CN111106616B - 稳定光伏电站输出的组串架构混合电池储能系统 - Google Patents

Abstract

稳定光伏电站输出的组串架构混合电池储能系统，该系统由新电池子储能系统、梯次电池子储能系统和系统控制模块三部分组成；将功率型储能和能量型储能混合使用，该系统外接电网。将功率型储能和能量型储能混合使用，实时调节修正功率值，新锂电池子储能系统、梯次电池子储能系统两个子系统通过系统控制模块协调控制，容量按照优化策略进行配置，通过自适应功率分配策略进行控制，实现光伏电站24小时平滑输出。可以有效的在保证经济性的，使得垃圾电转换成真正稳定可靠供电，解决新电池储能在光伏/风能发电领域的经济性较低的问题。

Description

稳定光伏电站输出的组串架构混合电池储能系统

技术领域

本发明涉及光伏电站以及储能输出技术，属于H02J供电或配电的电路装置或系统或电能存储系统技术领域，尤其是稳定光伏电站输出的组串架构混合电池储能系统。

背景技术

光资源虽然分布广泛而且取之不尽用之不竭，但是光资源是具有规律性、间歇性和波动性的，光资源主要分布在白天，并且受天气的影响较大，从而造成光伏发电的出力具有间歇性、不稳定和不可控的特点，这对电网稳定带来了极大的问题。风力发电也有类似的问题。

据2015年7月《技术探讨》第5卷第21期“带储能的光伏发电系统的改进”论文记载，光伏发电的间歇性及与用电峰谷的非同步性，使得新能源发电的储存及再利用技术受到额外关注，光伏输出的功率随时间周期性变化，在正午达到最大值，晚上抵达最小值；但用户的用电峰值出现在晚上，正午用电较少。因此必须增加储能装置将白天过剩的电能储能存起来在晚上提供给用户，即削峰填谷；储能装置的另一个作用是稳定由于光伏输出功率波动和MPPT最大功率跟踪造成的直流母线上的电压波动，直流电压波动会对用户直流用电设备安全工作造成影响。而直流母线上的电压还要通过光伏逆变器逆变为工频交流电供交流负载使用，如果输入直流电压波动太大逆变器输出的交流电压的各项指标也难以达到要求，传统的蓄电池储能的工作性能不能完全满足上述要求，需要进行不断改进，改善运行性能，从而保证光伏发电系统高效稳定运行。

独立光伏发电系统包含了光伏电池以及具有一定容量的储能单元，合理配置光伏电池、储能单元和负载的连接就成为一个重要的课题。因此对光伏发电系统中的结构和容量配置十分重要。蓄电池通过双向变换器控制和多种储能装置两种结构。蓄电池通过双向变换器进行控制在光伏电池阵列与直流母线之间加入DC/DC变换器，在蓄电池与主流母线之间加入双向DC/DC变换器，能量在直流母线与蓄电池之间双向流动，这种控制具有以下优点。(1)这种结构能很好的解决光伏电池阵列与蓄电池组串并联数不匹配的问题，可以根据电路结构和功率容量比较灵活的选择；(2)系统结构也比较简单，蓄电池的充放电过程通过一个双向变换器实现，可减轻系统重量。同时双向变换器能够保护蓄电池的充放电过程，保护蓄电池不受损坏；通过选择两个变换器的工作模式，系统的能量流动是可以实现。双向DC-DC变换器和蓄电池连接到串行端口和连接到单向DC-DC输出与负载并联连接后，在一个单向DC-DC转换器系统提供一个稳定的输出到负载，采用双向DC-DC变换器，蓄电池的充放电控制，对辅助电源的负载或吸收多余的能量。

光伏系统的储能系统的改进传统的存储系统通常包括蓄电池，但在实际应用中发现，这种单一的存储的直流母线电压的稳定效果不理想，直流母线电压的波动依然较大，直流母线电压的大幅度和频繁波动对用户用电设备的正常工作和使用寿命都造成影响。由于电池过放电，限制设置流，所以负载突然开关，电池不能及时响应吸收多余的能量或补充电力。在这个时候，在短时间内直流母线电压会突然升高或拉低，导致电压波动较大。传统的光伏发电系统的供电质量不理想，有必要提高储能系统以解决这些问题。

