CN115378007A - 一种智能化光伏储能一体化充电站的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了新能源领域的一种智能化光伏储能一体化充电站的控制方法，包括获得未来时间段T内的充电站所在地的天气预报情况，按照预设的光照模型，预测获得光伏元件在时间段T内的预估光伏发电量PL；获得历史时间段N的充电负载的单日充电数据，根据单日充电数据预测未来时间段T内的充电负载的单日所需预估电量QL；计算预估光伏发电量PL与充电负载的单日所需预估电量QL的差值，比较差值与预设阈值的大小，基于比较结果控制充电站的光伏元件、储能元件及电力换能器的工作。本发明提高了各种不同形式的电力资源利用效率，降低用户的经济成本和充电站控制成本，并满足减少碳排放的出行需求。

Description

一种智能化光伏储能一体化充电站的控制方法
技术领域
本发明涉及新能源领域，具体是一种智能化光伏储能一体化充电站的控制方法。
背景技术
众所周知，随着当前经济形势下日益增高碳排放量减排要求，新能源汽车成为了我国节能减排形势下消费者的新选择，然而，受限于当前电池材料本身研发进度的缓慢以及电池充放电技术的瓶颈（比如电池均衡技术等），导致新能源汽车的充电问题是用户关心的首要问题。虽然目前全国部分地区针对新能源汽车实施峰谷充电电价，以降低用户对于充电成本的担心，但如何更有效降低新能源汽车的使用成本，提升电力利用效率仍是目前行业研究的重点。
与此同时，虽然目前全国传统火电发电量仍然占有相当比例，但随着降低碳排放量的需求以及碳中和策略，如何降低碳排放量，利用新能源发电成为了当前电力行业的研究重点。但目前的技术中，新能源发电通常都需要占用较大面积，比如风力发电和光伏发电，考虑到新能源发电传输和并网等技术问题，如何更有效的提升新能源电力利用效率，同样是目前电力行业的重要课题。
然而，当下绿色出行是我国汽车行业的趋势，如何充分利用各种形式的电力资源满足广大用户的用电需求和出行需求，但现有技术中缺乏较为成熟的技术方案能够充分利用各种形式的电力资源满足各类用户的需求，特别是兼顾电力能源的使用效率和经济成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种智能化光伏储能一体化充电站的控制方法，提高了各种不同形式的电力资源利用效率，降低用户的经济成本和充电站控制成本，并满足减少碳排放的出行需求。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种智能化光伏储能一体化充电站的控制方法，方法包括：
获得未来时间段T内的充电站所在地的天气预报情况，按照预设的光照模型，预测获得光伏元件在时间段T内的预估光伏发电量PL；
获得历史时间段N的充电负载的单日充电数据，根据单日充电数据预测未来时间段T内的充电负载的单日所需预估电量QL；
计算预估光伏发电量PL与充电负载的单日所需预估电量QL的差值，比较差值与预设阈值的大小，基于比较结果控制充电站的光伏元件、储能元件及电力换能器的工作。
进一步的，预设第一阈值Th1与第二阈值Th2，当差值大于等于第一阈值Th1时，充电站关闭电力换能器，在未来时间段T之内通过储能元件储存差值电量，储能元件在电网用电高峰时向电网并网供电或者向电网提供超出充电负载单日所需预估电量QL的电力；
当所述差值小于第一阈值Th1且大于第二阈值Th2时，在未来时间段T之内开启电力换能器，当所述光伏元件输出电力不足以满足充电需求，通过电网对充电负载进行供电；同时，在充电间歇期间利用光伏元件的输出电力和/或电网输出电力对所述储能元件进行充电；
当所述差值小于等于第二阈值Th2时，电网向所述储能元件进行充电储能，并按照预设的分配策略计算电网电力的分配使用。
进一步的，所述分配策略按照min(F)=xFh+yFl的最优解执行，其中，Fh为电网高峰 期电价，x为电网高峰期用电时间，Fl为电网低谷期电价，y为电网低谷期用电时间，且
