CN114123449A - 一种独立光伏发电储能系统及能量管理方法 - Google Patents

一种独立光伏发电储能系统及能量管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于储能系统技术领域，公开一种独立光伏发电储能系统的能量管理方法，根据光伏电池输出功率、负载功率及电池电量将系统运行分为六种模式，分为6种工作模式，分析了每种状态下系统各部分工作情况。还公开了实现能量管理方法的一种独立光伏发电储能系统，包括控制器，与控制器分别连接的光伏电池、单向变换器、双向变换器和蓄电池；通过控制变换器的导通与闭合状态来实现这一目的，控制变换器的工作模式，使得其工作在合适的状态，最大程度地提高太阳能电池的工作效率以及保证系统在正常工作的条件下尽可能提高蓄电池的使用寿命。

Description

一种独立光伏发电储能系统及能量管理方法
技术领域
本发明属于储能系统技术领域，特别涉及一种独立光伏发电储能系统及能量管理方法。
背景技术
在能源转型及节能减排的趋势下，可再生能源发展迅速。众多国家大力推进利用可再生清洁能源。在独立光伏发电储能系统中，最主要需要解决的问题是如何提高太阳能电池的工作效率以及如何在保证系统正常工作的条件下尽可能提高蓄电池的使用寿命。可再生能源中应用最广泛的电池免维护的胶体铅酸蓄电池，凝胶蓄电池能够消除电解液分层的现象，相比较于镍镉电池或锂电池，铅酸蓄电池价格便宜，大规模使用能够使系统成本大大降低。
独立光伏系统中的储能电池通常处于不间断电源中，在不间断电源中，蓄电池一直处于高电荷状态，并且蓄电池通常经历频繁的深度循环和不规则的充电模式，这会缩短蓄电池寿命。一般来说，光伏板每日产生电量大致不变，系统中负载能量需求也大致不变，阴天或雨天光伏阵列提供的电能会少一些，但负载需求不变，于是这部分电量就会由蓄电池存储的电量补充上，连续的阴雨天气就会造成蓄电池工作在深度放电阈值附近；而在冬季，由于季节性的原因，光照时长变短，光照强度减弱，太阳辐射的变化使得蓄电池长时间处于低充电状态，长时间的低充电状态会导致硫酸盐增加，这会严重缩短电池的寿命。然而单纯靠增加电池容量并不能为最坏的季节或天气提供足够的电量存储，因此需要合理的能量管理策略来减少蓄电池深度放电次数与工作在低充电状态的时长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种独立光伏发电储能系统及能量管理方法，解决了目前独立光伏系统中的蓄电池寿命短的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种独立光伏发电能量管理方法，包括以下步骤：
S1、获取独立光伏发电储能系统中各节点电气参数，节点电气参数包括光伏电池输出功率Ppv、光伏电池输出功率最小值Pmin、蓄电池端电压Ub、蓄电池过充电压Ubmax、蓄电池过放电压Ubmin、直流母线电压UH及直流母线额定电压U额；
S2、根据节点电气参数判断独立光伏发电储能系统的工作模式，确认运行工作模式后，控制光伏电池和蓄电池的导通与关闭状态；
工作模式具体包括以下六种：
工作模式一：当UH≥U额，Ub≤Ubmin；光伏电池产生的电能一部分输送至直流母线供负载使用，另一部分电量储存至蓄电池中；
工作模式二：基于工作模式一工作一段时间后，蓄电池中电量逐渐被充满，若满足UH≥U额，Ub＞Ubmax；则蓄电池不再充电，光伏电池产生的电能供负载使用，调节输出电压使光伏电池输出功率满足负载功率；
工作模式三：当UH＜U额，Ubmin＜Ub≤Ubmax，Ppv≥Pmin；则光伏电池和蓄电池同时为负载提供电能，维持母线电压稳定；
工作模式四：基于工作模式三工作一段时间后，满足UH＜U额，Ub≤Ubmin，Ppv≥Pmin；则断开负载，光伏电池产生的电量供蓄电池充电；
工作模式五：当UH＜U额，Ppv＜Pmin且Ub＞Ubmin，仅由蓄电池为负载提供电能；
工作模式六：若UH＜U额，Ppv＜Pmin且Ub≤Ubmin，则所述独立光伏发电储能系统停止运行。
