CN102931687A - 一种混合储能光伏电站的功率调节方法 - Google Patents
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Abstract
一种混合储能光伏电站的功率调节方法，它在光伏电站运行过程中实时检测其直流母线电压及分别通过两个双向DC/DC控制器与直流母线相连的超级电容器组和锂电池组的电压，实时检测光伏电源的有功出力，同时快速计算达到光伏电站电能质量调控目标或完成调度任务所需超级电容器组和锂电池组的出力值，并根据计算结果控制两个双向DC/DC控制器的运行状态，从而实现对超级电容器组和锂电池组充放电过程的控制。本发明充分发挥了锂电池能量密度大和超级电容器循环寿命高、功率密度大的优点，可以很好地解决光伏电站并网运行存在的电能质量差和参与电网调度困难的问题，为光伏电站的推广应用铺平了道路。
Description
技术领域
本发明涉及一种将超级电容器和磷酸铁锂电池构成的混合储能***应用于大容量光伏发电***时、光伏电站输出有功功率的控制方法，属发电技术领域。
背景技术
兆瓦级光伏发电***又称为光伏电站，它不同于现有的小容量光伏发电***，光伏电站通常采用并网运行方式。由于受光照强度和温度等自然因素的影响，电站中光伏电源的有功出力具有较大波动性，所以，直接并网运行会产生一系列的问题，如引起电网运行不稳定、供电质量差、参与电网调度困难等。解决上述问题的有效措施就是在光伏电站中加入储能装置，如果储能装置性能良好且控制方法得当，既能提高光伏电站的供电电能质量，又可以使光伏电站能够灵活地参与电网调度，增强电网运行稳定性。
目前，已有将无源并联结构的超级电容器与蓄电池构成的混合储能***用于小型光伏发电***的研究文献。由于蓄电池循环寿命短，频繁大功率小容量充放电会极大地缩短蓄电池的使用寿命，而超级电容器循环寿命长、充放电速度快、功率密度大，这种无源并联结构利用超级电容器对蓄电池进行充电控制调节，可以使得蓄电池的充电电流比较平缓，以延长蓄电池的使用寿命。但是，这种结构方式下，蓄电池放电过程得不到有效控制，不能实现对超级电容器与蓄电池输出功率的精确调节。文献中提到的混合储能***从结构上考虑无法实现对光伏电站电能质量的调控，也不能实现联网光伏电站参与电网调度的任务。
磷酸铁锂电池相比于普通蓄电池在性能方面具有更大的优势，它储能密度大、没有记忆效应，在充放电循环次数方面也有了很大的提高。因此，将磷酸铁锂电池与超级电容器组成的混合储能***分别通过电能传输控制器接于光伏电站的直流母线上，加以相应的“柔性化”储能***调控策略，非常适用于输出功率频繁波动、负载随机变化、参与电网调度极其困难的联网光伏电站中。目前这类混合储能***在光伏电站运行过程中的控制方法还不成熟，致使混合储能***的优势无法充分发挥，极大地限制了光伏电站技术在国内的推广和应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷、提供一种能改善光伏电站供电电能质量并使光伏电站可以参与电网调度的混合储能光伏电站的功率调节方法。
本发明所称问题是以下述技术方案实现的：
一种混合储能光伏电站的功率调节方法，所述方法在光伏电站运行过程中实时检测其直流母线电压及分别通过两个双向DC/DC控制器与直流母线相连的超级电容器组和锂电池组的电压，实时检测光伏电源的有功出力，同时快速计算达到光伏电站电能质量调控目标或完成调度任务所需超级电容器组和锂电池组的出力值，并根据计算结果控制两个双向DC/DC控制器的运行状态，从而实现对超级电容器组和锂电池组充放电过程的控制。
上述混合储能光伏电站的功率调节方法，它按照以下步骤进行：
