CN104283228A - 一种并网储能*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种并网储能***，包括：光伏阵列、并网逆变模块、用于电能变换和电流流向的控制的电能存储单元、实现电站自动控制、调节、调度且控制电能存储单元的调节功率变化的能量管理与自动化监控单元，所述光伏阵列、并网逆变模块、电能存储单元和能量管理与自动化监控单元之间相连接；所述电能存储单元中包含有双向逆变器和储能器件，所述储能器件为磷酸铁锂电池。通过上述方式，本发明提供的一种并网储能***，主要用于光伏分布式电站以及大型光伏地面电站，用于解决光伏电站在并网过程中的不稳定输出问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种储能***，特别是涉及一种并网储能***。
背景技术
1、国内发展情况
我国光伏组件产量自2007年以来，连续5年位居世界第一。2011年，我国光伏组件产量是当年新增安装容量的10倍，90%的光伏组件需要销往国外。
我国光伏产业严重依赖国外市场的风险在欧美“双反”时暴露无遗。为挽救我国光伏产业，国家今年连续出台政策支持分布式光伏发电发展。为了响应国家政策，国家电网公司发布分布式光伏发电相关管理办法，为促进分布式发电的快速发展奠定了坚实的基础。
我国从2009年开始实施特许权招标，推动地面大型光伏电站建设。同年，开始了“金太阳”工程和光电建筑示范项目，给予分布式光伏发电***补贴，并按照投资规模的大小，确定补贴额度。截至2011年年底，国家已公布的光电建筑示范项目规模约为30万千瓦。“金太阳”工程已公布的规模约为117万千瓦。在项目建设中与之相关的规划、设计、施工、管理和运行的标准、规范不健全，导致问题集中显现。
国家公布的相关规划提出，2015年分布式光伏发电要达到1000万千瓦。同时，明确提出鼓励在中东部地区建设与建筑结合的分布式光伏发电***。
2014年，国家对光伏电站新增规模中大部分都是分布式电站，分布式电站中基本以屋顶方式进行。建设以工业园区大型光伏屋顶电站将成为未来光伏电站的趋势。
2、国外发展情况
从国外的发展经历看，有几点经验可供借鉴：
采取经济杠杆保证光伏发电装机容量持续稳定增长。德国可再生能源法规定了光伏发电的补贴办法，对于屋顶光伏和地面光伏等各类光伏发电的应用模式，其规模不同，补贴力度不同。
该国2012年最新修改的法律规定，光伏发电的上网电价从17.94欧分每千瓦时到24.43欧分每千瓦时。该国还规定，未来12个月内如果安装容量超过350万千瓦，上网电价下降3%；如果超过750万千瓦，上网电价下降15%。
制定合理的分布式光伏发电管理方式，保证电网的安全运行。西班牙要求某一区域安装的分布式电源的容量为该区域的峰值负荷的50%以下，尽量避免分布式电源反送电。德国要求100千瓦以上的分布式电源必须安装远程通信和控制装置，以便调度实时了解其出力，并且可以进行调度。
目前，西班牙的电网调度尚不具备远程监控和控制大规模光伏发电的能力，原因是输电运营商仅要求1万千瓦以上的光伏发电项目安装遥测装置，而西班牙还没有如此大规模的光伏项目。随着兆瓦级项目的增多，这些项目缺乏遥测设备将对电网运行产生显著影响。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种并网储能***，主要用于光伏分布式电站以及大型光伏地面电站，用于解决光伏电站在并网过程中的不稳定输出问题；具体涉及到电能存储单元、能量管理单元和自动化监控单元的应用与研究三个方面的内容。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种并网储能***，包括：光伏阵列、并网逆变模块、用于电能变换和电流流向的控制的电能存储单元、实现电站自动控制、调节、调度且控制电能存储单元的调节功率变化的能量管理与自动化监控单元。
所述光伏阵列、并网逆变模块、电能存储单元和能量管理与自动化监控单元之间相连接。
所述电能存储单元中包含有双向逆变器和储能器件，所述储能器件为磷酸铁锂电池，所述电能存储单元对储能器件进行电能的变换和电流流向的控制通过双向交换器实现。
所述能量管理与自动化监控单元对电站自动控制、调节、调度通过与公共电网的接入、切出实现，并且对电网状态进行检测并根据光伏模块的输出功率以控制电能存储单元的调节功率变化。
在一个较佳实施例中，所述光伏阵列与电能存储单元并联，且输出到10KV母线，所述能量管理与自动化监控单元对电能存储单元进行能量管理和实时监控。
