一种光伏电源混合储能系统

摘要

一种光伏电源混合储能系统，它包括超级电容器、蓄电池组、后备储能系统、三个储能电感、六个带有反并联二极管的IGBT和状态监控器，所述超级电容器与第一储能电感串接后一端接光伏电源直流母线负极，另一端分别经第一IGBT和第二IGBT接直流母线的负极和正极，所述蓄电池组与第二储能电感串接后一端接直流母线负极，另一端分别经第三IGBT和第四IGBT接直流母线的负极和正极，所述后备储能系统与第三储能电感串接后一端接直流母线负极，另一端分别经第五IGBT和第六IGBT接直流母线的负极和正极。本发明将三种储能单元优势互补，提高了供电质量和光能利用率，有效延长了系统运行寿命，降低了运行成本。

权利要求

1.一种光伏电源混合储能系统，其特征是，所述储能系统包括超级电容器（C1）、蓄电池组（B2）、后备储能系统（B3）、三个储能电感、六个带有反并联快恢复二极管的IGBT和状态监控器，所述超级电容器（C1）与第一储能电感（L1）串接后一端接光伏电源直流母线负极，另一端分别经第一IGBT（T0）和第二IGBT（T1）接光伏电源直流母线的负极和正极，所述蓄电池组（B2）与第二储能电感（L2）串接后一端接光伏电源直流母线负极，另一端分别经第三IGBT（T2）和第四IGBT（T3）接光伏电源直流母线的负极和正极，所述后备储能系统（B3）与第三储能电感（L3）串接后一端接光伏电源直流母线负极，另一端分别经第五IGBT（T4）和第六IGBT（T5）接光伏电源直流母线的负极和正极；

所述光伏电源混合储能系统按如下方式运作：

在光伏发电系统运行过程中，状态监控器实时检测光伏电源的直流母线电压、超级电容器电压、蓄电池组电压和后备储能系统电压，并根据各电压的监测值按以下方法调整混合储能系统的运行状态:若光伏电源的直流母线电压在其额定值UN的98%～102%范围以内，则原有控制状态不变；

当光伏电源的直流母线电压低于其额定值UN的98%时，若混合储能系统当前为充电状态，则减小储能系统的充电功率；若混合储能系统当前不是充电状态，则进行发电控制，使储能系统向光伏电源的直流母线传输的功率增大；

当光伏电源的直流母线电压高于其额定值UN的102%时，若混合储能系统当前为发电状态，则减小混合储能系统的发电功率；若混合储能系统当前不是发电状态则进行充电控制，使光伏电源向储能系统的充电功率增大；

使混合储能系统向光伏电源的直流母线传输的功率增大的方法是：首先控制第一IGBT（T0）的通断占空比增量，使超级电容器（C1）向光伏电源的直流母线传输的功率增大；

如果此时超级电容器电压低于其最高工作电压的0.2倍，则改为控制第三IGBT（T2）的通断占空比增量，使蓄电池组（B2）向光伏电源的直流母线传输的功率增大；如果此时蓄电池组电压小于其额定值的0.8倍，则改为控制第五IGBT（T4）的通断占空比增量，使备用储能系统向光伏电源的直流母线传输的功率增加。

2.根据权利要求1所述的一种光伏电源混合储能系统，其特征是，使光伏电源向混合储能系统的充电功率增大的方法是：首先控制第二IGBT（T1）的通断占空比增量，使光伏电源向超级电容器（C1）的充电功率增大；如果此时超级电容器电压达到其最高工作电压，则改为控制第四IGBT（T3）的通断占空比增量，使光伏电源向蓄电池组（B2）的充电功率增大；

