CN117040088A - 一种光伏温室储能系统的调控方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光伏技术与智能种植技术领域,公开了一种光伏温室储能系统的调控方法及系统,所述方法包括:根据光伏发电出力、负载用电需求及储能装置荷电状态,确定所述储能系统的能量调度策略及基于马斯最优充电曲线与光伏发电出力确定储能装置充电策略。本发明公开的调控方法考虑了极端天气环境及夜间等光伏组件供电不可靠的工作条件,可实现光伏系统中蓄电池的电能调控,从而优化系统储能能量调度,调节光伏出力功率与负载功率之间的平衡。并且,根据温室中作物需求,对温室环境参数进行调控。本发明给出的充电策略可加快蓄电池的充电速度、延长蓄电池循环寿命,减少系统的成本投入,同时降低光伏系统装机成本,提高光伏系统稳定性。

Description

一种光伏温室储能系统的调控方法及系统
技术领域
本发明涉及光伏技术与智能种植技术领域,特别涉及一种光伏温室储能系统的调控方法及系统。
背景技术
在农业光伏温室中,一些重要的用电负载,例如根据作物生长所需温室环境进行参数调节的补光灯、滴灌设备、喷淋设备及风机等,需要在调节相应环境参数时稳定运行,否则将会产生难以挽回的巨大经济损失。一方面,目前的光伏温室系统的为了最大限度延长蓄电池循环寿命,保持蓄电池健康状态,一般将蓄电池的荷电状态(即SOC,State ofCharge)维持在50%以上,当蓄电池SOC为50%时将停止放电,导致负载无法调控温室环境并供给作物生长必需能量。另一方面,现有的光伏温室系统没有考虑光伏系统中对极端情况下能源模块的良好调度,不能保障重要负载的供能,而且现有的光伏温室系统在对蓄电池进行充电时存在未考虑根据光伏组件出力实际情况选择充电方式、预充阶段存在充电电流过小导致的充电缓慢等一系列问题,需要进行改进与优化。
发明内容
本发明旨在至少一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此,本发明第一方面提出一种光伏温室储能系统的调控方法,包括:
根据光伏发电出力、负载用电需求及储能装置荷电状态,确定所述储能系统的能量调度策略;与/或
基于马斯最优充电曲线与光伏发电出力确定储能装置充电策略。
优选的,所述根据光伏发电出力、负载用电需求及储能装置荷电状态,确定所述储能系统的能量调度策略,包括:
在确定光伏发电出力大于零,且光伏发电出力大于负载用电需求,且储能装置荷电状态不小于所述储能装置的过充电阈值时:
所述光伏温室的光伏组件仅为负载供能;
在确定光伏发电出力大于零,且光伏发电出力大于负载用电需求,且储能装置荷电状态小于所述储能装置的过充电阈值时:
所述光伏组件同时为所述储能装置与所述负载供能;
在确定光伏发电出力大于零,且光伏发电出力等于负载用电需求时:所述光伏温室的光伏组件仅为负载供能。
优选的,所述根据光伏发电出力、负载用电需求及储能装置荷电状态,确定所述储能系统的能量调度策略,还包括:
在确定光伏发电出力大于零,且光伏发电出力小于负载用电需求,且储能装置荷电状态不小于所述储能装置的过放电阈值时:
光伏组件与所述储能装置协同为负载供能。
优选的,所述根据光伏发电出力、负载用电需求及储能装置荷电状态,确定所述储能系统的能量调度策略,还包括:
在确定光伏发电出力为零,且储能装置荷电状态不小于过放电阈值时:所述储能装置为负载进行供能。
优选的,所述根据光伏发电出力、负载用电需求及储能装置荷电状态,确定所述储能系统的能量调度策略,还包括:
在确定光伏发电出力大于零,且光伏发电出力小于负载用电需求,且储能装置荷电状态小于所述储能装置的过放电阈值时:
所述储能系统基于当前可否接入市电决定运行模式;
在确定光伏发电出力为零,且光伏发电出力小于负载用电需求,且储能装置荷电状态小于所述储能装置的过放电阈值时:
所述储能系统基于当前可否接入市电决定运行模式。
优选的,所述储能系统基于当前可否接入市电决定运行模式,包括:
所述储能系统在确定可接入市电供能时:
所述储能系统进入休眠模式,由市电对光伏温室进行供能;
所述储能系统在确定无法接入市电供能时:
确定光伏温室的温室环境参数是否处于预设约束范围;
在确定所述温室环境参数偏离预设约束范围时,所述储能装置向必要负载设备供能,直至所述储能装置荷电状态低于预设的极限放电阈值或所述温室环境参数处于预设约束范围;
其中,所述温室环境参数包括:空气温湿度、光照强度及二氧化碳浓度;所述必要负载设备包括:补光灯、作物滴灌设备、二氧化碳发生器、喷淋系统、风机及湿帘。
优选的,所述光伏温室的光伏组件为储能装置供能时,采用的充电策略为五阶段充电策略,对应充电阶段包括:
小电流预充阶段、中电流加速预充阶段、MPPT大电流快速充电阶段、恒压充电阶段及涓流充电阶段。
优选的,所述基于马斯最优充电曲线与光伏发电出力确定储能装置充电策略,包括:
将马斯最优充电曲线作为储能装置的充电电流约束条件;
在确定光伏发电出力所提供充电电流高于预充阶段设定电流阈值时:
在小电流预充阶段与中电流加速预充阶段,采用P I恒流充电模式对所述储能装置进行充电,直至所述储能装置的端电压达到设定电压阈值,进入MPPT大电流快速充电阶段。
优选的,所述基于马斯最优充电曲线与光伏发电出力确定储能装置充电策略,还包括:
将马斯最优充电曲线作为储能装置的充电电流约束条件;
在确定光伏发电出力所提供充电电流低于预充阶段设定电流阈值时,在小电流预充阶段、中电流加速预充阶段与MPPT大电流快速充电阶段,均采用MPPT充电模式对所述储能装置进行充电。
本发明第二方面提出一种光伏温室储能系统的调控系统,所述调控系统至少用于实现上述方法中的任意一项。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)极端场景下降低蓄电池停止供给电能荷电状态阈值,提高光伏温室系统稳定性。提出当光伏组件多日未发电或发电功率低且无法接入市电供能时,以温室环境参数为调控目标,以蓄电池的电量保障光伏温室系统中的重要需运行负载低功率运行,设定蓄电池停止放电荷电状态阈值为20%,提高光伏系统可靠性。实现光伏温室系统中蓄电池的电能调控,从而优化系统储能能量调度,调节光伏出力功率与负载功率之间的平衡。
(2)采用最大功率跟踪的五阶段充电方法,以马斯最优曲线为充电电流约束条件,包括小电流预充、中电流加速预充、MPPT大电流快速充电、恒压充电和涓流充电五个阶段。利用电流传感器检测充电电流,对比设定充电电流阈值,根据光伏出力水平高低切换P I充电或MPPT充电。旨在提高蓄电池充电速度,延长蓄电池循环寿命,降低蓄电池更换频率,提高光伏系统经济效益。
(3)能量管理及蓄电池充电方法协调共用,保障光伏温室系统稳定运行,使光储控制系统更加系统化、一体化、智能化。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1为实施例给出的光伏温室储能系统的调控方法示意图;
图2为实施例给出的光伏系统能量管理策略示意图;
图3为实施例给出的蓄电池的五阶段充电法流程图;
图4为实施例给出的光伏出力水平高时充电电流曲线图;
图5为实施例给出的光伏出力水平低时充电电流曲线图;
图6为实施例给出的拓扑结构示意图;
图7为实施例给出的硬件结构流程示意图;
图8为实施例给出的蓄电池的充电阶段选择流程图;
