CN115764969A - 基于全钒液流电池的光储直柔系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于全钒液流电池的光储直柔系统及其控制方法，涉及光储直柔技术领域，本发明在建筑终端引入了直流母线，所述光储直柔系统包括光伏单元、全钒液流电池储能单元、熔盐储热卡诺电池单元、直流充电桩、微网控制器EMS和AC‑DC四象限智能变换单元，所述光伏单元、全钒液流电池储能单元、熔盐储热卡诺电池单元、直流充电桩、微网控制器EMS和AC‑DC四象限智能变换单元均与直流母线相连，所述AC‑DC四象限智能变换单元输出端与交流母线相连。本发明为建筑提供了光伏+储能互补的近零碳能源系统，解决了储能安全性、环保性和储能时间短的问题，优化了源网荷储的协调控制，提高了系统的经济性和可靠性。

Description

基于全钒液流电池的光储直柔系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及光储直柔技术领域，特别涉及基于全钒液流电池的光储直柔系统及其控制方法。

背景技术

气候变化是人类面临的共同挑战，关系到人类的生存和发展。为应对能源危机和全球变暖，世界各国纷纷承诺加强开发清洁能源，降低二氧化碳排放量。目前可再生能源高比例渗透引起的间歇性波动性问题对电网造成严重的影响，为应对电网源侧变化与负荷侧不匹配的问题，需要在用户侧推广“光储直柔”技术，其特点是将分布式光伏、分布式储能与直流配电建筑有机地结合起来，核心是将储能电池放在负荷侧或建筑内，使建筑用电由刚性负载转变为柔性负载，目的是提高了绿色清洁能源就地消纳的能力，同时避免输入输出的两次转换，提高了电能转换效率，减少设备投资和占地面积。

目前在建筑终端建设的“光储直柔”建筑基于磷酸铁锂电池储能，由于锂电池固有的特性使其存在较高的燃爆安全隐患。同时，目前的光储直柔系统与建筑供热采暖的峰谷负荷匹配也存在较大的偏差，这些都限制了光储直柔技术在建筑楼宇和工商业用户侧的应用和发展。

本专利提出的技术是通过在建筑终端或用户端建立具有柔性交互功能的直流微网，利用建筑屋顶光伏和全钒液流电池可持续供应电能，同时系统集成了熔盐储热装置和充电桩作为大功率负载充分消纳绿电，为建筑用户提供电能、蒸汽或热水，减少了对来自市电、天然气等化石能源的使用，降低了碳排放和环境污染，是一种高度集成化的绿色电能电热联供系统，在建筑用户端实现了能源供应清洁化、能源消费低碳化，能源保障安全化的“零碳”深度减排目标。

目前已公布的光储直柔是基于锂电池的系统，在安全性方面，锂电池固有的特性使其在建筑楼宇的应用存在诸多的安全隐患和环保问题；在经济性方面，锂电池储电时间短，难以形成区域电力供需峰谷不同的柔性互动和长时间的离网运行，经济性未能很好地得以体现；在建筑负荷需求方面，如用户有蒸汽(热水)的供热需求则另外需要配置锅炉，配套燃气管网，投资大、效率低，造成光储直柔所具有的直接高效消纳绿电的优势没有真正体现出来，没有形成适应性强、功能丰富的应用场景。

本发明是面向建筑楼宇用户，实现对太阳能等可再生能源的深度综合利用，创新性地提出了以直流母线配电为纽带，太阳能光伏为电源，全钒液流电池和卡诺电池(熔盐储热)构成的电热联产系统。

全钒液流电池是一种新型绿色的电化学储能技术，因其安全性和长寿命的先天优势，非常适合安全性要求高、长寿命免维护、环保要求高的场合。卡诺电池(熔盐储热)采用新型高温和高热流密度的熔盐传储热介质，通过电加热使熔盐温度升高，当需要供热时再在换热器中释放存储的热量(蒸汽或热水)，可充分消纳了光伏绿电，实现对峰谷电价差的有效利用。

