CN110661299B - 一种光伏系统的功率控制方法及应用该方法的光伏系统 - Google Patents

一种光伏系统的功率控制方法及应用该方法的光伏系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光伏系统的功率控制方法及应用该方法的光伏系统，所述方法包括：储能变流器采样其直流侧的母线电压V，并在其高于第一阈值时提高输出频率f，以同步提高系统运行频率f′；光伏逆变器在系统运行频率f′升高时，降低输出功率Ppv，以使光伏逆变器的输出功率Ppv平衡于储能变流器的输出功率Pes和负载消耗功率Pload之和。本发明提供的光伏系统及其方法，通过在光伏逆变器和储能变流器间实现无线通信来协调系统的整体功率分配情况，具有快速响应、通信延时低、运行稳定的优势。

Description

一种光伏系统的功率控制方法及应用该方法的光伏系统
技术领域
本发明涉及光伏发电并网及储能技术领域，具体涉及一种光伏系统的功率控制方法及应用该方法的光伏系统。
背景技术
光伏(发电)系统主要由光伏组件、光伏逆变器组成，光伏组件将太阳能转化为电能后再通过光伏逆变器转化成交流电，用于并网及带载。
由于光伏组件在日间相比夜晚能够提供更多的能量，且电网通常具有限发功率，因此为了充分利用光伏系统的所转化的太阳能，使其能够更好地与电网耦合，通常在光伏系统中引入诸如蓄电池的储能组件，并配合储能变流器，以在光伏组件所提供的能量过盛时将其储存起来，并在夜间用电需要更高时将其释放。
此外，在电网由于各种原因发生异常时，所述光伏系统需要立即切断与电网的耦合，进入到离网运行模式。在离网运行模式下，根据储能组件处于充电状态还是放电状态，对应地定义其运行于离网储能模式或离网释能模式。
在离网储能模式下，光伏组件不仅为储能组件充电，同时也为附近的交流负载提供电能。由于负载水平不断变化，而储能组件的电量也在不断上升，因此，光伏组件需要与储能组件进行协同通信，以使系统的能量转移关系达到较好的平衡。现有技术中，通常采用CAN总线连接光伏逆变器和储能变流器，以在二者间进行通信。
但由于光伏逆变器和储能变流器通常为不同厂家所生产，其间的通信问题使得光伏逆变器和储能变流器的功率难以调度，控制延时高，使得储能组件被过充，不能最大效率地利用光伏组件所转化的能量。
发明内容
本发明的目的在于克服背景技术中存在的上述缺陷或问题，提供一种光伏系统的功率控制方法及应用该方法的光伏系统。
为达成上述目的，本发明的第一方面提供一种光伏系统的功率控制方法，用于在系统运行于离网储能模式时，实现光伏组件、储能组件和负载的功率平衡；所述方法包括：
储能变流器采样其直流侧的母线电压V，并在其高于第一阈值时提高输出频率f，以同步提高系统运行频率f′；
光伏逆变器在系统运行频率f′升高时，降低输出功率Ppv，以使光伏逆变器的输出功率Ppv平衡于储能变流器的输出功率Pes和负载消耗功率Pload之和。
在某一实施例中：所述储能变流器根据输出频率f与母线电压V所具有的如下关系提高输出频率f；所述关系为：
Figure BDA0002263999850000021
其中，V0为所述第一阈值，
Figure BDA0002263999850000022
为母线电压处于所述第一阈值V0时储能变流器的输出频率，k1为预设的线性系数。
在某一实施例中：所述系统具有基准运行频率范围，其上限频率值为f′基准max；当系统在所述基准运行频率范围内运行时，光伏逆变器以最大功率功率Ppv-max输出；当系统高于所述上限频率值f′基准max运行时，光伏逆变器根据输出功率Ppv与系统运行频率f′所具有的如下关系降低输出功率Ppv；所述关系为：Ppv＝Ppv-max-k2(f′-f′基准max)；其中，k2为预设的线性系数。
在某一实施例中：所述储能变流器通过双向前级电路连接储能组件，所述双向前级电路用于在系统平衡时将母线电压控制在基准运行电压范围内；其中，所述基准运行电压范围的上限电压值为所述第一阈值，下限电压值为第二阈值；所述第二阈值为光伏系统的交流电峰值或交流电线电压值。
在某一实施例中：所述储能组件为蓄电池。
为达成上述目的，本发明的第二方面提供一种光伏系统，包括：光伏组件、光伏逆变器、储能组件、储能变流器和交流负载；
所述系统可运行于离网储能模式，在该模式下，所述光伏组件通过光伏逆变器、储能变流器耦合到储能组件并为其充电，其同时向交流负载供能；在所述离网储能模式下：
所述储能变流器采样其直流侧的母线电压V，并在该电压值高于第一阈值时提高输出频率f，以同步提高系统运行频率f′；