Figure 268553DEST_PATH_IMAGE001
，G为电网向充电站供电的功率，α为冗余量。
进一步的，所述α≥20%或α≥50%。
进一步的，所述预估光伏发电量PL的公式为：
Figure 510179DEST_PATH_IMAGE002
其中P为光伏元件的基准发电功率，∆P为以未来时间段T的天气预报为基准预测的发电功率偏移量。
进一步的，所述单日所需预估电量QL的公式为：
Figure 785302DEST_PATH_IMAGE003
其中KN为历史时间段N中充电站每日提供的充电负载充电量。
进一步的，当单个充电站以及电网母线无法满足充电负载的电力需求时，采用并网供电策略或多个充电站之间通过分布式调压策略实现电力调用。
进一步的，所述分布式调压策略包括步骤如下：
步骤1：针对需要电压调节的区域，将多个所述充电站划分到k个片区，其中0≤k≤M，M为区域内划分的总片区数量；
步骤2：根据电压调节需求，将第k个片区内满足电压需求且电压稳定的某个充电站设为基准节点Z0k；
步骤3：计算各片区充电站的电压偏离值Zk；
步骤4：判断各片区充电站的电压偏离值Zk是否在预设偏差阈值范围内：
若是，则可不对该片区内的充电站电压进行调整；
若否，则可将该片区内各单个充电站输出电压与片区内基准节点Z0k输出电压的差值位于预设偏差阈值范围内的充电站，以及在预设偏差阈值范围内的其余片区充电站全部划分为第一群体，而将区域内剩余充电站划分为第二群体，利用第一群体的电力换能器增发无功量Q1，并利用无功量Q1向第二群体内的各充电站分配无功功率，以提升第二群体内充电站的电压，完成电压调节；
步骤5：循环检测该区域内的电压偏离值，重复步骤1~4。
进一步的，所述电压偏离值Zk的计算公式为：
Figure 491090DEST_PATH_IMAGE004
其中L为需要电压调节的区域内除去作为基准节点Z0k的片区内其余充电站的数量，Sl0为第l个充电站相对于基准节点Z0k的电压无功敏感值，Slp为第l个充电站内光伏元件输出电压相对于该充电站母线电压的电压无功敏感值，Slv为第l个充电站内充电负载反向充电时输出电压相对于该充电站母线电压的电压无功敏感值，T1为充电负载能够进行反向充电的时间段，Up和Uv分别是光伏元件和充电负载的输出电压，δ1和δ2分别为光伏元件和充电负载各自对应的权重系数。
进一步的，所述充电负载为过往时间段内所有参与反向充电的负载和/或单个负载。
有益效果：本发明提供的一种智能化光伏储能一体化充电站及其控制方法，通过互联网获取未来一段时间段的天气预报情况、过往一定时间段所有参与反向充电汽车的平均反向充电时间和/或通过车联网获得单独某个车辆的反向充电历史，通过其历史数据获得其反向充电的平均值或时间段内的预期值，从而有效预测并调节功率供给侧和需求侧的电力资源，利用新能源发电以及电动汽车进行削峰填谷，提升了电力资源的利用率，兼顾了电力能源的使用效率和经济成本。
附图说明
图1为本发明中的智能化光伏储能一体化充电站结构示意图。
图2为本发明中换能器内部元件以及与外部元件的连接示意图。
图3为本发明的流程图。
图4为本发明分布式调压策略的实施流程图。
附图标记：1-电网；2-换能器；3-光伏元件；4-新能源汽车；5-光伏换能器；6-充电换能器；7-电力换能器；8-控制器；9-电力母线；10-控制总线；11-储能换能器；12-储能元件。
具体实施方式
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
参见图1，一种智能化光伏储能一体化充电站包括安装在充电站顶部的光伏元件3、同时接入电网1、光伏元件3和网络的换能器2。