蓄电池储能的特点是能储存较多的能量，但其充放电电流有限，不能提供瞬时的大功率，且由于充放电速度较慢，对直流母线上电压的频繁波动响应速度差，频繁的功率波动还会对蓄电池的使用寿命造成影响，因此单凭蓄电池储能，系统的运行特性并不理想。为了提高光伏发电系统对负载的供电质量，延长蓄电池的使用寿命，可以使用目前比较新的蓄电池-超级电容混合储能系统。超级电容的特点是储存的能量较少，但能释放出较大的瞬时功率，可以弥补蓄电池储能的不足，并且保护蓄电池不被过流充放。对提高系统的供电质量和稳定性、保护蓄电池的安全工作十分有用。为了实现两种储能元件的互补，需要改进光伏控制器中的能量管理策略。其原理为：将储能元件要向直流母线输出的功率或者从直流母线吸收的功率分离出稳定的直流量和快速变化的量；再让蓄电池以接近恒定的功率提供稳定的直流量，让超级电容补偿较大的瞬时功率和快速变化部分。

相关技术专利文献公开较少，例如：

贵州电力试验研究院提出的中国专利申请201210555489.X公开一种分布式光伏储能系统，其特征在于，包括：储能单元和监控单元；其储能单元包括了能够实现交流电和直流电转换的双向逆变器，能够存储电能的电池堆以及对电池堆进行管理的电池管理系统。解决现有分布式发电系统的间歇性和不确定性问题以及降低接入时会对大电网产生的不良影响，能够提高电网的可靠性、稳定性与供电质量。

中瑞鸿电气有限公司提出的中国专利申请201820291096.5公开了一种自发电式储能式充电桩，在现有电动汽车及电动自行车充电桩基础上，添加光伏发电系统及PCS锂电池储能系统，所述光伏发电系统采用太阳能电池板输出电能通过组串逆变器接入用户交流配电系统，用户交流配电系统与PCS锂电池储能系统连接，充电桩包括交流充电桩以及直流充电桩，分别与用户交流配电系统及PCS锂电池储能系统连接。采用多晶硅光伏组件，白天光伏发电期间属于电价高峰时段或用电高峰期，光伏发电自直接供本地负荷使用，自发自用，实现光伏发电收益的最大化。在电价低谷时段由电网向其充电，白天储能系统释放电能供本地负荷使用。设计合理，运行经济、环保、无污染。

针对现代储能技术的不足，本领域技术已得到了一定程度的发展，在光伏和风力发电中已经起到了重要作用，可以改善电能质量、维持电网稳定；在光伏和风力发电不能发电期间向用户提供电能蓄电池储能是目前最成熟、最可靠的储能技术，根据所使用化学物质的不同，可以分为铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、钠硫电池等。铅酸电池具有技术成熟，可制成大容量存储系统，单位能量成本和系统成本低，安全可靠和再利用性好等特点，也是目前最实用的储能系统，已在小型风力发电、光伏发电系统以及中小型分布式发电系统中获得广泛应用，但因铅是重金属污染源，铅酸电池不是未来的发展趋势。锂离子、钠硫、镍氢电池等先进蓄电池成本较高，经济收益较差，始终无法大面积推广。

目前，退役电池的梯次利用较为主流的有两种方法，一是拆解电池提炼金属和原料再生利用，虽然动力电池再生利用有方法可循，但实际回收起来经济效益并没有想象中的高。二是二次或多次梯级利用。所谓梯级利用就是把难以满足汽车续航要求的动力电池用于低速电动车、电动工具、太阳能/风能储能装置等领域，TA们对动力电池的输出功率、续航需求没有汽车那么高，符合安全标准的退役汽车动力电池往往就能满足使用需求。目前组串式的架构被认为对梯次电池有效利用办法，但是较低的充放电倍率，也影响了梯次电池在新能源领域的利用。