所述光伏逆变器在系统运行频率f′升高时，降低其输出功率Ppv，以使光伏逆变器的输出功率Ppv平衡于储能变流器的输出功率Pes和负载消耗功率Pload之和。
在某一实施例中：所述储能变流器根据输出频率f与母线电压V所具有的如下关系提高输出频率f；所述关系为：
Figure BDA0002263999850000023
其中，V0为所述第一阈值，
Figure BDA0002263999850000024
为母线电压处于所述第一阈值V0时储能变流器的输出频率，k1为预设的线性系数。
在某一实施例中：所述系统具有基准运行频率范围，其上限频率值为f′基准max；当系统在所述基准运行频率范围内运行时，光伏逆变器以最大功率功率Ppv-max输出；当系统高于所述上限频率值f′基准max运行时，光伏逆变器根据输出功率Ppv与系统运行频率f′所具有的如下关系降低输出功率Ppv；所述关系为：Ppv＝Ppv-max-k2(f′-f′基准max)；其中，k2为预设的线性系数。
在某一实施例中：还包括双向前级电路；所述储能变流器通过双向前级电路连接储能组件，所述双向前级电路用于在系统平衡时将母线电压控制在基准运行电压范围内；其中，所述基准运行电压范围的上限电压值为所述第一阈值，下限电压值为第二阈值；所述第二阈值为光伏系统的交流电峰值或交流电线电压值。
在某一实施例中：所述储能组件为蓄电池。
相较于现有技术，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明实施例的功率控制方法，通过采样储能通路的母线电压，能够获知所述电压不平衡现象，并通过对光伏逆变器执行过频限额策略，使系统功率分配得到快速地调节和平衡；其并未如现有技术般采用诸如RS485通信模式将储能变流器和光伏逆变器进行连接，而是通过引入频率这一电气参数使二者耦合后在运行过程中自动协同通信，实现了无线通信，通信干扰小，延时低，具有较为准确且及时的控制效果；
(2)本发明实施例的功率控制方法，由于储能变流器、光伏逆变器等设备在运行时就需要采样包括电压、频率、功率等运行参数以记录运行状态，因而本发明主要是对设备内的控制程序部分进行改进，使得本发明无需增加新设备来替换现有设备，而是可以通过对现有设备进行改进以利用其采样数据来实现功率控制目的；
(3)本发明实施例的功率控制方法，主要对储能变流器的内部控制策略进行了改进，使得其能够适配不同品牌的光伏逆变器，以与不同品牌的光伏逆变器均能进行协同功率控制；
(4)本发明实施例的功率控制方法，采样储能通路上直流母线的电压，并配合所述前级电路，在常规工作时，将电压稳定在阈值内，相较于采样其他位置的电压，其能够更为准确和迅速地获知所述电压不平衡现象，使得储能变流器能够快速响应，并提高输出频率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例光伏系统的架构示意图；
图2为本发明实施例光伏逆变器的输出功率与系统运行频率的关系示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的优选实施例，且不应被看作对其他实施例的排除。基于本发明实施例，本领域的普通技术人员在不作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，其示出了本发明实施例光伏系统的主要架构。光伏组件连接光伏逆变器，以构成光伏通路。储能组件依次连接双向前级电路、储能变流器，以构成储能通路。所述光伏通路、储能通路的逆变器端与电网和交流负载耦合，以构成本发明实施例的光伏系统。本实施例中，所述双向前级电路为具有升压和降压功能的前级电路，所述储能组件采用蓄电池。
如前文所述，光伏系统可在并网模式和离网模式下运行，对应的，为实现上述模式的切换，在储能变流器至电网的通路上设有开关K1，在光伏逆变器至负载的通路上设有开关K2，在光伏逆变器至电网的通路上设有开关K3。
通过闭合K1和K3，断开K2，使光伏组件和储能组件的电能都并入电网，对应所述并网模式。通过断开K1和K3，闭合K2，使光伏组件和储能组件协同为负载供电，对应所述离网模式。在离网模式下，根据三者的能量供求关系，光伏组件选择性地为储能组件充电，在光伏组件为储能组件充电时，系统进入离网储能模式；在光伏组件和储能组件均向负载提供电能时，系统进入离网释能模式。
本发明针对光伏系统在离网释能模式下由于不同品牌的光伏逆变器和储能变流器间存在通信调度困难，因而导致不能最大化利用光伏组件产生的能量，提出了一种应用于上述系统的功率控制方法，以解决通信问题，并实现能量平衡。
