CN115352311A - 一种光储充放换电系统能源管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光储充放换电系统能源管理方法，系统包括光伏发电系统、锂电池储能系统、直流双向充放电系统、交流充电系统、换电系统；对日间、夜间设备负载用电及空闲情况下进行能源管理规划，同时考虑峰谷平用电时段的电价差异以及不同时段电网负荷和调峰需求因素，进行能量流控制，实现策略最优；设置第一能量源、第二能量源、第三能量源，其中在用电负载低于第一能量源输出功率条件下，有限启用第一能量源，第二、第三能量源不做能量输出，当负载功率大于第一能量源时，第二能量源启用，随着负载增大，启动第三能量源；本发明实现了能源合理分配；本发明实现了不同工况下的最优用能策略，制定最经济、最高效的能量流方案。

Description

一种光储充放换电系统能源管理方法

技术领域

本发明属于汽车技术领域，涉及一种光储充放换电系统能源管理方法。

背景技术

国家和地方相关部门均颁布了一系列政策来引导驱动储能产业的发展，在政策引导与环境危机的背景下，我国各大汽车企业都在大力推进新能源电动车的研发，建立一个良好电动车补电生态系统将有利于电动车的普及及市场推广；同时随着电动车保有量的逐年攀升，国家电网的负荷承载能力受到前所未有的挑战，因此，建立光储充放换电系统对与平衡电网的峰谷负荷也意义重大。

现有的光伏发电系统、充电系统、换电系统，各系统间相对较为独立，目前在各自的领域内技术也在不断的突破发展，但作为电动汽车的关联产业，各系统间并没有有效的结合起来形成电动车补电的生态圈。

现有的技术方案中，多数为对光伏发电、锂电储能、充电系统进行的能源管理方案制定。

专利CN109286199B《并网式光储充系统的储能控制方法和系统》中提出了一种光储充系统及控制方法，其所述系统主要的创新点为涵盖了梯次电池储能系统和新电池储能系统，针对不同类型的新旧电池进行了系统归类整合，此外还针对不同程度的电网运行负荷工况，对电网及储能系统的供电模式进行设计，考虑因素比较单一。所述的储能控制方法和系统根据用户侧用电量的多少，合理调整光伏发电模块的发电功率以及输电方向，充分利用储能模块的削峰填谷的功效。该专利所述的系统构成相对简单，所以整体能源管理策略较为简单。并没有考虑夜间光伏无法发电，储能SOC较低等情况下的能量管理方案。

本申请考虑了更多相关因素，分别考虑了日间、夜间、峰、谷、平用电时段、有负载及负载空闲的情况下整个系统的能量管理方案，相比下更为细致合理，且整个系统的多元化程度及应用场景也更加丰富。

专利CN111469699A《光储充装置及其控制方法》中提出了一种光储充装置及控制方法，该专利中所述控制方法仅描述了并网和离网工况下整个系统的总体能量流向，并未细化系统内部的能量流，同时也未考虑峰谷平用电时段的方案差异性，本申请从系统的多元化程度及所考虑的影响因素均优于该专利。

专利CN212588096U《一种光储充微网系统》中提出了一种光储充微网系统，其特点在于通过并离网切换单元与电网和负载的连接方式切换实现了直流组网和交流组网的切换，从而应对电网停电和异常波动情况下光储充相关功能的正常运转，但本申请是从多种能量源对应多种负载工况的条件下的合理化的能量管理方案，二者的侧重点不同。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的上述问题，提供了一种光储充放换电系统能源管理方法。

本发明提出了一种针对光储充放换一体化综合系统的能源管理方法，将光伏发电系统、锂电储能系统、电动车充电系统、放电系统、换电系统基于降低电网负荷和满足用户多样化补电场景需求的角度进行合理的系统能量流管理，形成了一个集绿色能源、削峰填谷、快速充放电、智能换电等多维优势结合的补电生态系统，并从日间、夜间、负载工作、负载空闲结合峰谷电用电时段等工况进行能源管理方案设计，为后续一体化系统能量管理设计开发提供参照。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：