发明内容

本发明的主要目的在于提供基于全钒液流电池的光储直柔系统及其控制方法，同时由分布式光伏、熔盐储热和直流配网组成的光储直柔系统及其协调控制算法，可根据负荷变化进行自动调节，在提供绿色电能的同时，实现了电、热联储联供，以解决上述背景中提出的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：基于全钒液流电池的光储直柔系统，在建筑终端引入了直流母线，所述光储直柔系统包括光伏单元、全钒液流电池储能单元、熔盐储热卡诺电池单元、直流充电桩、微网控制器EMS和AC-DC四象限智能变换单元，所述光伏单元、全钒液流电池储能单元、熔盐储热卡诺电池单元、直流充电桩、微网控制器EMS和AC-DC四象限智能变换单元均与直流母线相连，所述AC-DC四象限智能变换单元输出端与交流母线相连；所述光伏单元由PV光伏组件和直流功率优化器组成，所述直流功率优化器为自主控制模块，各模式切换及判断由光伏直流功率优化器完成，所述PV光伏组件根据直流功率优化器输入功率由光伏板进行串并联组合；所述全钒液流电池储能单元由电池组和双向DC-DC直流变换器组成，所述电池组和直流变换器通过CAN总线进行通讯，所述直流变换器可获取电池组的参数信息，从而进行相应的动作执行；所述熔盐储热卡诺电池单元由熔盐储热卡诺电池组成，所述熔盐储热卡诺电池作为交流负载，所述熔盐储热卡诺电池的电加热器从交流母线取电，交直流实现了柔性互动互补；所述直流充电桩作为直流负载，所述直流充电桩通过直流变换器从直流母线取电；所述微网控制器具有监控装置，所述监控装置为具有蓝牙或者WiFi功能的终端，可以通过蓝牙或者WiFi获知系统的参数信息，并对其进行控制；所述光储直柔系统应用PSO-SQP框架构建了多能耦合算法模型，根据光伏出力和电、热负荷情况对全钒液流电池储能系统进行综合调控，实现配电网的智能化调度运行、电源出力和负荷的实时平衡，并且在必要时候采取切负荷手段，以维持光储直柔系统的频率和电压稳定。

在控制算法上，通过多能耦合算法的设计，实现了在光伏+峰谷电价模式下，系统内电源出力与负荷实时平衡，保障了电压和频率的稳定输出。

优选地，所述光储直柔系统采用“光伏+峰谷电价”模式运行，在白天太阳能光照度高时，光伏单元所发电量一路经AC-DC四象限智能变换单元输出至AC380V交流母线，维持电热联产系统自用电并对外供电；同时另一路经过直流功率优化器整流后输出至DC750V直流母线，用于在无光照或夜间时，由电池放电或从电网取低谷电峰时放电供电。

优选地，所述全钒液流电池储能单元通过双向DC-DC直流变换器对电池系统充电，当BMS检测到电池系统充满时，充放电主回路接触器断开、循环系统停止运行，避免电池过充；当太阳能光照强度弱时，充放电主回路接触器闭合(要求切换时间低于200ms)，电池放电至直流母线，与光伏设备并网运行同时对外供电；当无光照时，由电池单独放电维持系统运行。

基于全钒液流电池的光储直柔系统的控制方法，基于经济运行调度策略，通过分析负荷及能耗数据，并匹配不同的能源成本(光伏电、峰谷电价)，确定设备的最优运行方案，包括如下步骤：

Step1：判断光储直柔系统的能源网络结构，根据电、热负荷预测进行电力潮流计算，不断调整直流注入功率、光伏出力、电池储能出力、直流充电桩出力、熔盐储热卡诺电池出力，直至计算收敛；

Step2：对计算结果进行约束校验，若不满足约束则返回Step1，直至满足约束；

Step3：由耦合关系确定多能耦合设备电(热)输出功率，进行电(热)潮流计算；

Step4：根据负荷要求判断是否启用熔盐储热，若启用，则由熔盐储热耦合关系计算熔盐储热卡诺电池电负荷，加入电负荷出力计算，根据系统能源网络结构进行电力潮流计算；

Step5：进行约束校验，确定多能耦合系统的设备电、热容量，输出结果。

本发明具有如下有益效果：

本发明，通过建立基于全钒液流电池的光储直柔，为建筑提供了光伏+储能互补的近零碳能源系统，解决了储能安全性、环保性和储能时间短的问题，优化了源网荷储的协调控制，提高了系统的经济性和可靠性。