具体的，所述方法包括如下步骤：
当系统切入离网储能模式时，储能变流器监测其直流侧的母线电压V，并在该电压值高于第一阈值时提高其输出频率f。
光伏逆变器在系统运行频率f′升高时，降低其输出功率Ppv，以使光伏逆变器的输出功率Ppv平衡于储能变流器的输出功率Pes和负载消耗功率Pload之和。
以下具体介绍光伏系统在上述模式下对功率的控制过程：
正常工作时，双向前级电路受系统的主控制器调控，将储能通路的直流母线电压V稳定在一基准运行电压范围内，所述第一阈值为该基准运行电压范围的上限电压值。此时，光伏组件被视为电流源向被视为电压源的储能组件充电，同时，其还为负载提供电能。
值得说明的是，所述基准运行电压范围的下限电压值被定义为第二阈值，根据光伏系统的输出电压相数的不同，所述第二阈值可被配置为不同的值。具体而言，若光伏系统的输出为单相交流电，则所述第二阈值被配置为光伏系统的交流电峰值，其计算值为
Figure BDA0002263999850000051
如
Figure BDA0002263999850000052
若光伏系统的输出为三相交流电，则所述第二阈值被配置为光伏系统的交流电线电压值，其计算值为
Figure BDA0002263999850000053
如
Figure BDA0002263999850000054
一般而言，所述第一阈值和第二阈值间具有一定量的差值，该差值大约为5-35V。
当储能组件被充电至一定程度时，其与负载所需的能量小于光伏组件所提供的能量，即Ppv＞Pes+Pload，由于未能及时进行调控，光伏逆变器发出的电流将反灌至储能通路，此时，前级电路无法将母线电压V稳定在所述基准运行电压范围内，储能通路的母线电压被强制抬高至高于所述第一阈值。
本发明采样储能通路的直流母线电压以获知上述供大于求的情况，并随即根据母线电压的升高提高储能变流器的输出频率f。由于储能组件、光伏组件和负载耦合后形成电气回路，因而储能变流器输出频率f的升高将会立刻反映到系统运行频率f′的升高。
随后，对于光伏通路，所述光伏逆变器在系统运行频率f′升高时，降低输出功率Ppv。在光伏逆变器的输出功率Ppv降低后，储能通路的母线电压V将会对应下降，从而缓解上述能量的不平衡情况。在一次或多次调控后，将使得光伏逆变器的输出功率Ppv平衡于储能变流器的输出功率Pes和负载消耗功率Pload之和，系统再次趋于稳态运行。
因此，本发明实施例通过采样储能通路的母线电压，能够获知所述电压不平衡现象，并通过对光伏逆变器执行过频限额策略，使系统的功率分配得到快速地调节和平衡。上述方法并未如现有技术般采用诸如RS485通信模式将储能变流器和光伏逆变器进行连接，而是通过引入频率这一电气参数使二者耦合后在运行过程中自动协同通信，实现了无线通信，通信干扰小，延时低，具有较为准确且及时的控制效果。
此外，由于储能变流器、光伏逆变器等设备在运行时就需要采样包括电压、频率、功率等运行参数以记录运行状态，因而本发明主要是对设备内的控制程序部分进行改进，使得本发明无需增加新设备来替换现有设备，而是可以通过对现有设备进行改进以利用其采样数据来实现功率控制目的。
进一步的，由于本发明实施例主要对储能变流器的内部控制策略进行了改进，使得其能够适配不同品牌的光伏逆变器，以与不同品牌的光伏逆变器均能进行协同功率控制。
值得说明的是，本发明实施例采样的是储能通路上直流母线的电压，并配合所述前级电路，在常规工作时，将电压稳定在阈值内，相较于采样其他位置的电压，其能够更为准确和迅速地获知所述电压不平衡现象，使得储能变流器能够快速响应，并提高输出频率。
具体的，本发明实施例的储能变流器的输出频率f与母线电压V具有如下关系：
Figure BDA0002263999850000061
其根据该关系提高其输出频率f。其中，V0为所述第一阈值，
Figure BDA0002263999850000062
为母线电压处于所述第一阈值V0时储能变流器的输出频率，k1为预设的线性系数。因此，母线电压抬升越多，储能变流器的频率也相应地提高越多。
此外，对于光伏逆变器，其根据系统运行频率f′对应的调整输出功率Ppv。具体而言，参照图2，光伏系统正常运行时具有基准运行频率范围，在本实施例中，其被设定为47Hz-50.25Hz，其上限频率值f′基准max＝50.25Hz。当光伏系统在所述基准运行频率范围内运行时，光伏逆变器以最大功率功率Ppv-max输出。而当系统高于所述上限频率值f′基准max运行时，光伏逆变器根据输出功率Ppv与系统运行频率f′所具有的如下关系降低输出功率。所述关系为：Ppv＝Ppv-max-k2(f′-f′基准max)；其中，k2为预设的线性系数。因此，母线电压抬升越多，储能变流器的频率提高得越多，光伏逆变器降低的输出功率也越多。