如图2所示，换能器2内部包括控制器8、控制总线10、电力母线9、电力换能器7、光伏换能器5、储能换能器11、储能元件12和充电换能器6。其中，控制器8通过有线或者无线的方式接入互联网（图中未示出），同时控制器8通过控制总线10控制电力换能器7、光伏换能器5、储能换能器11和充电换能器12。充电换能器6一端连接电力母线9，另一端可与充电负载连接，充电负载一般为新能源汽车4，从而为其提供电力或者接收其输出电力。储能换能器11一端连接电力母线9，另一端可与储能元件12连接，为其提供电力或者接收其输出电力。电力换能器7一端连接电力母线9，一端与电网连接，为其提供电力或者接收其输出电力。
现有技术中，通常只会考虑光伏元件将光能转换为电能之后进行存储、用于给新能源汽车充电，或者用于并网发电，但是对于优化协调以供电效率的技术方案少之又少。本发明旨在充分利用网络信息以及现有数据，对如何优化调配光伏电力进行并、充、储，实现电力利用效率的最大化提供控制方法。
如图3所示，方法包括：
控制器通过连接互联网获得未来时间段T内的充电站所在地的天气预报情况，按照预设的光照模型，预测获得光伏元件在时间段T内的预估光伏发电量PL。具体地，所述预估光伏发电量PL的公式为：
Figure 826256DEST_PATH_IMAGE002
其中P为光伏元件的基准发电功率，∆P为以未来时间段T的天气预报为基准预测的发电功率偏移量。发电功率偏移量计算的影响因素至少包括光照时长的变动情况、天气条件对最大功率追踪点的影响和/或太阳升起和落下的时间节点变化等，具体地，发电功率偏移量可采用BP神经网络算法、最大功率点追踪(MPPT)或者是梯度电导法进行计算，由于该技术在现有技术已存在，并且并非本发明改进重点，故在此不再赘述。
同时，控制器获得历史时间段N的充电负载的单日充电数据，主要为新能源汽车的单日充电量，控制器对其做平滑处理后得出每日平均充电量，并以此为根据预测未来时间段T内的充电负载的单日所需预估电量QL。具体地，所述单日所需预估电量QL的公式为：
Figure 555178DEST_PATH_IMAGE003
其中KN为历史时间段N中充电站每日对充电负载提供的充电量。
计算预估光伏发电量PL与充电负载的单日所需预估电量QL的差值，比较差值与预设阈值的大小。
具体地，预设第一阈值Th1与第二阈值Th2，当差值大于等于第一阈值Th1时，说明光伏发电量足够本地区新能源汽车充电量的充电需求，充电站在未来时间段T内采用储能模式。即关闭电力换能器以节省供电费用，充分利用光伏发电通过储能元件储存两者产生的差值电量，且储能元件在电网用电高峰时向电网并网供电或者向电网提供超出新能源汽车单日所需预估电量QL的电力，以达到充分利用电能的作用。
当所述差值小于第一阈值Th1且大于第二阈值Th2时，则说明根据前述预测结果，在未来时间段T内，充电站可能能够满足本地区新能源汽车充电量的充电需求，但也可能由于单日实际充电需求的波动而无法满足新能源车主的充电需求，故需要优先满足新能源车主的用户需求。此时，在未来时间段T之内开启电力换能器，则当所述光伏元件输出电力不足以满足充电需求时，能够通过电网对新能源汽车进行供电；同时，在充电间歇期间利用光伏元件的输出电力和/或电网输出电力可以对所述储能元件进行充电，以确保充电站的输出电力能够满足新能源汽车的充电需求。
当所述差值小于等于第二阈值Th2时，则说明根据前述预估算法，在未来时间段T之内，充电站难以满足本地区新能源汽车充电量的充电需求，需要从当前就开始利用电网电力向储能元件进行充电储能，并按照预设的分配策略计算电网电力的分配使用。
优选的，为了满足经济最大化，分配策略按照min(F)=xFh+yFl的最优解执行，其中， Fh为电网高峰期电价，x为电网高峰期用电时间，Fl为电网低谷期电价，y为电网低谷期用电 时间，且
Figure 633992DEST_PATH_IMAGE001
，G为电网向充电站供电的功率，α为冗余量，优选的，α ≥20%，更优选的，α≥50%。