全新锂电池储能特点是循环寿命比较长，可以大功率充放电，属于功率型储能。梯次电池储能的循环寿命相对来讲比较小，主要是小功率放点，成本相对低，属于能量型储能。而针对光伏发电或者风力发电，由于光照或风力的不可预测性，导致光伏发电或风电的出力波动较大，需要将其平滑，需要功率型储能为主。用全新锂电池储能可以达到平滑出力的波动的效果，但成本较高，其经济性无法实现商业化运营。

发明内容

本发明的目的是提供稳定光伏电站输出的组串架构混合电池储能系统，可以有效的在保证经济性的同时可以保证光伏发电的24小时稳定输出，使得垃圾电转换成真正稳定可靠供电，解决新电池储能在光伏/风能发电领域的经济性较低的问题。

本发明的目的将通过以下技术措施来实现：该系统由新电池子储能系统、梯次电池子储能系统和系统控制模块三部分组成；将功率型储能和能量型储能混合使用，该系统外接电网。

尤其是，新电池子储能系统采用集中式架构，将多个新电池包串成n个电池组后，再进行并联，最后以直流电路通过一个DC/AC逆变器并入电网。

尤其是，梯次电池子储能系统采用组串式架构，梯次电池只进行串联成梯次电池组，不进行并联；每个梯次电池组分别通过一个DC/AC逆变器并入电网；整个梯次储能子系统可能有n个电池组，通过n个逆变器并入电网。

尤其是，梯次电池子储能系统采用组串式架构，梯次电池只进行串联成梯次电池组，不进行并联；每个梯次电池组均分别通过一个DC/AC逆变器并入电网；整个梯次储能子系统可能有n个电池组，通过n个逆变器并入电网。

尤其是，新锂电池子储能系统、梯次电池子储能系统两个子系统通过系统控制模块协调控制进行充放电，两个子系统的容量按照优化策略进行配置，通过自适应功率分配策略进行控制，达到光伏电站24小时平滑输出。

尤其是，假设光伏电站的最大发电功率为Pmax，根据气象数据可以预估光伏满功率发电时间为Tmax，每天的平均发电量为Epv，Epv≈Pmax*Tmax，那么光伏24小时平滑输出功率：Pavg＝Epv/24＝Pmax*Tmax/24；那么，当光伏发电功率大于Pavg的时候，多余部分的功率应由储能系统吸收，存储在电池中，当光伏发电功率小于Pavg的时候，缺少部分的功率应该由储能系统来提供，将电池中存储的电量输出到电网中去。

尤其是，储能系统的最大充电功率为：Pnmax+Ptmax＝Pmax-Pavg；其中，Pnmax为新电池子系统最大功率，Ptmax为梯次电池子系统最大功率，子系统采用容量优化配置策略。

优化配置策略规则为：假设光伏电站的最大发电功率为Pmax，根据气象数据可以预估光伏满功率发电时间为Tmax，每天的平均发电量为Epv，Epv≈Pmax*Tmax，那么光伏24小时平滑输出功率Pavg：Pavg＝Epv/24＝Pmax*Tmax/24(1)

那么，当光伏发电功率大于Pavg的时候，多余部分的功率应该由储能系统吸收，存储在电池中，当光伏发电功率小于Pavg的时候，缺少部分的功率应该由储能系统来提供，将电池中存储的电量输出到电网中去。所以可以得到系统输出功率变化曲线如附图4所示。

以此可以推算储能系统的总容量为：

En+Et＝ Epv-Pavg*Tavg＝Pmax*Tmax/24- Pavg*Tavg (2)

其中，Tavg为一天中光伏自用平均小时数，En为新电池子系统配置容量，Et为梯次电池子系统配置容量。

储能系统的最大充电功率为：Pnmax+Ptmax＝Pmax-Pavg (3)

其中，Pnmax为新电池子系统最大功率，Ptmax为梯次电池子系统最大功率，子系统的容量优化配置策略是根据系统的目标和经济性角度进行设计的。需要的子储能容量也可以用下式表示：En+Et＝Pnmax*Tn+Ptmax*Tt(4)

