一種離網(wǎng)光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)及其能量調(diào)度方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種離網(wǎng)光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)及其能量調(diào)度方法，該系統(tǒng)包括光伏發(fā)電模塊、光伏控制器、整流器、逆變模塊、充電電池模塊、電池管理系統(tǒng)、中央控制器、顯示器及直流變換器，光伏發(fā)電模塊通過光伏控制器及逆變模塊與交流負(fù)載連接，光伏控制器與逆變模塊的連接端通過直流變換器與充電電池模塊連接，還通過整流器與供電電網(wǎng)連接，逆變模塊與供電電網(wǎng)連接，電池管理系統(tǒng)與充電電池模塊連接，中央控制器分別與光伏控制器、整流器、逆變模塊、電池管理系統(tǒng)、直流變換器及顯示器連接。本發(fā)明可根據(jù)負(fù)載情況及充電電池模塊的具體參數(shù)進(jìn)行充放電控制，達(dá)到最優(yōu)的能量利用率，且響應(yīng)速度快、控制效率高、準(zhǔn)確度高，可廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電行業(yè)中。
【專利說(shuō)明】-種離網(wǎng)光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)及其能量調(diào)度方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光伏發(fā)電儲(chǔ)能領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種離網(wǎng)光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)及其能量 調(diào)度方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 能源短缺問題是21世紀(jì)非常重要的一個(gè)問題，解決該一問題的最佳方式之一是 使用太陽(yáng)能發(fā)電。太陽(yáng)能具有分布廣泛且近乎無(wú)窮無(wú)盡的特點(diǎn)，但是使用太陽(yáng)能發(fā)電的光 伏發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)問題在于光伏資源也具有間歇性和不確定的特點(diǎn)，很難為負(fù)載提供一個(gè) 持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)，目前，常用的方法是采用儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)存儲(chǔ)或釋放電能，從而降低天氣 對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響，為用戶穩(wěn)定供電，保證供電的可靠性和電能質(zhì)量。為了進(jìn)一步提高 光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量管理效率，一般會(huì)設(shè)置電池管理系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行管理，但是該種方式只 是簡(jiǎn)單地控制電池模塊的充放電情況，隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)組件的增加、功能的擴(kuò)展，該種控 制方法越來(lái)越顯出效率低下、響應(yīng)慢、控制準(zhǔn)確度差等缺陷，而且無(wú)法根據(jù)負(fù)載情況W及電 池模塊的參數(shù)進(jìn)行充放電控制，能量利用效率低。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種離網(wǎng)光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)。本 發(fā)明的另一目的是提供一種離網(wǎng)光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量調(diào)度方法。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0005] 一種離網(wǎng)光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括光伏發(fā)電模塊、光伏控制器、整流器、逆變模塊、 充電電池模塊、電池管理系統(tǒng)、中央控制器、顯示器化及用于控制充電電池模塊的充放電狀 態(tài)的直流變換器，所述光伏發(fā)電模塊依次通過光伏控制器及逆變模塊與交流負(fù)載連接，所 述光伏控制器與逆變模塊之間的連接端通過直流變換器與充電電池模塊連接，該連接端還 通過整流器與供電電網(wǎng)連接，所述逆變模塊還直接與供電電網(wǎng)連接，所述電池管理系統(tǒng)與 充電電池模塊連接，所述中央控制器通過通信總線分別與光伏控制器、整流器、逆變模塊、 電池管理系統(tǒng)、直流變換器W及顯示器連接；
[0006] 所述逆變模塊用于將供電電網(wǎng)的交流電直接輸出到交流負(fù)載或者將充電電池模 塊提供的直流電逆變?yōu)榻涣麟姾筝敵龅浇涣髫?fù)載。
[0007] 進(jìn)一步，所述充電電池模塊采用裡電池組，所述光伏發(fā)電模塊采用太陽(yáng)能電池串 聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成。
