发电机进行保护与工作的切换，使装置的安全性能得到一定的提高，该装置还采用多风轮混合储能将风能更多的利用，使用风力能源进行发电保护环境。
以上专利并未考虑到在独立光伏供电系统极其容易受到外界因素影响，在设备异常使用时，会导致负载功率过大，逆变器保护性停机。
发明内容
本发明提供一种基于CPS的光伏混合储能电力系统，将基于CPS的混合储能应用于独立光伏供电系统当中，针对设备考虑多种环境因素指标，以CPS实时接收外界物理环境因素，划分系统其潜在的工作状态，给系统设备设定两级能量规划方法。能有效减少储能设备的容量配置和平抑光伏供电功率波动，提升设备整体运行速度，并延长设备整体使用寿命，提高供电系统的电能质量和稳定性，提升系统运行的经济性。
本发明采取的技术方案为：
基于CPS的光伏混合储能电力系统，包括多组光伏阵列、第一DC/DC转换器、单相全桥逆变器、高频变压器、单相全桥整流器、第一DC/AC转换器、超级电容、第二DC/DC转换器、第二DC/AC转换器、蓄电池组模块。
所述多组光伏阵列通过第一DC/DC转换器连接单相全桥逆变器，所述单相全桥逆变器、高频变压器、单相全桥整流器依次连接；单相全桥逆变器的输入端连接超级电容，超级电容通过第二DC/DC转换器连接直流负载；
超级电容输出端通过第二DC/AC转换器连接蓄电池组模块输入端，蓄电池组模块输出端连接单相全桥整流器输出端，单相全桥整流器输出端通过第一DC/AC转换器连接交流负载。
所述多组光伏阵列通过静态开关连接第一DC/DC转换器。
该系统还包括由负载单元，储能单元和调度控制单元组成的信息物理系统CPS；
所述负载单元包括直流负载、交流负载；
所述储能单元包括蓄电池组模块、超级电容；
所述调度控制单元，用于计算，分析、存储电网侧单元的数据从而确定控制方法，并将控制方法发送给电网侧单元同时在内存中保存；
调度控制单元对从电网侧单元所接受到的信息流和电力流进行分析，并根据分析结果，对储能单元及时的执行调度方案并令其予以实施。
本发明一种基于CPS的光伏混合储能电力系统，在满足供电需求的基础上，通过信息物理系统CPS实时接收，分析，存储外界指标因素变化，对信息流和电力流的交互进行处理，从而预测系统潜在的故障运行状态，更准确，更高效，更及时的处理系统故障运行。
本发明一种基于CPS的光伏混合储能电力系统，令调度控制单元预先准备应对方案，对不同运行状态下系统的DC/DC转换器和第一DC/AC转换器分别进行控制，实现系统最优调度；从而减少故障运行对系统和电能带来的负面影响，使该系统可以有效减少储能设备的容量配置和平抑光伏供电功率波动。
本发明一种基于CPS的光伏混合储能电力系统，提升设备整体运行速度，并延长设备整体使用寿命，提高供电系统的电能质量和稳定性，提升系统运行的经济性。
附图说明
图1为基于混合储能的光伏电力系统结构图。
图2为信息物理系统CPS结构图。
图3为本发明系统运行流程图。
具体实施方式
如图1所示，基于CPS的光伏混合储能电力系统，包括多组光伏阵列1、第一DC/DC转换器2、单相全桥逆变器3、高频变压器4、单相全桥整流器5、第一DC/AC转换器6、超级电容8、第二DC/DC转换器9、第二DC/AC转换器11、蓄电池组模块12。
所述多组光伏阵列1通过第一DC/DC转换器2连接单相全桥逆变器3，所述单相全桥逆变器3、高频变压器4、单相全桥整流器5依次连接。单相全桥逆变器3的输入端连接超级电容8，超级电容8通过第二DC/DC转换器9连接直流负载10。超级电容8输出端通过第二DC/AC转换器11连接蓄电池组模块12输入端，蓄电池组模块12输出端连接单相全桥整流器5输出端，单相全桥整流器5输出端通过第一DC/AC转换器6连接交流负载7。所述多组光伏阵列1通过静态开关13连接第一DC/DC转换器2。在光伏供电系统处于孤岛运行状态时，静态开关13断开。
第一DC/DC转换器2采用型号：DI134063ADC/DC转换器。
单相全桥逆变器3采用型号：SG3525逆变器。
高频变压器4采用型号：EE65B高频变压器。
单相全桥整流器5采用型号：2KBP10整流器。
第一DC/AC转换器采用型号：ICE3A2065ZDC/AC转换器。
