CN110380439B - 基于超级电容储能的船用光伏并网能量管理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于超级电容储能的船用光伏并网能量管理装置，包括控制单元和存储器，控制单元采集船用光伏发电系统中的超级电容及管理系统CMS、光伏控制器、双向DC/DC变换器和光伏逆变器的数据，采用存储器中预设的能量管理策略输出控制光伏逆变器和双向DC/DC变换器的运行。当超级电容SOC低于设定下限值，光伏逆变器降功率运行；当超级电容SOC高于设定上限值，光伏逆变器增功率运行；当超级电容SOC在上下限之间且光伏发电功率突变大于阈值，光伏逆变器随光伏发电功率按设定的斜率增减输出。本发明依据超级电容的SOC当前值设定不同的能量管理策略，有效地发挥超级电容响应速度快的特性，保证光伏逆变器平稳输出，降低光伏发电间歇性对船舶电网的冲击。

Description

基于超级电容储能的船用光伏并网能量管理装置
技术领域
本发明属于船舶太阳能发电技术领域，具体涉及一种基于超级电容储能的船用光伏并网能量管理装置。
背景技术
国际航运贸易是全球经济的重要组成部分，全球接近90％的贸易是通过海洋运输，船舶作为当今国际贸易中最主要的货物运输工具，其动力和用电不仅需消耗大量化石能源，而且会产生严重的环境污染。在清洁能源中，太阳能资源中占有非常重要的地位，随着新能源变化技术的不断进步，太阳能船舶已经成为最具潜力的绿色船舶之一。
由于光伏发电具有间歇性，其并入船舶电网的过程中，会因为功率突变对船舶电网产生冲击，在实际使用过中，常常配备储能系统。常用的储能系统主要有以锂离子蓄电池为代表的能量型储能和以超级电容为代表的功率型储能两种。锂电池响应时间长、充放电次数少，如果采用其作为储能系统，为了补偿光伏输出功率突变，锂电池的匹配容量要求就很大，大容量的锂电池储能系统占地面积大、维护成本和故障发生率较高，并且需要专门配备针对锂电池的灭火系统，加大了光伏发电系统的初始投资，不利于船用光伏发电技术的推广。而超级电容具有响应速度快，充放电次数多的特点，只需少量的超级电容，通过合理的能量管理策略就能平抑光伏发电间歇性的影响，降低系统投资。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于超级电容储能的船用光伏并网能量管理装置，降低光伏发电系统间歇性对船舶电网的影响。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于超级电容储能的船用光伏并网能量管理装置，其特征在于：本装置包括控制单元和存储器，控制单元用于采集船用光伏发电系统中的超级电容及管理系统CMS、光伏控制器、双向DC/DC变换器和光伏逆变器的数据，采用存储器中预设的能量管理策略输出控制光伏逆变器和双向DC/DC变换器的运行；其中，
所述的船用光伏发电系统包括光伏电池板、光伏控制器、光伏逆变器、CMS和双向DC/DC变换器；光伏电池板将太阳能转化为直流电经光伏控制器进行最大功率跟踪输出；超级电容经双向DC/DC变换器连接至直流母线；CMS通过CAN总线通讯方式采集超级电容的运行参数并接受双向DC/DC变换器的指令实现超级电容的充放电控制；光伏逆变器将直流母线上的直流电逆变为交流电后并入船舶电网；
所述的能量管理策略包括：
对采集过来的超级电容SOC当前值进行判断，如果SOC当前值小于设定的下限值，则进入模式一；SOC当前值大于设定的上限值，则进入模式二；SOC当前值大于或等于设定的下限值，且小于或等于设定的上限值，则进入模式三；