本发明，实现了恒功率取电，采用光伏+峰谷电价运行模式，实现了新能源消纳、移峰填谷，优化了用能成本，达到了建筑终端柔性用电的目的。

本发明，利用卡诺电池熔盐储热，其效率高于蓄电池，可降低电池容量和成本，实现建筑终端电热联供联储。

本发明，采用基于PSO-SQP框架的多能耦合协调控制算法，可根据用电(热)负荷波动调整光伏和储能出力。

本发明，系统采用高精度可控直流电压电流源，柔性交流灵活控制，并运用四象限智能变换技术，实现了源-网-荷-储的深度融合和友好互动，改变了建筑内用电过程反复转换的现象，减少了损耗，为能源智能化、数字化、网络化提供了条件，有利于建筑领域的节能减排，符合未来建筑发展的方向。

附图说明

图1为本发明基于全钒液流电池的光储直柔系统的系统拓扑图；

图2为本发明基于全钒液流电池的光储直柔系统的系统原理图；

图3为本发明基于全钒液流电池的光储直柔系统的多能耦合控制算法流程图。

图中：1、电池组；2、双向DC-DC直流变换器；3、BMS；4、微网控制器EMS；5、PV光伏组件；6、直流功率优化器；7、AC-DC四象限智能变换单元；8、直流充电桩；9、直流变换器；10、熔盐储液卡诺电池；11、电加热器；12、直流母线；13、交流母线。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”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的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

请参照图1-3所示：基于全钒液流电池的光储直柔系统，在建筑终端引入了直流母线12，光储直柔系统包括光伏单元、全钒液流电池储能单元、熔盐储热卡诺电池单元、直流充电桩、微网控制器EMS4和AC-DC四象限智能变换单元7，光伏单元、全钒液流电池储能单元、熔盐储热卡诺电池单元、直流充电桩8、微网控制器EMS4和AC-DC四象限智能变换单元7均与直流母线12相连，AC-DC四象限智能变换单元7输出端与交流母线13相连；光伏单元由PV光伏组件5和直流功率优化器6组成，直流功率优化器6为自主控制模块，各模式切换及判断由光伏直流功率优化器6完成，PV光伏组件5根据直流功率优化器6输入功率由光伏板进行串并联组合；全钒液流电池储能单元由电池组1和双向DC-DC直流变换器2组成，电池组1和直流变换器2通过CAN总线进行通讯，直流变换器2可获取电池组1的参数信息，从而进行相应的动作执行；熔盐储热卡诺电池单元由熔盐储热卡诺电池10组成，熔盐储热卡诺电池10作为交流负载，熔盐储热卡诺电池10的电加热器11从交流母线13取电，交直流实现了柔性互动互补；直流充电桩8作为直流负载，直流充电桩8通过直流变换器9从直流母线12取电；微网控制器具有监控装置，监控装置为具有蓝牙或者WiFi功能的终端，可以通过蓝牙或者WiFi获知系统的参数信息，并对其进行控制；光储直柔系统应用PSO-SQP框架构建了多能耦合算法模型，根据光伏出力和电、热负荷情况对全钒液流电池储能系统进行综合调控，实现配电网的智能化调度运行、电源出力和负荷的实时平衡，并且在必要时候采取切负荷手段，以维持光储直柔系统的频率和电压稳定。

在控制算法上，通过多能耦合算法的设计，实现了在光伏+峰谷电价模式下，系统内电源出力与负荷实时平衡，保障了电压和频率的稳定输出。

其中，光储直柔系统采用“光伏+峰谷电价”模式运行，在白天太阳能光照度高时，光伏单元所发电量一路经AC-DC四象限智能变换单元7输出至AC380V交流母线13，维持电热联产系统自用电并对外供电；同时另一路经过直流功率优化器6整流后输出至DC750V直流母线12，用于在无光照或夜间时，由电池放电或从电网取低谷电峰时放电供电。

其中，全钒液流电池储能单元通过双向DC-DC直流变换器2对电池系统充电，当BMS3检测到电池系统充满时，充放电主回路接触器断开、循环系统停止运行，避免电池过充；当太阳能光照强度弱时，充放电主回路接触器闭合(要求切换时间低于200ms)，电池放电至直流母线12，与光伏设备并网运行同时对外供电；当无光照时，由电池单独放电维持系统运行。

基于全钒液流电池的光储直柔系统的控制方法，基于经济运行调度策略，通过分析负荷及能耗数据，并匹配不同的能源成本(光伏电、峰谷电价)，确定设备的最优运行方案，包括如下步骤：

