CN114928102B - 一种分布式储能光伏智能发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式储能光伏智能发电系统，包括光伏阵列、MPPT控制模块、直流母线电流电压采样模块、蓄电池充放电智能控制模块、蓄电池放电控制模块、蓄电池恒流恒压充电控制模块和储能蓄电池。本发明将蓄电池储能设备同光伏逆变器集成到一起，简化了设备，降低了投资，降低了能耗，配置灵活，并采用智能控制策略去控制电池充放电模式，结合反馈控制、逆变器PQ控制，解决光伏发电出力不稳定的缺点，是新型光伏电站发展的方向。实现对分布式光伏输出的跟踪与平滑，获得光伏电源的可调度性。低压交流母线部署，响应负荷的实时需求并进行电能质量治理。
Description
技术领域
本发明属于光伏储能发电技术领域，具体涉及一种分布式储能光伏智能发电系统。
背景技术
现代大型光伏电站普遍采用将光伏组件输出并联和串联，以达到设定的电压和功率，利用逆变器将光伏组件输出的直流电转变成与市电频率一致的交流电，并经变压器升压后，接入电网。由于风电、光伏电等新能源的发电出力与天气关系较大，不确定性很大，无法精确地预测，新能源电力的接入，给电网的控制造成了很大的难题。因此，为了尽可能多接纳新能源，减少对于电网的冲击，政府和电网要求光伏接入系统，必须配套建设设定容量的电力储能设备。目前，大型光伏电站普便采用集中式蓄电池储能装置，由降压变压器、电池管理及充电器、蓄电池组、逆变器等组成，存在投资高、能耗大、效率低等问题。集中式储能蓄电池装置，需要将光伏发电通过DC/DC逆变器和DC/AC逆变器送入电网后为储能电池充电，储能蓄电池发电又需要经过DC/DC逆变器和DC/AC逆变器将电能送入电网，两次逆变器会造成大量的电能损耗。同时集中式储能也无法快速响应由于光伏发电的不稳定性对电网造成的不良影响，无法对光伏电压进行调度。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种分布式储能光伏智能发电系统，将蓄电池储能设备同光伏逆变器集成到一起，简化了设备，降低了投资，降低了能耗，配置灵活，并采用智能控制策略去控制电池充放电模式，结合反馈控制、逆变器PQ控制，解决光伏发电出力不稳定的缺点，是新型光伏电站发展的方向。实现对分布式光伏输出的跟踪与平滑，获得光伏电源的可调度性。低压交流母线部署，响应负荷的实时需求并进行电能质量治理。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种分布式储能光伏智能发电系统，包括光伏阵列、MPPT控制模块、直流母线电流电压采样模块、蓄电池充放电智能控制模块、蓄电池恒功率放电控制模块、蓄电池恒流恒压充电控制模块和储能蓄电池；
所述MPPT控制模块与光伏阵列连接，用于控制光伏阵列的电能输出；MPPT控制模块与直流母线电流电压采样模块，用于获取当前电路中电压电流信息；
所述直流母线电流电压采样模块与MPPT控制模块和蓄电池充放电智能控制模块连接，用于采集当前电路中电压电流信息，为MPPT控制模块和蓄电池充放电智能控制模块提供数据依据；
所述蓄电池充放电智能控制模块与直流母线电流电压采样电路模块，计算当前输出功率，并根据相应规则，对储能蓄电池进行充放电操作，以此使光伏发电上网功率稳定；
所述蓄电池恒功率放电控制模块与蓄电池充放电智能控制模块连接，当前功率小于恒定功率，蓄电池充放电智能控制模块输出所需放电功率，通过控制蓄电池放电控制模块使储能蓄电池以设定功率恒功率进行放电；
所述蓄电池恒流恒压充电控制模块与蓄电池充放电智能控制模块连接，当前功率大于恒定功率，蓄电池充放电智能控制模块输出所需充电功率，通过蓄电池恒流恒压充电控制电路使储能蓄电池以设定功率进行放电；
所述储能蓄电池与蓄电池恒流恒压充电控制模块连接，当需要充电时进行蓄电池充电；储能蓄电池与蓄电池放电控制模块连接，需要放电时对直流母线进行恒功率放电。
本发明进一步的改进在于，储能蓄电池的充电方式有恒压充电与恒流充电，恒压充电时保持充电电压为储能蓄电池额定电压不变，储能蓄电池电压上限即为充电电压，但其初始阶段电流大；恒流充电时保持充电电流不变，但由于等效电路模型的限制，电压的增长没有上限约束；或者采用先恒流后恒压的两阶段充电模式，先通过限定充电电流使电池电压达到设定基准，实现快充；再切换到恒压模式，使电池电压上升至额定值，保证电池寿命，同时使其达到最大电量状态。