式中Tn为新电池部分的等效充电时间，式中Tt为梯次电池部分的等效充电时间。

由式4和式2可以得到：Pnmax*Tn+Ptmax*Tt＝Pmax*Tmax/24-Pavg*Tavg(5)

令A＝(1-Tmax/24)，则由式2可以得到Pnmax＝Pmax*A-Ptmax(6)

将式6代入式5，同时令B＝(1-Tavg/24)得到:

(Pmax*A-Ptmax)*Tn+Ptmax*Tt＝Pmax*Tmax*B

＝>Ptmax(Tt-Tn)＝Pmax*Tmax*B-Pmax*Tn*A

Pnmax(Tn-Tt)＝Pmax*Tmax*B-Pmax*Tt*A

＝>Ptmax＝(Pmax*Tmax*B-Pmax*Tn*A)/(Tt-Tn)

Pnmax＝(Pmax*Tmax*B-Pmax*Tt*A)/(Tn-Tt)(7)。尤其是，系统控制模块基本的控制规则为：当光伏功率超过Pavg时，由梯次电池子储能系统先进行充电，当光伏功率超过Pavg+Pt时，新电池子储能系统开始充电；当光伏功率低于Pavg时，梯次电池子储能系统先进行放电，当梯次电池子储能系统SOC过低或者放电功率不足时，新电池子储能系统开始放电。

尤其是，系统控制模块基本控制流程步骤如下：

采用自适应功率分配方法，将总功率需求分给两种电池系统：

Pt＝kt*Ptmax+⊿Pt；

Pn＝kn*Pnmax+⊿Pn；

上式中Pt为梯次电池子系统功率，kt为梯次电池子系统功率系数，⊿Pt为梯次电池子系统修正功率，Pn为新电池子系统功率，kn为新电池子系统功率系数，⊿Pn为新电池子系统修正功率。

Ppv-Pavg≥0时kt＝(Ppv-Pavg)/Ptmax，0≤kt≤1；

kn＝(Ppv-Pavg-Ptmax)/Pnmax，0≤kn≤1；

Ppv-Pavg＜0时kt＝(Pavg-Ppv-Pn)/Ptmax，0≤kt≤1；

kn＝(Ppv-Pavg)/Pnmax，0≤kn≤1；

当判断出储能系统处于过电或过放电状态时，基于电池状况修正储能电池功率命令值，通过实时监控获取电池单体电压和SOC状态，来实时调节修正功率值，保证电池单体电压和SOC控制在合理范围内。

本发明的优点和效果：将功率型储能和能量型储能混合使用，通过两种电池容量的优化配置降低系统成本，提高整个储能系统的经济效能，实时调节修正功率值，保证电池单体电压和SOC控制在合理范围内。新锂电池子储能系统、梯次电池子储能系统两个子系统通过系统控制模块协调控制进行充放电。两个子系统的容量按照优化策略进行配置，通过自适应功率分配策略进行控制，实现光伏电站24小时平滑输出。

附图说明

图1为本发明结构原理示意图。

图2为本发明实施例1中新电池子储能系统具体架构示意图。

图3为本发明实施例1中梯次电池子储能系统具体架构示意图。

图4为本发明实施例1运行中系统输出和光伏功率变化曲线示意图。

具体实施方式

本发明原理在于，将功率型储能和能量型储能混合使用，可以大大延长储能循环寿命，提高整个储能系统的经济效能，如附图1所示，该系统由新电池子储能系统、梯次电池子储能系统和系统控制模块三部分组成。该系统外接电网。

本发明中，新电池子储能系统，具体架构如附图2所示，采用集中式架构，将多个新电池包串成一个电池组后，再进行并联，最后以直流电路通过一个DC/AC逆变器并入电网。

本发明中，梯次电池子储能系统采用组串式架构，梯次电池只进行串联成梯次电池组，不进行并联；每个梯次电池组均分别通过一个DC/AC逆变器并入电网；整个梯次储能子系统可能有n个电池组，通过n个逆变器并入电网。