一种光储充放换电系统能源管理方法，系统包括光伏发电系统、锂电池储能系统、直流双向充放电系统、交流充电系统、换电系统；其特征在于：

包括对日间、夜间设备负载用电及空闲情况下进行能源管理规划，同时考虑峰谷平用电时段的电价差异以及不同时段电网负荷和调峰需求因素，进行能量流控制，实现策略最优；设置第一能量源、第二能量源、第三能量源，其中在用电负载低于第一能量源输出功率条件下，有限启用第一能量源，第二、第三能量源不做能量输出，当负载功率大于第一能量源时，第二能量源启用，随着负载增大，启动第三能量源。

进一步地，日间设备负载用电能源管理方法，针对于日间光伏发电系统工作条件下，直流充电、交流充电、换电站中存在负载用电的工况下，针对不同的负载功率大小，不同的用电时段：

a)当白天光照强烈，光伏发电输出电能能够满足整个系统用电负载的条件下，优先使用光伏发电系统能量，太阳能为免费能源，峰谷平用电时段下光伏发电均为第一能量源；

b)当光伏发电无法满足用电负载条件下，考虑到峰谷平电价差的因素，锂电池储能系统为峰电平电用电时段的第二能量源，变压器输出电为谷电时段的第二能量源；

c)当光伏加储能系统电能均无法满足系统用电负载的条件下，最终启动变压器输出电为第三能量源，第三能量源应用峰谷平用电时段。

进一步地，锂电池储能系统作为第二能量源的条件为SOC大于放电下限值，此值用户可自行设定。

进一步地，夜间设备负载用电能源管理方法，针对于夜间光伏发电系统不工作条件下，直流双向充放电系统、交流充电系统、换电系统中存在负载用电的工况下，针对不同的负载功率大小，不同的用电时段：

a)夜间条件下没有光照，光伏发电系统不进行电能输出，此时整个系统用电负载的在峰电时段和平电时段的第一能量源为储能电池，理想状态下，锂电池储能系统存储的电为谷电时段电网充入或光伏发电充入的，在峰平用电时段锂电池储能系统放电经济型最佳；

b)在谷电用电时段下，应为电网谷电相对较低，此时变压器输出电作为系统供电的第一能量源；

c)当锂电池储能系统放电深度达到储能系统SOC低于设定值时，系统启用变压器输出电作为第二能量源对负载进行供电。

进一步地，日间设备负载空闲能源管理方法，针对于日间光伏发电系统工作条件下，直流双向充放电系统、交流充电系统、换电系统中负载空闲的工况下，针对不同的光照强度，不同的用电时段及电网的调峰需求：

a)日间负载空闲条件下，光伏发电系统会输出电能，用户将车辆电能回馈变压器输出电或锂电池储能系统，此时第一能量源为光伏发电系统和直流双向充放电系统，当变压器输出电有调峰需求时，能源优先流向变压器输出电，当变压器输出电无调峰需求时，电能流向锂电池储能系统；

b)当变压器输出电调峰需求较大情况下，光伏发电系统加直流双向充放电系统无法满足时，锂电池储能系统在峰平用电时段作为第二能量源向电网输电参与调峰；

c)当用电时段为谷电时，通常电网负荷较小，无调峰需求，变压器输出电作为第二能量源对锂电池储能系统进行补电，以备峰时放电。

进一步地，在光伏发电量较小时，当锂电池储能系统SOC小于设定值时，变压器输出电作为第二能量源对锂电池储能系统进行补电，以备峰时放电。

进一步地，夜间设备负载空闲能源管理方法，针对于日间光伏发电系统不工作条件下，直流双向充放电系统、交流充电系统、换电系统中负载空闲的工况下，针对不同的用电时段及电网的调峰需求：

a)夜间条件下光伏系统没有能量输出，当国家电网在峰平用电时段有调峰需求时，直流双向充放电系统和锂电池储能系统同时作为第一能量源向国家电网输电；

b)当用电时段为谷电时，通常国家电网负荷较小，无调峰需求，变压器输出电加直流双向充放电系统作为第一能量源对锂电池储能系统进行补电，以备峰时放电。

进一步地，直流双向充放电系统和锂电池储能系统同时作为第一能量源向国家电网输电，前提条件为锂电池储能系统SOC大于设定值。

进一步地，当锂电池储能系统SOC小于设定值时，变压器输出电加直流双向充放电系统作为第一能量源对锂电池储能系统进行补电，以备峰时放电。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1)从负载运行状况和光伏系统发电状况对整个系统运行进行分类，分为日间负载运行、夜间负载运行、日间负载空闲、夜间负载空闲，依据光伏发电强度、储能SOC状态、电网调峰需求、用电负荷状态、峰谷平不同用电时段进行综合评估，实现能源合理分配；

