基於功率預測的分布式光伏儲能調峰系統的製作方法

2023-12-04 15:37:57

本實用新型涉及基於功率預測的分布式光伏儲能調峰系統，屬於新能源及分布式光伏儲能調峰應用領域。

背景技術：

能源環境問題是制約經濟、社會發展的重要因素，傳統能源利用具有極大的環境代價，光伏發電屬於新能源發電領域，其具有的環境友好特徵是解決能源環境問題的突破口。近年，我國打造了一大批大型地面光伏發電站，在推進光伏產業發展的同時也留下了一些負面影響，受土地使用的限制，大型光伏電站多建設在西北部人煙稀少、多荒漠、荒灘的地區，當地電能消納能力有限，外送輸電線路鋪設進度明顯跟不上光伏電站建設速度，導致多地棄光問題突出，光伏發電存在極大的浪費，光伏發電企業收益得不到有效保障，甚至存在嚴重的財務虧損，嚴重的影響了光伏發電持續健康發展。光伏電站的棄光現象已經引起國家層面的重視，為保護光伏發電持續健康發展，保護光伏發電企業發展光伏發電的積極性，國家發改委、國家能源局於2016年5月27日出臺關於做好風電、光伏發電全額保障性收購管理工作的通知，發改能源[2016]1150號，核定了部分存在棄風、棄光問題地區規劃內的風電、光伏發電最低保障收購年利用小時數。光伏電站所在地光伏電能的消納能力和外送能力是當地光伏產業發展的根本性制約因素，發改能源[2016]1150號能夠在政策上保護已建光伏電站的收益，但不能從根本上解決光伏發電與消納能力不足、輸電建設進度嚴重滯後的根本性矛盾。

分布式光伏發電由於能夠實現光伏發電就近消納，減少輸配電環節的損耗，受到越來越多的關注和重視，國家層面上陸續出臺了相關政策推進分布式光伏發電的發展，目前分布式光伏發電主要有「自發自用、餘電上網」和「全額上網」兩種模式，「自發自用、餘電上網」模式企業收益主要有，按全額發電量獲得的國家補貼，自發自用節約的用電費用，以及餘電上網部分獲得的發電收益三部分。

在我國現行電網體制中，用電價格遠高於發電價格，因此在「自發自用、餘電上網」模式下，增加用戶端自發自用的比例，可以使分布式光伏發電企業獲得更高的發電收益，減少企業投資回收期，提高分布式光伏發電企業推廣分布式光伏的積極性，有利於整個光伏產業的健康發展，然而光伏發電高峰期與用電高峰期不完全同步，光伏發電高峰期發出的電能很大一部分按餘電上網的計價方式賣給電網企業，無形中減少了光伏發電企業的收益水平。為了提高用戶端自發自用的比例，提出了一種基於功率預測的分布式光伏儲能調峰系統，該系統將併網、離網、儲能、功率預測、電能調度、負荷等有機結合，通過合理的功率預測及電能調度，可實現分布式光伏輸出100%自發自用，利用峰谷電價削峰填谷，以及作為備用電源提高供電可靠性。

技術實現要素：

本實用新型針對分布式光伏發電自發自用比例不足的問題，提出了一種基於功率預測的分布式光伏儲能調峰系統，主要目的是：通過合理的功率預測和電能調度，在解決分布式光伏自發自用比例不足問題的同時，可進一步實現利用峰谷電價削峰填谷，以及作為備用電源提高供電系統可靠性。本實用新型另外一個重要意義在於，通過應用本實用新型提供的基於功率預測的分布式光伏儲能調峰系統，可以在改動很小的情況下，極大的提高具備儲能裝置的供電系統，如通信基站供電系統、具有後備UPS的供電系統等的綜合利用率，除此之外，構成本實用新型的大部分設備和裝置均是需求量大、產業化水平較高、規模化成本較低的標準設備，因此通過本實用新型提供的方法，用戶或企業可以用很少的投資實現原供電系統的改造，改造之後的供電系統同時具備光伏併網發電及調峰、光伏離網發電、利用峰谷電價削峰填谷以及提高供電系統可靠性的功能。

