一种海岛分布式储能逆变系统及其能量管理方法

技术领域

本发明涉及新能源分布式发电技术领域，具体涉及一种海岛分布式储能逆变系统及其能量管理方法。

背景技术

目前偏远岛屿的供电系统通常由风力发电机、太阳能电池、柴油发电机和储能系统构成。这种风光柴储一体供电系统的风机、光伏等微电源出力具有较大的随机性，因此风力/光伏逆变器直流侧存在频繁的电压波动。利用储能系统的快速响应性和出色的爬坡能力，能够在很大程度上减轻海岛供电系统一次调频和平抑风机、光伏输出波动的负担，提高供电系统输出电能质量。

在分布式储能发电系统中，各个风电机组和光伏阵列受不同位置风量、光照强度等因素影响，导致其输出的功率大小各不相同，经过一段运行时间后，每个分布式储能系统的荷电状态将出现较大差异，荷电量过多或者过少的分布式储能逆变系统，其一次调频和平抑风机、光伏输出波动能力将大幅下降，甚至提前退出发电系统，影响整个供电系统的稳定，增大了弃光率和弃风率，因而分布式储能逆变系统参与发电过程的可持续性低。

现有技术中，针对电池平衡的方法局限于快速抹平微电源间发电不一致所导致的分布式电池组荷电量差额，保持各个电池组拥有等长充放电时间，避免储能过少的分布式储能逆变系统因调频调压能力不足而丧失发电功能，这种方法的缺点在于，在实现分布式电池组间荷电量快速平衡过程中，牺牲了分布式储能逆变系统在发电过程中最重要的一次调频和平抑光伏输出波动的功能，使得局部储能逆变系统输出的较差质量电能蔓延到整个海岛供电系统中。另一方面，忽视了分布式储能系统进行不同功率的能量充放电时，内部变换器转化效率的差异，这种效率差异导致的分布式储能系统间能量损耗差异，在储能系统一充一放之间成几何倍数增大，因而不得不增大储能电池容量以弥补损耗，加重了分布式储能系统间的荷电状态不均衡现象，进一步降低了可再生能源利用率。

中国专利公开号CN109728647A，公开了一种智慧海岛微电网能量管理系统，其通过发电模块、储能模块以及能量管理模块等解决开发利用中的应用电源保障问题以及智慧海岛系统集成的技术问题，但未能解决发电过程中的可持续性低、转化过程中损耗高等方面的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种海岛分布式储能逆变系统及其能量管理方法，能够均衡海岛供电系统各个分布式储能系统荷电量的同时，确保分布式储能逆变系统参与海岛供电系统一次调频和平抑光伏输出波动的能力和可持续性，并降低由储能系统内部变换器输出效率差异；本发明公开了一种海岛分布式储能逆变系统，包括：能量管理协调控制器、风机/光伏板、分布式储能逆变器、交流母线、自启动电源和辅助电源；所述能量管理协调控制器分别与风机/光伏板、分布式储能逆变器和交流母线通讯连接，用于采集电气参数，并下发能量管理指令；所述风机/光伏板分别与自启动电源和分布式储能逆变器电连接；所述分布式储能逆变器与交流母线电连接；所述交流母线与辅助电源电连接；所述辅助电源与自启动电源通过二极管对顶电连接后与分布式储能逆变器电连接，用于分布式储能逆变器内部辅助供电和储能电池预充电。

优选的，所述分布式储能逆变器包括：MPPT模块、DC/AC模块、主双向DCDC变换器、备双向DCDC变换器和储能系统；所述MPPT模块与DC/AC模块电连接，连接线构成直流母线；所述主双向DCDC变换器和备双向DCDC变换器分别通过断路器与直流母线电连接，另一端与储能系统电连接；所述主双向DCDC变换器和备双向DCDC变换器完全相同。

优选的，所述储能系统，包括：高效率门槛自适应切换模块、微处理器、蓄电池检测模块、储能电池一和储能电池二；所述蓄电池检测模块分别与储能电池一、储能电池二连接，用以检测储能电池实时荷电量和功率吞吐量；所述微处理器分别与蓄电池检测模块和高效率门槛自适应切换模块通讯连接，高效率门槛自适应切换模块根据一次调频和平抑风机/光伏输出波动所需功率，自适应投切相应数量的双向DCDC变换器和储能电池。