本发明进一步的改进在于，当电池电压小于储能蓄电池额定电压的0.85倍时，采用恒流模式，当电池电压大于储能蓄电池额定电压的0.85倍时，采用恒压充电模式。
本发明进一步的改进在于，由于光伏阵列具有明显的非线性特效，为了在不同光强下实现输出功率最大化，对光伏阵列的最大功率进行跟踪，使之工作在最大功率点电压。
本发明进一步的改进在于，MPPT控制模块不断监测并判断输出功率变化来计算最佳运行电压，根据最佳运行电压，调节MPPT控制模块的等效负载，使之在不同外部环境下始终跟随光伏阵列的内阻变化，实现两者的动态负载匹配，实现输出功率最大化。
本发明进一步的改进在于，充放电智能控制模块的控制策略如下：
所述控制策略第一步：首先计算参考功率和当前功率差值P，判断储能蓄电池需要充电还是放电，当P>0，则储能蓄电池恒功率放电，当P<0储能蓄电池充电；
所述控制策略第二步：判断储能蓄电池当前电量状态Q，当Q小于电池容量上限Qmax时，充电；当Q小于电池容量上限Qmin时，放电；
所述控制策略第三步：基于储能蓄电池电压进行充电模式选择，当电池电压低于0.85Ur时，Ur为电池额定电压，使用恒流充电进行快充，达到限值时切换为恒压充电进行慢充。
本发明进一步的改进在于，所述控制策略第二步中，为防止过放或过充影响储能蓄电池寿命，当需要储能蓄电池放电但其电量低于电池容量下限，或对储能蓄电池充电但其电量高于电池容量上限时，为防止过放或过充影，关闭储能蓄电池充放电功能。
本发明进一步的改进在于，还包括DC/AC逆变器，DC/AC逆变器采用PQ控制回路，PQ控制回路包括交流母线电压电流采样模块、abc/dq0坐标转换模块、功率计算模块、电流控制环模块、dq0/abc坐标转换模块、PWM调制和PLL锁相环模块；
所述DC/AC逆变器与直流母线连接，用于将直流电转换为交流电，送入交流母线；DC/AC逆变器采用PQ控制回路，用于稳定输出电压，根据实际运行情况使其输出指定功率，抵消负序电流，达到并网平衡的目的；
所述交流母线电压电流采样模块与交流母线连接，用于采集交流母线电压电流信息；
所述abc/dq0c坐标转换模块与交流母线电压电流采样模块连接，用于进行坐标转换，使得在同步旋转dq坐标系下，得到d轴与q轴电流；
所述功率计算模块与abc/dq0模块连接，用来计算当前输出的有功功率和无功功率；
所述电流控制环模块与功率计算模块连接，根据参考功率和当前功率，进行电压前馈补偿以实现解耦控制，输出参考电压信号；
所述dq0/abc坐标转换模块与电流控制环连接，通过坐标变化生产可控制PWM调制的参考电压；
所述PWM调制与dq0/abc坐标转换模块连接，根据输出的参考电压通过PWM调制环节生成开关器件的驱动信号；
所述DC/AC逆变器与PWM调制连接，根据驱动信号控制开关器件实现逆变器的恒功率控制；
所述PLL锁相环模块与交流母线电压电流采样模块连接，用于得到当前电网电压频率及相位，与abc/dq0坐标转换模块和dq0/abc坐标转换模块，控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种分布式储能光伏智能发电系统，能够比单独的光伏和储能系统，同样的容量和发电量的情况下，投资节约20％，效率提高5％。并且能够节约土地，方便灵活配置。根据基于峰谷电价机和光伏实时发电量，制定不同的发电策略，可分为光伏发电仅馈入电网、光伏发电仅对储能蓄电池充电、光伏发电电能同时馈入电网和储能电池充电、光伏发电和储能蓄电池电能同时馈入电网和储能蓄电池电能馈入电网等多种发电模式，以此解决光伏发电不稳定和电网负荷相应不及时的问题，同时实现发电收益最大化。
附图说明
图1为本发明一种分布式储能光伏智能发电系统的结构框图。
图2为本发明智能储能逆变器集成模块的结构框图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明提供的一种分布式储能光伏智能发电系统，包括光伏阵列、MPPT控制模块、直流母线电流电压采样模块、蓄电池充放电智能控制模块、蓄电池放电控制模块、蓄电池恒流恒压充电控制模块、储能蓄电池、DC/AC逆变器、交流母线电压电流采样模块、abc/dq0坐标转换模块、功率计算模块、电流控制环模块、dq0/abc坐标转换模块、PWM调制和PLL锁相环模块等。
