CN112952909A - 一种光伏储能系统的能量调度系统及方法 - Google Patents

一种光伏储能系统的能量调度系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种伏储能系统的能量调度系统及方法。能量调度系统包括直流母线；直流升压功率变换模块，其将来自光伏面板的电力并馈给直流母线；逆变交流功率变换模块，其接收来自光伏面板的电力并转换为交流后馈给电网或将来自电网的电力转换为直流后馈给直流母线；及双向直流功率变换模块，其将直流母线传输的电力馈给电池或将电池储存的电力馈给直流母线；当能量调度系统在电网功率调度模式下，双向直流功率变换模块作为电压源，其他功率变换模块作为电流源；当能量调度系统在电池功率调度模式下，逆变交流功率变换模块作为电压源，其他功率变换模块为电流源。本发明保证母线稳定情况下，灵活选择模式。

Description

一种光伏储能系统的能量调度系统及方法
技术领域
本发明属于光伏储能领域，涉及一种光伏储能系统的能量调度系统及方法。
背景技术
近年来，电力电子应用发展迅速，以光伏产业为代表的清洁能源日益成熟，平价上网时代即将到来。传统光伏逆变器为单向能量传递，已不能满足用户端对能量回收利用、能量最优化利用以及功率双向流动的要求。因此，能够解决用户端需求的光伏储能逆变器成为清洁能源利用的新方向。
如何对光伏阵列输入功率、电池功率、负载功率以及并网功率实行高效的管理调度是光伏储能逆变器的能源系统管理要点。传统的下垂控制、特定的主从逻辑设定等方式在能源接入端口较多的情况下，存在高耦合、控制精准度差等问题，容易出现各源间输入输出“干涉”的现象。
发明内容
为了解决光储一体机应用工况复杂，不同应用场合对应不同的功率调度需求，难以同时满足在保证母线稳定情况下进行灵活的功率调度的问题，本发明提供一种光伏储能系统的能量调度系统及方法，其能够在保证母线稳定情况下，灵活选择以满足电网还是以电池充放电为第一优先级进行功率调度。
根据本发明的一个方面，一种光伏储能系统的能量调度系统，包括直流母线，所述能量调度系统还包括：
直流升压功率变换模块，其和所述直流母线相连以将来自光伏面板的电力并馈给所述直流母线，所述直流升压功率变换模块能够作为电压源或电流源；
逆变交流功率变换模块，其和所述直流母线相连以接收来自所述光伏面板的电力并转换为交流后馈给电网或将来自电网的电力转换为直流后馈给所述直流母线，所述逆变交流功率变换模块能够作为电压源或电流源；及
双向直流功率变换模块，其和所述直流母线相连以将所述直流母线传输的电力馈给电池或将电池储存的电力馈给所述直流母线，所述双向直流功率变换模块能够作为电压源或电流源；
其中，所述能量调度系统具有电网功率调度模式和电池功率调度模式，当所述能量调度系统在电网功率调度模式下，所述双向直流功率变换模块作为电压源，所述逆变交流功率变换模块和所述逆变交流功率变换模块作为电流源；当所述能量调度系统在电池功率调度模式下，所述逆变交流功率变换模块作为电压源，所述直流升压功率电环模块和所述双向直流功率变换模块为电流源。
优选地，所述直流升压功率变换模块、所述逆变交流功率电环模块及所述双向直流功率变换模块能够分别通过电压电流双环控制而作为电压源及通过电流环单元控制而作为电流源。
优选地，当所述能量调度系统在电网功率调度模式下，若正常工作，则所述逆变交流功率变换模块受电网电流控制参考值调度吸收或释放电网能量；若电池充满或异常情况退出，同时光伏面板的最大功率大于所述逆变交流功率变换模块的调度功率，则所述直流升压功率变换模块接管所述直流母线；若电池充满或异常情况退出，同时电池放电的最大功率和光伏面板的功率均小于所述逆变交流功率变换模块的调度功率，则所述逆变交流功率变换模块接管所述直流母线，其电压环开始作用，依据直流母线过渡为电压源工作。
更优选地，当所述能量调度系统在电网功率调度模式下，将电池电流参考值设置为额定功率对应的值；
所述逆变交流功率变换模块根据电网电流控制参考值控制逆变功率参考值保证依据需求从电网吸收或释放能量，并预设所述逆变交流功率电环模块的直流母线电压参考值；
所述直流升压功率变换模块以光伏面板侧电压为参考进行最大功率追踪，预设直流母线的电压上限参考。