具體的，本實用新型的目的通過以下技術方案實現：

本實用新型由光伏單元（100）、併網逆變器（101）、併網電能表（102）、關口電能表（103）、電網（137）、離網DC/DC控制器（104）、AC/DC控制器（105）、儲能管理系統（106）、離網DC/AC控制器（107）、直流負荷（108）、交流負荷（109）、儲能裝置（110）、功率預測裝置（111）、開關控制單元（112）、通信單元（113）、受控開關K0、K1、K2、K3、K4、K5等組成；光伏單元（100）與受控開關K1、K2相連，併網逆變器（101）的輸入與受控開關K1相連，併網逆變器（101）輸出與併網電能表（102）輸入相連，併網電能表（102）輸出與關口電能表（103）、受控開關K3、K5相連，關口電能表（103）輸出接電網（137）；離網DC/DC控制器（104）輸入與受控開關K2相連，其輸出連接到儲能管理系統（106）的輸入；AC/DC控制器（105）輸入與受控開關K3相連，其輸出連接到儲能管理系統（106）的輸入；離網DC/AC控制器（107）的輸入與儲能管理系統（106）的輸出相連，其輸出與受控開關K4相連；受控開關K4、K5在靠近交流負荷（109）側相連後與交流負荷（109）相連；直流負荷（108）的輸入通過K0與儲能管理系統（106）的輸出相連；儲能裝置（110）與儲能管理系統（106）直接相連；功率預測裝置（111）的輸出與開關控制單元（112）輸入相連，其RS485/422總線接口通過RS485/422總線分別與光伏單元（100）、儲能裝置（110）、直流負荷（108）、交流負荷（109）、關口電能表（103）、通信單元（113）的RS485/422總線接口相連。

本實用新型提供的系統可歸納總結為四層結構，第一層結構包括光伏單元（114），第二層結構包括電網端（115）、併網裝置（116）、離網裝置（117），第三層結構包括功率預測（121）、電能調度（118），第四層結構包括儲能裝置（119）、負荷（120），其中電網端（115）由關口電能表（103）和電網（137）組成，併網裝置（116）由K1、併網逆變器（101）和併網電能表（102）組成，離網裝置（117）由K2、離網DC/DC控制器（104）組成，功率預測（121）由功率預測裝置（111）和通信單元（113）組成，電能調度（118）由K0、K3、K4、K5、開關控制單元（112）、儲能管理系統（106）、AC/DC控制器（105）、離網DC/AC控制器（107）組成，負荷（120）由直流負荷（108）、交流負荷（109）組成，系統將光伏單元、併網、離網、儲能、功率預測、電能調度、負荷等有機結合成一個整體。

在本實用新型提供的系統中，分布式光伏以併網為主，離網為輔，只有當市電停電時，為最大化利用分布式光伏電能，分布式光伏才工作在離網狀態，K1閉合表明電網正常且分布式光伏工作或擬工作在併網狀態，K2閉合表明電網已停電且分布式光伏工作或擬工作在離網狀態，K2閉合時K3、K5即使閉合也無法為下行設備供電，定義K1、K2在任何時刻不能同時處於閉合狀態，K2閉合時K3、K5中任何一個不能為閉合狀態，K4、K5在任何時刻不能同時處於閉合狀態，K3、K4不同時處於閉合狀態，K0~K5構成的64種開關狀態排除上述定義中不能實現的開關狀態後，剩餘24種有效的開關狀態。

在本實用新型提供的系統中，功率預測裝置（111）的通過RS485總線獲取光伏單元歷史運行維護信息，直流負荷歷史運行維護信息、未來確定的功率分布信息，交流負荷歷史運行維護信息、未來確定的功率分布信息，儲能裝置歷史運行維護信息、當前剩餘容量信息，電網調度、停電安排及分時峰谷電價信息，當地光伏發電歷史樣本信息，當地氣象預報信息等，功率預測裝置（111）綜合處理上述信息後給出K0~K5確定的開關狀態，並通過開關控制單元（112）控制K0~K5開關的斷開或閉合，以提前規劃儲能裝置剩餘容量完成電能調度。