2)通过分化整个光储充放换系统供电电源的第一能量源、第二能量源、第三能量源，第一能量源优先级最高，第三能量源优先级最低，实现不同工况下的最优用能策略，制定最经济、最高效的能量流方案。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为光储充放换系统拓扑架构示意图；

图2为日间负载用电工况下能量流示意图；

图3为夜间负载用电工况下能量流示意图；

图4为日间负载空闲工况下能量流示意图；

图5为夜间负载空闲工况下能量流示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

下面结合附图对本发明作详细的描述：

系统描述：

本发明专利提出了一种一体化综合系统能源管理方法，应用于光储充放换电系统，该系统为一种新型的电动车补电生态系统，该系统包括光伏发电系统、锂电池储能系统、直流双向充放电系统、交流充电系统、换电系统。参阅图1，见光储充放换系统拓扑架构实体图。该系统可支持光伏发电、车辆余电回收存储、余电上网调峰、车辆快慢充、快速换电等多元化功能，基于以上系统构成及应用场景，本申请对以下工况下的系统能源管理方案进行合理化设计。

光伏发电系统包括光伏组件、光伏逆变器，光伏组件将太阳能转换为直流电能输入到光伏逆变器，光伏逆变器将直流电转换为交流电输入到并网柜；

锂电池储能系统包括储能变流器、电池簇、电池管理系统；

储能变流器将电网侧交流电与储能侧直流电进行双向转换，实现储能电池与电网的电能传输；

电池簇由电池模组与高压保护盒串联组成，用于存储电能；

电池管理系统对电芯的温度、电流、电压关键参数进行实时监控，保证电池单体温度和电压运行在安全范围内，及时对故障电芯进行隔离，保证系统的安全性；

直流双向充放电系统包含充电主机控制单元、直流充放电双向DC/DC模块、直流充放电终端；

充电主机控制单元用于实现车机之间的通讯交互，对整个充、放电过程进行监测控制；

直流充放电双向DC/DC模块在对电动车充电工况下，调节输出电压高于车端电压，在对电动车放电工况下，调节输出电压高于储能电池电压，对储能系统进行充电；

直流充放电终端通过标准接口连接车辆进行充放电操作。

交流充电系统包含充电机及充电枪；充电机用于对整个交流充电过程进行安全监控及充电信息检测；充电枪通过标准接口与电动车进行连接充电；

换电系统作为独立的用电负载通过接入并网柜，实现能量源的切换控制。

光储充放换系统能源管理方法：

为了全覆盖整个系统的全部应用场景，本申请从日间、夜间设备负载用电及空闲等情况下进行了能源管理规划，同时还考虑了峰谷平用电时段的电价差异以及不同时段电网负荷和调峰需求等因素，更合理进行能量流控制，实现策略最优。方案中分别设置了第一能量源、第二能量源、第三能量源，其中在用电负载低于第一能量源输出功率条件下，有限启用第一能量源，第二第三能量源不做能量输出，当负载功率大于第一能量源时，第二能量源启用，以此类推，随着负载增大到一定程度后，启动第三能量源。针对具体工况管理方法如下:

