CN110829464A - 一种基于直流侧的光伏储能电池调频系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种基于直流侧的光伏储能电池调频方法，包括：在光伏电站中，给每一个光伏逆变器配置一套储能电池，储能电池通过储能双向DC/DC变换器连接对应的光伏逆变器以及用于给对应的光伏逆变器充电的各光伏组件；在电网发生频率扰动时，优先通过调节对应的储能双向DC/DC变换器的充放电功率，以调整光伏逆变器有功出力。本发明中，通过储能电池充电，实现了在不丢弃光伏组件输出功率的情况下，降低光伏逆变器的有功出力；通过储能电池放电，实现了在不改变光伏逆变器最大功率点运行模式的情况下，提高光伏逆变器的有功出力。如此，可使得光伏逆变器尽可能处于最大功率点运行，以保证对光伏组件发电的充分利用。

Description

一种基于直流侧的光伏储能电池调频系统和方法
技术领域
本发明涉及电网调节技术领域，尤其涉及一种基于直流侧的光伏储能电池调频系统和方法。
背景技术
由于光伏发电具有很强的随机性、周期性和波动性等特点，造成光伏出力频繁波动，可靠性差，极大地增加了大电网调峰、调频的压力。但是现有的光伏电站调节方式，很难对光伏发电进行充分利用，尤其是电网发生频率扰动时，会造成大量的光伏发电被浪费。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于直流侧的光伏储能电池调频系统和方法。
本发明提出的一种基于直流侧的光伏储能电池调频系统，包括控制单元，还包括与光伏电站上各光伏逆变器一一对应的储能单元；储能单元包括储能电池和储能双向DC/DC变换器，储能电池与储能双向DC/DC变换器连接；
储能双向DC/DC变换器连接对应的光伏逆变器，并连接给对应的光伏逆变器充电的各光伏组件；储能双向DC/DC变换器充电状态下，光伏组件通过储能双向DC/DC变换器给储能电池充电；储能双向DC/DC变换器放电状态下，储能电池通过储能双向DC/DC变换器给光伏逆变器供电；
控制单元分别与各储能电池、储能双向DC/DC变换器和光伏逆变器连接；控制单元用于根据频率调节目标和各储能电池状态控制各光伏逆变器和各储能双向DC/DC变换器工作。
优选的，各储能单元的最大功率大于或等于对应的光伏逆变器的最大过载功率与额定功率之差。
优选的，储能双向DC/DC变换器充电状态下，光伏逆变器的有功出力等于光伏组件的输出功率与储能双向DC/DC变换器充电功率之差；储能双向DC/DC变换器放电状态下，光伏逆变器的有功出力等于光伏组件的输出功率与储能双向DC/DC变换器放电功率之和。
一种基于直流侧的光伏储能电池调频方法，包括：
在光伏电站中，给每一个光伏逆变器配置一套储能电池，储能电池通过储能双向DC/DC变换器连接对应的光伏逆变器以及用于给对应的光伏逆变器充电的各光伏组件；
在电网发生频率扰动时，优先通过调节对应的储能双向DC/DC变换器的充放电功率，以调整光伏逆变器有功出力。
优选的，获取频率调节目标后，根据频率调节目标和光伏逆变器当前有功出力计算控制目标；如果储能单元有调节余量，则根据控制目标调整储能双向DC/DC变换器工作状态；如果储能单元没有调节余量，则根据控制目标调整光伏逆变器工作状态。
优选的，在电网发生高频扰动时，根据频率调整目标获取各光伏逆变器的降频容量，降频容量为根据频率调节目标计算所得理论功率目标；然后获取降频容量和光伏逆变器可降容量之间的较小者为控制目标，光伏逆变器可降容量为光伏逆变器当前有功出力与其下限运行阈值之间的差值；如果储能电池正常充电，则根据控制目标调节储能双向DC/DC变换器充电功率；如果储能电池处于过充状态，则将储能双向DC/DC变换器退出充电状态，并根据控制目标降低光伏逆变器有功出力；