在本實用新型提供的系統中，其包含的通信單元（113）可完成系統與遠端伺服器之間的信息交換，但其最主要功能是接收系統安裝地光伏發電歷史樣本信息、函數擬合方法及相關參數，並將其發送到功率預測裝置（111）用以擬合光伏發電功率與氣象信息的函數關係，功率預測裝置（111）利用未來氣象預報信息、擬合的函數關係以及光伏單元歷史運行維護信息等信息來確定系統未來光伏發電功率，同時收集電網調度、停電安排及分時峰谷電價，交直流負荷的未來功率分布以及儲能裝置剩餘容量等的相關信息，通過開關控制單元（112）控制K0~K5開關的狀態可完成如下功能：使儲能裝置在分布式光伏峰值功率到來前提前預留足夠的存儲容量，以實現分布式光伏發電100%自發自用；使儲能裝置在停電前儲備足夠的容量，以確保停電後可以利用分布式光伏離網發電和儲能裝置自身的存儲容量滿足負荷需求；使儲能裝置在低谷電價時儲備適量的電能，保證未來負荷利用光伏發電和預存電量獲得最大化收益。

本實用新型提供的方法適用於改造具有儲能裝置的供電系統，如通信基站供電系統、具有後備UPS的供電系統等，在不改變原系統供電結構的前提下，通過適量增配光伏陣列（122）、併網逆變器（123）、併網電能表（124）、離網DC/DC控制器（125）、通信單元（126）、功率預測裝置（127）、開關控制單元（128）、以及用於實現電能調度的受控開關K6、K7、K8等，實現滿足用戶基本需求的分布式光伏儲能調峰系統。

附圖說明

圖1為基於功率預測的分布式光伏儲能調峰系統原理圖；

圖2為基於功率預測的分布式光伏儲能調峰系統結構圖；

圖3為通信基站供電系統改造圖；

圖4為實現分布式光伏發電100%自發自用時電能調度流程圖；

圖5為實現停電滿足負荷需求時電能調度流程圖；

圖6為實現利用峰谷電價削峰填谷功能時電能調度流程圖；

圖7為受控開關通斷邏輯表。

具體實施方式

實施例一：

基於功率預測的分布式光伏儲能調峰系統包括：光伏單元（100）、併網逆變器（101）、併網電能表（102）、關口電能表（103）、電網（137）、離網DC/DC控制器（104）、AC/DC控制器（105）、儲能管理系統（106）、離網DC/AC控制器（107）、直流負荷（108）、交流負荷（109）、儲能裝置（110）、功率預測裝置（111）、開關控制單元（112）、通信單元（113）、受控開關K0、K1、K2、K3、K4、K5等。

各部分的連接方式如圖1所示，其具體連接方式如下：光伏單元（100）與受控開關K1、K2相連，併網逆變器（101）的輸入與受控開關K1相連，併網逆變器（101）輸出與併網電能表（102）輸入相連，併網電能表（102）輸出與關口電能表（103）、受控開關K3、K5相連，關口電能表（103）輸出接電網（137）；離網DC/DC控制器（104）輸入與受控開關K2相連，其輸出連接到儲能管理系統（106）的輸入；AC/DC控制器（105）輸入與受控開關K3相連，其輸出連接到儲能管理系統（106）的輸入；離網DC/AC控制器（107）的輸入與儲能管理系統（106）的輸出相連，其輸出與受控開關K4相連；受控開關K4、K5在靠近交流負荷（109）側相連後與交流負荷（109）相連；直流負荷（108）的輸入通過K0與儲能管理系統（106）的輸出相連；儲能裝置（110）與儲能管理系統（106）直接相連；功率預測裝置（111）的輸出與開關控制單元（112）輸入相連，其RS485/422總線接口通過RS485/422總線分別與光伏單元（100）、儲能裝置（110）、直流負荷（108）、交流負荷（109）、關口電能表（103）、通信單元（113）的RS485/422總線接口相連。

