CN104092278B

CN104092278B - 应用于光伏储能***的能量管理方法

Info

Publication number: CN104092278B
Application number: CN201410331482.9A
Authority: CN
Inventors: 蔡旭; 王海松; 姜广宇; 叶程广; 丁卓禹; 何小春
Original assignee: ANHUI LIGHT ENERGY TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE Co Ltd
Current assignee: JIAXING ZHISHENG KITCHENWARE MANUFACTURING CO., LTD.
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2014-07-11
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2034-07-11
Also published as: CN104092278A

Abstract

本发明揭示了一种应用于光伏储能***的能量管理方法，光伏储能***中电源包括光伏组件、锂电池和电网，***工况可分为如下四种包括：工况1孤岛运行，光伏发电：当光伏组件输出功率大于负载功率且锂电池未充满时，执行此模式；工况2并网运行，网侧变换器逆变：当光伏组件输出功率大于负载功率，并且锂电池已处于满充状态时，执行此模式；工况3孤岛运行，电池供电：当光伏组件输出功率不足以给负载供电，且锂电池储存有电量时，执行此模式；工况4并网运行，网侧变换器整流：当光伏组件输出功率不足以给负载供电，且锂电池电量不足时，执行此模式。本发明采用自动控制能量管理方法，优先光伏储能***的接入光伏能量，其次电池，再次电网；提高光能的利用率和自动控制效果。

Description

应用于光伏储能***的能量管理方法

技术领域

本发明涉及光伏储能领域，尤其涉及一种应用于光伏储能***内管理能量的方法。

背景技术

光伏储能***能量管理策略核心目的就是使得整个光伏发电***能够协调稳定地运行，实现能量的平衡和优化。本***中包含三个电源，即：光伏组件、锂电池以及电网。要确定***工况和能量管理策略，首先应该明确能量管理的控制原则，即***运行过程中能源使用的优先级。考虑到目前越来越多的国家鼓励分布式能源自发自用，遵循这一原则，故将光伏组件作为供电电源选择的第一优先级。在光伏发电量盈余或者不足的情况下，首先由锂电池来实现功率平衡，故锂电池作为供电电源选择的第二优先级。只有当光伏组件和锂电池都达到限制条件时，才将公共电网接入***，故电网处于供电电源选择的最后的优先级。上述能够管理方法能源利用率低，自动化程度低，不能实现智能化的光伏储能***。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种管理科学，运行可靠，能够合理使用电源的管理方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：应用于光伏储能***的能量管理方法，光伏储能***中电源包括光伏组件、锂电池和电网，***工况可分为如下四种包括：

工况1孤岛运行，光伏发电：当光伏组件输出功率大于负载功率且锂电池未充满时，执行此模式；

工况2并网运行，网侧变换器逆变：当光伏组件输出功率大于负载功率，并且锂电池已处于满充状态时，执行此模式；

工况3孤岛运行，电池供电：当光伏组件输出功率不足以给负载供电，且锂电池储存有电量时，执行此模式；

工况4并网运行，网侧变换器整流：当光伏组件输出功率不足以给负载供电，且锂电池电量不足时，执行此模式。

本发明采用自动控制能量管理方法，优先光伏储能***的接入光伏能量，其次电池，再次电网；提高光能的利用率和自动控制效果。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：

图1光伏储能发电***框图；

图2为工况1状态下***框图

图3为工况2状态下***框图

图4为工况3状态下***框图

图5为工况4状态下***框图

图6为***工况转换图；

图7为工况1与工况3状态之间切换时实验波形图；

具体实施方式

参见图1可知，本***中包含三个电源：光伏组件、锂电池以及电网。其中光伏组件经光伏测变换器连接直流母线，锂电池经电池侧变换器连接直流母线，直流母线经全桥逆变器连接负载，电网接入负载和全桥逆变器之间的导线上。

光伏侧Boost变换器可以工作在最大功率点跟踪(Maximum Power PointTracking，MPPT)模式和恒压(Constant Voltage，CV)模式；电池侧Buck-Boost变换器可以工作在Boost模式和Buck模式；当其工作在Buck模式时，控制低压侧电压,用于电池放电；当其工作在Boost模式时，控制高压侧电压，用于电池充电。当电网接入光伏储能***时，全桥逆变器工作在并网模式，当电网断开时，全桥逆变器工作在独立(孤岛)模式。