[000引進(jìn)一步，所述逆變模塊包括第一濾波器、逆變器、切換開關(guān)及第二濾波器，所述光 伏控制器、直流變換器及整流器之間的連接端與第一濾波器的輸入端連接，所述第一濾波 器的輸出端通過逆變器與切換開關(guān)的第一輸入端連接，所述供電電網(wǎng)與切換開關(guān)的第二輸 入端連接，所述逆變器及切換開關(guān)的控制端均與中央控制器連接，所述切換開關(guān)的輸出端 通過第二濾波器與交流負(fù)載連接。
[0009] 進(jìn)一步，所述中央控制器用于根據(jù)從光伏發(fā)電模塊、充電電池模塊采集的實(shí)時(shí)數(shù) 據(jù)w及從交流負(fù)載采集的耗能數(shù)據(jù)，發(fā)出控制信號(hào)到電池管理系統(tǒng)、光伏控制器、整流器、 逆變模塊和直流變換器。
[0010] 進(jìn)一步，所述中央控制器根據(jù)采集的光伏發(fā)電模塊的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)W及交流負(fù)載 的歷史耗能數(shù)據(jù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，獲得光伏發(fā)電模塊的光伏發(fā)電預(yù) 測(cè)信息W及交流負(fù)載的負(fù)載預(yù)測(cè)信息，進(jìn)而結(jié)合光伏發(fā)電預(yù)測(cè)信息、負(fù)載預(yù)測(cè)信息W及充 電電池模塊的電池剩余容量信息后，采用混合整數(shù)規(guī)劃算法，計(jì)算獲得接下來(lái)的預(yù)設(shè)時(shí)間 內(nèi)，充電電池模塊的最優(yōu)充放電決策序列，從而根據(jù)計(jì)算出的最優(yōu)充放電決策序列控制直 流變換器、整流器、逆變模塊的工作狀態(tài)，對(duì)充電電池模塊進(jìn)行充放電控制。
[0011] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的另一技術(shù)方案是：
[0012] 所述的一種離網(wǎng)光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量調(diào)度方法，包括：
[0013] S1、中央控制器根據(jù)采集的光伏發(fā)電模塊的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)光伏發(fā)電輸出預(yù)測(cè)的 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，建立光伏發(fā)電輸出功率與時(shí)間值、光照強(qiáng)度和溫度值之間的關(guān)系，同時(shí) 根據(jù)交流負(fù)載的歷史消耗功率數(shù)據(jù)對(duì)負(fù)載消耗預(yù)測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，建立負(fù)載消耗功 率與時(shí)間之間的關(guān)系；
[0014] S2、采集獲取調(diào)度起始時(shí)刻的時(shí)間值、光照強(qiáng)度和溫度值，進(jìn)而根據(jù)光伏發(fā)電輸出 預(yù)測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和負(fù)載消耗預(yù)測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，獲得未來(lái)24小時(shí)內(nèi)每隔1小時(shí)的預(yù) 巧。的光伏發(fā)電輸出功率Ppv似和負(fù)載消耗功率PiMd似，其中k代表離散時(shí)間值，k為自然 數(shù)且1《k《24 ;
[0015] S3、獲取當(dāng)前時(shí)刻充電電池模塊的電池剩余容量SOC(k)，結(jié)合預(yù)測(cè)的光伏發(fā)電輸 出功率Ppv(k)和負(fù)載消耗功率Pi。。?；?，采用混合整數(shù)規(guī)劃算法，計(jì)算獲得從供電電網(wǎng)的取 電功率最優(yōu)時(shí)充電電池模塊的充放電決策序列；
[0016] S4、中央控制器根據(jù)充放電決策序列，計(jì)算獲得接下來(lái)一小時(shí)從供電電網(wǎng)的取電 功率后，控制直流變換器、逆變模塊、整流器的工作狀態(tài)，對(duì)充電電池模塊進(jìn)行能量調(diào)度。
[0017] 進(jìn)一步，所述步驟S4中所述對(duì)充電電池模塊進(jìn)行能量調(diào)度時(shí)采用如下的分層控 制策略：
[001引在充電電池模塊的充電決策周期內(nèi)，判斷供電電網(wǎng)和整流器的工作狀態(tài)，若供電 電網(wǎng)可W供電，則按照充放電決策序列的充電目標(biāo)，控制逆變器從供電電網(wǎng)取交流電后實(shí) 時(shí)給交流負(fù)載供電，同時(shí)控制整流器從供電電網(wǎng)取電并通過直流變換器輸出到充電電池模 塊處進(jìn)行充電，直到達(dá)到充電目標(biāo)；
[0019] 在充電電池模塊的放電決策周期內(nèi)，實(shí)時(shí)地判斷光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏發(fā)電功率是 否小于交流負(fù)載的需求用電量，若是，則按照充放電決策序列的放電目標(biāo)，則將光伏發(fā)電模 塊的光伏發(fā)電均通過逆變模塊輸出到交流負(fù)載，同時(shí)控制充電電池模塊進(jìn)行放電并將其釋 放的電量通過逆變模塊輸出到交流負(fù)載，直到達(dá)到放電目標(biāo)。
[0020] 進(jìn)一步，所述步驟S4之后，還包括W下步驟：
[0021] S5、中央控制器判斷是否接收到停止信號(hào)，若是，則結(jié)束能量調(diào)度過程，否則返回 執(zhí)行步驟S2。
[0022] 進(jìn)一步，所述步驟S3,其具體為：