模式一下，控制逆变器的输出功率PN以1kW/s的速率递减，直至超级电容的SOC增至SOC1后进入模式三，若此时超级电容SOC还未达到SOC1但光伏逆变器的输出功率已经降至额定输出功率的a时，则判断超级电容的SOC是否小于设定的下限危险值，若SOC大于下限危险值，则控制光伏逆变器输出功率PN为额定输出功率的a，直至超级电容SOC达到SOC1进入模式三；若SOC小于或等于下限危险值，则光伏逆变器停机，待超级电容充电至SOC达到SOC1并且光伏发电功率大于逆变器额定输出功率的a时，进入模式三运行；根据光伏发电功率和光伏逆变器的输出功率的差值控制控制双向DC/DC变换器的运行，从而控制超级电容的充放电；
模式二下，控制光伏逆变器的输出功率PN以1kW/s的速率递增，直至超级电容的SOC降至SOC1后进入模式三，若此时超级电容的SOC还未降至SOC1但光伏逆变器的输出功率已达到额定输出功率时，则控制逆变器以额定功率输出直至超级电容SOC降至SOC1后进入模式三；根据光伏发电功率和光伏逆变器的输出功率的差值控制控制双向DC/DC变换器的运行，从而控制超级电容的充放电；
模式三的步骤如下：
S1、判断数据更新的周期是否开始，如果开始则获取光伏控制器此刻的输出功率P(t)；
S2、获取光伏控制器前两个采用周期的输出功率P(t-1)和P(t-2)，并计算当前周期功率差值ΔP(t)和上一周期功率差值ΔP(t-1)，ΔP(t)＝P(t)-P(t-1)、ΔP(t-1)＝P(t-1)-P(t-2)；
S3、判断ΔP(t)，若ΔP(t)同时满足以下两个条件，则进入步骤S4，若不满足进入步骤S7，判断的条件为：ΔP(t)＞0且ΔP(t)＞PS，PS为光伏功率突变量的阈值；
S4、判断ΔP(t-1)，如果ΔP(t-1)＞0，则进入步骤S5，否则进入步骤S6；
S5、光伏逆变器的设定功率值PNSET＝PN+ΔP(t)，其中PN为光伏逆变器当前输出功率；
S6、光伏逆变器的设定功率值
Figure BDA0002155739690000021
其中PN为光伏逆变器当前输出功率；
S7、判断ΔP(t)，若ΔP(t)同时满足以下两个条件，则进入步骤S9，若不满足进入光伏逆变器以当前设定功率运行，并返回程序开始阶段。判断的条件为：ΔP(t)＜0且|ΔP(t)|＞PS，PS为光伏功率突变量的阈值；
S8、判断ΔP(t-1)，如果ΔP(t-1)＞0，则进入步骤S9，否则进入不走S10；
S9、光伏逆变器的设定功率值
Figure BDA0002155739690000031
其中PN为光伏逆变器当前输出功率；
S10、光伏逆变器的设定功率值PNSET＝PN-ΔP(t)，其中PN为光伏逆变器当前输出功率；
S11：将光伏逆变器此刻的功率值PN与光伏逆变器的设定功率值PNSET引入限速环节；
S12：采集设定的变化斜率；
S13：PN作为限速环节的初始值，PNSET作为最终值，以设定的斜率使PN追随着PNSET变化，直至PN的值达到PNSET后维持稳定；
S14：扫描周期结束，返回程序开始阶段；
所述的SOC1和a均为预设的百分比。
按上述方案，所述的控制单元通过RS485通讯方式分别采集光伏控制器的实时输出功率和运行状态、超级电容的SOC值和运行状态、以及双向DC/DC变换器的运行状态，并通过以太网通讯方式采集光伏逆变器实时输出功率和运行状态。
按上述方案，所述的光伏逆变器采用双环控制策略，即功率外环、电流内环的控制策略，外环功率的参考值为本装置所设定的运行功率。
按上述方案，所述的双向DC/DC变换器将超级电容连接至直流母线，根据本装置给定的调度功率控制超级电容充放电。
按上述方案，所述的CMS根据双向DC/DC变换器的充放电指令，对光伏的输出功率波动进行吸收或补偿。
按上述方案，所述的SOC1＝50％。
按上述方案，所述的a＝10％。
按上述方案，所述的控制单元为可编程逻辑控制器PLC。
按上述方案，本装置还包括与控制单元连接的输入设备，用于输入预设参数。
按上述方案，所述的输入设备为触摸屏。
本发明的有益效果为：本发明通过数据通讯监控船用光伏发电系统各核心设备的运行参数和状态，依据超级电容的SOC当前值设定不同的能量管理策略，有效地发挥超级电容响应速度快的特性，保证光伏逆变器平稳输出，降低光伏发电间歇性对船舶电网的冲击。