优选的，由于新能源众所周知的电压波动特性，比如不同区域的光照条件受不同天气条件较为明显，当单个充电站无法完成电力供给，特别是母线电压水平难以满足使用要求时，采用并网供电策略或多个充电站之间通过分布式调压策略实现电力调用，以便于有效利用电能。
具体地，如图4所示，分布式调压策略包括步骤如下：
步骤1：针对需要电压调节的区域，将多个所述充电站划分到k个片区，其中0≤k≤M，M为区域内划分的总片区数量；
步骤2：根据电压调节需求，将第k个片区内满足电压需求且电压稳定的某个充电站设为基准节点Z0k；
步骤3：计算各片区充电站的电压偏离值Zk，电压偏离值Zk的计算公式为：
Figure 194287DEST_PATH_IMAGE004
其中L为需要电压调节的区域内除去作为基准节点Z0k的片区内其余充电站的数量，Sl0为第l个充电站相对于基准节点Z0k的电压无功敏感值，Slp为第l个充电站内光伏元件输出电压相对于该充电站母线电压的电压无功敏感值，Slv为第l个充电站内充电负载反向充电时输出电压相对于该充电站母线电压的电压无功敏感值，T1为新能源汽车能够进行反向充电的时间段（新能源汽车不可能持续反向充电），Up和Uv分别是光伏元件和充电负载的输出电压，δ1和δ2分别为光伏元件和新能源汽车各自对应的权重系数，优选的，依据光伏元件和新能源汽车的输出功率比例确定各自的权重系数。
电压无功敏感值可以通过设置无功功率∆Q，之后测量并获得各充电站/节点以及充电站内部光伏元件和反向充电的新能源汽车的电压变化量∆U，从而依据∆U与∆Q的比值来获得电压无功敏感值。需要说明的是，上述控制方法中充电负载为过往时间段内所有参与反向充电的负载和/或单个负载，也即时间段T1既可以是过往一定时间段T2内所有参与反向充电的新能源汽车的平均反向充电时间，也可以通过车联网获得单独某个新能源汽车的反向充电历史，通过其历史数据获得其反向充电的平均值或某个时间段内的预期值。
步骤4：判断各片区充电站的电压偏离值Zk是否在预设偏差阈值范围内：
若是，则可不对该片区内的充电站电压进行调整；
若否，则可将该片区内各单个充电站输出电压与片区内基准节点Z0k输出电压的差值位于预设偏差阈值范围内的充电站，以及在预设偏差阈值范围内的其余片区充电站全部划分为第一群体，而将区域内剩余充电站划分为第二群体，利用第一群体的电力换能器增发无功量Q1，并利用无功量Q1向第二群体内的各充电站分配无功功率，以提升第二群体内充电站的电压，完成电压调节；
步骤5：循环检测该区域内的电压偏离值，重复步骤1~4。
由于该调压策略中，在计算电压偏离值时充分考虑到新能源汽车的反向充电的时间、敏感度和权重系数，因此电压偏离值的计算更为精准，不至于反复迭代和调节整个区域内的有功和无功增量，使得电压调节效率提升，系统通知成本下降。
本发明可以有效预测并调节功率供给侧和需求侧的电力资源，利用新能源发电以及新能源汽车进行削峰填谷，提升电力资源的利用率，兼顾了电力能源的使用效率和经济成本。同时，在区域电压调节的过程中，基于新能源汽车反向充电存在波动的特点，将光伏发电和新能源汽车反向充电的电压赋权计算，以减避免现有技术中粗放的计算方式和反复迭代循环的低效率调压手段，精确计算目标调压站点，并快速完成区域调压和供需平衡，提高了效率并降低了成本。
虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种智能化光伏储能一体化充电站的控制方法，其特征在于，方法包括：
获得未来时间段T内的充电站所在地的天气预报情况，按照预设的光照模型，预测获得光伏元件在时间段T内的预估光伏发电量PL；
获得历史时间段N的充电负载的单日充电数据，根据单日充电数据预测未来时间段T内的充电负载的单日所需预估电量QL；
计算预估光伏发电量PL与充电负载的单日所需预估电量QL的差值，比较差值与预设阈值的大小，基于比较结果控制充电站的光伏元件、储能元件及电力换能器的工作；
当单个充电站以及电网母线无法满足充电负载的电力需求时，采用并网供电策略或多个充电站之间通过分布式调压策略实现电力调用；所述分布式调压策略包括步骤如下：