在一个较佳实施例中，所述电能存储单元中包含有电池模块，所述电池模块中包含有若干电池单元，所述每个电池单元中包含有若干电池串，每个电池串与其他电池串之间均为并联，且通过双向交换器与10KV母线进行能量交换。
在一个较佳实施例中，所述电池串中包含有若干磷酸铁锂电池和对磷酸铁锂电池进行电能均衡管理的电池管理模块。
在一个较佳实施例中，所述能量管理与自动化监控单元中包含有控制器模块和现场数据采集模块，所述控制器模块中包含有控制器和控制器局域网总线，所述现场数据采集模块中包含有数据采集器；所述现场数据采集模块通过控制器局域网总线、控制器和数据采集器进行通讯。
在一个较佳实施例中，所述并网逆变模块中包含有***电路、开机控制模块和最大功率点跟踪模块，所述开机控制模块和最大功率点跟踪模块分别与***电路之间连接。
在一个较佳实施例中，所述***电路中包含有预充电接触器、直流空气断路器、有源逆变器装置、电压检测模块和交流空气断路器，所述预充电接触器、直流空气断路器、有源逆变器装置、电压检测模块、交流空气断路器之间电性连接。
在一个较佳实施例中，所述开机控制模块中包含有判断预充电接触器是否闭合的直流侧绝缘监测模块、对电压、电流数据进行比较判断的数据比较模块、与判断电压电流数据是否同步，控制判断交流空气断路器是否闭合的数据同步模块，所述直流侧绝缘监测模块、数据比较模块和数据同步模块按顺序依次连接。
本发明的有益效果是：1）电能存储单元：本发明提到的电能存储单元采用锂电池作为电能存储的基础单元，通过双向变换器与10KV交流母线连接，进行能量交换；2）能量管理与自动化监控单元：监测、控制、计量、维护与诊断、调度等功能；研究自动实现与公共电网的接入、切出，使得整个屋顶电站实现自动控制调节、调度；实时对电网侧的状态进行检测，同时根据光伏***实时长传的输出功率，控制电能存储单元的调节功率的变化，实现功率平滑、无功补偿、削峰填谷等功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明的一种并网储能***一较佳实施例的***控制原理图；
图2是本发明的一种并网储能***一较佳实施例的电能储能单元结构图；
图3是本发明的一种并网储能***一较佳实施例的能量管理与自动化监控单元原理图；
图4是本发明的一种并网储能***一较佳实施例的DCC开机控制模块原理流程图；
图5是本发明的一种并网储能***一较佳实施例的并网逆变模块原理图。
附图中各部件的标记如下：1、绝缘监测模块；2、旁路接触器； 3、预充电接触器；4、外部电源；SPD1、直流浪涌防雷器；SPD2、交流浪涌防雷器；QF1、直流空气断路器；QF2、交流空气断路器；R1、充电电阻；B1、直流滤波；B2、交流滤波；VSM1、第一电压检测模块；VSM2、第二电压检测模块；FU、熔断器；RH1、温度传感器；VD、防反二极管；ALM、有源逆变器装置；PVGF、有源滤波。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1、图2、图3、图4、图5，本发明实施例包括：
一种并网储能***，包括：光伏阵列、并网逆变模块、用于电能变换和电流流向的控制的电能存储单元、实现电站自动控制、调节、调度且控制电能存储单元的调节功率变化的能量管理与自动化监控单元。
所述光伏阵列、并网逆变模块、电能存储单元和能量管理与自动化监控单元之间相连接。
所述电能存储单元中包含有双向逆变器和储能器件，所述储能器件为磷酸铁锂电池，所述电能存储单元对储能器件进行电能的变换和电流流向的控制通过双向交换器实现；
所述能量管理与自动化监控单元对电站自动控制、调节、调度通过与公共电网的接入、切出实现，并且对电网状态进行检测并根据光伏模块的输出功率以控制电能存储单元的调节功率变化。
所述光伏阵列与电能存储单元并联，且输出到10KV母线，所述能量管理与自动化监控单元对电能存储单元进行能量管理和实时监控。
所述电能存储单元中包含有电池模块，所述电池模块中包含有若干电池单元，所述每个电池单元中包含有若干电池串，每个电池串与其他电池串之间均为并联，且通过双向交换器与10KV母线进行能量交换。
优选的，所述电池串的数量为4个。
所述电池串中包含有若干磷酸铁锂电池和对磷酸铁锂电池进行电能均衡管理的电池管理模块。
所述能量管理与自动化监控单元中包含有控制器模块和现场数据采集模块，所述控制器模块中包含有控制器和控制器局域网总线，所述现场数据采集模块中包含有数据采集器；所述现场数据采集模块通过控制器局域网总线、控制器和数据采集器进行通讯。