a. 在光伏电站运行过程中实时检测超级电容器组、锂电池组和直流母线的电压，实时检测光伏电源的有功出力，并根据电网调度要求确定由超级电容器组和锂电池组构成的混合储能***的运行模式是电能质量调控模式还是主动可调度模式；
b. 混合储能***出力值的确定：
①、如果电网调度要求混合储能***的运行模式为电能质量调控模式，将控制目标设定为保证直流母线供电***的高质量稳定；首先判断直流母线电压是否满足电能质量标准要求，如果满足电能质量标准要求、则混合储能***原有控制状态不变；如果不满足电能质量标准要求，控制规则分为两种：若直流母线电压低于标准下限，即低于额定电压的95%，则对混合储能***进行发电控制；若直流母线电压高于标准上限，即高于额定电压的105%，则对混合储能***进行充电控制；混合储能***的发电功率和充电功率流经双向DC/DC控制器Ⅰ和双向DC/DC控制器Ⅱ，其出力大小和方向取决于双向DC/DC控制器Ⅰ和Ⅱ中电力电子器件的控制方法；
若直流母线运行电压为UD、额定电压为UN、直流母线端短路阻抗为X，则混合储能***输出控制功率为：
若输出控制功率为正值，表示对混合储能***进行发电控制；若输出控制功率为负值，表示对混合储能***进行充电控制；
②、如果电网调度要求混合储能***的运行模式为主动可调度模式，则将控制目标设定为满足电网调度部门下发的光伏电站发电功率计划，此时对直流母线电压的高质量要求放到次要地位；光伏电站运行过程中，根据实时检测到的光伏电源出力情况、光伏电站发电计划功率、混合储能***中超级电容器组和锂电池组的运行情况，快速计算出混合储能***控制策略，并进行相应的调节；混合储能***的输出控制功率为：
（PC+PB）=PD-PV ，
储能***的控制规则为：当PV<PD时，控制混合储能***发电运行；当PV=PD时，控制混合储能***待机运行；当PV>PD时，控制混合储能***充电运行；
c.在每种运行模式下，根据混合储能***出力值的计算结果，由双向DC/DC控制器Ⅰ和双向DC/DC控制器Ⅱ实时控制超级电容器组和锂电池组的充放电运行状态，实现混合储能***对光伏电站运行状态的调控；
d.在每种运行模式下，对混合储能***的控制采用“超级电容器储能单元优先充电、优先放电”的方式，以减少锂电池的充放电次数，提高整个储能***的服务年限。
本发明利用两个双向DC/DC控制器对超级电容器组和锂电池组进行充放电控制，使混合储能***可以灵活地参与光伏电站出力调整，实现光伏电站运行状态的快速、准确调控。所述方法可以充分发挥锂电池能量密度大和超级电容器循环寿命高、功率密度大的优点，很好地解决了光伏电站并网运行时供电电能质量差和参与调度困难的技术难题，为光伏电站的推广应用铺平了道路。
附图说明
图1是本发明的***结构原理图；
图2是双向DC/DC控制器的电路图；
图3是主动可调度模式的原理框图。
图中各符号表示为：PV、光伏电源有功出力，PB、锂电池组有功出力，PC、超级电容器组有功出力，PD、电网调度部门下发给光伏电站的计划出力，UD、直流母线电压，MPPT控制器、最大功率跟踪控制装置，L、电感，C、电容，D1、D2、二极管，Q1、Q2、绝缘栅双极晶体管，U1、低压侧电压，U2、高压侧电压。
具体实施方式
本发明所述的光伏电站中的混合储能***结构参看图1，其构成中包括超级电容器组、锂电池组、双向DC/DC控制器Ⅰ、双向DC/DC控制器Ⅱ、状态监测与控制器。所述双向DC/DC控制器Ⅰ和Ⅱ可以由多组如图2所示的电路并联构成，双向DC/DC控制器Ⅰ的并联组数由超级电容器组的容量和单组变换电路的最大传输功率来决定，双向DC/DC控制器Ⅱ的并联组数由锂电池组的容量和单组变换电路的最大传输功率来决定。双向DC/DC控制器Ⅰ的低压侧接入超级电容器组，双向DC/DC控制器Ⅱ的低压侧接入锂电池组，两者的高压侧接入光伏电站直流母线。
