CN112467770A - 光伏储能供电系统及其供电控制方法 - Google Patents

光伏储能供电系统及其供电控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光伏储能供电系统及其供电控制方法，所述光伏储能供电系统包括：变流器、储能设备、直流负载及变流器直流侧电容，所述储能设备包括充电控制模块和储能电池，所述充电控制模块用于对所述储能电池进行充电，当电网通过变流器给所述储能设备和所述直流负载供电时，所述充电控制模块对所述储能电池的充电电流进行控制，使得所述储能设备吸收电网供电的无功功率。采用本发明的技术方案，可以显著减少所述变流器直流侧电容的容值和体积。

Description

光伏储能供电系统及其供电控制方法
技术领域
本发明涉及光伏充电领域，尤其涉及一种光伏储能供电系统及其供电控制方法。
背景技术
分布式能源的飞速发展，使得风电储能和光伏储能的研究越来越多。风电和光伏发电装置中都含有交直流变流器，以满足其并网或者离网的需要。光伏储能供电系统中的变流器具备整流和逆变双向变换的功能，其直流侧由单个或者多个电容组成，电容上的电压就是直流母线电压。
光伏储能供电系统运行时，主要有三种工作模式，离网模式、馈网模式及用电模式。在所述离网模式中，电网既不发电也不吸收能量，此时，变流器处于断开状态；在所述馈网模式中，变流器将直流母线的直流电转换为交流电并输送到电网中，给电网反馈能量；在所述用电模式中，所述变流器将电网的交流电转换为直流电提供给直流母线，给直流负载和储能设备供电，在此过程中，变流器直流侧电容在传递有功功率的同时还会吸收无功功率。电容吸收的无功功率会导致电容电压产生纹波分量。工程上通常采用增加电容容值的方法来减少电容电压的纹波，从而稳定直流母线电压。由于电容的体积与容值成正比，这种方法也会增加电容的体积。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的为了稳定直流母线电压而导致电容体积增大的技术问题，本发明提出一种光伏储能供电系统及其供电控制方法。
本发明实施例中，提供了一种光伏储能供电系统，其包括：变流器、储能设备、直流负载及变流器直流侧电容，
所述变流器分别与电网和直流母线相连接，用于将电网的交流电转换为直流电提供给直流母线，或者将直流母线的直流电转换为交流电并输送到电网中；
所述储能设备、所述直流负载及所述变流器直流侧电容分别搭载于直流母线上；
所述储能设备包括充电控制模块和储能电池，所述充电控制模块用于对所述储能电池进行充电，当电网通过变流器给所述储能设备和所述直流负载供电时，所述充电控制模块对所述储能电池的充电电流进行控制，使得所述储能设备吸收电网供电的无功功率。
本发明实施例中，所述充电控制模块采用如下电流控制方式对所述储能电池的充电电流ib(t)进行控制：
Figure BDA0002796956390000021
其中，Psa为电网供电的有功功率,
Figure BDA0002796956390000022
为电压的初始相位，ω为电网电压的频率，Vb为储能电池的恒定充电电压。
本发明实施例中，所述的光伏储能供电系统还包括搭载于直流母线上的光伏设备。
本发明实施例中，所述的光伏储能供电系统还包括：
工作模式切换模块，用于切换所述光伏储能供电系统的工作模式，所述工作模式包括离网模式、馈网模式及用电模式，
在所述离网模式中，所述变流器处于断开状态；
在所述馈网模式中，所述变流器将直流母线的直流电转换为交流电并输送到电网中；
在所述用电模式中，所述变流器将电网的交流电转换为直流电提供给直流母线。
本发明实施例中，所述的光伏储能供电系统还包括连接于电网和所述变流器之间的三相电感。
本发明实施例中还提供了一种光伏储能供电系统的供电控制方法，其包括：
当电网通过变流器给光伏供电系统的储能设备和直流负载供电时，控制所述储能设备的充电电流，使得所述储能设备吸收电网供电的无功功率。
本发明实施例中，采用如下电流控制方式所述储能设备的充电电流ib(t)进行控制：
Figure BDA0002796956390000031
其中，Psa为电网供电的有功功率,
Figure BDA0002796956390000032
为电压的初始相位，ω为电网电压的频率，Vb为储能电池的恒定充电电压。
本发明实施例中，所述的光伏储能供电系统的供电控制方法，还包括：
切换所述光伏储能供电系统的工作模式，所述工作模式包括离网模式、馈网模式及用电模式，
在所述离网模式中，所述变流器处于断开状态；
在所述馈网模式中，所述变流器将直流母线的直流电转换为交流电并输送到电网中；
在所述用电模式中，所述变流器将电网的交流电转换为直流电提供给直流母线。
与现有技术相比较，在本发明的光伏储能供电系统及其供电控制方法中，当电网通过变流器给光伏供电系统的储能设备和直流负载供电时，控制所述储能设备的充电电流，使得所述储能设备吸收电网供电的无功功率，减少了变流器直流侧电容吸收的无功功率，减少了变流器直流侧电容电压的纹波分量，因此，变流器直流侧电容可以选择更小的电容容值，减少了电容体积，降低了变流器的成本，提高了变流器的功率密度。