附图说明
图1是本发明一实施例的结构框图。
图2是模式一的能量管理策略图。
图3是模式二的能量管理策略图。
图4是模式三的能量管理策略图。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种基于超级电容储能的船用光伏并网能量管理装置，如图1所示，本装置包括控制单元和存储器，控制单元用于采集船用光伏发电系统中的超级电容及管理系统CMS、光伏控制器、双向DC/DC变换器和光伏逆变器的数据，采用存储器中预设的能量管理策略输出控制光伏逆变器和双向DC/DC变换器的运行。
所述的船用光伏发电系统包括光伏电池板、光伏控制器、光伏逆变器、CMS和双向DC/DC变换器；光伏电池板将太阳能转化为直流电经光伏控制器进行最大功率跟踪输出；超级电容经双向DC/DC变换器连接至直流母线；CMS通过CAN总线通讯方式采集超级电容的运行参数并接受双向DC/DC变换器的指令实现超级电容的充放电控制；光伏逆变器将直流母线上的直流电逆变为交流电后并入船舶电网。
所述的能量管理策略包括：对采集过来的超级电容SOC当前值进行判断，如果SOC当前值小于设定的下限值，则进入模式一；SOC当前值大于设定的上限值，则进入模式二；SOC当前值大于或等于设定的下限值，且小于或等于设定的上限值，则进入模式三。
如图2所示，模式一下，控制逆变器的输出功率PN以1kW/s的速率递减，直至超级电容的SOC增至SOC1后进入模式三，若此时超级电容SOC还未达到SOC1但光伏逆变器的输出功率已经降至额定输出功率的a时，则判断超级电容的SOC是否小于设定的下限危险值，若SOC大于下限危险值，则控制光伏逆变器输出功率PN为额定输出功率的a，直至超级电容SOC达到SOC1进入模式三；若SOC小于或等于下限危险值，则光伏逆变器停机，待超级电容充电至SOC达到SOC1并且光伏发电功率大于逆变器额定输出功率的a时，进入模式三运行；根据光伏发电功率和光伏逆变器的输出功率的差值控制控制双向DC/DC变换器的运行，从而控制超级电容的充放电。
如图3所示，模式二下，控制光伏逆变器的输出功率PN以1kW/s的速率递增，直至超级电容的SOC降至SOC1后进入模式三，若此时超级电容的SOC还未降至SOC1但光伏逆变器的输出功率已达到额定输出功率时，则控制逆变器以额定功率输出直至超级电容SOC降至SOC1后进入模式三；根据光伏发电功率和光伏逆变器的输出功率的差值控制控制双向DC/DC变换器的运行，从而控制超级电容的充放电。
如图4所示，模式三的步骤如下：
S1、判断数据更新的周期是否开始，如果开始则获取光伏控制器此刻的输出功率P(t)；
S2、获取光伏控制器前两个采用周期的输出功率P(t-1)和P(t-2)，并计算当前周期功率差值ΔP(t)和上一周期功率差值ΔP(t-1)，ΔP(t)＝P(t)-P(t-1)、ΔP(t-1)＝P(t-1)-P(t-2)；
S3、判断ΔP(t)，若ΔP(t)同时满足以下两个条件，则进入步骤S4，若不满足进入步骤S7，判断的条件为：ΔP(t)＞0且ΔP(t)＞PS，PS为光伏功率突变量的阈值；
S4、判断ΔP(t-1)，如果ΔP(t-1)＞0，则进入步骤S5，否则进入步骤S6；
S5、光伏逆变器的设定功率值PNSET＝PN+ΔP(t)，其中PN为光伏逆变器当前输出功率；
S6、光伏逆变器的设定功率值
Figure BDA0002155739690000051
其中PN为光伏逆变器当前输出功率；
S7、判断ΔP(t)，若ΔP(t)同时满足以下两个条件，则进入步骤S9，若不满足进入光伏逆变器以当前设定功率运行，并返回程序开始阶段。判断的条件为：ΔP(t)＜0且|ΔP(t)|＞PS，PS为光伏功率突变量的阈值；
S8、判断ΔP(t-1)，如果ΔP(t-1)＞0，则进入步骤S9，否则进入不走S10；
S9、光伏逆变器的设定功率值
Figure BDA0002155739690000052