***将光伏组件作为供电电源选择的第一优先级，在光伏发电量盈余或者不足的情况下，首先由锂电池来实现功率平衡，锂电池作为供电电源选择的第二优先级，只有当光伏组件和锂电池都达到限制条件时，才将电网处于供电电源选择的最后的优先级。

基于上述原则，根据光伏发电***是否与电网连接，可以将***运行模式分为孤岛运行模式和并网运行模式两大类，具体分为四种工况状态，具体如下：

工况1孤岛运行，光伏发电；工况2并网运行，网侧变换器逆变；工况3孤岛运行，电池供电；工况4并网运行，网侧变换器整流。

由图2中工况1中变换器的工作模式以及***中的能量流动方向可知，孤岛运行，光伏发电工况下，此时光伏组件输出功率大于负载功率且锂电池未充满，即P_PV>P_load且SOC<95％。光伏作为主要供电电源，光伏侧Boost变换器工作在CV模式，控制直流母线电压恒定。全桥逆变器工作在独立逆变模式。如果光伏输出功率大于负载功率和锂电池充电功率之和，即P_PV>P_load+P_{bat_charge}，则电池侧Buck-Boost变换器工作在Buck模式以控制电池充电；反之若P_load<P_PV<P_load+P_{bat_charge}，则Buck-Boost变换器不工作。

由图3中工况2中变换器的工作模式以及***中的能量流动方向可知，并网运行，网侧变换器逆变工况下，此时光伏组件输出功率大于负载功率，并且锂电池已处于满充状态，即P_PV>P_load且SOC>95％。全桥逆变器工作在并网模式以控制中间直流母线电压恒定，将盈余的电量回馈给公共电网。光伏侧Boost变换器工作在MPPT模式。锂电池侧Buck-Boost变换器不工作。

由图4中工况3中变换器的工作模式以及***中的能量流动方向可知，孤岛运行，电池供电工况下，此时光伏组件输出功率不足以给负载供电，且锂电池储存有一定电量，即P_PV<P_load且SOC>5％。锂电池作为主要供电电源，电池侧Buck-Boost变换器工作在Boost模式以控制直流母线电压恒定。全桥逆变器工作在独立逆变模式。若光伏有微弱的功率输出，即P_{PV_min}<P_PV<P_load，则光伏侧Boost变换器工作在MPPT模式；若光伏无功率输出，即P_PV<P_{PV_min}，则光伏侧Boost变换器不工作。

由图5中工况4中变换器的工作模式以及***中的能量流动方向可知，并网运行，网侧变换器整流。此时光伏组件输出功率不足以给负载供电，且锂电池电量不足，即P_PV<P_load且SOC<5％。全桥逆变器工作在并网模式维持直流母线电压恒定。锂电池侧Buck-Boost变换器工作在Buck模式以控制电池充电直到SOC>95％为止。若光伏有微弱的功率输出，即P_{PV_min}<P_PV<P_load，则光伏侧Boost变换器工作在MPPT模式；若光伏无功率输出，即P_PV<P_{PV_min}，则光伏侧Boost变换器不工作。

表1给出了按照P_PV<P_load、P_PV>P_load、SOC>5％、5％<SOC<95％、SOC>95％这五个条件划分的***运行工况。从表中可以清楚地看出***运行在某个特定工况下所需具备的条件。

	SOC<5％	5％<SOC<95％	SOC>95％
				P_PV>P_load	工况1	工况1	工况2
P_PV<P_load	工况4	工况3	工况3

表1

参见图6可知，在保证供电电源优先级的前提条件下，工况切换采用以下方法：

当***运行在工况1时，若检测到SOC>95％，则说明此时锂电池已充满，应将富余的能量馈入电网，即***由工况1切换到工况2。若检测到P_PV<P_load，则此时光伏输出功率不足以给负载供电，按照供电电源选择次序，应该切换到锂电池供电，即***由工况1切换到工况3。

当***运行在工况2时，若检测到P_PV<P_load，则说明光伏组件已没有富余的能量馈入电网，按照供电电源选择次序，应切换到锂电池供电，即***由工况2切换到工况3。