图9为实施例给出的光伏温室系统的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明针对上述现有技术的不足而提供一种适用于光伏温室重要负载供电可靠性的蓄电池PI+MPPT充放电方法及能量管理策略,用于解决光伏系统极端情况下光伏出力水平低且无法接入市电供能时,蓄电池留存电量过多却进入休眠模式导致系统中重要负载设备无法供电运行的矛盾,并实现保障蓄电池充电速度的同时兼顾延长循环寿命。
考虑到连续阴雨及暴雪等极端天气的影响,光伏组件无法提供电能,若此时无法接入市电进行供能,温室中的作物是极其重要的,是应优先保护的对象,调节温室环境参数以达到适宜作物生长条件是必要的。基于此本申请提出了一种可低功率运行的优先保障重要设备低功率运行的能量调度策略,以及保障蓄电池充电速度的同时兼顾延长循环寿命的储能管理策略。
图1为本发明给出的光伏温室储能系统的调控方法,包括:
根据光伏发电出力、负载用电需求及储能装置荷电状态,确定所述储能系统的能量调度策略;基于马斯最优充电曲线与光伏发电出力确定储能装置充电策略。
如图2所示,本发明实施例给出的能量调度策略包括:
模式一:当Ppv>0且Ppv>Pload时,即当光伏组件发电功率Ppv大于0且Ppv大于负载所需功率Pload,则以蓄电池荷电状态作为判据。若蓄电池SOC>90%即蓄电池荷电状态大于蓄电池的过充电阈值时,光伏组件单独对负载供电且不向蓄电池充电。当Ppv=Pload时,光伏出力正好满足负载需求,也工作在模式一。其中,Ppv表示光伏发电出力功率,Pload表示负载用电需求功率,下同。
模式二:当Ppv>0且Ppv>Pload时,若蓄电池SOC<90%即蓄电池的荷电状态小于蓄电池的过充电阈值时,光伏组件对负载供电的同时也向蓄电池进行充电操作。
模式三:当Ppv>0且Ppv<Pload时,即光伏组件发电功率小于负载所需功率,若蓄电池SOC>50%即蓄电池荷电状态大于蓄电池的过放电阈值时,这时储能系统协同光伏组件对负载进行供电。
模式四:当Ppv>0且Ppv<Pload时,即光伏组件发电功率小于负载所需功率,若蓄电池SOC<50%即蓄电池荷电状态小于蓄电池的过放电阈值时,此时通过接入市电对温室中负载进行供能,蓄电池进入休眠状态。
模式五:当Ppv>0且Ppv<Pload时,即光伏组件发电功率小于负载所需功率,若蓄电池SOC<50%即蓄电池荷电状态小于蓄电池的过放电阈值时,若不能接入市电对负载进行供能,此时利用温湿度传感器、二氧化碳浓度采集器及辐照度传感器对温室环境参数进行采集。以草莓为例,所述温室环境参数约束条件为:
15℃≤空气温度≤20℃
50%≤空气湿度≤60%
5000lx≤光照强度≤10000lx
360μl/L≤二氧化碳浓度≤800μl/L
若有其中一组参数偏离约束条件且蓄电池SOC>20%,则蓄电池继续放电对负载进行供能以调节温室环境参数。
模式六:当Ppv>0且Ppv<Pload时,即光伏组件发电功率小于负载所需功率,若蓄电池SOC<50%即蓄电池荷电状态小于蓄电池的过放电阈值时,若不能接入市电对负载进行供能,此时利用温湿度传感器、二氧化碳浓度采集器及辐照度传感器对温室环境参数进行采集。相应约束条件同模式五中所述,若环境参数皆满足相应约束条件,或此时蓄电池SOC<20%即蓄电池SOC小于极限放电阈值,此时蓄电池进入休眠模式,避免极深度放电,最大限度延长蓄电池循环寿命。
模式七:当Ppv<0且SOC>50%时,蓄电池对负载供电,光伏发电出力不足时,保障负载的用电需求。