本发明还公开了一种海岛分布式储能逆变能量管理方法，包括：储能电池能量均衡充放电管理步骤、储能系统充放电高效率门槛自适应切换步骤和储能电池过放区预充电步骤；

所述储能电池能量均衡充放电管理步骤：通过储能电池荷电量划分荷电状态区域，根据各个储能系统所处区域、一次调频和平抑风机/光伏输出功率波动调整指令，对储能电池实施不同程度功率的充放电；

所述储能系统充放电高效率门槛自适应切换步骤：通过规定一次调频和平抑风机/光伏输出波动的门槛功率，划分高效率功率输出区域，根据储能系统的功率输出区域，自适应投切相应数量的双向DCDC变换器和储能电池，扩充双向DCDC变换器的最高效率功率输出区间，并保持足够功率的吞吐量，以最高效率进行充放电；

所述储能电池过放区预充电步骤：储能电池进入过放区后，由辅助电源执行预充电模式，双向DCDC变换器停止充电，通过辅助电源以0.01倍至0.1倍的储能电池额定充电电流预充电，使其进入调频放电限制区，随后由主或备双向DCDC变换器接管储能电池充电过程。

优选的，所述储能电池能量均衡充放电管理步骤，还包括以下具体步骤：

步骤1：初始化能量管理协调控制器，对储能系统设置荷电量状态，包括：

储能电池充放电荷电量常规值：SOC

储能电池充放电荷电量常规值上下限限制值：SOC

储能电池荷电量上下限限制值：SOC1

共同荷电量上下限限制值：SOC

抑制直流侧功率下沉，储能系统放电最低荷电量：SOC

抑制直流侧功率上浮，储能系统充电最高荷电量：SOC

步骤2：根据步骤1的设置值，以预设储能电池充放电控制荷电量常规值SOC

过放区：0≤SOC

调频放电禁止区：SOC

下调备用区：SOC

均衡备用区：SOC

上调备用区：SOC

调频充电禁止区：SOC

步骤3：根据各个储能系统所处区域，储能系统对储能电池实施不同程度功率的充放电控制，包括：

均衡备用区：该区域内的电池荷电量能够同时满足平抑直流侧功率下沉/上浮充放电控制和一次调频充放电控制，实施全功率平抑直流侧功率下沉/上浮充放电和一次调频充放电；

上调备用区：该区域内的电池荷电量偏高，但能够满足平抑直流侧功率下沉/上浮充放电控制，而实施一定比例一次调频充放电，该一次调频充放电功率比例应满足以下关系式：

充电：

放电：

调频充电禁止区：该区域内的储能系统荷电量处于储能系统充电最高荷电量区间，储能系统以最大功率参与平抑直流侧功率下沉/上浮充放电控制，不再参与一次调频充电的过程，一次调频放电功率比例满足以下关系式：

放电：

下调备用区：该区域内的电池荷电量偏低，但能够满足平抑直流侧功率下沉/上浮充放电控制，而实施一定比例一次调频充放电，该一次调频充放电功率比例应满足以下关系式：

充电：

放电：

调频放电禁止区，该区域内的储能系统荷电量处于储能系统放电最低荷电量区间，储能系统以最大功率参与平抑直流侧功率下沉/上浮充放电控制，不再参与一次调频放电的过程，一次调频充电功率比例满足以下关系式：

充电：

分别为能量管理协调控制器的检测交流母线电压、频率。

优选的，所述储能电池能量均衡充放电管理步骤的步骤1中，储能电池荷电量上下限限制值应包含单个电池上下限限制值条件。

优选的，所述储能电池能量均衡充放电管理步骤的步骤3中，储能系统对储能电池实施不同程度功率的充放电控制，分布式储能逆变器平抑风机、光伏输出波动优先级高于一次调频。

优选的，所述储能电池能量均衡充放电管理步骤的步骤3中，计算得到的海岛供电系统需要一次调频时，均摊到均衡状态下储能系统的平均吸收功率和平均输出功率。

优选的，所述储能系统充放电高效率门槛自适应切换步骤，还包括以下具体步骤：

步骤S1：通过规定一次调频和平抑风机/光伏输出波动的门槛功率设置功率值，包括：

电网频率允许偏差功率ΔP

单台双向DCDC变换器高效率输出功率区间上下限限制值，上限限制值：P

单台双向DCDC高效率功率输出起始点min(ΔP

主备两台双向DCDC变换器共同高效率区间输出功率上限限制值：P

步骤S2：根据根据储能系统输出功率所处区域，自适应投切相应数量的双向DCDC变换器和储能电池，包括：

若所需输出功率：P

若所需输出功率：P

若所需输出功率：P

若所需输出功率：P

其中，P

优选的，所述储能系统充放电高效率门槛自适应切换步骤的步骤S1中，主备两台双向DCDC变换器共同高效率区间输出功率上下限限制值应包含单台双向DCDC变换器高效率输出功率区间上下限限制值条件。