其中PN为光伏逆变器当前输出功率；
S10、光伏逆变器的设定功率值PNSET＝PN-ΔP(t)，其中PN为光伏逆变器当前输出功率；
S11：将光伏逆变器此刻的功率值PN与光伏逆变器的设定功率值PNSET引入限速环节；
S12：采集设定的变化斜率；
S13：PN作为限速环节的初始值，PNSET作为最终值，以设定的斜率使PN追随着PNSET变化，直至PN的值达到PNSET后维持稳定；
S14：扫描周期结束，返回程序开始阶段。
所述的SOC1和a均为预设的百分比，本实施例中，SOC1＝50％，a＝10％，也可以根据实际需要设置成其他的值。
优选的，本装置还可以包括与控制单元连接的输入设备和显示设备，例如二合一功能的触摸屏，上述SOC1、a、下限值、上限值、下限危险值等预设参数，均可以用触摸屏进行设置，并且触摸屏上可以实时显示光伏系统各核心设备的运行参数和状态，提升光伏发电系统的拓展性及兼容性。
本实施例中，所述的控制单元采用可编程逻辑控制器PLC，通过RS485通讯方式分别采集光伏控制器的实时输出功率和运行状态、超级电容的SOC值和运行状态、以及双向DC/DC变换器的运行状态，并通过以太网通讯方式采集光伏逆变器实时输出功率和运行状态。
所述的光伏逆变器采用双环控制策略，即功率外环、电流内环的控制策略，外环功率的参考值为本装置所设定的运行功率，可通过能量管理装置控制光伏逆变器输出设定功率值，光伏逆变器输出与光伏发电功率间的差值由能量管理装置控制超级电容充放电承担。
所述的双向DC/DC变换器将超级电容连接至直流母线，根据本装置给定的调度功率控制超级电容充放电。
所述的CMS根据双向DC/DC变换器的充放电指令，对光伏的输出功率波动进行吸收或补偿。
本装置通过预设的能量管理策略控制超级电容充放电，平抑光伏输出功率的突变，降低光伏发电系统间歇性对船舶电网的影响。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超级电容储能的船用光伏并网能量管理装置，其特征在于：本装置包括控制单元和存储器，控制单元用于采集船用光伏发电系统中的超级电容及管理系统CMS、光伏控制器、双向DC/DC变换器和光伏逆变器的数据，采用存储器中预设的能量管理策略输出控制光伏逆变器和双向DC/DC变换器的运行；其中，
所述的船用光伏发电系统包括光伏电池板、光伏控制器、光伏逆变器、CMS和双向DC/DC变换器；光伏电池板将太阳能转化为直流电经光伏控制器进行最大功率跟踪输出；超级电容经双向DC/DC变换器连接至直流母线；CMS通过CAN总线通讯方式采集超级电容的运行参数并接受双向DC/DC变换器的指令实现超级电容的充放电控制；光伏逆变器将直流母线上的直流电逆变为交流电后并入船舶电网；
所述的能量管理策略包括：
对采集过来的超级电容SOC当前值进行判断，如果SOC当前值小于设定的下限值，则进入模式一；SOC当前值大于设定的上限值，则进入模式二；SOC当前值大于或等于设定的下限值，且小于或等于设定的上限值，则进入模式三；
模式一下，控制逆变器的输出功率PN以1kW/s的速率递减，直至超级电容的SOC增至SOC1后进入模式三，若此时超级电容SOC还未达到SOC1但光伏逆变器的输出功率已经降至额定输出功率的a时，则判断超级电容的SOC是否小于设定的下限危险值，若SOC大于下限危险值，则控制光伏逆变器输出功率PN为额定输出功率的a，直至超级电容SOC达到SOC1进入模式三；若SOC小于或等于下限危险值，则光伏逆变器停机，待超级电容充电至SOC达到SOC1并且光伏发电功率大于逆变器额定输出功率的a时，进入模式三运行；根据光伏发电功率和光伏逆变器的输出功率的差值控制双向DC/DC变换器的运行，从而控制超级电容的充放电；