日间负载用电能源管理方法：

参阅图2，所述的能源管理方法针对于日间光伏系统工作条件下，直流充电、交流充电、换电站中存在负载用电的工况下，针对不同的负载功率大小，不同的用电时段，本申请制定如下管理方案：

a)当白天光照强烈，光伏发电输出电能能够满足整个系统用电负载的条件下，优先使用光伏发电能量，因太阳能为免费能源，所以全用电时段(峰谷平)下光伏发电均为第一能量源；

b)当光伏发电无法满足用电负载条件下，考虑到峰谷平电价差的因素，储能电池为峰电平电用电时段的第二能量源，电网电(电网电指的是10kV高压电经过变压器转化后输出的交流电能，与图1中命名一致，定义为“变压器输出电”)为谷电时段的第二能量源；其中储能电池作为第二能量源的条件为SOC大于放电下限值，此值用户可自行设定。

c)当光伏加储能系统电能均无法满足系统用电负载的条件下，最终启动电网电源为第三能量源，第三能量源应用全用电时段(峰谷平)

夜间负载用电能源管理方法：

参阅图3，所述的能源管理方法针对于夜间光伏系统不工作条件下，直流充电、交流充电、换电站中存在负载用电的工况下，针对不同的负载功率大小，不同的用电时段，本申请制定如下管理方案：

a)夜间条件下没有光照，所以光伏系统不进行电能输出，此时整个系统用电负载的在峰电时段和平电时段的第一能量源为储能电池，因为理想状态下，储能电池存储的电为谷电时段电网充入或光伏发电充入的，在峰平用电时段储能电池放电经济型最佳；

b)在谷电用电时段下，应为电网谷电相对较低，此时电网作为系统供电的第一能量源；

c)当储能电池放电深度达到一定程度时(储能系统SOC低于设定值)，系统启用电网作为第二能量源对负载进行供电。

日间负载空闲能源管理方法：

参阅图4，所述的能源管理方法针对于日间光伏系统工作条件下，直流充电、交流充电、换电站中负载空闲的工况下，针对不同的光照强度，不同的用电时段及电网的调峰需求，本申请制定如下管理方案：

a)日间负载空闲条件下，光伏发电系统会输出电能，用户也可将车辆电能回馈电网或储能电池，所以此时第一能量源为光伏发电和电动车馈电，当电网有调峰需求时，能源优先流向电网，当电网无调峰需求时，电能流向储能电池。

b)当电网调峰需求较大情况下，光伏发电加电动车馈电无法满足时，储能电池系统在峰平用电时段可作为第二能量源向电网输电参与调峰；

c)当用电时段为谷电时，通常电网负荷较小，无调峰需求，此时在光伏发电量较小时，当储能电池SOC小于设定值时，电网应作为第二能量源对储能电池进行补电，以备峰时放电。

夜间负载空闲能源管理方法：

参阅图5，所述的能源管理方法针对于日间光伏系统不工作条件下，直流充电、交流充电、换电站中负载空闲的工况下，针对不同的用电时段及电网的调峰需求，本申请制定如下管理方案：

a)夜间条件下光伏系统没有能量输出，在电网在峰平用电时段有调峰需求时，因为电动车馈电量有限，所以此时电动车馈电和储能电池系统同时作为第一能量源向电网输电，前提条件为储能电池SOC大于设定值；

b)当用电时段为谷电时，通常电网负荷较小，无调峰需求，当储能电池SOC小于设定值时，电网加电动车馈电应作为第一能量源对储能电池进行补电，以备峰时放电。

本发明光储充放换一体化系统拓扑架构，具有创新性。

光储充放换系统及类似系统的能源调度管理策略，具有创新性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种光储充放换电系统能源管理方法，系统包括光伏发电系统、锂电池储能系统、直流双向充放电系统、交流充电系统、换电系统；其特征在于：

包括对日间、夜间设备负载用电及空闲情况下进行能源管理规划，同时考虑峰谷平用电时段的电价差异以及不同时段电网负荷和调峰需求因素，进行能量流控制，实现策略最优；设置第一能量源、第二能量源、第三能量源，其中在用电负载低于第一能量源输出功率条件下，有限启用第一能量源，第二、第三能量源不做能量输出，当负载功率大于第一能量源时，第二能量源启用，随着负载增大，启动第三能量源。