超级电容8、 工作温度：-40°C ~ 65°C 电容：166F 电压 - 额定：48.6V 容差：0%，+20%。
第二DC/DC转换器9采用型号：DI134063ADC/DC转换器。
第二DC/AC转换器11采用型号：ICE3A2065Z DC/AC转换器11。
蓄电池组模块12、电阻均衡电流：12.6V 持续放电电流：400A 动力使用电流：800A
该系统还包括由负载单元，储能单元和调度控制单元组成的信息物理系统CPS；
所述负载单元包括直流负载10、交流负载7；
所述储能单元包括蓄电池组模块12、超级电容8；
所述调度控制单元，用于计算，分析、存储电网侧单元的数据从而确定控制方法，并将控制方法发送给电网侧单元同时在内存中保存。
调度控制单元采用型号：6ES7416-3XR05-0AB0西门子S7-400 CPU416-3DP控制器。
调度控制单元对从电网侧单元所接受到的信息流和电力流进行分析，并根据分析结果，对储能单元及时的执行调度方案并令其予以实施。
所述信息流即太阳能资源指标：平均温度（℃）、相对湿度（%）、平均风速（m/s）、水平面总辐射量（KWh/㎡）、侧斜面总辐射量（KWh/㎡）；
所述电力流即电量指标：发电量（KWh）、上网电量（KWh）、购网电量（KWh）、理论发电量（KWh）；
通过电力流和信息流的交互，划分出系统的潜在运行状态。
当电力系统发电量处于水平面总辐射量与侧斜面总辐射量的综合辐射量对应的系统发电量范围内，则系统处于正常工作状态；
当电力系统发电量超出水平面总辐射量与侧斜面总辐射量的综合辐射量对应的系统发电量范围，则系统处于超级电容达到自身充放电警戒值运行状态；
当电力系统发电量低于水平面总辐射量与侧斜面总辐射量的综合辐射量对应的系统发电量范围，则系统处于孤岛运行状态；
潜在运行状态包含：
①正常工作；
②超级电容达到自身充放电警戒值；
③孤岛运行；
所述调度控制单元根据信息物理系统CPS实时接收外界信息，进行分析存储后的当下系统运行状态，对应的执行系统初始设定的两级能量规划方法，从而达到最优调度；
两级能量规划方法包含：
将超级电容8设置为系统第一级缓冲储能，达到优先平抑光电功率波动；将蓄电池组模块12作为系统第二级储能，通过作为第一级缓冲储能的超级电容8优先级作用，减少蓄电池组模块12充放电频率，从而达到延长设备整体使用寿命；当作为第一级缓冲储能环节的超级电容8达到自身充放电警戒值情况下，通过控制蓄电池组模块12的以恒定功率输出，进而调节超级电容8端电压重新恢复到正常值。
基于CPS的光伏混合储能电力系统的混合储能直流负载侧第二DC/DC转换器9控制方法：
超级电容8通过第二DC/DC转换器9采用直流负载10电压外环、超级电容8输出电流内环的双环控制策略：直流负载10电压外环用以稳定直流负载电压，确保交流侧第一DC/AC转换器6正常工作,以平抑光伏功率波动，维持供电系统功率平衡；超级电容8输出电流内环，控制超级电容8输入电流，使超级电容8输出功率不逾越自身限制值；超级电容8通过第二DC/DC转换器9与直流负载10进行功率交换，充电时，第二DC/DC转换器9处于降压模式，放电时第二DC/DC转换器9处于升压模式。
混合储能交流负载侧第一DC/AC转换器6控制方法：
光伏阵列1对系统进行供电时，根据两级能量规划方法，调节第一DC/AC转换器6的输出功率，以抑制光伏功率波动、维持输出电压恒定，采用功率外环、电流内环的双环控制策略；当光伏供电系统进行孤岛运行时，静态开关13断开，混合储能提供电压支撑，根据两级能量规划方法，调节第一DC/AC转换器6的输出功率，以抑制光伏功率波动、维持输出电压恒定，采用电压外环、电流内环的双环控制策略。
超级电容8通过第二DC/DC转换器9与蓄电池组模块12相连，使其作为一级缓冲储能：当超级电容8端电压在自身充放电限值（超级电容8正常工作）以内时，蓄电池组模块12不工作；当超级电容8端电压在充放电限值（超级电容8非正常工作）以外时，蓄电池组模块12以恒定功率控制输出，从而调节超级电容8端电压，使其恢复到充放电限值以内。

Claims (2)