本发明实施例的光伏系统，其应用上述控制方法，在所述离网储能模式下运行时，对应地具有快速响应、通信延时低、运行稳定的优势。
上述说明书和实施例的描述，用于解释本发明保护范围，但并不构成对本发明保护范围的限定。通过本发明或上述实施例的启示，本领域普通技术人员结合公知常识、本领域的普通技术知识和/或现有技术，通过合乎逻辑的分析、推理或有限的试验可以得到的对本发明实施例或其中一部分技术特征的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光伏系统的功率控制方法，用于在系统运行于离网储能模式时，实现光伏组件、储能组件和负载的功率平衡；
其特征在于，所述方法包括：
储能变流器采样其直流侧的母线电压V，并在其高于第一阈值时根据输出频率f与母线电压V所具有的如下关系提高输出频率f，以同步提高系统运行频率f′；所述关系为：
Figure FDA0002989267570000012
Figure FDA0002989267570000013
其中，V0为所述第一阈值，
Figure FDA0002989267570000011
为母线电压处于所述第一阈值V0时储能变流器的输出频率，k1为预设的线性系数；
光伏逆变器在系统运行频率f′升高时，降低输出功率Ppv，以使光伏逆变器的输出功率Ppv平衡于储能变流器的输出功率Pes和负载消耗功率Pload之和。
2.如权利要求1所述的一种光伏系统的功率控制方法，其特征在于：
所述系统具有基准运行频率范围，其上限频率值为f′基准max；
当系统在所述基准运行频率范围内运行时，光伏逆变器以最大功率Ppv-max输出；
当系统高于所述上限频率值f′基准max运行时，光伏逆变器根据输出功率Ppv与系统运行频率f′所具有的如下关系降低输出功率Ppv；
所述关系为：Ppv＝Ppv-max-k2(f′-f′基准max)；其中，k2为预设的线性系数。
3.如权利要求1所述的一种光伏系统的功率控制方法，其特征在于：所述储能变流器通过双向前级电路连接储能组件，所述双向前级电路用于在系统平衡时将母线电压控制在基准运行电压范围内；
其中，所述基准运行电压范围的上限电压值为所述第一阈值，下限电压值为第二阈值；所述第二阈值为光伏系统的交流电峰值或交流电线电压值。
4.如权利要求1-3中任一项所述的一种光伏系统的功率控制方法，其特征在于：所述储能组件为蓄电池。
5.一种光伏系统，包括：光伏组件、光伏逆变器、储能组件、储能变流器和交流负载；
所述系统可运行于离网储能模式，在该模式下，所述光伏组件通过光伏逆变器、储能变流器耦合到储能组件并为其充电，其同时向交流负载供能；
其特征在于，在所述离网储能模式下：
所述储能变流器采样其直流侧的母线电压V，并在该电压值高于第一阈值时根据输出频率f与母线电压V所具有的如下关系提高输出频率f，以同步提高系统运行频率f′；所述关系为：
Figure FDA0002989267570000021
其中，V0为所述第一阈值，
Figure FDA0002989267570000022
为母线电压处于所述第一阈值V0时储能变流器的输出频率，k1为预设的线性系数；
所述光伏逆变器在系统运行频率f′升高时，降低其输出功率Ppv，以使光伏逆变器的输出功率Ppv平衡于储能变流器的输出功率Pes和负载消耗功率Pload之和。
6.如权利要求5所述的一种光伏系统，其特征在于：
所述系统具有基准运行频率范围，其上限频率值为f′基准max；
当系统在所述基准运行频率范围内运行时，光伏逆变器以最大功率Ppv-max输出；
当系统高于所述上限频率值f′基准max运行时，光伏逆变器根据输出功率Ppv与系统运行频率f′所具有的如下关系降低输出功率Ppv；
所述关系为：Ppv＝Ppv-max-k2(f′-f′基准max)；其中，k2为预设的线性系数。
7.如权利要求5所述的一种光伏系统，其特征在于：还包括双向前级电路；
所述储能变流器通过双向前级电路连接储能组件，所述双向前级电路用于在系统平衡时将母线电压控制在基准运行电压范围内；
其中，所述基准运行电压范围的上限电压值为所述第一阈值，下限电压值为第二阈值；所述第二阈值为光伏系统的交流电峰值或交流电线电压值。
8.如权利要求5-7中任一项所述的一种光伏系统，其特征在于：所述储能组件为蓄电池。
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