所述MPPT控制模块与光伏阵列连接，用于控制光伏阵列的电能输出；MPPT控制模块与直流母线电流电压采样模块，用于获取当前电路中电压电流信息；所述直流母线电流电压采样模块与MPPT控制模块和蓄电池充放电智能控制模块连接，用于采集当前电路中电压电流信息，为MPPT控制模块和蓄电池充放电智能控制模块提供数据依据；所述蓄电池充放电智能控制模块与直流母线电流电压采样电路模块，计算当前输出功率，并根据相应规则，对储能蓄电池进行充放电操作，以此使光伏发电上网功率稳定；所述蓄电池放电控制模块与蓄电池充放电智能控制模块连接，当前功率小于恒定功率，蓄电池充放电智能控制模块输出所需放电功率，通过控制蓄电池放电控制模块使储能蓄电池以设定功率进行放电；所述蓄电池恒流恒压充电控制模块与蓄电池充放电智能控制模块连接，当前功率大于恒定功率，蓄电池充放电智能控制模块输出所需充电功率，通过蓄电池恒流恒压充电控制电路使储能蓄电池以设定功率进行放电；所述储能蓄电池与蓄电池恒流恒压充电控制模块连接，当需要充电时进行蓄电池充电；储能蓄电池与蓄电池放电控制模块连接，需要放电时对直流母线进行放电。
所述DC/AC逆变器与直流母线连接，用于将直流电转换为交流电，送入交流母线；DC/AC逆变器采用PQ控制回路，用于稳定输出电压，根据实际运行情况使其输出指定功率，抵消负序电流，达到并网平衡的目的；所述交流母线电压电流采样模块与交流母线连接，用于采集交流母线电压电流信息；所述abc/dq0c坐标转换模块与交流母线电压电流采样模块连接，用于进行坐标转换，使得在同步旋转dq坐标系下，得到d轴与q轴电流；所述功率计算模块与abc/dq0模块连接，用来计算当前输出的有功功率和无功功率；所述电流控制环模块与功率计算模块连接，根据参考功率和当前功率，进行电压前馈补偿以实现解耦控制，输出参考电压信号；所述dq0/abc坐标转换模块与电流控制环连接，通过坐标变化生产可控制PWM调制的参考电压；所述PWM调制与dq0/abc坐标转换模块连接，根据输出的参考电压通过PWM调制环节生成开关器件的驱动信号；
所述DC/AC逆变器与PWM调制连接，根据驱动信号控制开关器件实现逆变器的恒功率控制；所述PLL锁相环模块与交流母线电压电流采样模块连接，用于得到当前电网电压频率及相位，与abc/dq0坐标转换模块和dq0/abc坐标转换模块，控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪。
实施例
如图2所示，逆变器的损耗包含很多，影响逆变器效率的因素有器件选型、驱动电路设计、PCB上导体的寄生参数、控制算法和负载特性等内、外部因素，主要的损耗为如前级Boost电路损耗、后级逆变电路损耗。当前逆变器最优损耗在5％，最差损耗为15％，取平均值10％。以中卫香山30MWP光伏电站为例，总装机容量30MWP，年平均发电量约为4012万(kW·h)，等效满负荷年利用小时数1329.7h[1]。假设有20％的电量存放在储能系统：集中储能方式，需要经过3次逆变器转换，其储能电能最终上网电量为4012*20％*90％*90％*90％*＝585万(kW·h)，逆变器消耗电量为217.4万(kW·h)，损耗量为27％，而本发明分布式储能，仅需一次逆变器转换，上网电量为4012*20％*90％＝722，消耗电量为80.2万(kW·h)，损耗率仅为10％，节省电量137万(kW·h)。如果加上调频调峰，收益则更加客观。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种分布式储能光伏智能发电系统，其特征在于，包括光伏阵列、MPPT控制模块、直流母线电流电压采样模块、蓄电池充放电智能控制模块、蓄电池恒功率放电控制模块、蓄电池恒流恒压充电控制模块和储能蓄电池；
所述MPPT控制模块与光伏阵列连接，用于控制光伏阵列的电能输出；MPPT控制模块与直流母线电流电压采样模块，用于获取当前电路中电压电流信息；
所述直流母线电流电压采样模块与MPPT控制模块和蓄电池充放电智能控制模块连接，用于采集当前电路中电压电流信息，为MPPT控制模块和蓄电池充放电智能控制模块提供数据依据；
所述蓄电池充放电智能控制模块与直流母线电流电压采样模块连接，计算当前输出功率，并根据相应规则，对储能蓄电池进行充放电操作，以此使光伏发电上网功率稳定；
所述蓄电池恒功率放电控制模块与蓄电池充放电智能控制模块连接，当前功率小于恒定功率，蓄电池充放电智能控制模块输出所需放电功率，通过控制蓄电池放电控制模块使储能蓄电池以设定功率恒功率进行放电；