1.基于CPS的光伏混合储能电力系统，包括多组光伏阵列（1）、第一DC/DC转换器（2）、单相全桥逆变器（3）、高频变压器（4）、单相全桥整流器（5）、第一DC/AC转换器（6）、超级电容（8）、第二DC/DC转换器（9）、第二DC/AC转换器（11）、蓄电池组模块（12）；其特征在于：所述多组光伏阵列（1）通过第一DC/DC转换器（2）连接单相全桥逆变器（3），所述单相全桥逆变器（3）、高频变压器（4）、单相全桥整流器（5）依次连接；
单相全桥逆变器（3）的输入端连接超级电容（8），超级电容（8）通过第二DC/DC转换器（9）连接直流负载（10）；
超级电容（8）输出端通过第二DC/AC转换器（11）连接蓄电池组模块（12）输入端，蓄电池组模块（12）输出端连接单相全桥整流器（5）输出端，单相全桥整流器（5）输出端通过第一DC/AC转换器（6）连接交流负载（7）；
所述多组光伏阵列（1）通过静态开关（13）连接第一DC/DC转换器（2）；
该系统还包括由负载单元，储能单元和调度控制单元组成的信息物理系统CPS；
所述负载单元包括直流负载（10）、交流负载（7）；
所述储能单元包括蓄电池组模块（12）、超级电容（8）；
所述调度控制单元，用于计算，分析、存储电网侧单元的数据从而确定控制方法，并将控制方法发送给电网侧单元同时在内存中保存；
调度控制单元对从电网侧单元所接受到的信息流和电力流进行分析，并根据分析结果，对储能单元及时的执行由两级能量规划方法确定的调度方案，并令其予以实施；
所述两级能量规划方法包含：
将超级电容（8）设置为系统第一级缓冲储能，达到优先平抑光电功率波动；
将蓄电池组模块（12）作为系统第二级储能，通过作为第一级缓冲储能的超级电容（8）优先级作用，减少蓄电池组模块（12）充放电频率，从而达到延长设备整体使用寿命；
当作为第一级缓冲储能环节的超级电容（8）达到自身充放电警戒值情况下，通过控制蓄电池组模块（12）的以恒定功率输出，进而调节超级电容（8）端电压重新恢复到正常值；
第二DC/DC转换器（9）控制方法：超级电容（8）通过第二DC/DC转换器（9）采用直流负载（10）电压外环、超级电容（8）输出电流内环的双环控制策略：直流负载（10）电压外环用以稳定直流负载电压，确保交流侧第一DC/AC转换器（6）正常工作，以平抑光伏功率波动，维持供电系统功率平衡；超级电容（8）输出电流内环，控制超级电容（8）输入电流，使超级电容（8）输出功率不逾越自身限制值；超级电容（8）通过第二DC/DC转换器（9）与直流负载（10）进行功率交换，充电时，第二DC/DC转换器（9）处于降压模式，放电时第二DC/DC转换器（9）处于升压模式；
第一DC/AC转换器（6）控制方法：光伏阵列（1）对系统进行供电时，根据两级能量规划方法，调节第一DC/AC转换器（6）的输出功率，以抑制光伏功率波动、维持输出电压恒定，采用功率外环、电流内环的双环控制策略；当光伏供电系统进行孤岛运行时，静态开关（13）断开，混合储能提供电压支撑，根据两级能量规划方法，调节第一DC/AC转换器（6）的输出功率，以抑制光伏功率波动、维持输出电压恒定，采用电压外环、电流内环的双环控制策略；
超级电容（8）通过第二DC/AC转换器（11）与蓄电池组模块（12）相连，使其作为一级缓冲储能：当超级电容（8）端电压在自身充放电限值超级电容（8）正常工作以内时，蓄电池组模块（12）不工作；当超级电容（8）端电压在充放电限值超级电容（8）非正常工作以外时，蓄电池组模块（12）以恒定功率控制输出，从而调节超级电容（8）端电压，使其恢复到充放电限值以内。
2.根据权利要求1所述基于CPS的光伏混合储能电力系统，其特征在于：所述信息流包括太阳能资源指标：平均温度、相对湿度、平均风速、水平面总辐射量KWh/㎡、侧斜面总辐射量KWh/㎡；
所述电力流包括电量指标：发电量KWh、上网电量KWh、购网电量KWh、理论发电量KWh；通过电力流和信息流的交互，划分出系统的潜在运行状态，潜在运行状态包含：
①正常工作；
②超级电容达到自身充放电警戒值；
③孤岛运行。
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