当***运行在工况3时，若检测到P_PV>P_load，则说明光伏组件可独立给负载供电，按照供电电源选择次序，应该切换到光伏供电，即***由工况3切换到工况1。若检测到SOC<5％，则说明电池电量不足，只能由电网给负载供电，即***由工况3切换到工况4。

当***运行在工况4时，若检测到P_PV>P_load，则说明光伏组件可独立给负载供电，按照供电电源选择次序，应该切换到光伏供电，即***由工况4切换到工况1。

当***运行在工况2时电网发生故障，此时可切换到工况2由光伏供电继续运行。

当***运行在工况4时电网发生故障，此时可切换到工况3由电池供电继续运行。

当***运行在工况1或者工况3时电网发生故障，此时***可维持原来工况继续运行一段时间。

图6中给出了4条工况切换条件，分别为：(1)SOC>95％；(2)SOC<5％；(3)P_PV<P_load；(4)P_PV>P_load；

上述前两条切换条件可以通过控制器与电池管理***(Battery ManagementSystem，BMS)通讯获得数据加以判断。

后两条切换条件在实际中的判断须分为以下几类情况。当***运行在并网工况时(包括工况2和工况4)，光伏侧Boost变换器工作在MPPT模式，***可以检测出光伏最大输出功率，从而与负载功率做比较，判断条件是否成立。当***运行在工况1时，由于光伏侧Boost变换器工作在CV模式，光伏组件最大可输出功率无法测量，此时可以通过检测直流母线电压是否跌落来间接判断条件是否成立(直流母线电压跌落即意味着光伏组件输出功率不足以给负载供电，即P_PV<P_load)。当***运行在工况3时，Buck-Boost变换器工作在Boost模式，功率只能从电池输出而不能输入，所以P_PV>P_load首先会体现在直流母线电压抬升上，故可以通过检测直流母线电压是否抬升来间接判断P_PV>P_load是否成立。

直流母线电压跌落和抬升的阀值设定十分重要。阀值设置太低，***可能会由于采样误差和外部扰动发生工况的误切换；阀值设置太高，会使得直流母线电压变化范围太大，降低***运行可靠性和变换器效率。综合考虑，设定直流母线电压跌落的阀值为V_{dc_min}＝V_{dc_rating}(1-10％)(V_{dc_rating}为直流母线电压额定值)；设定直流母线电压抬升的阀值为V_{dc_max}＝V_{dc_rating}(1+10％)。即：当V_dc<V_{dc_min}时，意味着直流母线电压跌落，条件P_PV<P_load成立；当V_dc>V_{dc_max}时，意味着直流母线电压抬升，条件P_PV>P_load成立。

为确保以上提出的工况以及能量管理策略能够有效实现，需提出相关功率限制条件：

(1)锂电池最大放电功率大于负载最大功率，保证单独由锂电池供电时可以满足负载需要。即以下公式：

P_{bat_discharge_max}≥P_{load_max}

(2)负载侧DC/AC变换器额定功率大于锂电池最大充电功率与负载最大功率之和，从而确保电网能够给负载供电的同时给锂电池充电。即以下公式：

P_{dc/ac_rating}≥(P_{bat_charge_max}+P_{load_max})

(3)负载侧DC/AC变换器额定功率大于光伏最大输出功率，保证电网能够吸纳光伏最大输出功率。即以下公式：

P_{dc/ac_rating}≥P_{PV_max}

图7(a)、(b)为工况1和工况3之间的切换过程图。图7(a)中，切换前***工作在工况1，此时负载功率为1.5kW，锂电池充电功率1kW。从图7(a)中可以，在负载从1kW突变到3kW瞬间，通过检测到直流母线电压跌落即V_dc<V_{dc_min}，判断P_PV<P_load条件成立，此时锂电池从充电状态自然过渡到放电状态，与光伏联合维持负载不间断供电。从图7(b)中可以看出，当负载从3kW重新变为1.5kW时，通过检测到直流母线电压抬高即V_dc>V_{dc_max}，判断P_PV>P_load条件成立，***从工况3切换回到工况1。在状态切换过程中，直流母线电压存在短暂的跌落和抬升，但逆变器输出电压始终维持在220V。