所述蓄电池恒流恒压充电控制模块与蓄电池充放电智能控制模块连接，当前功率大于恒定功率，蓄电池充放电智能控制模块输出所需充电功率，通过蓄电池恒流恒压充电控制电路使储能蓄电池以设定功率进行充电；
所述储能蓄电池与蓄电池恒流恒压充电控制模块连接，当需要充电时进行蓄电池充电；储能蓄电池与蓄电池恒功率放电控制模块连接，需要放电时对直流母线进行放电；
储能蓄电池的充电方式有恒压充电与恒流充电，恒压充电时保持充电电压为储能蓄电池额定电压不变，储能蓄电池电压上限即为充电电压，但其初始阶段电流大；恒流充电时保持充电电流不变，但由于等效电路模型的限制，电压的增长没有上限约束；或者采用先恒流后恒压的两阶段充电模式，先通过限定充电电流使电池电压达到设定基准，实现快充；再切换到恒压模式，使电池电压上升至额定值，保证电池寿命，同时使其达到最大电量状态；
充放电智能控制模块的控制策略如下：
所述控制策略第一步：首先计算参考功率和当前功率差值P，判断储能蓄电池需要充电还是放电，当P>0，则储能蓄电池恒功率放电，当 P<0储能蓄电池充电；
所述控制策略第二步：判断储能蓄电池当前电量状态Q，当Q小于电池容量上限Qmax时，充电；当Q小于电池容量上限Qmin时，放电；
所述控制策略第三步：基于储能蓄电池电压进行充电模式选择，当电池电压低于0.85Ur时，Ur为电池额定电压，使用恒流充电进行快充，达到限值时切换为恒压充电进行慢充。
2.根据权利要求1所述的一种分布式储能光伏智能发电系统，其特征在于，当电池电压小于储能蓄电池额定电压的0.85倍时，采用恒流模式，当电池电压大于储能蓄电池额定电压的0.85倍时，采用恒压充电模式。
3.根据权利要求1所述的一种分布式储能光伏智能发电系统，其特征在于，由于光伏阵列具有明显的非线性特效，为了在不同光强下实现输出功率最大化，对光伏阵列的最大功率进行跟踪，使之工作在最大功率点电压。
4.根据权利要求3所述的一种分布式储能光伏智能发电系统，其特征在于，MPPT控制模块不断监测并判断输出功率变化来计算最佳运行电压，根据最佳运行电压，调节MPPT控制模块的等效负载，使之在不同外部环境下始终跟随光伏阵列的内阻变化，实现两者的动态负载匹配，实现输出功率最大化。
5.根据权利要求1所述的一种分布式储能光伏智能发电系统，其特征在于，所述控制策略第二步中，为防止过放或过充影响储能蓄电池寿命，当需要储能蓄电池放电但其电量低于电池容量下限，或对储能蓄电池充电但其电量高于电池容量上限时，为防止过放或过充影，关闭储能蓄电池充放电功能。
6.根据权利要求1所述的一种分布式储能光伏智能发电系统，其特征在于，还包括DC/AC逆变器，DC/AC逆变器采用PQ控制回路，PQ控制回路包括交流母线电压电流采样模块、abc/dq0坐标转换模块、功率计算模块、电流控制环模块、dq0/abc坐标转换模块、PWM调制和PLL锁相环模块；
所述DC/AC逆变器与直流母线连接，用于将直流电转换为交流电，送入交流母线；DC/AC逆变器采用PQ控制回路，用于稳定输出电压，根据实际运行情况使其输出指定功率，抵消负序电流，达到并网平衡的目的；
所述交流母线电压电流采样模块与交流母线连接，用于采集交流母线电压电流信息；
所述abc/dq0c坐标转换模块与交流母线电压电流采样模块连接，用于进行坐标转换，使得在同步旋转 dq 坐标系下，得到d轴与q轴电流；
所述功率计算模块与abc/dq0模块连接，用来计算当前输出的有功功率和无功功率；
所述电流控制环模块与功率计算模块连接，根据参考功率和当前功率，进行电压前馈补偿以实现解耦控制，输出参考电压信号；
所述dq0/abc坐标转换模块与电流控制环连接，通过坐标变化生产可控制PWM调制的参考电压；
所述PWM调制与dq0/abc坐标转换模块连接，根据输出的参考电压通过PWM 调制环节生成开关器件的驱动信号；
所述DC/AC逆变器与PWM调制连接，根据驱动信号控制开关器件实现逆变器的恒功率控制；
所述PLL锁相环模块与交流母线电压电流采样模块连接，用于得到当前电网电压频率及相位，与abc/dq0坐标转换模块和dq0/abc坐标转换模块，控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪。
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