优选地，当所述能量调度系统在电池功率调度模式下，若正常工作，则通过电池电压计算出电池电流参考以进行电池充放电控制；若电网异常，则所述双向直流功率功率变换模块和所述直流升压功率变换模块先后接管所述直流母线。
更优选地，当所述能量调度系统在电池功率调度模式下，稳态下以所述逆变交流功率变换模块为电压源进行母线电压控制，将所述逆变交流功率变换模块的电流参考值设置为额定功率对应的值；
所述双向直流功率变换模块进行功率调度，设置电池电流参考保证调度功率需求，同时根据所述电池电流参考预设母线参考电压；
所述直流升压功率变换模块以光伏面板侧电压为参考进行最大功率追踪，同时预设所述直流母线的上限参考电压。
根据本发明的第二个方面，一种光伏储能系统的能量调度方法，采用如上所述的能量调度系统，所述能量调度方法包括如下步骤：
A、选择电网功率调度模式，将所述双向直流功率变换模块作为电压源，将所述逆变交流功率变换模块和所述逆变交流功率变换模块作为电流源；
B、选择电池功率调度模式，将所述逆变交流功率变换模块作为电压源，将所述直流升压功率电环模块和所述双向直流功率变换模块为电流源。
优选地，所述步骤A中，若正常工作，则根据电网电流控制参考值调度所述逆变交流功率变换模块吸收或释放电网能量；若电池充满退出，同时光伏面板的最大功率大于所述逆变交流功率变换模块的调度功率，则所述直流升压功率变换模块接管所述直流母线；若电池充满退出，同时电池放电的最大功率和光伏面板的功率均小于所述逆变交流功率变换模块的调度功率，则所述逆变交流功率变换模块接管所述直流母线，其电压环开始工作；
所述步骤B中，若正常工作，则通过电池电压计算出电池电流参考，进行电池充放电控制；若电网异常，则所述双向直流功率功率变换模块和所述直流升压功率变换模块先后接管所述直流母线。
更优选地，所述步骤A中，将电池电流参考值设置为额定功率对应的值；
所述逆变交流功率变换模块根据电网电流控制参考值控制逆变功率参考值保证依据需求从电网吸收或释放能量，并预设所述逆变交流功率电环模块的直流母线电压参考值；
所述直流升压功率变换模块以光伏面板侧电压为参考进行最大功率追踪，预设直流母线的电压上限参考。
更优选地，所述步骤B中，稳态下以所述逆变交流功率变换模块为电压源进行母线电压控制，将所述逆变交流功率变换模块的电流参考值设置为额定功率对应的值；
所述双向直流功率变换模块进行功率调度，设置电池电流参考保证调度功率需求，同时根据所述电池电流参考预设母线参考电压；
所述直流升压功率变换模块以光伏面板侧电压为参考进行最大功率追踪，同时预设所述直流母线的上限参考电压。
本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：
本发明的光伏储能系统的能量调度系统及方法，各个功率变换模块并行接入直流母线并能够分别表现出电压特性和电流源特性；可选择以双向直流功率变换模块作为电压源来稳定母线电压，而直流升压功率变换模块和双向直流功率变换模块为对外功率接口的电流源，实现电网功率调度；或选择以逆变交流功率变换模块作为电压源来稳点母线电压，而直流升压功率变换模块和双向直流功率变换模块作为对外功率接口的电流源，实现电池功率调度。因此，在保证直流母线电压稳定的情况下，用户可以视具体条件(如电价、天气等)而灵活选择采用哪种功率调度模式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为根据本发明实施例的一种光伏能量系统的拓扑图。
图2为根据本发明实施例的调度过程示意图。
图3为根据本发明实施例的直流升压功率变换模块的控制框图。
图4为根据本发明实施例的双向直流功率变换模块的控制框图。
图5为根据本发明实施例的逆变交流功率变换模块的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。