步骤1：针对需要电压调节的区域，将多个所述充电站划分到k个片区，其中0≤k≤M，M为区域内划分的总片区数量；
步骤2：根据电压调节需求，将第k个片区内满足电压需求且电压稳定的某个充电站设为基准节点Z0k；
步骤3：计算各片区充电站的电压偏离值Zk；
步骤4：判断各片区充电站的电压偏离值Zk是否在预设偏差阈值范围内：
若是，则可不对该片区内的充电站电压进行调整；
若否，则可将该片区内各单个充电站输出电压与片区内基准节点Z0k输出电压的差值位于预设偏差阈值范围内的充电站，以及在预设偏差阈值范围内的其余片区充电站全部划分为第一群体，而将区域内剩余充电站划分为第二群体，利用第一群体的电力换能器增发无功量Q1，并利用无功量Q1向第二群体内的各充电站分配无功功率，以提升第二群体内充电站的电压，完成电压调节；
步骤5：循环检测该区域内的电压偏离值，重复步骤1~4。
2.根据权利要求1所述的一种智能化光伏储能一体化充电站的控制方法，其特征在于，预设第一阈值Th1与第二阈值Th2，当差值大于等于第一阈值Th1时，充电站关闭电力换能器，在未来时间段T之内通过储能元件储存差值电量，储能元件在电网用电高峰时向电网并网供电或者向电网提供超出充电负载单日所需预估电量QL的电力；
当所述差值小于第一阈值Th1且大于第二阈值Th2时，在未来时间段T之内开启电力换能器，当所述光伏元件输出电力不足以满足充电需求，通过电网对充电负载进行供电；同时，在充电间歇期间利用光伏元件的输出电力和/或电网输出电力对所述储能元件进行充电；
当所述差值小于等于第二阈值Th2时，电网向所述储能元件进行充电储能，并按照预设的分配策略计算电网电力的分配使用。
3.根据权利要求2所述的一种智能化光伏储能一体化充电站的控制方法，其特征在于， 所述分配策略按照min(F)=xFh+yFl的最优解执行，其中，Fh为电网高峰期电价，x为电网高峰 期用电时间，Fl为电网低谷期电价，y为电网低谷期用电时间，且
Figure 158211DEST_PATH_IMAGE001
，G为电网向充电站供电的功率，α为冗余量。
4.根据权利要求3所述的一种智能化光伏储能一体化充电站的控制方法，其特征在于，所述α≥20%或α≥50%。
5.根据权利要求1所述的一种智能化光伏储能一体化充电站的控制方法，其特征在于，所述预估光伏发电量PL的公式为：
Figure 912540DEST_PATH_IMAGE002
其中P为光伏元件的基准发电功率，∆P为以未来时间段T的天气预报为基准预测的发电功率偏移量。
6.根据权利要求1所述的一种智能化光伏储能一体化充电站的控制方法，其特征在于，所述单日所需预估电量QL的公式为：
Figure 711869DEST_PATH_IMAGE003
其中KN为历史时间段N中充电站每日对充电负载提供的充电量。
7.根据权利要求1所述的一种智能化光伏储能一体化充电站的控制方法，其特征在于，所述电压偏离值Zk的计算公式为：
Figure 235254DEST_PATH_IMAGE004
其中L为需要电压调节的区域内除去作为基准节点Z0k的片区内其余充电站的数量，Sl0为第l个充电站相对于基准节点Z0k的电压无功敏感值，Slp为第l个充电站内光伏元件输出电压相对于该充电站母线电压的电压无功敏感值，Slv为第l个充电站内充电负载反向充电时输出电压相对于该充电站母线电压的电压无功敏感值，T1为充电负载能够进行反向充电的时间段，Up和Uv分别是光伏元件和充电负载的输出电压，δ1和δ2分别为光伏元件和充电负载各自对应的权重系数。
8.根据权利要求1~7任一所述的一种智能化光伏储能一体化充电站的控制方法，其特征在于，所述充电负载为过往时间段内所有参与反向充电的负载和/或单个负载。
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