如果此时蓄电池组电压大于其额定电压的1.3倍，则改为控制第六IGBT（T5）的通断占空比增量，使光伏电源向备用储能系统的充电功率增加。

3.根据权利要求2所述的一种光伏电源混合储能系统，其特征是，所述后备储能系统（B3）为电解制氢—发电设备。

4.根 据 权 利 要 求 3所 述 的 一 种 光 伏 电 源 混 合 储 能 系 统，其 特 征是，增 大 混 合 储 能 系 统 的 充、放 电 功 率 时，各 IGBT通 断 占 空 比 增 量 的计算方法为： ，其中， 为光伏电源直流母线电压，K1、K2为与直流母线额定电压、当前运行储能单元的电压和控制电路的载波频率相关的正系数。

5.根据权利要求4所述的一种光伏电源混合储能系统，其特征是，构成中还包括稳压电解电容（CP），所述稳压电解电容（CP）的正极和负极分别接光伏电源直流母线的正极和负极。

6.根据权利要求5所述的一种光伏电源混合储能系统，其特征是，在储能系统与光伏电源直流母线之间设置有投切开关（K）。

说明书

一种光伏电源混合储能系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于光伏发电系统运行状态调整的混合储能系统，属于发电技术领域。

背景技术

[0002] 太阳能光伏发电是一种有效利用太阳能的方式，具有运行过程中不消耗一次能源、无污染、无噪声、建设规模可大可小等优势。但是，光伏发电系统同时具有所产生的电能质量较差和运行过程中光能利用率较低的缺点，影响了光伏发电技术的实际应用。出现这些问题的主要原因是光伏电池的发电能力会随着阳光照度的变化而同方向非线性改变，随着温度的变化而反方向变化，并且只有当其发电能力与负载相匹配时才能输出最大功率。由于负载的变化情况完全由用户决定，而光伏电源的输出电压会随着负载的变化而大幅度改变，所以依靠光伏电源自身无法满足常规电力用户对供电电能质量的要求。光伏电源的这种发电能力随自然环境变化而非线性改变以及发电能力与负载无法匹配的特征，导致了系统运行过程中光能利用率很低，光伏电能成本较高。解决上述问题的一种有效方法是在光伏发电系统中安装一定容量的储能装置，利用储能装置提高光伏发电系统的供电电能质量和运行过程中的光能利用率。

[0003] 目前的光伏发电系统一般采用蓄电池组进行储能，当发电系统能量充足时，光伏电源为储能蓄电池组充电，并为电力用户供电或向电网输送电能（联网运行方式）；当发电系统能量不足或无法发电时，蓄电池组放电为电力用户或电网继续提供电能。采用蓄电池组进行储能存在一定的缺陷，首先蓄电池内部存在电化学反应，充放电速度慢；其次蓄电池充放电次数有限，使用寿命短，废弃的蓄电池会对环境造成污染，经常更换蓄电池还会使得光伏电能成本进一步增大。因此，一些研究人员提出了将飞轮储能技术、超级电容器储能技术、超导储能等技术应用于光伏发电系统，这些储能技术均具有使用寿命长、功率密度大、充放电速度快和无环境污染的优点，但是它们又都存在储能密度低和成本较高的缺点，完全取代蓄电池组在工程实际中很难实现。近几年，一些研究人员从提高蓄电池的使用寿命出发提出了将蓄电池和超级电容器通过电抗器并联组成混合储能系统的方法，并进行了以提高蓄电池使用寿命为目标的运行过程仿真研究和部分实验研究，获得了对提高蓄电池寿命有益的结论。事实上，光伏发电系统安装地区连续几天阳光明媚或阴雨连绵的情况时有发生，单纯依靠超级电容器和蓄电池组满足长时间持续充电或放电的需求，从储能系统的投资利用率方面考虑很不合算。因此，如何用最经济的方法提高混合储能系统持续充电或放电的时间、提高光伏发电系统供电电能质量，就成为有关技术人员目前所面临的难题。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种储能量大、循环寿命长、响应速度快、功率吞吐能力强、投资少而且持续充电或放电时间长的光伏电源混合储能系统。