[0023] 獲取當(dāng)前時(shí)刻充電電池模塊的電池剩余容量SOC(k)，結(jié)合預(yù)測(cè)的光伏發(fā)電輸出功 率PpV似和負(fù)載消耗功率Pl"ad似，構(gòu)建與充電電池模塊相關(guān)的目標(biāo)函數(shù)，并相應(yīng)地建立混 合整數(shù)規(guī)劃算法模型，進(jìn)而計(jì)算獲得使得目標(biāo)函數(shù)最小時(shí)的充放電功率序列作為充放電決 策序列。
[0024] 進(jìn)一步，所述混合整數(shù)規(guī)劃算法模型如下：
[0025] 所述目標(biāo)函數(shù)為：
[0026]
【權(quán)利要求】
1. 一種離網(wǎng)光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，包括光伏發(fā)電模塊、光伏控制器、整流器、 逆變模塊、充電電池模塊、電池管理系統(tǒng)、中央控制器、顯示器以及用于控制充電電池模塊 的充放電狀態(tài)的直流變換器，所述光伏發(fā)電模塊依次通過光伏控制器及逆變模塊與交流負(fù) 載連接，所述光伏控制器與逆變模塊之間的連接端通過直流變換器與充電電池模塊連接， 該連接端還通過整流器與供電電網(wǎng)連接，所述逆變模塊還直接與供電電網(wǎng)連接，所述電池 管理系統(tǒng)與充電電池模塊連接，所述中央控制器通過通信總線分別與光伏控制器、整流器、 逆變模塊、電池管理系統(tǒng)、直流變換器以及顯示器連接； 所述逆變模塊用于將供電電網(wǎng)的交流電直接輸出到交流負(fù)載或者將充電電池模塊提 供的直流電逆變?yōu)榻涣麟姾筝敵龅浇涣髫?fù)載。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種離網(wǎng)光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述充電電池模 塊采用鋰電池組，所述光伏發(fā)電模塊采用太陽(yáng)能電池串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種離網(wǎng)光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述逆變模塊包 括第一濾波器、逆變器、切換開關(guān)及第二濾波器，所述光伏控制器、直流變換器及整流器之 間的連接端與第一濾波器的輸入端連接，所述第一濾波器的輸出端通過逆變器與切換開關(guān) 的第一輸入端連接，所述供電電網(wǎng)與切換開關(guān)的第二輸入端連接，所述逆變器及切換開關(guān) 的控制端均與中央控制器連接，所述切換開關(guān)的輸出端通過第二濾波器與交流負(fù)載連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種離網(wǎng)光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述中央控制器 用于根據(jù)從光伏發(fā)電模塊、充電電池模塊采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及從交流負(fù)載采集的耗能數(shù) 據(jù)，發(fā)出控制信號(hào)到電池管理系統(tǒng)、光伏控制器、整流器、逆變模塊和直流變換器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種離網(wǎng)光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述中央控制器 根據(jù)采集的光伏發(fā)電模塊的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)以及交流負(fù)載的歷史耗能數(shù)據(jù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn) 練，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，獲得光伏發(fā)電模塊的光伏發(fā)電預(yù)測(cè)信息以及交流負(fù)載的負(fù)載預(yù)測(cè) 信息，進(jìn)而結(jié)合光伏發(fā)電預(yù)測(cè)信息、負(fù)載預(yù)測(cè)信息以及充電電池模塊的電池剩余容量信息 后，采用混合整數(shù)規(guī)劃算法，計(jì)算獲得接下來(lái)的預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)，充電電池模塊的最優(yōu)充放電決 策序列，從而根據(jù)計(jì)算出的最優(yōu)充放電決策序列控制直流變換器、整流器、逆變模塊的工作 狀態(tài)，對(duì)充電電池模塊進(jìn)行充放電控制。
6. 權(quán)利要求1的一種離網(wǎng)光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量調(diào)度方法，其特征在于，包括： 51、 中央控制器根據(jù)采集的光伏發(fā)電模塊的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)光伏發(fā)電輸出預(yù)測(cè)的神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，建立光伏發(fā)電輸出功率與時(shí)間值、光照強(qiáng)度和溫度值之間的關(guān)系，同時(shí)根據(jù) 交流負(fù)載的歷史消耗功率數(shù)據(jù)對(duì)負(fù)載消耗預(yù)測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，建立負(fù)載消耗功率與 時(shí)間之間的關(guān)系； 52、 采集獲取調(diào)度起始時(shí)刻的時(shí)間值、光照強(qiáng)度和溫度值，進(jìn)而根據(jù)光伏發(fā)電輸出預(yù)測(cè) 的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和負(fù)載消耗預(yù)測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，獲得未來(lái)24小時(shí)內(nèi)每隔1小時(shí)的預(yù)測(cè)的 光伏發(fā)電輸出功率？"