Step1：判断光储直柔系统的能源网络结构，根据电、热负荷预测进行电力潮流计算，不断调整直流注入功率、光伏出力、电池储能出力、直流充电桩出力、熔盐储热卡诺电池出力，直至计算收敛；

Step2：对计算结果进行约束校验，若不满足约束则返回Step1，直至满足约束；

Step3：由耦合关系确定多能耦合设备电(热)输出功率，进行电(热)潮流计算；

Step4：根据负荷要求判断是否启用熔盐储热，若启用，则由熔盐储热耦合关系计算熔盐储热卡诺电池电负荷，加入电负荷出力计算，根据系统能源网络结构进行电力潮流计算；

Step5：进行约束校验，确定多能耦合系统的设备电、热容量，输出结果。

本发明提供了一种基于全钒液流电池的光储直柔系统以及控制方法，系统设计合理、清晰，创新性强，为实现近零碳建筑提供了切实可行的解决方案和途径，可实现多重效益。

安全效益：采用全钒液流电池彻底杜绝了锂电池存在的燃爆安全隐患。全钒液流电池的储能时长、度电成本、能量效率、运行寿命等主要技术指标同时满足以下条件：储能时长≥8小时；储能度电成本≤0.6元/kWh；额定功率运行条件下，系统能量效率>75％；系统运行寿命≥20年。

经济效益：光储直柔系统创新性引入了直流母线，实现长时储能，提高了绿色能源就地消纳的能力，同时减少变压器冗余，系统的设备总体投资成本大大降低，投建占地面积也随之降低，投资成本总体节约20～30％。

环保及综合效益：在建筑终端实现了能源的近零碳生产、供应和排放的目标，由光伏、储能、储热构成的多能互补能源系统承担了区域建筑的主要电力供应，节省大量的电费及电力容量费用，降低用能成本，实现建筑终端能源生产、供应和消费的低碳化和智能化。

实施例二：

本实施案例基于上海某别墅式商业创意园200平方米的零碳超低能耗绿色建筑，采用本方法设计。

本建筑楼顶铺设光伏。光伏组件经MPPT所发电量经直流功率优化器并入DC 750V直流母线，向系统供电，可以作为熔盐储热卡诺电池和直流充电桩的电源，同时将多余的电力存储到全钒液流电池，光伏所发电量100％自发自用。系统通过AC-DC四象限智能功率实现与交流母线的柔性互动。

光储直柔系统配置技术指标要求：

1、系统优化配置方案为20kW光伏发电、10kW/80kWh全钒液流电池、10kW/90kWh熔盐储热卡诺电池、10kW直流充电桩；

2、光伏发电、液流电池、卡诺电池3种新能源利用形式互补的结构；

3、系统可恒功率充电，液流电池恒功率模式下能量转换效率＞80％；功率因数可调，范围0.9超前～0.9滞后；

4、电流量、电压量、电解液流量测量误差≤0.5％，有功、无功测量误差≤1.0％；频率测量误差≤0.01Hz。

本系统中，根据光伏容量和充电负荷，配置的全钒液流电池储能系统功率为10kW，容量80kWh，可实现8小时的长时充放电，采用10尺集装箱高度集成布置。集成设备包括电堆组、储液罐、电解液循环系统(管道系统、循环泵、换热器、冷水机)及电气系统(电气控制柜和DCDC柜)。

系统分两种运行模式。在白天模式下：白天阳光充足时，PV光伏组件通过直流功率优化器首先向直流负载供电；在直流变换器输出功率总功率大于直流负载需求功率时，直流变换器开始向全钒液流电池组充电；在四象限DC-AC逆变器输出功率总功率大于交直流负载需求功率与电池组充电功率之和时，逆变器开始向380V交流市电并网输电。电池组放电，经由逆变器向交流负载以及380V交流市电线路上的交流负载供电。在夜晚模式下：PV光伏组件无功率输出，此时电池组放电，经由直流变换器向直流负载供电。当电池组放电功率小于交流负载需求功率时，由380V交流市电再向交流负载供电。