在电网发生低频扰动时，根据频率调整目标获取各光伏逆变器的升频容量，升频容量为根据频率调节目标计算所得理论功率目标；然后获取升频容量与光伏逆变器可增容量之间的较小者为控制目标，光伏逆变器可增容量为光伏逆变器上限运行阈值与其当前有功出力之间的差值；如果储能电池正常放电，则根据控制目标调节储能双向DC/DC变换器放电功率；如果储能电池处于过放状态，则将储能双向DC/DC变换器退出放电状态，并闭锁低频调控；
下限运行阈值和上限运行阈值均为预设值，且下限运行阈值﹤上限运行阈值。
优选的，2％额定值≦下限运行阈值﹤上限运行阈值≦110％额定值。
优选的，当储能电池的剩余电量小于预设的最小电荷阈值，则判断储能电池处于过放状态；当储能电池的剩余电量大于预设的最大电荷阈值，则判断储能电池处于过充状态；最小荷电阈值﹤最大荷电阈值。
优选的，5％额定值≦最小荷电阈值﹤最大荷电阈值≦95％额定值。
本发明提出的一种基于直流侧的光伏储能电池调频系统，在电网发生高频扰动时，储能电池可通过光伏组件充电，从而对光伏组件多余的放电量进行存储，降低光伏逆变器交流侧有功出力；储能电池还用于在电网发生低频扰动时，通过与光伏组件一起给光伏逆变器进行直流供电，从而提高光伏逆变器交流侧有功出力。如此，本发明中，通过设置储能电池和储能双向DC/DC变换器，提高了光伏逆变器的调节裕度，并且避免了光伏放电的浪费。
本发明中，通过控制单元的设置，可进一步划分光伏电站调节区域，即每一个调节区域内设置一个控制单元，从而提高控制单元对光伏逆变器和储能单元的监测调节效率，以提高电网频率调节效率。
总之，本发明提出的一种基于直流侧的光伏储能电池调频系统，通过配置储能电池，可以双向调节光伏出力，实现光伏发电友好并网，还能够对电网起到频率支撑作用。且，本发明采用光伏逆变器直流侧结构改进，与交流侧应用相比，具有改造工程量小、占地小、效率高，且不会造成光伏电站扩容。
且，本发明中，将储能单元设置在光伏逆变器直流侧，电气连接距离短，占地小，便于在现有光伏电站的基础上进行改造。
本发明提出的一种基于直流侧的光伏储能电池调频方法，通过储能电池充电，实现了在不丢弃光伏组件输出功率的情况下，降低光伏逆变器的有功出力；通过储能电池放电，实现了在不改变光伏逆变器最大功率点运行模式的情况下，提高光伏逆变器的有功出力。如此，可使得光伏逆变器尽可能处于最大功率点运行，以保证对光伏组件发电的充分利用。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于直流侧的光伏储能电池调频系统结构图；
图2为本发明提出的一种基于直流侧的光伏储能电池调频方法流程图；
图3为本发明提出的一种基于直流侧的光伏储能电池调频方法细化流程图。
具体实施方式
参照图1，本发明提出的一种基于直流侧的光伏储能电池调频系统，包括控制单元，还包括与光伏电站上各光伏逆变器一一对应的储能单元。储能单元包括储能电池和储能双向DC/DC变换器，储能电池与储能双向DC/DC变换器连接。
储能双向DC/DC变换器连接对应的光伏逆变器，并连接给对应的光伏逆变器充电的各光伏组件。储能双向DC/DC变换器充电状态下，光伏组件通过储能双向DC/DC变换器给储能电池充电。储能双向DC/DC变换器放电状态下，储能电池通过储能双向DC/DC变换器给光伏逆变器供电。
如此，本实施方式中，在电网发生高频扰动时，储能电池可通过光伏组件充电，从而对光伏组件多余的放电量进行存储，降低光伏逆变器交流侧有功出力；储能电池还用于在电网发生低频扰动时，通过与光伏组件一起给光伏逆变器进行直流供电，从而提高光伏逆变器交流侧有功出力。如此，本实施方式中，通过设置储能电池和储能双向DC/DC变换器，提高了光伏逆变器的调节裕度，并且避免了光伏放电的浪费。