[0005] 本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

[0006] 一种光伏电源混合储能系统，构成中包括超级电容器、蓄电池组、后备储能系统、三个储能电感、六个带有反并联快恢复二极管的IGBT和状态监控器，所述超级电容器与第一储能电感串接后一端接光伏电源直流母线负极，另一端分别经第一IGBT和第二IGBT接光伏电源直流母线的负极和正极，所述蓄电池组与第二储能电感串接后一端接光伏电源直流母线负极，另一端分别经第三IGBT和第四IGBT接光伏电源直流母线的负极和正极，所述后备储能系统与第三储能电感串接后一端接光伏电源直流母线负极，另一端分别经第五IGBT和第六IGBT接光伏电源直流母线的负极和正极；

[0007] 所述光伏电源混合储能系统按如下方式运作：

[0008] 在光伏发电系统运行过程中，状态监控器实时检测光伏电源的直流母线电压、超级电容器电压、蓄电池组电压和后备储能系统电压，并根据各电压的监测值按以下方法调整混合储能系统的运行状态:

[0009] 若光伏电源的直流母线电压在其额定值UN的98%～102%范围以内，则原有控制状态不变；

[0010] 当光伏电源的直流母线电压低于其额定值UN的98%时，若混合储能系统当前为充电状态，则减小储能系统的充电功率；若混合储能系统当前不是充电状态，则进行发电控制，使储能系统向光伏电源的直流母线传输的功率增大；

[0011] 当光伏电源的直流母线电压高于其额定值UN的102%时，若混合储能系统当前为发电状态，则减小混合储能系统的发电功率；若混合储能系统当前不是发电状态则进行充电控制，使光伏电源向储能系统的充电功率增大。

[0012] 上述光伏电源混合储能系统，使混合储能系统向光伏电源的直流母线传输的功率增大的方法是：首先控制第一IGBT的通断占空比增量，使超级电容器向光伏电源的直流母线传输的功率增大；如果此时超级电容器电压低于其最高工作电压的0.2倍，则改为控制第三IGBT的通断占空比增量，使蓄电池组向光伏电源的直流母线传输的功率增大；如果此时蓄电池组电压小于其额定电值的0.8倍，则改为控制第五IGBT的通断占空比增量，使备用储能系统向光伏电源的直流母线传输的功率增加。

[0013] 上述光伏电源混合储能系统，使光伏电源向混合储能系统的充电功率增大的方法是：首先控制第二IGBT的通断占空比增量，使光伏电源向超级电容器的充电功率增大；如果此时超级电容器电压达到其最高工作电压，则改为控制第四IGBT的通断占空比增量，使光伏电源向蓄电池组的充电功率增大；如果此时蓄电池组电压大于其额定电压的1.3倍，则改为控制第六IGBT的通断占空比增量，使光伏电源向备用储能系统的充电功率增加。

[0014] 上述光伏电源混合储能系统，所述后备储能系统为电解制氢—发电设备。

[0015] 上述光伏电源混合储能系统，增大混合储能系统的充、放电功率时，各IGBT通断占空比增量 的计算方法为： ，其中，为光伏电源直流母线电压，K1、K2为与直流母线额定电压、当前运行储能单元的电压和控制电路的载波频率相关的正系数。

[0016] 上述光伏电源混合储能系统，构成中还包括稳压电解电容，所述稳压电解电容的正极和负极分别接光伏电源直流母线的正极和负极。

[0017] 上述光伏电源混合储能系统，在储能系统与光伏电源直流母线之间设置有投切开关。

[0018] 本发明将超级电容器、蓄电池组和后备储能系统有机结合在一起并进行协调控制，实现了不同类型储能单元的优势互补。光伏电源正常运行时，供电电压质量从原来无储能调节时的25%左右的变化范围提高到2%～3%的波动范围；光能利用率较原来提高近50%。由于阳光照度频繁变化和负载随机波动造成的短期不平衡功率由可充放电50万次以上的超级电容器承担、长期不平衡功率由后备储能系统来承担，大大延长了循环寿命较短的蓄电池组的服务年限，在提高电压质量和供电可靠性的前提下还可配置较小容量的蓄电池组，降低了储能系统的综合投资和运行维护费用。