本发明还公开了实现所述能量管理方法的一种独立光伏发电储能系统，包括控制器，与控制器分别连接的光伏电池、单向变换器、双向变换器、负载开关和蓄电池；控制器用于获取光伏电池输出功率、负载功率、蓄电池电量及直流母线电压，并判断独立光伏发电储能系统的工作模式，确认运行工作模式后，控制单向变换器和双向变换器、负载开关的导通与关闭状态；
单向变换器连接在光伏电池与直流母线之间，双向变换器连接在蓄电池与直流母线之间，负载开关连接在负载与直流母线之间。
进一步，单向变换器包括开关S1，双向变换器包括升压开关S2和降压开关S3，负载开关记为S4。
进一步，在工作模式一时，开关S1导通，升压开关S2关闭，降压开关S3导通，负载开关S4导通；
在工作模式二时，开关S1导通，升压开关S2关闭，降压开关S3关闭，负载开关S4导通；
在工作模式三时，开关S1导通，升压开关S2导通，降压开关S3关闭，负载开关S4导通；
在工作模式四时，开关S1导通，升压开关S2关闭，降压开关S3导通，负载开关S4关断；
在工作模式五时，开关S1关闭，升压开关S2导通，降压开关S3关闭，负载开关S4导通；
在工作模式六时，开关S1关闭，升压开关S2关闭，降压开关S3关闭，负载开关S4关断。
进一步，升压开关S2和降压开关S3为一对双向开关，交错导通；
升压开关S2导通时，电能自蓄电池流向直流母线；降压开关S3导通后，电能自直流母线流向蓄电池。
进一步，所述双向变换器为双向DC-DC变换器。
进一步，双向变换器设有多个。
进一步，控制器采用单片机或DSP。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种独立光伏发电储能系统的能量管理方法，根据光伏电池输出功率、负载功率、蓄电池电量及直流母线电压将系统运行分为六种模式，分析了每种状态下系统各部分工作情况。负载尽可能使用光伏电池产生的电能，在电量不足的情况下才使用蓄电池中的电能，在发电状态良好，电量充足的情况下尽可能为蓄电池充电，直到蓄电池电量充足。这样可以最大限度利用光伏发电，也能延长电量不足后蓄电池的供电时间，对蓄电池寿命延长也起到一定的作用。通过该方法能够保护蓄电池，延长其使用寿命，蓄电池作为独立光伏发电系统的重要组成部分，系统过载所需的电量可由蓄电池提供，多余的电能则可以被存储进蓄电池，因此保护蓄电池，延长蓄电池寿命不仅可以使系统在良好的状态工作，也可以减少维护与更换费用；尽可能维持母线电压稳定，使负载正常工作，独立光伏发电系统中增加储能装置的目的就是为了使负载在恶劣条件下或负载突变时也能够正常工作，储能蓄电池最主要的作用是存储与调节电能。
本发明还公开了一种独立光伏发电储能系统，包括控制器，与控制器分别连接的光伏电池、单向变换器、双向变换器和蓄电池；通过控制变换器的导通与闭合状态来实现这一目的，控制变换器的工作模式，使得其工作在合适的状态，最大程度地提高太阳能电池的工作效率以及保证系统在正常工作的条件下尽可能提高蓄电池的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的独立光伏发电储能系统在工作模式一的结构示意图；
图2为本发明的独立光伏发电储能系统在工作模式二的结构示意图；
图3为本发明的独立光伏发电储能系统在工作模式三的结构示意图；
图4为本发明的独立光伏发电储能系统在工作模式四的结构示意图；
图5为本发明的独立光伏发电储能系统在工作模式五的结构示意图；
图6为本发明的独立光伏发电储能系统在工作模式六的结构示意图；
图7为本发明的一种独立光伏发电储能系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图7所示，本发明公开了一种独立光伏发电储能系统，包括控制器，与控制器分别连接的光伏电池、单向变换器、双向变换器、负载开关和蓄电池；控制器用于获取光伏电池输出功率、负载功率、蓄电池电量及直流母线电压，并判断独立光伏发电储能系统的工作模式，确认运行工作模式后，控制单向变换器和双向变换器、负载开关的导通与关闭状态；单向变换器连接在光伏电池与直流母线之间，双向变换器连接在蓄电池与直流母线之间，负载开关连接在负载与直流母线之间。
单向变换器包括开关S1，双向变换器包括升压开关S2和降压开关S3，负载开关记为S4。