00和負(fù)載消耗功率？ 1(^〇〇，其中1^代表離散時(shí)間值，1^為自然數(shù)且 1彡k彡24 ; 53、 獲取當(dāng)前時(shí)刻充電電池模塊的電池剩余容量SOC(k)，結(jié)合預(yù)測(cè)的光伏發(fā)電輸出功 率PPV(k)和負(fù)載消耗功率匕。3(1〇〇，采用混合整數(shù)規(guī)劃算法，計(jì)算獲得從供電電網(wǎng)的取電功 率最優(yōu)時(shí)充電電池模塊的充放電決策序列； 54、 中央控制器根據(jù)充放電決策序列，計(jì)算獲得接下來(lái)一小時(shí)從供電電網(wǎng)的取電功率 后，控制直流變換器、逆變模塊、整流器的工作狀態(tài)，對(duì)充電電池模塊進(jìn)行能量調(diào)度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種離網(wǎng)光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量調(diào)度方法，其特征在于， 所述步驟S4中所述對(duì)充電電池模塊進(jìn)行能量調(diào)度時(shí)采用如下的分層控制策略： 在充電電池模塊的充電決策周期內(nèi)，判斷供電電網(wǎng)和整流器的工作狀態(tài)，若供電電網(wǎng) 可以供電，則按照充放電決策序列的充電目標(biāo)，控制逆變器從供電電網(wǎng)取交流電后實(shí)時(shí)給 交流負(fù)載供電，同時(shí)控制整流器從供電電網(wǎng)取電并通過直流變換器輸出到充電電池模塊處 進(jìn)行充電，直到達(dá)到充電目標(biāo)； 在充電電池模塊的放電決策周期內(nèi)，實(shí)時(shí)地判斷光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏發(fā)電功率是否小 于交流負(fù)載的需求用電量，若是，則按照充放電決策序列的放電目標(biāo)，則將光伏發(fā)電模塊的 光伏發(fā)電均通過逆變模塊輸出到交流負(fù)載，同時(shí)控制充電電池模塊進(jìn)行放電并將其釋放的 電量通過逆變模塊輸出到交流負(fù)載，直到達(dá)到放電目標(biāo)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種離網(wǎng)光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量調(diào)度方法，其特征在于， 所述步驟S4之后，還包括以下步驟： S5、中央控制器判斷是否接收到停止信號(hào)，若是，則結(jié)束能量調(diào)度過程，否則返回執(zhí)行 步驟S2。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種離網(wǎng)光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量調(diào)度方法，其特征在于， 所述步驟S3,其具體為： 獲取當(dāng)前時(shí)刻充電電池模塊的電池剩余容量SOC(k)，結(jié)合預(yù)測(cè)的光伏發(fā)電輸出功率PPV (k)和負(fù)載消耗功率PlMd (k)，構(gòu)建與充電電池模塊相關(guān)的目標(biāo)函數(shù)，并相應(yīng)地建立混合 整數(shù)規(guī)劃算法模型，進(jìn)而計(jì)算獲得使得目標(biāo)函數(shù)最小時(shí)的充放電功率序列作為充放電決策 序列。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種離網(wǎng)光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量調(diào)度方法，其特征在于， 所述混合整數(shù)規(guī)劃算法模型如下： 所述目標(biāo)函數(shù)為：
所述功率平衡方程的線性約束條件為：W(k) =s(k)PlMd(k)，w(k)同時(shí)滿足以下條 件：
上述各公式中，J表示目標(biāo)函數(shù)值，pg,id(k)表示系統(tǒng)從供電電網(wǎng)的取電功率，At表示 充電電池模塊的充放電時(shí)間，SOCmin、SOCmax分別表示電池剩余容量SOC(k)的最小值和最大 值；Pbat(k)表示充電電池模塊的充放電功率，PbatDlin、PbatMX分別表示充放電功率Pbat(k)的最 小值及最大值；PlMd(k)表示預(yù)測(cè)的負(fù)載消耗功率，PlMdDlin、PlMd_分別表示預(yù)測(cè)的負(fù)載消耗 功率PlMd(k)的最小值及最大值，Ppv(k)表示預(yù)測(cè)的光伏發(fā)電功率；S(k)為二值變量，e為 一個(gè)大于〇的無(wú)窮小量；ng表示整流器將供電電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電的效率，n1表 示逆變模塊將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的效率，nd表示充電電池模塊的放電效率，表示充 電電池模塊的充電效率。
【文檔編號(hào)】H02J3/32GK104485727SQ201410836551
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月26日
【發(fā)明者】劉兵, 呂洲, 何波, 肖劍浩, 姚科, 高福榮 申請(qǐng)人:廣州市香港科大霍英東研究院