附图说明

[0019] 下面结合附图对本发明作进一步说明。

[0020] 图 1 是本发明的系统结构原理图。

[0021] 图中各符号清单为：GV、太阳能电池阵列，C1、超级电容器，B2、蓄电池组，B3、后备储能系统，T0～T5、第一IGBT（绝缘栅双极型晶体管）～第六IGBT，D0～D5、第一快恢复二极管～第六快恢复二极管，L1～L3、第一储能电感～第三储能电感，CP、稳压电解电容，DP、防反二极管，DC/DC、光伏电源最大功率点跟踪控制器，DC/AC、逆变器，K、投切开关，US、混合储能系统输出电压，UPV、光伏电源直流母线电压（其额定值为UN），UC1、超级电容器电压，UB2、蓄电池组电压，UB3、后备储能系统电压。

具体实施方式

[0022] 本发明根据各种储能系统的响应速度、功率吞吐能力、储能量、循环寿命等基本特征将它们分为三类。第一类为超级电容器、飞轮、超导等储能系统，该类储能系统具有响应速度快、功率吞吐能力强、循环寿命长的优势，同时具有储能量小或进行大容量储能成本很高的劣势。第二类为各种类型的蓄电池储能系统，如铅酸蓄电池、锂离子电池等，该类储能系统普遍具有技术成熟、较大容量储能成本较低的优势，同时具有响应速度中等、功率吞吐能力中等、循环寿命较短的劣势。第三类为启动速度较慢、可长时间提供电能和消耗电能的后备储能设备，如电解制氢—发电设备、无质量要求的负载与备用电源相结合的设备等，这类储能系统可以在比较长的时间内解决光伏发电系统持续的电能缺乏和过剩问题。本发明将超级电容器、蓄电池和后备储能系统三种类型的储能单元通过电力电子变换电路组合成混合储能系统，利用该混合储能系统调控光伏电源的运行状态，解决光伏发电系统供电电能质量差的难题，同时提高光伏电源运行过程中的光能利用率。

[0023] 本发明包括超级电容器C1、蓄电池组B2、后备储能系统B3、三个储能电感（L1、L2、L3）、六个绝缘栅双极型晶体管（T0、T1、T2、T3、T4、T5）、六个快恢复二极管（D0、D1、D2、D3、D4、D5）、稳压电解电容CP、状态监控器、投切开关K。

[0024] 图1中，光伏电源包括太阳能电池阵列GV、防反二极管DP、DC/DC最大功率点跟踪控制器、DC/AC逆变器、直流母线。光伏发电系统中的直流母线通过投切开关K与混合储能系统的输出端连接在一起。

[0025] 当开关K断开时，混合储能系统没有参与控制，由于阳光、温度、负载的变化无法避免，直流母线电压UPV很难运行在一个满足电压质量标准的稳定工作点；另外，由于太阳能电池阵列的发电能力与用户或电网的用电功率无法匹配，DC/DC最大功率点跟踪控制器的作用无法发挥出来，光照较好时光伏电源只能“弃光”运行，系统的光能利用率较低。

[0026] 将开关K闭合，混合储能系统参与光伏发电系统运行控制。系统运行过程中，状态监控器实时检测光伏发电系统直流母线的电压UPV、超级电容器的电压UC1、蓄电池组的电压UB2和后备储能系统的电压UB3，快速计算出混合储能系统各储能单元运行控制策略，按计算结果实时控制电路中六个绝缘栅双极型晶体管（T0、T1、T2、T3、T4、T5）的运行状态，使超级电容器、蓄电池组和后备储能系统分时运行于充电储能状态或发电释能状态。在混合储能系统有序充电、发电的作用下，无论阳光、温度、负载如何变化，直流母线电压UPV始终运行在满足电压质量标准的稳定工作区域；同时，由于太阳能电池阵列的发电能力与包括混合储能系统在内的总的用电功率始终保持匹配状态，DC/DC最大功率点跟踪控制器的作用总能正常发挥，不论光照如何变化，光伏电池阵列总能运行在最大功率输出状态，系统的运行状态得到有效调控，光能利用率得到提高。