为了解决光储一体机应用工况的复杂，不同的应用场合对应不同的功率调度需求，如以满足电网为第一优先级进行功率调度或以电池充放电为第一优先级进行调度等。传统的光储一体机能源管理方法难以同时满足在保证母线稳定情况下进行灵活的功率调度。因此，本发明的一个实施例提供一种光伏储能系统的能量调度系统，具体为一种光储一体机的能量调度系统。参照图1所示，光伏储能系统包括光伏面板PV、电池Bat、负载32，光伏面板PV、电池Bat、电网31和负载32通过能量调度系统互联，通过能量调度系统控制各个模块之间的能量传输方向。具体而言，能量调度系统包括直流升压功率变换模块11、双向直流功率变换模块12和逆变交流功率变换模块13，各功率模块的数量可以为多个，其并行接入公共耦合端，即直流母线10，通过直流母线10实现各个模块之间的能量交互。其中，直流升压功率变换模块11连接光伏面板PV和直流母线10，用于将光伏面板PV产生的电力通过直流母线10馈给电池或电网31；双向直流功率变换模块12连接电池Bat和直流母线10，用于将直流母线10上的电力(来自光伏面板或电网)供给电池进行充电，或将电池储存的电力通过直流母线10供给负载32或电网31；逆变交流功率变换模块13连接电网31和直流母线10以及负载32和直流母线10，用于将直流母线10上的电力(来自光伏面板PV或电池Bat)馈给电网31或负载32，或将电网31的电力通过直流母线10供给电池。
各个功率变换模块通过不同的控制方式，可分别表现出电压源特性和电流源特性。通过电压电流双环控制功率模块表现为电压源特性，仅通过电流环单环控制功率模块表现为电流源特性。单一模块的电压源特性与电流源特性通过对电压环下的电流内环进行取小逻辑衔接处理。电压环控制实现稳定母线电压的功能，电流环控制为对外功率接口，实现功率调度的功能。对于整个光储一体机而言，同一时刻仅存在一个电压源，其余均为电流源(PV+Boost绕PV电压mppt过程等同于电流源)。为保证异常情况下母线电压的稳定性，在受调度的电流源工作时，预设另一基准母线电压参考，保证母线电压突升或突降时能迅速稳母线电压，在调度一体机系统过程中主要依靠环路自动实现，逻辑简单、灵活。
参照图2所示，上述直流升压功率变换模块、双向直流功率变换模块和逆变交流功率变换模块的控制结构构成光伏储能系统的EMS控制结构，其外部输入值为母线电压控制参考值的偏差△V1、△V2、△V3及依功率调度需求计算的电池电流参考值Ibat_ref和电网电流控制参考值Iinv_ref。
图3示出了直流升压功率变换模块的控制框图，其中包括电压环控制和电流环控制。直流升压功率变换模块以PV侧电压为参考进行最大功率追踪，设置直流母线电压上限参考为Vbus_ref+△V2，其中Vbus_ref为基准母线电压参考，△V2为外部结构计算的母线电压控制参考值的偏差。将Vbus_ref+△V2和母线电压采样反馈值Vbus_feed通过乘法器相乘后经控制器进行PV侧母线电压控制器传递函数Cbus1(s)处理，处理后送入最小值提取函数模块Min()；PV电压的参考值Vpv_ref(由最大功率追踪算法计算给出)和PV电压采样反馈值Vpv_feed通过乘法器相乘后经控制器进行PV电压控制器传递函数Cv_pv(s)处理，处理后送入最小值提取函数模块Min()。最小值提取函数模块Min()的输出PV侧电流参考值Ipv_ref和PV侧电流采样反馈值Ipv_feed通过乘法器相乘后经控制器进行PV侧电流控制器传递函数Ci_pv(s)处理。
图4示出了双向直流功率变换模块的控制框图，其中包括电压环控制和电流环控制。双向直流功率变换模块中，设置直流母线电压参考为Vbus_ref+sign(Pbatpowert_ref)*△V3，△V3为外部结构计算的母线电压控制参考值的偏差，Pbattpower_ref为电池功率控制的参考值。Vbus_ref+sign(Pbatpowert_ref)*△V3和母线电压采样反馈值Vbus_feed通过第一个乘法器相乘后经控制器进行电池侧母线电压控制器传递函数C_bus2(s)处理，处理后送入第一个最小值提取函数模块Min()；同时，电池功率控制的参考值Pbattpower_ref和计算的实际电池功率值Pbattpower_feed通过第二个乘法器相乘后，经控制器的电池功率控制器传递函数Cbattpower(s)处理，处理后送入第一个最小值提取函数模块Min()。第一个最小值提取函数模块Min()的输出值送入第二个最小值提取函数模块Min()；同时，电池电压控制参考值Vbat_ref(由bms给出，控制电池转浮充)和电池电压采样反馈值Vbat_feed通过第三个乘法器相乘后，经控制器的电池电压控制器传递函数Cbat(s)处理，处理后送入第二个最小值提取函数模块Min()。第二个最小值提取函数模块Min()输出电池电流参考值Ibat_ref，其和电池电压采样反馈值Ibat_feed通过乘法器相乘后经控制器的电池电流控制器传递函数Cibat(s)处理。