附图说明
图1是本发明实施例的光伏储能供电系统的结构示意图。
图2是图1中的光伏储能供电系统的功率分布示意图。
图3是采用恒流充电时图1中的光伏储能供电系统的功率分布示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例中，提供了一种光伏储能供电系统，其包括变流器、储能设备、直流负载、光伏设备、变流器直流侧电容C及工作模式切换模块(图未示)。所述变流器的交流测通过三相电感L1、L2、L3与电网相连接，所述变流器的直流测与直流母线相连接。所述变流器用于将电网的交流电转换为直流电提供给实时直流母线，或者将所述直流母线的直流电转换为交流电并输送到电网中。所述工作模式切换模块，用于切换所述光伏储能供电系统的工作模式。所述工作模式包括离网模式、馈网模式及用电模式，在所述离网模式中，所述变流器处于断开状态；在所述馈网模式中，所述变流器将直流母线的直流电转换为交流电并输送到电网中；在所述用电模式中，所述变流器将电网的交流电转换为直流电提供给直流母线。
所述储能设备、所述直流负载、所述光伏设备及所述变流器直流侧电容C分别搭载于所述直流母线上。所述光伏设备用于进行光伏发电。所述储能设备用于进行储能。
所述储能设备包括充电控制模块和储能电池。所述充电控制模块用于对所述储能电池进行充电，当电网通过变流器给所述储能设备和所述直流负载供电时，所述充电控制模块对所述储能电池的充电电流进行控制，使得所述储能设备吸收电网供电的无功功率。
具体地，当电网通过所述变流器给所述储能设备和所述直流负载供电时，所述充电控制模块采用如下电流控制方式对所述储能电池的充电电流ib(t)进行控制：
Figure BDA0002796956390000041
其中，Psa为电网供电的有功功率,
Figure BDA0002796956390000042
为电网电压的初始相位，ω为电网电压的频率，Vb为所述储能电池的恒定充电电压。
下面对在电网通过变流器给所述储能设备和所述直流负载供电时，采用上述电流控制方式的原理进行说明。
图2示出了光伏储能供电系统中各功能模块的功率流动情况。电网的功率分成两部分：有功功率Pga和无功功率Pgr。变流器直流侧电容C主要吸收的是无功功率Pcr。所述光伏设备输出的功率包含有功功率Ppa和无功功率Ppr。所述储能设备吸收的功率包含有功功率Psa和无功功率Psr。所述直流负载所消耗的功率主要是有功功率PLa。
当光伏系统单独给电网供电时，理论上可以使得所述光伏设备的输出功率与电网吸收的功率保持一致，则所述变流器直流侧电容C不需要吸收无功功率。因此，这种情况下不需要考虑所述变流器直流侧电容C容值的选择。
当电网同时给所述直流负载和所述储能设备供电时，由功率平衡可知
Figure BDA0002796956390000051
假设电网电流和电压的相位非常接近(功率因素约等于1)，且忽略谐波成分，则电网输出功率为
Figure BDA0002796956390000052
其中V为电网电压的幅值，
Figure BDA0002796956390000053
为电网电压的初始相位，ω为电网电压的频率，I为电网电流的幅值。
由式(2)可知，电网有功功率和无功功率的幅值相等。所述直流负载和所述储能设备的容量决定了电网输出有功功率的大小，也间接决定了电网无功功率的幅值。储能设备通常采用恒流充电的方式储存能量，则吸收的无功功率Psr非常小。再结合式(1)可知，大部分的无功功率由所述变流器直流侧电容C吸收。变流器直流侧电容C吸收大量的无功功率会导致电容电压纹波幅值变大或者电容容值增加。
为了减少变流器直流侧电容C的体积，并保持电容电压纹波幅值在合理范围内，必须减少变流器直流侧电容C所吸收的无功功率。再结合式(1)可知，假如所述储能设备吸收大部分无功功率，则变流器直流侧电容C吸收的无功功率将会减少。通常所述储能电池的电压是恒定的，只能通过改变所述储能电池的充电电流的方式，使其吸收无功功率。假设所述储能电池全部吸收电网供电的无功功率(Pcr＝0)，则由式(1)和(2)可推导出储能电池的充电电流ib(t)
Figure BDA0002796956390000054
其中，Vb为储能电池的恒定充电电压。
根据式(1)和(2)可知
Figure BDA0002796956390000055
结合式(3)和(4)可知，储能电池的充电电流会周期性小于零，即储能电池会周期性充放电。尽管所述储能电池的存储容量保持不变(有功功率不变)，但周期性充放电会降低电池的使用寿命。因此，按照式(3)给储能电池充电是不合理的。其根本原因是储能电池所吸收的无功功率的幅值大于有功功率，因此，适当减少无功功率的幅值可以保证储能电池的电流恒大于等于零。根据上述分析可知，储能电池吸收的无功功率越大，则变流器直流侧电容吸收的无功功率就越小，其体积和容值也越小。折中选择，储能电池可以按照如下的方式进行充电