本发明中，新锂电池子储能系统、梯次电池子储能系统两个子系统通过系统控制模块协调控制进行充放电。两个子系统的容量按照优化策略进行配置，通过自适应功率分配策略进行控制，达到光伏电站24小时平滑输出的目的。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：假设光伏电站的最大发电功率为Pmax，根据气象数据可以预估光伏满功率发电时间为Tmax，每天的平均发电量为Epv，Epv≈Pmax*Tmax，那么光伏24小时平滑输出功率：

Pavg＝Epv/24 ＝Pmax*Tmax/24 (1)

那么，当光伏发电功率大于Pavg的时候，多余部分的功率应该由储能系统吸收，存储在电池中，当光伏发电功率小于Pavg的时候，缺少部分的功率应该由储能系统来提供，将电池中存储的电量输出到电网中去。所以可以得到系统输出功率变化曲线如附图4所示。

以此可以推算储能系统的总容量为：

En+Et＝ Epv-Pavg*Tavg＝Pmax*Tmax/24- Pavg*Tavg (2)

其中，Tavg为一天中光伏自用平均小时数，En为新电池子系统配置容量，Et为梯次电池子系统配置容量。

储能系统的最大充电功率为：

Pnmax+Ptmax＝Pmax-Pavg (3)

其中，Pnmax为新电池子系统最大功率，Ptmax为梯次电池子系统最大功率，子系统的容量优化配置策略是根据系统的目标和经济性角度进行设计的。需要的子储能容量也可以用下式表示：En+Et＝Pnmax*Tn+Ptmax*Tt(4)

式中Tn为新电池部分的等效充电时间，式中Tt为梯次电池部分的等效充电时间。由式4和式2可以得到：Pnmax*Tn+Ptmax*Tt＝Pmax*Tmax/24-Pavg*Tavg(5)

令A＝(1-Tmax/24)，则由式2可以得到Pnmax＝Pmax*A-Ptmax(6)

将式6代入式5，同时令B＝(1-Tavg/24)得到:

(Pmax*A-Ptmax)*Tn+Ptmax*Tt＝Pmax*Tmax*B

＝>Ptmax(Tt-Tn)＝Pmax*Tmax*B-Pmax*Tn*A

Pnmax(Tn-Tt)＝Pmax*Tmax*B-Pmax*Tt*A

＝>Ptmax＝(Pmax*Tmax*B-Pmax*Tn*A)/(Tt-Tn)

Pnmax＝(Pmax*Tmax*B-Pmax*Tt*A)/(Tn-Tt) (7)

以1MW的光伏发电站为例，光伏电站设计最大发电功率为1MW,根据当地的光资源评估，满功率发电时间为4小时，每天平均发电量为4MWh，那么可以计算得到Pavg＝166.7kW,预估一天中光伏自用的平均小时数为10小时，那么可以得到需要的储能总容量为2.333MWh，Pnmax+Ptmax＝833.7kW。

一般新电池最大的充电电流采用0.5C,充满的时间约2小时，而梯次电池最大充电电流取0.2C,充满的时间约5～6小时,所以取Tt＝6小时，Tn＝2小时，然后把Tavg、Tmax、Pmax、Pavg代入式7可以推算出最优的Pn和Pt的值。

Pn＝667kW，Pt＝166.7kW,En＝1.334MWh，Et＝1MWh

在系统运行时需要对两者功率进行优化分配，保证两种电池充分发挥特性进行功率平滑控制，又保证多类型储能系统的SOC不超限。

本发明实施例中，系统控制模块基本的控制规则如下：

当光伏功率超过Pavg时，由梯次电池先进行充电，当光伏功率超过Pavg+Pt时，新电池开始发挥作用。当光伏功率低于Pavg时，梯次电池先进行放电，当梯次电池SOC过低或者放电功率不足时，新电池开始放电。

本发明实施例中，按照系统安装地的光资源和预计安装的光伏电站规模，可以预估到储能系统的最大充电功率和总容量。

本发明实施例中，系统控制模块基本控制流程步骤如下：

采用自适应功率分配方法，将总功率需求分给两种电池系统：

Pt＝kt*Ptmax+⊿Pt

Pn＝kn*Pnmax+⊿Pn

上式中Pt为梯次电池子系统功率，kt为梯次电池子系统功率系数，⊿Pt为梯次电池子系统修正功率，Pn为新电池子系统功率，kn为新电池子系统功率系数，⊿Pn为新电池子系统修正功率。