图5示出了逆变交流功率变换模块的控制框图，其中包括电压环控制和电流环控制。逆变交流功率变换模块中，设置直流母线电压参考为Vbus_ref-△V1，△V1为外部结构计算的母线电压控制参考值的偏差。Vbus_ref-△V1和母线电压采样反馈值Vbus_feed通过乘法器相乘后经控制器进行逆变侧母线电压控制器传递函数Cbus3(s)处理，处理后的值和并网功率调度参考值Pinv_ref(具体为通过与电电网电压相除得到电流调度值)送入最小值提取函数模块Min()。最小值提取函数模块Min()输出电网电流控制参考值Iinv_ref，其和逆变电流采样反馈值Iinv_feed通过乘法器相乘后经控制器的逆变电流控制器传递函数Ciinv(s)处理。
电网功率调度模式具体说明如下。
1、稳态下以双向直流功率变换模块为电压源，母线电压参考为Vbus_ref+sign(Pbatpowert_ref)*△V3，△V3取值为零，对应的功率参考Pbattpower_ref可设置为额定功率对应的充放电(正负)上下限值。
2、DC-AC逆变交流功率变换模块进行功率调度，调度Pinv_ref控制逆变功率参考保证依据需求从电网吸收或释放能量，同时预设DC-AC逆变交流功率变换模块的母线电压参考，其值为Vbus_ref-△V1。
3、PV+Boost直流功率变换模块以PV侧电压为参考进行最大功率追踪，同于也预设母线上限参考Vbus_ref+△V2。
其中，△V1、△V2的值依据母线电容计算得出。正常工作时，逆变功率受Pinv_ref功率调度吸收、释放电网能量，若电池充满退出，同时PV最大功率大于逆变调度功率，则PV+Boost限流，PV侧母线电压环控制器接管母线，PV侧转换为电压源，母线维持在Vbus_ref+△V2；若bat放电的最大功率与PV的功率均小于逆变调度功率，则DC-AC逆变交流模块母线电压环控制器接管母线，母线电压维持在Vbus_ref-△V1。
电池功率调度模式具体说明如下。
1、稳态下以DC-AC逆变交流功率变换模块为电压源进行母线电压控制，母线电压参考为Vbus_ref-△V1，同时该功率模块功率参考Pinv_ref可设置为额定且满足安规对应下吸收/释放(正负)功率值。
2、双向直流功率变换模块进行功率调度，调度功率参考Pbattpower_ref保证调度功率需求，同时预设DC-DC双线变换器母线参考电压为Vbus_ref+sign(Pbattpower_ref)*△V3；其中sign(Pbattpower_ref)为Pbattpower_ref的正负符号，若电池放电导致母线电压上升超过电池设定的母线参考值，则电池母线控制器工作，限制放电功率，同理电池充电时该控制器限制充电功率。
3、直流升压功率变换模块以PV侧电压为参考进行最大功率追踪，同于也预设母线上限参考Vbus_ref+△V2。
正常工作时，电池功率调度通过电池电压计算出电池电流参考Pbattpower_ref，从而保证电池进行充放电控制。若PV功率过多，大于电池充电及电网功率，则PV模块母线电压环工作接管母线成为电压源。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限定本发明的保护范围。凡根据本发明的精神实质所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光伏储能系统的能量调度系统，包括直流母线，其特征在于，所述能量调度系统还包括：
直流升压功率变换模块，其和所述直流母线相连以将来自光伏面板的电力并馈给所述直流母线，所述直流升压功率变换模块能够作为电压源或电流源；
逆变交流功率变换模块，其和所述直流母线相连以接收来自所述光伏面板的电力并转换为交流后馈给电网或将来自电网的电力转换为直流后馈给所述直流母线，所述逆变交流功率变换模块能够作为电压源或电流源；及
双向直流功率变换模块，其和所述直流母线相连以将所述直流母线传输的电力馈给电池或将电池储存的电力馈给所述直流母线，所述双向直流功率变换模块能够作为电压源或电流源；
其中，所述能量调度系统具有电网功率调度模式和电池功率调度模式，当所述能量调度系统在电网功率调度模式下，所述双向直流功率变换模块作为电压源，所述逆变交流功率变换模块和所述逆变交流功率变换模块作为电流源；当所述能量调度系统在电池功率调度模式下，所述逆变交流功率变换模块作为电压源，所述直流升压功率电环模块和所述双向直流功率变换模块为电流源。