且，本实施方式中，对应每一个光伏逆变器设置一套储能单元，实现了光伏逆变器直流侧的储能单元现场接入，电气连接距离短，占地小，便于在现有光伏电站的基础上进行改造。
控制单元分别与各储能电池、储能双向DC/DC变换器和光伏逆变器连接。控制单元用于根据频率调节目标和各储能电池状态控制各光伏逆变器和各储能双向DC/DC变换器工作。
具体的，本实施方式中，控制单元用于根据电网调节需要，向各光伏逆变器分别调节容量，然后根据调节容量控制光伏逆变器或储能双向DC/DC变换器工作。
具体的，本实施方式中，控制单元中预设有与每一个光伏逆变器对应的上限运行阈值和下限运行阈值，上限运行阈值大于下限运行阈值。具体实施时，可设置上限运行阈值为光伏逆变器额定功率的100％，下限运行阈值为0；或者，为光伏逆变器设置余量，设置上限运行阈值为光伏逆变器额定功率的110％，下限运行阈值为光伏逆变器额定功率的2％。
本实施方式中，每一个光伏逆变器和对应的光伏组件以及储能单元组成一个调节单元，每一个调节单元中，储能双向DC/DC变换器充电状态下，光伏逆变器的有功出力等于光伏组件的输出功率与储能双向DC/DC变换器充电功率之差；储能双向DC/DC变换器放电状态下，光伏逆变器的有功出力等于光伏组件的输出功率与储能双向DC/DC变换器放电功率之和。如此，每一个调节单元中的光伏逆变器可始终处于最大功率点运行，并通过调整储能双向DC/DC变换器的充放电状态，实现光伏逆变器的有功出力的调节。
具体的，本实施方式中，当电网发生高频扰动，需要降低光伏逆变器有功出力时，可将储能双向DC/DC变换器调整到充电状态，或者进一步提高双向DC/DC变换器充电功率，从而使得光伏逆变器降低有功出力发挥平抑电网高频扰动作用的同时储存所削减的有功功率，进而降低弃光率；当电网发生低频扰动，需要提高光伏逆变器有功出力时，可将储能双向DC/DC变换器调整到放电状态，或者进一步提高储能双向DC/DC变换器放电功率，利用储能电池的储备能量，从而使得处于最大运行功率点的光伏逆变器可进一步提高有功出力，进而起到平抑电网低频扰动和储能电池能量复用最大化的作用。
本实施方式中，当储能电池充满即电量大于或等于最大电荷阈值时，将储能电池退出充电状态，可避免储能电池过充；当储能电池放空即剩余电量达到最小电荷阈值，则将储能电池退出放电状态，避免过放。
具体的，各储能单元的最大功率大于或等于对应的光伏逆变器的最大过载功率与额定功率之差。即，假设光伏逆变器设置的最大过载功率110％，则储能电池可选择容量为光伏逆变器的10％。
具体的，本发明还提出了一种基于直流侧的光伏储能电池调频方法，包括：
在光伏电站中，给每一个光伏逆变器配置一套储能电池，储能电池通过储能双向DC/DC变换器连接对应的光伏逆变器以及用于给对应的光伏逆变器充电的各光伏组件；
根据频率调节目标控制各光伏逆变器工作状态；
在电网发生频率扰动时，优先通过调节对应的储能双向DC/DC变换器的充放电功率，以改造光伏逆变器有功出力。
具体的，在储能电池正常充电时，通过提高储能双向DC/DC变换器的充电功率，便可降低光伏逆变器有功出力；在储能电池正常放电时，通过提高储能双向DC/DC变换器的放电功率，便可提高光伏逆变器有功出力。
如此，本实施方式中，获取频率调节目标后，根据频率调节目标和光伏逆变器当前有功出力计算控制目标；如果储能单元有调节余量，则根据控制目标调整储能双向DC/DC变换器工作状态；如果储能单元没有调节余量，则根据控制目标调整光伏逆变器工作状态。