Ppv-Pavg≥0时kt＝(Ppv-Pavg)/Ptmax，0≤kt≤1

kn＝(Ppv-Pavg-Ptmax)/Pnmax，0≤kn≤1

Ppv-Pavg＜0时kt＝(Pavg-Ppv-Pn)/Ptmax，0≤kt≤1

kn＝(Ppv-Pavg)/Pnmax，0≤kn≤1

当判断出储能系统处于过电或过放电状态时，基于电池状况修正储能电池功率命令值：通过实时监控获取电池单体电压和SOC状态，来实时调节修正功率值，保证电池单体电压和SOC控制在合理范围内。

Claims (1)

1.稳定光伏电站输出的组串架构混合电池储能系统，其特征在于，该系统由新电池子储能系统、梯次电池子储能系统和系统控制模块三部分组成；将功率型储能和能量型储能混合使用，该系统外接电网；

新锂电池子储能系统、梯次电池子储能系统两个子系统通过系统控制模块协调控制进行充放电，两个子系统的容量按照优化策略进行配置，通过自适应功率分配策略进行控制，达到光伏电站24小时平滑输出；

梯次电池子储能系统采用组串式架构，梯次电池只进行串联成梯次电池组，不进行并联；每个梯次电池组均分别通过一个DC/AC逆变器并入电网；整个梯次储能子系统可能有n个电池组，通过n个逆变器并入电网；

储能系统的最大充电功率为：Pnmax+Ptmax＝Pmax-Pavg；其中，Pnmax为新电池子系统最大功率，Ptmax为梯次电池子系统最大功率，子系统采用容量优化配置策略；

系统控制模块的控制规则为：当光伏功率超过Pavg时，由梯次电池子储能系统先进行充电，当光伏功率超过Pavg+Pt时，新电池子储能系统开始充电；当光伏功率低于Pavg时，梯次子储能系统先进行放电，当梯次电池子储能系统SOC过低或者放电功率不足时，新电池子储能系统开始放电；其中，Pt为梯次电池子系统功率；SOC是电池荷电状态，用来反映电池的剩余容量；

假设光伏电站的最大发电功率为Pmax，根据气象数据可以预估光伏满功率发电时间为Tmax，每天的平均发电量为Epv，Epv≈Pmax*Tmax，那么光伏24小时平滑输出功率：Pavg＝Epv/24＝Pmax*Tmax/24；那么，当光伏发电功率大于Pavg的时候，多余部分的功率应该由储能系统吸收，存储在电池中，当光伏发电功率小于Pavg的时候，缺少部分的功率应该由储能系统来提供，将电池中存储的电量输出到电网中去；

系统控制模块基本控制流程步骤如下：

采用自适应功率分配方法，将总功率需求分给两种电池系统：

Pt＝kt*Ptmax+⊿Pt；

Pn＝kn*Pnmax+⊿Pn；

上式中Pt为梯次电池子系统功率，kt为梯次电池子系统功率系数，⊿Pt为梯次电池子系统修正功率，Pn为新电池子系统功率，kn为新电池子系统功率系数，⊿Pn为新电池子系统修正功率；Ppv是光伏电站的实时发电功率；

Ppv-Pavg≥0时kt＝(Ppv-Pavg)/Ptmax，0≤kt≤1；

kn＝(Ppv-Pavg-Ptmax)/Pnmax，0≤kn≤1；

Ppv-Pavg＜0时kt＝(Pavg-Ppv-Pn)/Ptmax，0≤kt≤1；

kn＝(Ppv-Pavg)/Pnmax，0≤kn≤1；

当判断出储能系统处于过电或过放电状态时，基于电池状况修正储能电池功率命令值，通过实时监控获取电池单体电压和SOC状态，来实时调节修正功率值，保证电池单体电压和SOC控制在合理范围内。