2.根据权利要求1所述的一种光储充放换电系统能源管理方法，其特征在于：

日间设备负载用电能源管理方法，针对于日间光伏发电系统工作条件下，直流充电、交流充电、换电站中存在负载用电的工况下，针对不同的负载功率大小，不同的用电时段：

a)当白天光照强烈，光伏发电输出电能能够满足整个系统用电负载的条件下，优先使用光伏发电系统能量，太阳能为免费能源，峰谷平用电时段下光伏发电均为第一能量源；

b)当光伏发电无法满足用电负载条件下，考虑到峰谷平电价差的因素，锂电池储能系统为峰电平电用电时段的第二能量源，变压器输出电为谷电时段的第二能量源；

c)当光伏加储能系统电能均无法满足系统用电负载的条件下，最终启动变压器输出电为第三能量源，第三能量源应用峰谷平用电时段。

3.根据权利要求2所述的一种光储充放换电系统能源管理方法，其特征在于：

锂电池储能系统作为第二能量源的条件为SOC大于放电下限值，此值用户可自行设定。

4.根据权利要求1所述的一种光储充放换电系统能源管理方法，其特征在于：

夜间设备负载用电能源管理方法，针对于夜间光伏发电系统不工作条件下，直流双向充放电系统、交流充电系统、换电系统中存在负载用电的工况下，针对不同的负载功率大小，不同的用电时段：

a)夜间条件下没有光照，光伏发电系统不进行电能输出，此时整个系统用电负载的在峰电时段和平电时段的第一能量源为储能电池，理想状态下，锂电池储能系统存储的电为谷电时段电网充入或光伏发电充入的，在峰平用电时段锂电池储能系统放电经济型最佳；

b)在谷电用电时段下，应为电网谷电相对较低，此时变压器输出电作为系统供电的第一能量源；

c)当锂电池储能系统放电深度达到储能系统SOC低于设定值时，系统启用变压器输出电作为第二能量源对负载进行供电。

5.根据权利要求1所述的一种光储充放换电系统能源管理方法，其特征在于：

日间设备负载空闲能源管理方法，针对于日间光伏发电系统工作条件下，直流双向充放电系统、交流充电系统、换电系统中负载空闲的工况下，针对不同的光照强度，不同的用电时段及电网的调峰需求：

a)日间负载空闲条件下，光伏发电系统会输出电能，用户将车辆电能回馈变压器输出电或锂电池储能系统，此时第一能量源为光伏发电系统和直流双向充放电系统，当变压器输出电有调峰需求时，能源优先流向变压器输出电，当变压器输出电无调峰需求时，电能流向锂电池储能系统；

b)当变压器输出电调峰需求较大情况下，光伏发电系统加直流双向充放电系统无法满足时，锂电池储能系统在峰平用电时段作为第二能量源向电网输电参与调峰；

c)当用电时段为谷电时，通常电网负荷较小，无调峰需求，变压器输出电作为第二能量源对锂电池储能系统进行补电，以备峰时放电。

6.根据权利要求5所述的一种光储充放换电系统能源管理方法，其特征在于：

在光伏发电量较小时，当锂电池储能系统SOC小于设定值时，变压器输出电作为第二能量源对锂电池储能系统进行补电，以备峰时放电。

7.根据权利要求1所述的一种光储充放换电系统能源管理方法，其特征在于：

夜间设备负载空闲能源管理方法，针对于日间光伏发电系统不工作条件下，直流双向充放电系统、交流充电系统、换电系统中负载空闲的工况下，针对不同的用电时段及电网的调峰需求：

a)夜间条件下光伏系统没有能量输出，当国家电网在峰平用电时段有调峰需求时，直流双向充放电系统和锂电池储能系统同时作为第一能量源向国家电网输电；

b)当用电时段为谷电时，通常国家电网负荷较小，无调峰需求，变压器输出电加直流双向充放电系统作为第一能量源对锂电池储能系统进行补电，以备峰时放电。

8.根据权利要求7所述的一种光储充放换电系统能源管理方法，其特征在于：

直流双向充放电系统和锂电池储能系统同时作为第一能量源向国家电网输电，前提条件为锂电池储能系统SOC大于设定值。

9.根据权利要求7所述的一种光储充放换电系统能源管理方法，其特征在于：

当锂电池储能系统SOC小于设定值时，变压器输出电加直流双向充放电系统作为第一能量源对锂电池储能系统进行补电，以备峰时放电。

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