经过测试，该系统电恒功率模式下能量转换效率高于75％，电解液流量测量误差<0.36％，电压量测量误差<0.47％；有功测量误差<0.06％，无功测量误差<0.5％；频率测量误差<0.002Hz；光储直柔电热联供的协调控制初步达到了技术要求，为推动光储直柔的技术进步和产业化打下了基础。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.基于全钒液流电池的光储直柔系统，其特征在于：在建筑终端引入了直流母线(12)，所述光储直柔系统包括光伏单元、全钒液流电池储能单元、熔盐储热卡诺电池单元、直流充电桩、微网控制器EMS(4)和AC-DC四象限智能变换单元(7)，所述光伏单元、全钒液流电池储能单元、熔盐储热卡诺电池单元、直流充电桩(8)、微网控制器EMS(4)和AC-DC四象限智能变换单元(7)均与直流母线(12)相连，所述AC-DC四象限智能变换单元(7)输出端与交流母线(13)相连；

所述光伏单元由PV光伏组件(5)和直流功率优化器(6)组成，所述直流功率优化器(6)为自主控制模块，各模式切换及判断由光伏直流功率优化器(6)完成，所述PV光伏组件(5)根据直流功率优化器(6)输入功率由光伏板进行串并联组合；

所述全钒液流电池储能单元由电池组(1)和双向DC-DC直流变换器(2)组成，所述电池组(1)和直流变换器(2)通过CAN总线进行通讯，所述直流变换器(2)可获取电池组(1)的参数信息，从而进行相应的动作执行；

所述熔盐储热卡诺电池单元由熔盐储热卡诺电池(10)组成，所述熔盐储热卡诺电池(10)作为交流负载，所述熔盐储热卡诺电池(10)的电加热器(11)从交流母线(13)取电，交直流实现了柔性互动互补；

所述直流充电桩(8)作为直流负载，所述直流充电桩(8)通过直流变换器(9)从直流母线(12)取电；

所述微网控制器具有监控装置，所述监控装置为具有蓝牙或者WiFi功能的终端，可以通过蓝牙或者WiFi获知系统的参数信息，并对其进行控制；

所述光储直柔系统应用PSO-SQP框架构建了多能耦合算法模型，根据光伏出力和电、热负荷情况对全钒液流电池储能系统进行综合调控，实现配电网的智能化调度运行、电源出力和负荷的实时平衡，并且在必要时候采取切负荷手段，以维持光储直柔系统的频率和电压稳定。

2.根据权利要求1所述的基于全钒液流电池的光储直柔系统，其特征在于：所述光储直柔系统采用“光伏+峰谷电价”模式运行，在白天太阳能光照度高时，光伏单元所发电量一路经AC-DC四象限智能变换单元(7)输出至AC380V交流母线(13)，维持电热联产系统自用电并对外供电；同时另一路经过直流功率优化器(6)整流后输出至DC750V直流母线(12)，用于在无光照或夜间时，由电池放电或从电网取低谷电峰时放电供电。

3.根据权利要求1所述的基于全钒液流电池的光储直柔系统，其特征在于：所述全钒液流电池储能单元通过双向DC-DC直流变换器(2)对电池系统充电，当BMS(3)检测到电池系统充满时，充放电主回路接触器断开、循环系统停止运行，避免电池过充；当太阳能光照强度弱时，充放电主回路接触器闭合(要求切换时间低于200ms)，电池放电至直流母线(12)，与光伏设备并网运行同时对外供电；当无光照时，由电池单独放电维持系统运行。

4.基于全钒液流电池的光储直柔系统的控制方法，其特征在于，基于经济运行调度策略，通过分析负荷及能耗数据，并匹配不同的能源成本(光伏电、峰谷电价)，确定设备的最优运行方案，包括如下步骤：

Step1：判断光储直柔系统的能源网络结构，根据电、热负荷预测进行电力潮流计算，不断调整直流注入功率、光伏出力、电池储能出力、直流充电桩出力、熔盐储热卡诺电池出力，直至计算收敛；

Step2：对计算结果进行约束校验，若不满足约束则返回Step1，直至满足约束；

Step3：由耦合关系确定多能耦合设备电(热)输出功率，进行电(热)潮流计算；

Step4：根据负荷要求判断是否启用熔盐储热，若启用，则由熔盐储热耦合关系计算熔盐储热卡诺电池电负荷，加入电负荷出力计算，根据系统能源网络结构进行电力潮流计算；

Step5：进行约束校验，确定多能耦合系统的设备电、热容量，输出结果。

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