为了在一定程度上解决现有的光伏温室系统对蓄电池进行充电时存在未考虑根据光伏组件出力实际情况、未考虑结合植物生长需求、预充阶段存在充电电流过小导致的充电缓慢等问题,本发明还提出了一种利用光伏系统最大功率跟踪输出最大电流,并且以马斯最优曲线为电流约束条件的储能装置充电策略及其确定方法,其中,本发明给出的充电方法以小电流预充阶段、中电流加速预充阶段、MPPT大电流快速充电阶段、恒压充电阶段、涓流充电阶段五个阶段对蓄电池进行快速充电,并可根据光伏出力水平高低切换P I充电及MPPT充电,如图3所示,图中各表达式的含义详见下文。
1.当光伏发电出力水平所提供充电电流高于预充阶段设定电流阈值时,蓄电池采用P I恒流充电与MPPT快速充电相结合的充电方式,根据蓄电池荷电状态及端电压判断充电方式,如图4所示。通常,预充阶段主要目的是提高蓄电池最小充电电流阈值。由于蓄电池过放电后再次充电时其电压较小,可接受充电电流较小,因此要通过小电流进行预充电,逐渐抬升其电流可接受阈值。因此,采用P I恒流充电法对预充电流进行钳位,避免大电流冲击而造成的蓄电池热失控。蓄电池端电压达到一定阈值后,进入MPPT大电流充电阶段。可采用电导增量法实现最大功率点追踪,并且对蓄电池快速充电,同时以马斯最优充电曲线为电流约束条件对电流值实时调整,在保障蓄电池不发生析气反应的条件下最大限度地提高充电速度。
2.当光伏发电出力水平所提供充电电流低于预充阶段设定电流阈值时(此处的出力阈值大于负载用电需求阈值,因此在这种情况下,光伏发电出力水平依然大于负载用电需求阈值),这时光伏组件对蓄电池充电,如图5所示。此时光伏阵列可提供的充电电流较小,通过改变占空比后,P I恒流充电法无法达到预充阶段设定电流值,此时充电电流小于当前条件下的最大功率点的工作电流。因此,在预充阶段及大电流快速充电阶段采用MPPT模式充电,以马斯最优曲线为电流约束条件。
本发明还给出了一种光伏温室储能系统的调控系统,该调控系统用于实现上述方法中的任意一项。图6为实施例给出的光伏温室储能系统的调控系统拓扑结构图,该拓扑结构图中的系统采用双向DC-DC变换器,通过控制开关管互补,使得转化器具有升压和降压两种状态,实现“光-储”系统能量的双向流动。该双向DC-DC变换器是采用半桥DC-DC变换电路。图中L2为电感,S2和S3是两个开关管,C3,C4为电容。该电路是一种非隔离的双向DC-DC电路,具有结构简单、容易控制、效率高和经济性优良的特点。通过PI控制器输出蓄电池侧双向DC-DC变换器占空比信号D,转换控制开关管S3及S4的开通与关断,从而实现蓄电池能量调度。
图7为本发明实施例给出光伏温室储能系统的调控系统的硬件结构图,对应的工作流程包括:
步骤1:采集电压信号Upv、Ubat、UC以及电流信号Ipv、IC。其中UC为蓄电池充电电压、Ubat为蓄电池端电压,IC为蓄电池充电电流。检测节点空气温湿度传感器、检测节点光照强度传感器、检测节点二氧化碳浓度传感器,通过RS485接口与DSP控制器串口引脚相连接,以此获取温室种植环境的参数信息。将采集的电流电压值经过A/D转换通过控制器DSP运算获得当前光伏组件的发电功率Ppv、负载消耗功率Pload及蓄电池荷电状态SOCbat()。将实时计算值与目标值进行比较后,利用PWM调制输出开关的占空比,实现不同阶段蓄电池充电电流控制。
步骤2:DSP程序中设定蓄电池过充电荷电阈值90%,放电下限阈值50%,低功率运行模式过放电荷电阈值则设置为20%。以光伏发电功率Ppv、负载所需功率Pload对比切换其能源调度运行模式。
步骤3:程序中设定蓄电池小电流预充阶段电流设定值Iset_min、中电流加速预充电流设定值Iset_mid;设定蓄电池恒压充电设定值Vset_max2、及浮充电压设定值Vset_float;设定蓄电池端电压阈值Vset_min、Vset_mid、Vset_max、Vset_max2及Vset_float。利用马斯最优充电曲线计算公式计算相应马斯最优充电曲线。