所述并网逆变模块中包含有***电路、开机控制模块和最大功率点跟踪模块，所述开机控制模块和最大功率点跟踪模块分别与***电路之间连接。
所述***电路中包含有预充电接触器、直流空气断路器、有源逆变器装置、电压检测模块和交流空气断路器，所述预充电接触器、直流空气断路器、有源逆变器装置、电压检测模块、交流空气断路器之间电性连接。
所述电压检测模块包含有第一电压检测模块和第二电压检测模块。
所述开机控制模块中包含有判断预充电接触器是否闭合的直流侧绝缘监测模块、对电压、电流数据进行比较判断的数据比较模块、与判断电压电流数据是否同步，控制判断交流空气断路器是否闭合的数据同步模块，所述直流侧绝缘监测模块、数据比较模块和数据同步模块按顺序依次连接。
在一个具体实施中，电能存储单元设置为大容量电能储能***，能量管理与自动化监控单元中包含有EMS，即能量管理***。
所述电能存储以500KWH为一个单元进行设计，每248块单节磷酸铁锂电池进行串联，一共4串进行并联，通过PCS设备（双向变换器）与10KV母线进行能量交换，并且电池组有BMS***（电池管理***）进行电能均衡管理。
整个***以PVSS为基础进行二次软件集成开发，整个通讯以CAN总线形式进行。
在能量管理***中，所述的CAN总线，即控制器局域网CAN( Controller Area Network)属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制***的串行通信网络。是由德国博世公司在20世纪80年代专门为汽车行业开发的一种串行通信总线。由于其高性能、高可靠性以及独特的设计而越来越受到人们的重视，被广泛应用于诸多领域。而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10km时，CAN仍可提供高达50kbit/s的数据传输速率。由于CAN总线具有很高的实时性能和应用范围，从位速率最高可达1Mbps的高速网络到低成本多线路的50Kbps网络都可以任意搭配。因此，CAN己经在汽车业、航空业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。
随着CAN总线在各个行业和领域的广泛应用，对其的通信格式标准化也提出了更严格的要求。1991年CAN总线技术规范（Version2.0）制定并发布。该技术规范共包括A和B两个部分。其中2.0A给出了CAN报文标准格式，而2.0B给出了标准的和扩展的两种格式。美国的汽车工程学会SAE在2000年提出了J1939协议，此后该协议成为了货车和客车中控制器局域网的通用标准。
因此，在本***的整个***中，现场数据以CAN总线形式通讯，然后通过PLC（可编程控制器）或者数据采集器进行以太网远程通讯，将数据传到远程数据中心，通过远程数据中心进行管理。
所述并网逆变模块中包含有逆变器，所述逆变器优选为大功率并网逆变器。
所述大功率逆变器以西门子S120***为基础进行设计，自行设计***电路、DCC控制程序和最大功率点跟踪算法。
所述***电路中包含有预充电接触器、直流空气断路器、有源逆变器装置、电压检测模块和交流空气断路器，所述预充电接触器、直流空气断路器、有源逆变器装置、电压检测模块、交流空气断路器之间电性连接。
所述DCC控制程序中包含有判断预充电接触器是否闭合的直流侧绝缘监测模块、对电压、电流数据进行比较判断的数据比较模块、与判断电压电流数据是否同步，控制判断交流空气断路器是否闭合的数据同步模块，所述直流侧绝缘监测模块、数据比较模块和数据同步模块按顺序依次连接。
在DCC控制程序的具体实施中，首先判断开机键是否按下，当开机键按下时，利用直流侧绝缘监测模块检测、判断绝缘侧检测是否通过，当不通过时，进行报错，当通过时，合上预充电接触器KM1，等待母线电容进行充电，且闭合上QF1，然后比较2个电压检测模块VSM1和VSM2采集到的电流、电压数据，从而判断数据是否同步，当数据不同步时，重新返回比较VSM1和VSM2采集到的电流、电压数据，一直到数据同步，从而闭合QF2。
关于 最大功率点跟踪算法，本***中采用三点比较法。