模式二下，控制光伏逆变器的输出功率PN以1kW/s的速率递增，直至超级电容的SOC降至SOC1后进入模式三，若此时超级电容的SOC还未降至SOC1但光伏逆变器的输出功率已达到额定输出功率时，则控制逆变器以额定功率输出直至超级电容SOC降至SOC1后进入模式三；根据光伏发电功率和光伏逆变器的输出功率的差值控制双向DC/DC变换器的运行，从而控制超级电容的充放电；
模式三的步骤如下：
S1、判断数据更新的周期是否开始，如果开始则获取光伏控制器此刻的输出功率P(t)；
S2、获取光伏控制器前两个采用周期的输出功率P(t-1)和P(t-2)，并计算当前周期功率差值ΔP(t)和上一周期功率差值ΔP(t-1)，ΔP(t)＝P(t)-P(t-1)、ΔP(t-1)＝P(t-1)-P(t-2)；
S3、判断ΔP(t)，若ΔP(t)同时满足以下两个条件，则进入步骤S4，若不满足进入步骤S7，判断的条件为：ΔP(t)＞0且ΔP(t)＞PS，PS为光伏功率突变量的阈值；
S4、判断ΔP(t-1)，如果ΔP(t-1)＞0，则进入步骤S5，否则进入步骤S6；
S5、光伏逆变器的设定功率值PNSET＝PN+ΔP(t)，其中PN为光伏逆变器当前输出功率；
S6、光伏逆变器的设定功率值
Figure FDA0002155739680000021
其中PN为光伏逆变器当前输出功率；
S7、判断ΔP(t)，若ΔP(t)同时满足以下两个条件，则进入步骤S9，若不满足进入光伏逆变器以当前设定功率运行，并返回程序开始阶段， 判断的条件为：ΔP(t)＜0且|ΔP(t)|＞PS，PS为光伏功率突变量的阈值；
S8、判断ΔP(t-1)，如果ΔP(t-1)＞0，则进入步骤S9，否则进入不走S10；
S9、光伏逆变器的设定功率值
Figure FDA0002155739680000022
其中PN为光伏逆变器当前输出功率；
S10、光伏逆变器的设定功率值PNSET＝PN-ΔP(t)，其中PN为光伏逆变器当前输出功率；
S11：将光伏逆变器此刻的功率值PN与光伏逆变器的设定功率值PNSET引入限速环节；
S12：采集设定的变化斜率；
S13：PN作为限速环节的初始值，PNSET作为最终值，以设定的斜率使PN追随着PNSET变化，直至PN的值达到PNSET后维持稳定；
S14：扫描周期结束，返回程序开始阶段；
所述的SOC1和a均为预设的百分比。
2.根据权利要求1所述的基于超级电容储能的船用光伏并网能量管理装置，其特征在于：所述的控制单元通过RS485通讯方式分别采集光伏控制器的实时输出功率和运行状态、超级电容的SOC值和运行状态、以及双向DC/DC变换器的运行状态，并通过以太网通讯方式采集光伏逆变器实时输出功率和运行状态。
3.根据权利要求1所述的基于超级电容储能的船用光伏并网能量管理装置，其特征在于：所述的光伏逆变器采用双环控制策略，即功率外环、电流内环的控制策略，外环功率的参考值为本装置所设定的运行功率。
4.根据权利要求1所述的基于超级电容储能的船用光伏并网能量管理装置，其特征在于：所述的双向DC/DC变换器将超级电容连接至直流母线，根据本装置给定的调度功率控制超级电容充放电。
5.根据权利要求1所述的基于超级电容储能的船用光伏并网能量管理装置，其特征在于：所述的CMS根据双向DC/DC变换器的充放电指令，对光伏的输出功率波动进行吸收或补偿。
6.根据权利要求1所述的基于超级电容储能的船用光伏并网能量管理装置，其特征在于：所述的SOC1＝50％。
7.根据权利要求1所述的基于超级电容储能的船用光伏并网能量管理装置，其特征在于：所述的a＝10％。
8.根据权利要求1所述的基于超级电容储能的船用光伏并网能量管理装置，其特征在于：所述的控制单元为可编程逻辑控制器PLC。
9.根据权利要求1所述的基于超级电容储能的船用光伏并网能量管理装置，其特征在于：本装置还包括与控制单元连接的输入设备，用于输入预设参数。
10.根据权利要求9所述的基于超级电容储能的船用光伏并网能量管理装置，其特征在于：所述的输入设备为触摸屏。
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