圖2所示為根據圖1歸納總結的系統結構圖，整個系統可歸納總結為四層結構，第一層結構包括光伏單元（114），第二層結構包括電網端（115）、併網裝置（116）、離網裝置（117），第三層結構包括功率預測（121）、電能調度（118），第四層結構包括儲能裝置（119）、負荷（120），其中電網端（115）由關口電能表（103）和電網（137）組成，併網裝置（116）由K1、併網逆變器（101）和併網電能表（102）組成，離網裝置（117）由K2、離網DC/DC控制器（104）組成，功率預測（121）由功率預測裝置（111）和通信單元（113）組成，電能調度（118）由K0、K3、K4、K5、開關控制單元（112）、儲能管理系統（106）、AC/DC控制器（105）、離網DC/AC控制器（107）組成，負荷（120）由直流負荷（108）、交流負荷（109）組成，系統將光伏單元、併網、離網、儲能、功率預測、電能調度、負荷等有機結合成一個整體。

實施例二：

基於功率預測的分布式光伏儲能調峰系統中，分布式光伏以併網為主，離網為輔，只有當市電停電時，為最大化利用分布式光伏電能，分布式光伏才工作在離網狀態，K1閉合表明電網正常且分布式光伏工作或擬工作在併網狀態，K2閉合表明電網已停電且分布式光伏工作或擬工作在離網狀態，K2閉合時K3、K5即使閉合也無法為下行設備供電，定義K1、K2在任何時刻不能同時處於閉合狀態，K2閉合時K3、K5中任何一個不能為閉合狀態，K4、K5在任何時刻不能同時處於閉合狀態，K3、K4不同時處於閉合狀態，K0~K5構成的64種開關狀態排除上述定義中不能實現的開關狀態後，剩餘24種有效的開關狀態。

基於功率預測的分布式光伏儲能調峰系統中，K0~K5全部可能的開關狀態及開關狀態說明如圖7所示，其中0表示對應開關處於斷開狀態，1表示對應開關處於閉合狀態。圖7給出的是受控開關K0~K5所有可能的開關狀態，K0~K5當前應該處於何種開關狀態由功率預測裝置（111）根據功率預測的結果來確定，具體實現方式如下：功率預測裝置（111）的通過RS485總線獲取光伏單元歷史運行維護信息，直流負荷歷史運行維護信息、未來確定的功率分布信息，交流負荷歷史運行維護信息、未來確定的功率分布信息，儲能裝置歷史運行維護信息、當前剩餘容量信息，電網調度、停電安排及分時峰谷電價信息，當地光伏發電歷史樣本信息，當地氣象預報信息等，功率預測裝置（111）綜合處理上述信息後給出K0~K5確定的開關狀態，並通過開關控制單元（112）控制K0~K5開關的斷開或閉合，以提前規劃儲能裝置剩餘容量完成電能調度。

基於功率預測的分布式光伏儲能調峰系統中，通信單元（113）可完成系統與遠端伺服器之間的信息交換，但其最主要功能是接收系統安裝地光伏發電歷史樣本信息、函數擬合方法及相關參數，並將其發送到功率預測裝置（111）用以擬合光伏發電功率與氣象信息的函數關係，功率預測裝置（111）利用未來氣象預報信息、擬合的函數關係以及光伏單元歷史運行維護信息等信息來確定系統未來光伏發電功率，同時收集電網調度、停電安排及分時峰谷電價，交直流負荷的未來功率分布以及儲能裝置剩餘容量等的相關信息，通過開關控制單元（112）控制K0~K5開關的狀態可完成如下功能：使儲能裝置在分布式光伏峰值功率到來前提前預留足夠的存儲容量，以實現分布式光伏發電100%自發自用；使儲能裝置在停電前儲備足夠的容量，以確保停電後可以利用分布式光伏離網發電和儲能裝置自身的存儲容量滿足負荷需求；使儲能裝置在低谷電價時儲備適量的電能，保證未來負荷利用光伏發電和預存電量獲得最大化收益。