具体来说，三点比较法是指通过不断调整电压步长△U对最大功率点进行判断和控制，最后利用阈值△U判断是否达到最优点。具体是在光伏电池P-U特性曲线峰值点附近从左到右依次取A、B、C三个点的电压和功率，然后用三个点的功率比较结果来调整PWM，从而实现快速跟踪。该方法有以下四个特点：(1)算法本身就能够准确快速地跟踪到最大功率点；(2)避免了在最大功率点附近因扰动造成的功率损失，但是在三点比较过程中，由于每次比较均需要先采集三个点的电压和功率，而在采集期间***并没有工作在最大功率点，造成了功率的损失，因此在找到了最大功率点后，应该间隔比较长的时间再进行三点比较；(3)算法的复杂性决定了需要处理大量数据，对硬件***的性能提出了较高要求；(4)当光强发生突变时，不能盲目移动工作点，需待日照量稳定后再追踪。
由于三点比较法采用软件控制，算法中把"Pa≥Pb且Pb≤Pc"这种情况(即天空有云遮挡)归入了***已达到最大功率点的情况，两者做同样处理:不跟随日照量的快速改变而盲目调整工作电压，避免了***过快的振荡。
此种处理会造成一小部分功率损失，但相对于换来整个***稳定运转是值得的：假设原来***处于最大工作电压Umax1上，检测到的相应电流为Imax1，日照突变后应达到的最大工作电压为Umax2，相应电流为Imax2，则***不移动工作点造成的功率损失为P=Pmax2-Pmax1=Umax2Imax2-Umax1Imax1，由于太阳很快恢复到原来的日照量，没改动的Umax1又成为最大工作电压，***恢复原先稳定状态。
在光伏电站建设的具体实施中中，增加本发明提到的并网储能***，具有以下优点:
1、延缓了电网投资建设、降低电能线路损耗，具有良好的节能减排效益；
2、对电网具有一定的调峰作用；
3、无需另外占地，节约了土地资源；
4、解决了光伏发电不稳定性；
5、改善了光伏电站并网的电能质量；
6、提高***带负载能力，减轻大电网的压力。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种并网储能***，其特征在于，包括：光伏阵列、并网逆变模块、用于电能变换和电流流向的控制的电能存储单元、实现电站自动控制、调节、调度且控制电能存储单元的调节功率变化的能量管理与自动化监控单元，所述光伏阵列、并网逆变模块、电能存储单元和能量管理与自动化监控单元之间相连接；
所述电能存储单元中包含有双向逆变器和储能器件，所述储能器件为磷酸铁锂电池，所述电能存储单元对储能器件进行电能的变换和电流流向的控制通过双向交换器实现；
所述能量管理与自动化监控单元对电站自动控制、调节、调度通过与公共电网的接入、切出实现，对电网状态进行检测并根据光伏模块的输出功率以控制电能存储单元的调节功率变化。
2.根据权利要求1所述的并网储能***，其特征在于，所述光伏阵列与电能存储单元并联，且输出到10KV母线，所述能量管理与自动化监控单元对电能存储单元进行能量管理和实时监控。
3.根据权利要求2所述的并网储能***，其特征在于，所述电能存储单元中包含有电池模块，所述电池模块中包含有若干电池单元，所述每个电池单元中包含有若干电池串，每个电池串与其他电池串之间均为并联，且通过双向交换器与10KV母线进行能量交换。
4.根据权利要求3所述的并网储能***，其特征在于，所述电池串中包含有若干磷酸铁锂电池和对磷酸铁锂电池进行电能均衡管理的电池管理模块。
5.根据权利要求1所述的并网储能***，其特征在于，所述能量管理与自动化监控单元中包含有控制器模块和现场数据采集模块，所述控制器模块中包含有控制器和控制器局域网总线，所述现场数据采集模块中包含有数据采集器；所述现场数据采集模块通过控制器局域网总线、控制器和数据采集器进行通讯。
6.根据权利要求2所述的并网储能***，其特征在于，所述并网逆变模块中包含有***电路、开机控制模块和最大功率点跟踪模块，所述开机控制模块和最大功率点跟踪模块分别与***电路之间连接。
7.根据权利要求6所述的并网储能***，其特征在于，所述***电路中包含有预充电接触器、直流空气断路器、有源逆变器装置、电压检测模块和交流空气断路器，所述预充电接触器、直流空气断路器、有源逆变器装置、电压检测模块、交流空气断路器之间电性连接。
8.根据权利要求7所述的并网储能***，其特征在于，所述开机控制模块中包含有判断预充电接触器是否闭合的直流侧绝缘监测模块、对电压、电流数据进行比较判断的数据比较模块、与判断电压电流数据是否同步，控制判断交流空气断路器是否闭合的数据同步模块，所述直流侧绝缘监测模块、数据比较模块和数据同步模块按顺序依次连接。
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