[0027] 本发明根据光伏发电系统中直流母线电压的运行情况，对由超级电容器、蓄电池组和后备储能系统构成的混合储能系统进行有序充电、发电优化控制，该控制方法按照以下步骤进行：

[0028] A. 状态监控器实时检测光伏电源直流母线电压UPV、超级电容器的电压UC1、蓄电池组的电压UB2、后备储能系统的电压UB3，实时判断出混合储能系统中各储能单元的发电与充电承载能力。

[0029] B. 判断直流母线电压UPV是否运行在额定电压UN的98%～102%范围以内，若满足质量要求则原有控制状态不变，继续进行A步操作。

[0030] C. 如果直流母线电压UPV不满足质量要求，即在98%UN～102%UN范围以外，则进行如下①或②的相应操作。

[0031] ①、如果UPV低于98%UN，判断混合储能系统当前是否为充电状态，是充电状态则减小充电占空比以减小混合储能系统的充电功率，然后返回步骤A。不是充电状态则进行发电控制，首先控制第一IGBT（即T0）的通断占空比增量使超级电容器向直流母线传输功率增大；如果此时超级电容器不具备发电承载能力，即UC1低于其最高工作电压的0.2倍，则改为控制第三IGBT（即T2）的通断占空比增量使蓄电池组向直流母线的传输功率增大；如果此时蓄电池组不具备发电承载能力，即UB2小于其额定值的0.8倍，则改为控制第五IGBT（即T4）的通断占空比增量使备用储能系统向直流母线的传输功率增加。最后返回到A步操作。

[0032] ②、如果UPV高于102%UN，判断混合储能系统当前是否为发电状态，是发电状态则减小发电占空比以减小混合储能系统的发电功率，然后返回步骤A。不是发电状态则进行充电控制，首先控制第二IGBT（即T1）的通断占空比增量使光伏电源向超级电容器的充电功率增大；如果此时超级电容器不具备充电承载能力，即UC1达到其最高工作电压，则改为控制第四IGBT（即T3）的通断占空比增量使光伏电源向蓄电池组的充电功率增大；如果此时蓄电池组不具备充电承载能力，即UB2大于其额定值的1.3倍，则改为控制第六IGBT（即T5）的通断占空比增量，使光伏电源向备用储能系统的充电功率增加。最后返回到A步操作。

[0033] D. 在对混合储能系统充放电控制过程中，三类储能单元发电时的优先顺序为：超级电容器—蓄电池组—后备储能系统；充电时的优先顺序
同样为：超级电容器—蓄电池组—后备储能系统。占空比增量计算方法为：
，K1、K2为与直流母线额定电压、当前运行储
能单元的电压和控制电路的载波频率相关的正系数。

[0034] 这种控制顺序非常方便地实现了不同类型储能单元的优势互补，有效延长了混合储能系统的服务年限、降低了储能系统投资和维护费用。通过对混合储能系统中三类储能单元的有序发电、充电控制，光伏发电系统中的电源与负荷之间的功率不平衡问题得到解决，直流母线电压的稳定性得到有效控制。光伏电源在任何情况下均能以其最大发电能力发出电能，其光能利用率得到了有效提高。

[0035] 由此可见，无论是独立运行的光伏发电系统还是联网运行的光伏发电系统，只要将本混合储能系统安装在光伏发电系统直流母线上，按照本发明所述的混合储能系统控制方法对直流母线电压进行稳定控制，光伏电源运行状态就会自动得到调整，既保证了电力用户的供电电能质量，又提高了光伏电源的光能利用率、降低了光伏电能成本，还可延长混合储能系统的运行年限。