步骤4:充电阶段选择,如图8所示,首先采集蓄电池端电压与设定的蓄电池端电压阈值Vset_max2对比,若高于此阈值进入涓流浮充阶段进行充电,同时利用PI恒压充电法将电压值钳位在Vset_float。若端电压小于Vset_min,说明蓄电池处于过放电状态,此时利用小电流预充阶段对蓄电池进行充电,并且根据当前光伏出力水平选择MPPT充电法或PI恒流充电法,即当充电电流IC<Iset_min时,则判定光伏出力水平低,反之则为光伏出力水平高,根据前文描述选择相应充电方法。若端电压大于Vset_max小于Vset_max2,则可进入MPPT快速充电阶段。当蓄电池端电压达到Vset_max2后,即进入恒压充电阶段,在此阶段仍然可随光伏出力情况切换PI恒压充电及MPPT充电法,但控制对象为充电电压。其切换判据则改为充电电压UC<Vset_max2时,利用MPPT充电法,反之利用PI恒压充电法。当蓄电池荷电状态接近上限时(设定为90%),系统将利用PI恒压法将蓄电池充电电压钳位在Vset_float,并以此电压值进行浮充充电。
充电过程中充电电流对比马斯最优充电曲线电流约束条件,实时进行调整,在达到每个阶段所设定的电压阈值后就进入下一阶段进行充电,依次完成充电阶段,直到充电结束。
步骤5:利用PWM调制技术输出相应占空比至双向DC-DC变换器,通过控制开关管的开通关断以实现控制策略。图9为实施例给出的基于以上能量调度原理的光伏温室系统的结构图,光储系统控制部分通过PWM控制Buck-Boost直流升降压式变换器,进而控制蓄电池与直流母线之间的电能传输。光伏阵列Boost开关直流升压电路连接,Boost与直流母线连接,光伏阵列基于PWM向直流母线供能,通过MPPT充电法为蓄电池充电,直流母线为直流负载供能。
以上技术方案的有益效果在于:
(1)极端场景下降低蓄电池停止供给电能荷电状态阈值,提高光伏系统稳定性。提出当光伏组件多日未发电或发电功率低且无法接入市电时,针对作物对环境参数调节需求,以蓄电池的电量保障需运行负载稳定运行,设定蓄电池停止放电荷电状态阈值为20%,提高光伏系统可靠性。实现光伏温室系统中蓄电池的电能调控,从而优化系统储能能量调度,调节光伏出力功率与负载功率之间的平衡。
(2)采用最大功率跟踪的五阶段充电方法,以马斯最优曲线为充电电流约束条件,包括小电流预充、中电流加速预充、MPPT大电流快速充电、恒压充电和涓流充电五个阶段。利用电流传感器检测充电电流,对比设定充电电流阈值,根据光伏出力水平高低切换PI充电或MPPT充电。旨在提高蓄电池充电速度,延长蓄电池循环寿命,降低蓄电池更换频率,提高光伏系统经济效益。
(3)能量管理及蓄电池充电方法协调共用,保障光伏温室系统稳定运行,使光储控制系统更加系统化、一体化、智能化。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种光伏温室储能系统的调控方法,其中,包括:
根据光伏发电出力、负载用电需求及储能装置荷电状态,确定所述储能系统的能量调度策略;与/或
基于马斯最优充电曲线与光伏发电出力确定储能装置充电策略。
2.如权利要求1所述的光伏温室储能系统的调控方法,其中,所述根据光伏发电出力、负载用电需求及储能装置荷电状态,确定所述储能系统的能量调度策略,包括:
在确定光伏发电出力大于零,且光伏发电出力大于负载用电需求,且储能装置荷电状态不小于所述储能装置的过充电阈值时:
所述光伏温室的光伏组件仅为负载供能;
在确定光伏发电出力大于零,且光伏发电出力大于负载用电需求,且储能装置荷电状态小于所述储能装置的过充电阈值时:
所述光伏组件同时为所述储能装置与所述负载供能;
在确定光伏发电出力大于零,且光伏发电出力等于负载用电需求时:所述光伏温室的光伏组件仅为负载供能。
3.如权利要求1所述的光伏温室储能系统的调控方法,其中,所述根据光伏发电出力、负载用电需求及储能装置荷电状态,确定所述储能系统的能量调度策略,还包括:
在确定光伏发电出力大于零,且光伏发电出力小于负载用电需求,且储能装置荷电状态不小于所述储能装置的过放电阈值时:
光伏组件与所述储能装置协同为负载供能。
4.如权利要求1所述的光伏温室储能系统的调控方法,其中,所述根据光伏发电出力、负载用电需求及储能装置荷电状态,确定所述储能系统的能量调度策略,还包括:
在确定光伏发电出力为零,且储能装置荷电状态不小于过放电阈值时:所述储能装置为负载进行供能。
5.如权利要求1所述的光伏温室储能系统的调控方法,其中,所述根据光伏发电出力、负载用电需求及储能装置荷电状态,确定所述储能系统的能量调度策略,还包括:
在确定光伏发电出力大于零,且光伏发电出力小于负载用电需求,且储能装置荷电状态小于所述储能装置的过放电阈值时:
所述储能系统基于当前可否接入市电决定运行模式;
在确定光伏发电出力为零,且光伏发电出力小于负载用电需求,且储能装置荷电状态小于所述储能装置的过放电阈值时:
所述储能系统基于当前可否接入市电决定运行模式。
6.如权利要求5所述的光伏温室储能系统的调控方法,其中,所述储能系统基于当前可否接入市电决定运行模式,包括:
所述储能系统在确定可接入市电供能时:
所述储能系统进入休眠模式,由市电对光伏温室进行供能;
所述储能系统在确定无法接入市电供能时:
确定光伏温室的温室环境参数是否处于预设约束范围;
在确定所述温室环境参数偏离预设约束范围时,所述储能装置向必要负载设备供能,直至所述储能装置荷电状态低于预设的极限放电阈值或所述温室环境参数处于预设约束范围;
其中,所述温室环境参数包括:空气温湿度、光照强度及二氧化碳浓度;所述必要负载设备包括:补光灯、作物滴灌设备、二氧化碳发生器、喷淋系统、风机及湿帘。
7.如权利要求2所述的光伏温室储能系统的调控方法,其中,所述光伏温室的光伏组件为储能装置供能时,采用的充电策略为五阶段充电策略,对应充电阶段包括:
小电流预充阶段、中电流加速预充阶段、MPPT大电流快速充电阶段、恒压充电阶段及涓流充电阶段。
8.如权利要求1-7任意一项所述的光伏温室储能系统的调控方法,其中,所述基于马斯最优充电曲线与光伏发电出力确定储能装置充电策略,包括:
将马斯最优充电曲线作为储能装置的充电电流约束条件;
在确定光伏发电出力所提供充电电流高于预充阶段设定电流阈值时:
在小电流预充阶段与中电流加速预充阶段,采用PI恒流充电模式对所述储能装置进行充电,直至所述储能装置的端电压达到设定电压阈值,进入MPPT大电流快速充电阶段。
9.如权利要求1-7任意一项所述的光伏温室储能系统的调控方法,其中,所述基于马斯最优充电曲线与光伏发电出力确定储能装置充电策略,还包括:
将马斯最优充电曲线作为储能装置的充电电流约束条件;
在确定光伏发电出力所提供充电电流低于预充阶段设定电流阈值时,在小电流预充阶段、中电流加速预充阶段与MPPT大电流快速充电阶段,均采用MPPT充电模式对所述储能装置进行充电。
10.一种光伏温室储能系统的调控系统,其中,所述调控系统用于实现权利要求1-9任意一项所述的方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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