具体的，本实施方式中，通过储能双向DC/DC变换器的充电功率调节，可调节光伏组件放电量在储能双向DC/DC变换器和光伏逆变器上的分配，从而通过储能双向DC/DC变换器充电功率的增加，可降低光伏逆变器的直流侧电流，从而降低光伏逆变器交流侧有功出力。同时，通过储能双向DC/DC变换器的放电功率调节，可在光伏逆变器全力运行时，通过增加光伏逆变器的直流侧电流，从而提高光伏逆变器交流侧有功出力，以实现光伏逆变器调节裕度的增加。如此，在储能电池电量许可时，通过调整储能电池的充放电，便可实现对光伏逆变器的有功出力的控制，从而实现频率调节目标。
具体的，本实施方式中，在电网发生高频扰动时，根据频率调整目标获取各光伏逆变器的降频容量，降频容量为根据频率调节目标计算所得理论功率目标；然后获取降频容量和光伏逆变器可降容量之间的较小者为控制目标，光伏逆变器可降容量为光伏逆变器当前有功出力与其下限运行阈值之间的差值；如果储能电池正常充电，则根据控制目标调节储能双向DC/DC变换器充电功率，如果储能电池处于过充状态，则将储能双向DC/DC变换器退出充电状态，并根据控制目标降低光伏逆变器有功出力；
具体的，本实施方式中，阐明的是对电网的一次调频方法，故而，通过本实施方式在储能电池过充状态下通过降低光伏逆变器有功出力完成电网调频后，可在二次调频过程中，将光伏逆变器重新调整到最大功率点运行，以便通过光伏逆变器一直处于最大功率点运行，保证光伏组件发电的充分利用。
在电网发生低频扰动时，根据频率调整目标获取各光伏逆变器的升频容量，升频容量为根据频率调节目标计算所得理论功率目标；然后获取升频容量与光伏逆变器可增容量之间的较小者为控制目标，光伏逆变器可增容量为光伏逆变器上限运行阈值与其当前有功出力之间的差值；如果储能电池正常放电，则根据控制目标调节储能双向DC/DC变换器放电功率；如果储能电池处于过放状态，则将储能双向DC/DC变换器退出放电状态，并闭锁低频调控；
如此，本实施方式中，当电网发生高频扰动时，通过储能电池充电分担光伏逆变器充电直流，从而在降低了光伏逆变器有功出力的同时还实现了富余电能的存储；同理，当电网发生低频扰动时，可通过储能电池释放储存的电能，以进一步提高光伏逆变器有功出力。如此，本实施方式中，通过储能电池的设置，不仅提高了光伏逆变器的调节上下限，而且实现了通过光伏组件释放的电能的存储利用。且，本实施方式中，不需要利用其它电能调节电网，实现了节能减排。
本实施方式中，通过储能电池充电，实现了在不丢弃光伏组件输出功率的情况下，降低光伏逆变器的有功出力；通过储能电池放电，实现了在不改变光伏逆变器最大功率点运行模式的情况下，提高光伏逆变器的有功出力。如此，可使得光伏逆变器尽可能处于最大功率点运行，以保证对光伏组件发电的充分利用。
本实施方式中，下限运行阈值和上限运行阈值均为预设值，且下限运行阈值﹤上限运行阈值。具体的，本实施方式中，2％额定值≦下限运行阈值﹤上限运行阈值≦110％额定值，这里额定值为光伏逆变器的额定功率。如此，光伏逆变器的上下限均保留运行余量，可使得储能电池过充或者过放时时，通过光伏逆变器自身的容量调节保证电网调频需求。如此，可保证储能电池过充或者过放时可及时退出，从而避免储能电池受损。
具体的，本实施方式中，5％额定值≦最小荷电阈值﹤最大荷电阈值≦95％额定值，以避免蓄能电池过充损伤或者过度放电损伤，这里额定值为储能电池的额定荷电量。本实施方式中，充电状态下，通过剩余电量与最大电荷阈值的比较，判断储能电池是否过充；放电状态下，通过剩余电量与最小电荷阈值的比较，判断储能电池是否过放。具体的，当储能电池的剩余电量小于预设的最小电荷阈值，则判断储能电池处于过放状态；当储能电池的剩余电量大于预设的最大电荷阈值，则判断储能电池处于过充状态。
以上所述，仅为本发明涉及的较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于直流侧的光伏储能电池调频系统，其特征在于，包括控制单元，还包括与光伏电站上各光伏逆变器一一对应的储能单元；储能单元包括储能电池和储能双向DC/DC变换器，储能电池与储能双向DC/DC变换器连接；