Figure BDA0002796956390000061
由上式可知，所述储能电池有功功率与无功功率的幅值相等。在保证充电电流大于等于零，的情况下，所述储能电池吸收的无功功率的幅值最大。再结合式(1)和式(2)可知，变流器直流侧电容C所吸收的无功功率的幅值等于负载消耗的有功功率。将式(5)带入式(1)和(2)中可推导出变流器直流侧电容C所吸收的无功功率为
Figure BDA0002796956390000062
通过上述分析可知，当按照式(5)来给储能电池进行充电时，变流器直流侧电容C所吸收的无功功率的表达式为式(6)。根据式(6)可计算出电容容值为
Figure BDA0002796956390000063
其中，Vc为变流器直流侧电容C的电压，△V为电容电压纹波的幅值。
同样的情况下，假如采用传统恒流的方式给储能电池充电时，光伏储能供电系统的功率分布如图3所示，由功率平衡可知
Figure BDA0002796956390000064
再结合式(2)，可得
Figure BDA0002796956390000065
根据式(9)可计算出电容容值为
Figure BDA0002796956390000066
通常直流负载所吸收的功率要远小于电网的输出功率(PLa<Pga)，则C1要远小于C2，其体积也远小于电容C2的体积。所以，采用式(5)的方式给储能电池充电，可以显著减少变流器直流侧电容C的容值和体积。
综上所述，在本发明的光伏储能供电系统中，当电网通过变流器给光伏供电系统的储能设备和直流负载供电时，控制所述储能设备的充电电流，使得所述储能设备吸收电网供电的无功功率，减少了变流器直流侧电容吸收的无功功率，减少了变流器直流侧电容电压的纹波分量，因此，变流器直流侧电容可以选择更小的电容容值，减少了电容体积，降低了变流器的成本，提高了变流器的功率密度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光伏储能供电系统，其特征在于，包括：变流器、储能设备、直流负载及变流器直流侧电容，
所述变流器分别与电网和直流母线相连接，用于将电网的交流电转换为直流电提供给直流母线，或者将直流母线的直流电转换为交流电并输送到电网中；
所述储能设备、所述直流负载及所述变流器直流侧电容分别搭载于直流母线上；
所述储能设备包括充电控制模块和储能电池，所述充电控制模块用于对所述储能电池进行充电，当电网通过变流器给所述储能设备和所述直流负载供电时，所述充电控制模块对所述储能电池的充电电流进行控制，使得所述储能设备吸收电网供电的无功功率。
2.如权利要求1所述的光伏储能供电系统，其特征在于，所述充电控制模块采用如下电流控制方式对所述储能电池的充电电流ib(t)进行控制：
Figure FDA0002796956380000011
其中，Psa为电网供电的有功功率,
Figure FDA0002796956380000012
为电压的初始相位，ω为电网电压的频率，Vb为储能电池的恒定充电电压。
3.如权利要求1所述的光伏储能供电系统，其特征在于，还包括搭载于直流母线上的光伏设备。
4.如权利要求1所述的光伏储能供电系统，其特征在于，还包括：
工作模式切换模块，用于切换所述光伏储能供电系统的工作模式，所述工作模式包括离网模式、馈网模式及用电模式，
在所述离网模式中，所述变流器处于断开状态；
在所述馈网模式中，所述变流器将直流母线的直流电转换为交流电并输送到电网中；
在所述用电模式中，所述变流器将电网的交流电转换为直流电提供给直流母线。
5.如权利要求1所述的光伏储能供电系统，其特征在于，还包括：连接于电网和所述变流器之间的三相电感。
6.一种光伏储能供电系统的供电控制方法，其特征在于，包括：
当电网通过变流器给光伏供电系统的储能设备和直流负载供电时，控制所述储能设备的充电电流，使得所述储能设备吸收电网供电的无功功率。
7.如权利要求6所述的光伏储能供电系统的供电控制方法，其特征在于，采用如下电流控制方式所述储能设备的充电电流ib(t)进行控制：
Figure FDA0002796956380000021
其中，Psa为电网供电的有功功率,
Figure FDA0002796956380000022
为电压的初始相位，ω为电网电压的频率，Vb为储能电池的恒定充电电压。
8.如权利要求6所述的光伏储能供电系统的供电控制方法，其特征在于，还包括：
切换所述光伏储能供电系统的工作模式，所述工作模式包括离网模式、馈网模式及用电模式，
在所述离网模式中，所述变流器处于断开状态；
在所述馈网模式中，所述变流器将直流母线的直流电转换为交流电并输送到电网中；
在所述用电模式中，所述变流器将电网的交流电转换为直流电提供给直流母线。
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