本发明还公开了一种独立光伏发电储能系统能量管理方法，包括以下步骤：
步骤1：
获取独立光伏发电储能系统中各节点电气参数，节点电气参数包括光伏电池输出功率Ppv、光伏电池输出功率最小值Pmin、蓄电池端电压Ub、蓄电池过充电压Ubmax、蓄电池过放电压Ubmin、及直流母线电压UH直流母线额定电压U额；
步骤2：根据各节点电气参数进行比较，确定系统运行模式，如表1所示。
表1
Figure BDA0003378481100000061
步骤3：确认运行模式后，控制单向直流变换器开关S1及双向DC-DC变换器升压开关S2,降压开关S3导通与关闭状态，导通记为1，关闭记为0，不同模式下开关状态如表2所示：
表2
Figure BDA0003378481100000062
Figure BDA0003378481100000071
在工作模式一时，开关S1导通，升压开关S2关闭，降压开关S3导通,负载开关S4导通；
在工作模式二时，开关S1导通，升压开关S2关闭，降压开关S3关闭,负载开关S4导通；
在工作模式三时，开关S1导通，升压开关S2导通，降压开关S3关闭,负载开关S4导通；
在工作模式四时，开关S1导通，升压开关S2关闭，降压开关S3导通负载开关S4关断,；
在工作模式五时，开关S1关闭，升压开关S2导通，降压开关S3关闭,负载开关S4导通；
在工作模式六时，开关S1关闭，升压开关S2关闭，降压开关S3关闭，负载开关S4关断。
开关S1位于光伏电池与直流母线之间，导通后，电能自光伏电池单向流动至直流母线；
开关S2、S3是一对双向开关，只能交错导通，位于蓄电池与直流母线之间，开关S2导通后电能自蓄电池流向直流母线；开关S3导通后，电能自直流母线流向蓄电池，开关S4位于负载与直流母线之间，导通后电能自直流母线流向负载。
双向开关中S2、S3仅表示可交错导通的开合关系，不局限于只有一对开关，可设计为2对、3对、多对，每对开关在一个周期内遵循交错导通的准则。
双向变换器为双向DC-DC变换器，该变换器由电解电容、电感、高频开关器件构成，通过控制高频开关导通与关断实现开关S2与S3的开合。
双向变换器可通过控制信号调控开关周期、占空比实现调节蓄电池充电方式的功能，可实现恒流、恒压或浮充等充电方式，最大程度利用电能，延长蓄电池寿命。
基于以上准则，本文提出的系统能量管理策略核心是根据实际太阳能发电量与蓄电池电量，控制变换器的工作模式，使得其工作在合适的状态。通过控制变换器工作模式最大限度保证系统正常运行，尽可能对电池进行保护，延长电池使用寿命。
以某一晴朗日为例按时间顺需进行分析，系统可分为如下几种工作模式：
工作模式一：天气条件好，光照充足，光伏电池发电量充足，经过一个夜晚的使用，蓄电池电量较低，系统正常运行。此时，UH≥U额，Ub≤Ubmin。如图1所示，光伏电池工作在最大功率点处，产生的电能通过单向变换器调整后输送至直流母线供负载使用，多余的电量通过双向变换器转换储存至蓄电池中。
工作模式二：基于模式一工作一段时间后，蓄电池中电量逐渐被充满，此时UH≥U额，Ub≥Ubmaxx，为了避免达到过充状态，对蓄电池造成不必要的损害，如图2所示，双向变换器关断，蓄电池退出系统工作，光伏电池产生的电能供负载使用，调整输出电压使得光伏电池输出功率满足负载功率。此时有Ppv＝Pload，UH≥U额。
工作模式三：如图3所示，负载侧功率需求增大，光伏电池输出功率不能满足负载需求，直流母线电压不能维持在额定电压值，此时UH＜U额，Ubmin＜Ub≤Ubmax，Ppv≥Pmin；蓄电池中存储的电能通过Boost电路供负载使用，维持母线电压稳定。
工作模式四：如图4所示，系统在模式三工作一段时间后，蓄电池电量消耗殆尽，光伏电池产生的电能不足以供负载使用，但仍然能产生一定的电能，满足UH＜U额，Ub≤Ubmin，Ppv≥Pmin；控制器断开负载，光伏电池产生的电量供蓄电池充电。
工作模式五：到了夜间以后或阴雨天气，没有光照，光伏电池无法向系统供电，此时光伏组件输出功率几乎为0，退出系统工作，即满足UH＜U额，Ppv＜Pmin且Ub＞Ubmin。
如图5所示，蓄电池中存储较为充足的电能，经双向变换器转换后维持负载工作，此时UH＜U额，Ppv＜Pmin且Ub＞Ubmin。