2.根据权利要求1所述的能量调度系统，其特征在于，所述直流升压功率变换模块、所述逆变交流功率电环模块及所述双向直流功率变换模块能够分别通过电压电流双环控制而作为电压源及通过电流环单元控制而作为电流源。
3.根据权利要求1所述的能量调度系统，其特征在于，当所述能量调度系统在电网功率调度模式下，若正常工作，则所述逆变交流功率变换模块受电网电流控制参考值调度吸收或释放电网能量；若电池充满或异常情况退出，同时光伏面板的最大功率大于所述逆变交流功率变换模块的调度功率，则所述直流升压功率变换模块接管所述直流母线；若电池充满或异常情况退出，同时电池放电的最大功率和光伏面板的功率均小于所述逆变交流功率变换模块的调度功率，则所述逆变交流功率变换模块接管所述直流母线，其电压环开始作用，依据直流母线过渡为电压源工作。
4.根据权利要求3所述的能量调度系统，其特征在于，当所述能量调度系统在电网功率调度模式下，将电池电流参考值设置为额定功率对应的值；
所述逆变交流功率变换模块根据电网电流控制参考值控制逆变功率参考值保证依据需求从电网吸收或释放能量，并预设所述逆变交流功率电环模块的直流母线电压参考值；
所述直流升压功率变换模块以光伏面板侧电压为参考进行最大功率追踪，预设直流母线的电压上限参考。
5.根据权利要求1所述的能量调度系统，其特征在于，当所述能量调度系统在电池功率调度模式下，若正常工作，则通过电池电压计算出电池电流参考以进行电池充放电控制；若电网异常，则所述双向直流功率功率变换模块和所述直流升压功率变换模块先后接管所述直流母线。
6.根据权利要求5所述的能量调度系统，其特征在于，当所述能量调度系统在电池功率调度模式下，稳态下以所述逆变交流功率变换模块为电压源进行母线电压控制，将所述逆变交流功率变换模块的电流参考值设置为额定功率对应的值；
所述双向直流功率变换模块进行功率调度，设置电池电流参考保证调度功率需求，同时根据所述电池电流参考预设母线参考电压；
所述直流升压功率变换模块以光伏面板侧电压为参考进行最大功率追踪，同时预设所述直流母线的上限参考电压。
7.一种光伏储能系统的能量调度方法，其特征在于，采用如权利要求1至6任一项所述的能量调度系统，所述能量调度方法包括如下步骤：
A、选择电网功率调度模式，将所述双向直流功率变换模块作为电压源，将所述逆变交流功率变换模块和所述逆变交流功率变换模块作为电流源；
B、选择电池功率调度模式，将所述逆变交流功率变换模块作为电压源，将所述直流升压功率电环模块和所述双向直流功率变换模块为电流源。
8.根据权利要求7所述的能量调度方法，其特征在于，所述步骤A中，若正常工作，则根据电网电流控制参考值调度所述逆变交流功率变换模块吸收或释放电网能量；若电池充满退出，同时光伏面板的最大功率大于所述逆变交流功率变换模块的调度功率，则所述直流升压功率变换模块接管所述直流母线；若电池充满退出，同时电池放电的最大功率和光伏面板的功率均小于所述逆变交流功率变换模块的调度功率，则所述逆变交流功率变换模块接管所述直流母线，其电压环开始工作；
所述步骤B中，若正常工作，则通过电池电压计算出电池电流参考，进行电池充放电控制；若电网异常，则所述双向直流功率功率变换模块和所述直流升压功率变换模块先后接管所述直流母线。
9.根据权利要求8所述的能量调度方法，其特征在于，所述步骤A中，将电池电流参考值设置为额定功率对应的值；
所述逆变交流功率变换模块根据电网电流控制参考值控制逆变功率参考值保证依据需求从电网吸收或释放能量，并预设所述逆变交流功率电环模块的直流母线电压参考值；
所述直流升压功率变换模块以光伏面板侧电压为参考进行最大功率追踪，预设直流母线的电压上限参考。
10.根据权利要求8所述的能量调度方法，其特征在于，所述步骤B中，稳态下以所述逆变交流功率变换模块为电压源进行母线电压控制，将所述逆变交流功率变换模块的电流参考值设置为额定功率对应的值；
所述双向直流功率变换模块进行功率调度，设置电池电流参考保证调度功率需求，同时根据所述电池电流参考预设母线参考电压；
所述直流升压功率变换模块以光伏面板侧电压为参考进行最大功率追踪，同时预设所述直流母线的上限参考电压。
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