双向电能控制器Ⅰ、Ⅱ可以运行于发电模式，将超级电容器组或锂电池组储存的电能输送给直流母线，也可以运行于充电模式，将剩余的光伏电能存储到超级电容器组或锂电池组中。通过调节相应的双向电能传输控制电路的工作状态，可以实现对储能***的能量管理，如超级电容器与锂电池组充放电的分时独立控制等，这样超级电容器组与锂电池组的工作电压范围就可以不同，使得两者在容量配置、串并联结构以及运行方式上具有较大的灵活性。利用双向DC/DC控制电路的变流作用，可以将传输电流限定在可靠范围内，极大地提高了***运行的稳定性和可靠性，同时还可以抑制超级电容器组与锂电池组端电压变化对光伏电站供电电能质量的影响。
状态监测与控制器主要包括数据采集、分析计算和触发控制单元，***运行时数据采集单元实时检测超级电容器组、锂电池组和直流母线的电压，实时采集MPPT控制器的输出功率（PV）。分析计算单元快速运算出达到光伏电站电能质量调控目标或完成调度任务所需超级电容器组和锂电池组的出力值。触发控制单元实时调节双向DC/DC控制器Ⅰ和双向DC/DC控制器Ⅱ的运行状态，当需要储能***向电网释放能量时，关断Q2，对Q1进行脉宽调制（PWM）控制；当光伏电源向储能***充电时，关断Q1，对Q2进行PWM控制。控制过程中U2>U1，PWM控制可以采用PI闭环调节方法调整Q1和Q2的通断状态及PWM占空比，实现对超级电容器或锂电池储能单元的充、放电功率调节。图1中MPPT控制器为光伏电源最大功率跟踪控制器，它负责将光伏电源的最大发电功率传输到直流母线上，当接收到“弃光”指令时自动减小光伏电源的出力值。
本发明根据用户或电网对于光伏电站电能质量的要求和电网下达给光伏电站的发电计划对超级电容器组和锂电池组进行出力优化控制，该控制方法按照以下步骤进行：
a.数据采集单元实时检测直流母线、超级电容器组和锂电池组的工作状态，实时检测光伏电源的有功出力，结合电网调度要求实时判断出适用于光伏电站运行状态调整的混合储能***运行模式。
b.如果运行模式为电能质量调控模式，状态监测与控制器中的分析计算单元根据直流母线电压的变化情况和储能***的运行状态，快速计算出光伏电源出力与用电功率之间的不平衡功率，制定出储能***充放电控制策略。触发控制单元则实时调整双向DC/DC控制器Ⅰ和双向DC/DC控制器Ⅱ的运行状态，依靠混合储能***的充放电达到提高直流母线电压质量的目的。
c.如果运行模式为主动可调度模式，状态监测与控制器根据电网调度部门下发的光伏电站发电功率计划、光伏电源出力情况及混合储能***的运行状态，计算出光伏电站完成调度任务所需的光伏阵列、超级电容器和锂电池出力调整计划，并进行实时控制。***运行原理参看图3。
d.每种运行模式下，按照超级电容器储能单元“优先充电、优先放电”的原则进行控制。根据分析计算单元的运算结果，状态监测与控制器中触发控制单元实时控制图2所示电路中电力电子器件Q1、Q2的运行状态，调节双向DC/DC控制器Ⅰ和双向DC/DC控制器Ⅱ中功率传输方向和大小，实现超级电容器储能单元和锂电池储能单元运行方式的灵活控制。
e.在混合储能***充电控制过程中，如果配置的超级电容器组和锂电池组均已达到最大储能量，即超级电容器储能单元端电压达到最高工作电压、锂电池储能单元荷电状态（SOC）达到其最大值时，光伏电源如果仍有多余的光伏电能，超级电容器组和锂电池组将不再吸收电能，图1中的状态监测与控制器向MPPT控制器发出“弃光”指令，减小光伏电源的出力。
f.在放电过程中，如果超级电容器组和锂电池组均已达到最低储能量，即超级电容器储能单元端电压达到最低工作电压而锂电池储能单元荷电状态（SOC）达到其最小值时，光伏电站仍然存在功率缺额时，图1中的状态监测与控制器向联网逆变***发出“减小并网功率”的指令，强制光伏电站功率缺额减小。