工作模式六：太阳未升起或阴雨天气持续时间较长，光伏电池无法产生电能供给系统，蓄电池中电能也被消耗至最低电量，即满足UH＜U额，Ppv＜Pmin且Ub≤Ubmin。如图6所示，此时系统中的各部件均处于关断状态，系统停止运行直至光伏电池重新开始工作。
要注意的是，以上举例的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随着有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种独立光伏发电能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取独立光伏发电储能系统中各节点电气参数，节点电气参数包括光伏电池输出功率Ppv、光伏电池输出功率最小值Pmin、蓄电池端电压Ub、蓄电池过充电压Ubmax、蓄电池过放电压Ubmin、直流母线电压UH及直流母线额定电压U额；
S2、根据节点电气参数判断独立光伏发电储能系统的工作模式，确认运行工作模式后，控制光伏电池和蓄电池的导通与关闭状态；
工作模式具体包括以下六种：
工作模式一：当UH≥U额，Ub≤Ubmin；光伏电池产生的电能一部分输送至直流母线供负载使用，另一部分电量储存至蓄电池中；
工作模式二：基于工作模式一工作一段时间后，蓄电池中电量逐渐被充满，若满足UH≥U额，Ub＞Ubmax；则蓄电池不再充电，光伏电池产生的电能供负载使用，调节输出电压使光伏电池输出功率满足负载功率；
工作模式三：当UH＜U额，Ubmin＜Ub≤Ubmax，Ppv≥Pmin；则光伏电池和蓄电池同时为负载提供电能，维持母线电压稳定；
工作模式四：基于工作模式三工作一段时间后，满足UH＜U额，Ub≤Ubmin，Ppv≥Pmin；则断开负载，光伏电池产生的电量供蓄电池充电；
工作模式五：当UH＜U额，Ppv＜Pmin且Ub＞Ubmin，仅由蓄电池为负载提供电能；
工作模式六：若UH＜U额，Ppv＜Pmin且Ub≤Ubmin，则所述独立光伏发电储能系统停止运行。
2.实现权利要求1所述能量管理方法的一种独立光伏发电储能系统，其特征在于，包括控制器，与控制器分别连接的光伏电池、单向变换器、双向变换器、负载开关和蓄电池；控制器用于获取光伏电池输出功率、负载功率、蓄电池电量及直流母线电压，并判断独立光伏发电储能系统的工作模式，确认运行工作模式后，控制单向变换器和双向变换器、负载开关的导通与关闭状态；
单向变换器连接在光伏电池与直流母线之间，双向变换器连接在蓄电池与直流母线之间，负载开关连接在负载与直流母线之间。
3.根据权利要求2所述的一种独立光伏发电储能系统，其特征在于，单向变换器包括开关S1，双向变换器包括升压开关S2和降压开关S3，负载开关记为S4。
4.根据权利要求3所述的一种独立光伏发电储能系统，其特征在于，在工作模式一时，开关S1导通，升压开关S2关闭，降压开关S3导通，负载开关S4导通；
在工作模式二时，开关S1导通，升压开关S2关闭，降压开关S3关闭，负载开关S4导通；
在工作模式三时，开关S1导通，升压开关S2导通，降压开关S3关闭，负载开关S4导通；
在工作模式四时，开关S1导通，升压开关S2关闭，降压开关S3导通，负载开关S4关断；
在工作模式五时，开关S1关闭，升压开关S2导通，降压开关S3关闭，负载开关S4导通；
在工作模式六时，开关S1关闭，升压开关S2关闭，降压开关S3关闭，负载开关S4关断。
5.根据权利要求3所述的一种独立光伏发电储能系统，其特征在于，升压开关S2和降压开关S3为一对双向开关，交错导通；
升压开关S2导通时，电能自蓄电池流向直流母线；降压开关S3导通后，电能自直流母线流向蓄电池。
6.根据权利要求2所述的一种独立光伏发电储能系统，其特征在于，所述双向变换器为双向DC-DC变换器。
7.根据权利要求2所述的一种独立光伏发电储能系统，其特征在于，双向变换器设有多个。
8.根据权利要求2所述的一种独立光伏发电储能系统，其特征在于，控制器采用单片机或DSP。
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