Claims

1.应用于光伏储能***的能量管理方法，其特征在于：

光伏储能***中电源包括光伏组件、锂电池和电网，

***工况分为如下四种：

工况1孤岛运行，光伏发电：当光伏组件输出功率大于负载功率且锂电池未充满时，执行此模式；所述工况1执行状态下，光伏组件作为主供电电源，光伏侧变换器工作在恒压模式，控制直流母线电压恒定，全桥逆变器工作在独立逆变模式，如果光伏输出功率大于负载功率和锂电池充电功率之和，则电池侧变换器控制锂电池充电，反之则电池侧变换器不工作;

工况2并网运行，网侧变换器逆变：当光伏组件输出功率大于负载功率，并且锂电池已处于满充状态时，执行此模式；所述工况2执行状态下，全桥逆变器工作在并网模式以控制中间直流母线电压恒定，将盈余的电量回馈给公共电网，光伏侧变换器工作在MPPT模式，锂电池侧变换器不工作;

工况3孤岛运行，电池供电：当光伏组件输出功率不足以给负载供电，且锂电池储存有电量时，执行此模式；所述工况3执行状态下，锂电池作为主供电电源，电池侧变换器工作在Boost模式以控制直流母线电压恒定，全桥逆变器工作在独立逆变模式，若光伏组件存在功率输出，则光伏侧Boost变换器工作在MPPT模式；若光伏无功率输出，则光伏侧Boost变换器不工作;

工况4并网运行，网侧变换器整流：当光伏组件输出功率不足以给负载供电，且锂电池电量不足时，执行此模式; 所述工况4执行状态下，全桥逆变器工作在并网模式维持直流母线电压恒定，锂电池侧变换器工作在Buck模式以控制电池充电直至电池充满为止，若光伏组件存在功率输出，则光伏侧Boost变换器工作在最大功率点跟踪模式；若光伏组件无功率输出，则光伏侧Boost变换器不工作。

2.根据权利要求1所述的应用于光伏储能***的能量管理方法，其特征在于：

当***运行工况1时，若检测到锂电池SOC＞95%，则由工况1切换到工况2，若检测到光伏组件输出功率不足以给负载供电，则由工况1切换到工况3；

当***运行工况2时，若检测到光伏组件输出功率不足以给负载供电，则由工况2切换到工况3；

当***运行工况3时，若检测到光伏组件输出功率大于负载功率，则由工况3切换到工况1，若检测到锂电池SOC＜5%，则由工况3切换到工况4；

当***运行工况4时，若检测到光伏组件输出功率大于负载功率，则由工况4切换到工况1。

3.根据权利要求1或2所述的应用于光伏储能***的能量管理方法，其特征在于：

当运行工况2时发生电网故障，则由工况2切换到工况1由光伏组件供电继续运行；

当运行工况4时发生电网故障，则由工况4切换到工况3由锂电池供电继续运行；

当运行工况1或3时发生电网故障，则***维持原工况运行。

4.根据权利要求3所述的应用于光伏储能***的能量管理方法，其特征在于：所述锂电池电量信号的采集通过电池管理***获取；

光伏组件输出功率和负载的输出功率通过***工况状态获取：

当***运行在工况2、4状态时，光伏侧变换器工作在MPPT模式，***检测出光伏最大输出功率，从而与负载功率做比较，判断条件是否成立；当***运行在工况1状态时，通过检测直流母线电压是否跌落来间接判断条件是否成立；当***运行在工况3状态时，电池侧变换器工作在Boost模式，通过检测直流母线电压是否抬升来间接判断条件是否成立。

5.根据权利要求4所述的应用于光伏储能***的能量管理方法，其特征在于：直流母线电压跌落的阀值为V_{dc_min}=V_{dc_rating}(1-10%)，其中V_{dc_rating}为直流母线电压额定值，设定直流母线电压抬升的阀值为V_{dc_max}=V_{dc_rating}(1+10%)；若当前直流母线电压V_dc>V_{dc_max}时，条件光伏组件输出功率大于负载功率成立。

6.根据权利要求1所述的应用于光伏储能***的能量管理方法，其特征在于：所述管理方法执行切换各个工况时，需满足以下条件：

1）锂电池最大放电功率大于负载最大功率，保证单独由锂电池供电时可以满足负载需要；

2）负载侧DC/AC变换器额定功率大于锂电池最大充电功率与负载最大功率之和，从而确保电网能够给负载供电的同时给锂电池充电；

3）负载侧DC/AC变换器额定功率大于光伏最大输出功率，保证电网能够吸纳光伏最大输出功率。