由于超级电容器功率密度大、充放电循环寿命长，而锂电池能量密度大、循环寿命相对较短、充放电条件比较严格，将超级电容器与锂电池组成的混合储能***应用于光伏电站中，在光伏电源出力波动或负载功率波动时，通过灵活有序地控制混合储能***各单元的充放电过程及出力大小，在保证光伏电站输出功率满足用户或电网电能质量要求或满足电网调度任务要求的同时，可以优化锂电池的充放电过程，控制其充放电深度、延长使用寿命，降低光伏电站综合运行成本。
由此可见，无论光伏电源输出功率频繁波动还是调度任务随机性很强的情况，超级电容器与锂电池组成的混合储能***均可实时地参与光伏电站电能质量的调整和出力调整，有效改善光伏电站的运行特性。该控制方法可以有效解决光伏电站并网运行时供电电能质量差和参与调度困难的技术难题。
Claims (2)
1.一种混合储能光伏电站的功率调节方法，它采用超级电容器和锂电池构成光伏电站混合储能***，其特征在于，所述方法在光伏电站运行过程中实时检测其直流母线电压及分别通过两个双向DC/DC控制器与直流母线相连的超级电容器组和锂电池组的电压，实时检测光伏电源的有功出力，同时快速计算达到光伏电站电能质量调控目标或完成调度任务所需超级电容器组和锂电池组的出力值，并根据计算结果控制两个双向DC/DC控制器的运行状态，从而实现对超级电容器组和锂电池组充放电过程的控制。
2.根据权利要求1所述混合储能光伏电站的功率调节方法，其特征在于，它按照以下步骤进行：
a. 在光伏电站运行过程中实时检测超级电容器组、锂电池组和直流母线的电压，实时检测光伏电源的有功出力，并根据电网调度要求确定由超级电容器组和锂电池组构成的混合储能***的运行模式是电能质量调控模式还是主动可调度模式；
b. 混合储能***出力值的确定：
①、如果电网调度要求混合储能***的运行模式为电能质量调控模式，将控制目标设定为保证直流母线供电***的高质量稳定；首先判断直流母线电压是否满足电能质量标准要求，如果满足电能质量标准要求、则混合储能***原有控制状态不变；如果不满足电能质量标准要求，控制规则分为两种：若直流母线电压低于标准下限，即低于额定电压的95%，则对混合储能***进行发电控制；若直流母线电压高于标准上限，即高于额定电压的105%，则对混合储能***进行充电控制；混合储能***的发电功率和充电功率流经双向DC/DC控制器Ⅰ和双向DC/DC控制器Ⅱ，其出力大小和方向取决于双向DC/DC控制器Ⅰ和Ⅱ中电力电子器件的控制方法；
若直流母线运行电压为UD、额定电压为UN、直流母线端短路阻抗为X，则混合储能***输出控制功率为：
若输出控制功率为正值，表示对混合储能***进行发电控制；若输出控制功率为负值，表示对混合储能***进行充电控制；
②、如果电网调度要求混合储能***的运行模式为主动可调度模式，则将控制目标设定为满足电网调度部门下发的光伏电站发电功率计划，此时对直流母线电压的高质量要求放到次要地位；光伏电站运行过程中，根据实时检测到的光伏电源出力情况、光伏电站发电计划功率、混合储能***中超级电容器组和锂电池组的运行情况，快速计算出混合储能***控制策略，并进行相应的调节；混合储能***的输出控制功率为：
（PC+PB）=PD-PV ，
储能***的控制规则为：当PV<PD时，控制混合储能***发电运行；当PV=PD时，控制混合储能***待机运行；当PV>PD时，控制混合储能***充电运行；
c.在每种运行模式下，根据混合储能***出力值的计算结果，由双向DC/DC控制器Ⅰ和双向DC/DC控制器Ⅱ实时控制超级电容器组和锂电池组的充放电运行状态，实现混合储能***对光伏电站运行状态的调控；
d.在每种运行模式下，对混合储能***的控制采用“超级电容器储能单元优先充电、优先放电”的方式。
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