本案例中，為實現分布式光伏發電100%自發自用，預先進行電能調度的具體過程如下：功率預測裝置（111）預測得到未來光伏發電量、負荷耗電量，並獲取當前儲能裝置剩餘電量，然後判斷未來光伏發電量是否大於未來負荷耗電量，如果不大於，則K0~K5的當前開關狀態均可保持不變或切換到使儲能裝置當前容量保持不變的開關狀態，否則，則進一步判斷在K0~K5開關狀態不發生改變的情況下利用蓄電池能否全部吸收光伏多餘發電量，如果蓄電池能夠吸收光伏多餘發電量，則K0~K5當前開關狀態可保持不變或切換到使儲能裝置當前容量保持不變的開關狀態，否則，K0~K5當前開關狀態切換到使儲能裝置預先釋放容量的狀態。該過程的具體流程可參考圖4所示。

本案例中，為實現停電後利用分布式光伏離網發電和儲能裝置自身的存儲容量滿足負荷需求，預先進行電能調度的具體過程如下：功率預測裝置（111）預測未來停電後光伏發電量、負荷耗電量，並獲取當前儲能裝置剩餘電量，然後判斷未來停電後光伏發電量與儲能裝置當前電量之和是否大於未來停電後負荷耗電量，如果不大於，則K0~K5的當前開關狀態切換到使儲能裝置通過市電預先儲備容量的狀態，否則，K0~K5的當前開關狀態可保持不變或切換到使儲能裝置容量保持不變的開關狀態。該過程的具體流程可參考圖5所示。

本案例中，為實現利用峰谷電價削峰填谷功能，預先進行電能調度的具體過程如下：功率預測裝置（111）首先獲取當前用電價格，並判斷當前是否為用電高峰期電價，如果當前不是用電高峰期電價，則進一步判斷當前是否為用電低谷期電價，如果當前也不是用電低谷期電價，則根據儲能裝置剩餘容量和未來光伏發電量之和是否滿足未來負荷需求確定K0~K5當前開關狀態，如果當前是用電低谷期電價，則進一步核算存儲電價低谷期電量與存儲未來光伏剩餘電量獲得最大收益時儲能裝置應該具有的剩餘容量，並確定K0~K5當前開關狀態；如果當前恰好處於用電高峰期，則判斷儲能裝置進一步釋放容量是否能夠應對未來不時之需，如果能夠應對未來不時之需，則K0~K5當前開關狀態切換到使儲能裝置釋放容量的狀態以節約電能，否則如果儲能裝置進一步釋放容量不能保證應對未來不時之需，則K0~K5當前開關狀態可保持不變或切換到使儲能裝置容量保持不變的開關狀態。該過程的具體流程可參考圖6所示。

實施例三：

基於功率預測的分布式光伏儲能調峰系統，其提供的方法適用於改造具有儲能裝置的供電系統，如通信基站供電系統、具有後備UPS的供電系統等，在不改變原系統供電結構的前提下，通過適量增配光伏陣列（122）、併網逆變器（123）、併網電能表（124）、離網DC/DC控制器（125）、通信單元（126）、功率預測裝置（127）、開關控制單元（128）、以及用於實現電能調度的受控開關K6、K7、K8等，實現滿足用戶基本需求的分布式光伏儲能調峰系統。圖3所示系統原理圖中，虛線框外部為標準通信基站供電系統配置圖，虛線框內為利用本實用新型提供的方法改造該供電系統，需要增配或改造的部分，其中開關K8是將原供電系統中非受控開關替換成受控開關，上述改造後，原標準通信基站供電系統升級為具有功率預測功能的分布式光伏儲能調峰系統，可極大提高通信基站供電系統收益水平。

需要說明的是，上述實例僅僅是為了闡述本實用新型的構思和實現方法，目的是使本領域內的技術人員理解本實用新型的具體內容，並可以照此實施此發明，並不能以此來限制本實用新型的保護範圍。因此，凡依照本實用新型原理、構思、形狀所作的變化或修飾，均應涵蓋在本實用新型的保護範圍內。