储能双向DC/DC变换器连接对应的光伏逆变器，并连接给对应的光伏逆变器充电的各光伏组件；储能双向DC/DC变换器充电状态下，光伏组件通过储能双向DC/DC变换器给储能电池充电；储能双向DC/DC变换器放电状态下，储能电池通过储能双向DC/DC变换器给光伏逆变器供电；
控制单元分别与各储能电池、储能双向DC/DC变换器和光伏逆变器连接；控制单元用于根据频率调节目标和各储能电池状态控制各光伏逆变器和各储能双向DC/DC变换器工作。
2.如权利要求1所述的基于直流侧的光伏储能电池调频系统，其特征在于，各储能单元的最大功率大于或等于对应的光伏逆变器的最大过载功率与额定功率之差。
3.如权利要求1所述的基于直流侧的光伏储能电池调频系统，其特征在于，储能双向DC/DC变换器充电状态下，光伏逆变器的有功出力等于光伏组件的输出功率与储能双向DC/DC变换器充电功率之差；储能双向DC/DC变换器放电状态下，光伏逆变器的有功出力等于光伏组件的输出功率与储能双向DC/DC变换器放电功率之和。
4.一种基于直流侧的光伏储能电池调频方法，其特征在于，包括：
在光伏电站中，给每一个光伏逆变器配置一套储能电池，储能电池通过储能双向DC/DC变换器连接对应的光伏逆变器以及用于给对应的光伏逆变器充电的各光伏组件；
在电网发生频率扰动时，优先通过调节对应的储能双向DC/DC变换器的充放电功率，以调整光伏逆变器有功出力。
5.如权利要求4所述的基于直流侧的光伏储能电池调频方法，其特征在于，获取频率调节目标后，根据频率调节目标和光伏逆变器当前有功出力计算控制目标；如果储能单元有调节余量，则根据控制目标调整储能双向DC/DC变换器工作状态；如果储能单元没有调节余量，则根据控制目标调整光伏逆变器工作状态。
6.如权利要求5所述的基于直流侧的光伏储能电池调频方法，其特征在于，
在电网发生高频扰动时，根据频率调整目标获取各光伏逆变器的降频容量，降频容量为根据频率调节目标计算所得理论功率目标；然后获取降频容量和光伏逆变器可降容量之间的较小者为控制目标，光伏逆变器可降容量为光伏逆变器当前有功出力与其下限运行阈值之间的差值；如果储能电池正常充电，则根据控制目标调节储能双向DC/DC变换器充电功率；如果储能电池处于过充状态，则将储能双向DC/DC变换器退出充电状态，并根据控制目标降低光伏逆变器有功出力；
在电网发生低频扰动时，根据频率调整目标获取各光伏逆变器的升频容量，升频容量为根据频率调节目标计算所得理论功率目标；然后获取升频容量与光伏逆变器可增容量之间的较小者为控制目标，光伏逆变器可增容量为光伏逆变器上限运行阈值与其当前有功出力之间的差值；如果储能电池正常放电，则根据控制目标调节储能双向DC/DC变换器放电功率；如果储能电池处于过放状态，则将储能双向DC/DC变换器退出放电状态，并闭锁低频调控；
下限运行阈值和上限运行阈值均为预设值，且下限运行阈值﹤上限运行阈值。
7.如权利要求6所述的基于直流侧的光伏储能电池调频方法，其特征在于，2％额定值≦下限运行阈值﹤上限运行阈值≦110％额定值。
8.如权利要求6所述的基于直流侧的光伏储能电池调频方法，其特征在于，当储能电池的剩余电量小于预设的最小电荷阈值，则判断储能电池处于过放状态；当储能电池的剩余电量大于预设的最大电荷阈值，则判断储能电池处于过充状态；最小荷电阈值﹤最大荷电阈值。
9.如权利要求8所述的基于直流侧的光伏储能电池调频方法，其特征在于，5％额定值≦最小荷电阈值﹤最大荷电阈值≦95％额定值。
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