优选的，一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当计算机程序在被处理器执行时实现如所述分布式储能逆变能量管理方法。

上述技术方案可以看出，由于本发明实施例采用海岛分布式储能逆变系统电路结构、储能电池能量均衡充放电管理步骤、储能系统充放电高效率门槛自适应切换步骤和储能电池过放区预充电步骤。因此能够均衡海岛供电系统各个分布式储能系统的荷电量，降低光伏发电弃光率和储能系统容量，提高光伏发电效率和储能系统转化效率，增强分布式储能逆变系统参与海岛供电系统一次调频和平抑光伏输出波动的能力和可持续性。

附图说明

图1是本发明的一种海岛分布式储能逆变系统的电路结构示意图；

图2是本发明的一种海岛分布式储能逆变系统的能量管理方法流程图；

图3是本发明的储能电池荷电状态分区示意图；

图4是本发明的储能系统充放电高效率门槛自适应切换步骤流程示意图；

图5是本发明的高效率门槛自适应切换方法的功率分区示意图；

图6是本发明的辅助供电系统及其预充电过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

海岛供电系统通常是由风力发电机、太阳能电池、柴油发电机和储能系统构成。随着风电机组和光伏阵列铺设面积增大，各个风电机组和光伏阵列受环境、温度等因素的影响程度不尽相同，导致其输出的功率大小不一，经过一段运行时间后，每个分布式储能系统的荷电状态将出现较大差异，荷电量过多或者过少的分布式储能逆变系统的一次调频和平抑光伏输出波动能力将大幅下降，甚至提前退出发电系统，储能系统充放电机制的可持续性不强，不利于海岛供电系统的稳定。

本发明提供一种海岛分布式储能逆变系统及其能量管理方法，所依赖的电路结构如图1所示，所述海岛分布式储能逆变系统包括能量管理系统单元、协调控制器、风机/光伏模块、分布式储能逆变器、交流母线、自启动电源和辅助电源；所述分布式储能逆变器包括MPPT模块、DC/AC模块、主双向DCDC变换器、备双向DCDC变换器和储能系统；所述储能系统包括高效率门槛自适应切换模块、微处理器、蓄电池电量检测模块、储能电池一和储能电池二。

所述能量管理系统单元与协调控制器信号连接，所述协调控制器信号分别与风机/光伏模块、分布式储能逆变器和交流母线信号连接，所述风机光伏模块分别与自启动电源和分布式储能逆变器电连接，所述分布式储能逆变器与交流母线电连接，所述交流母线与辅助电源电连接，所述辅助电源与自启动电源通过二极管对顶连接后与分布式储能逆变器电连接。

为实现分布式储能逆变系统中储能电池之间的荷电平衡，结合图1所述一种海岛分布式储能逆变系统的电路结构示意图，实施图2所示的一种海岛分布式储能逆变系统的能量管理方法。

首先，能量管理系统单元通过协调控制器对储能系统设置储能电池充放电控制荷电量常规值SOC

如图3所示，以预设储能电池充放电控制荷电量常规值SOC

过放区：0≤SOC

调频放电禁止区：SOC

下调备用区：SOC

均衡备用区：SOC

上调备用区：SOC

调频充电禁止区：SOC

其中，除过放区外，其他区域仍然处于两组电池共同上下限限制值范围内。SOC

风机/光伏板开始发电，海岛分布式储能逆变系统初始状态时，均以储能系统荷电量为均衡备用区开始发电，发电时各个风机/光伏均以最大功率发电，DC/AC逆变器模块以预测的最大发电功率曲线输出，分布式储能逆变系统接收并实施协调控制器下发的一次调频和平抑风机/光伏输出功率波动调整指令。尽管海岛供电系统需要分布式储能逆变器承担一次调频负担，但该负担均摊到每个分布式储能逆变系统所需要吸收的功率

其中，

根据各个储能系统所处区域，实施分布式储能逆变系统的储能电池能量均衡充放电管理步骤，包括：

均衡备用区：该区域内的电池荷电量能够同时满足平抑直流侧功率下沉/上浮充放电控制和一次调频充放电控制，实施全功率平抑直流侧功率下沉/上浮充放电和一次调频充放电。

上调备用区：该区域内的电池荷电量偏高，但能够满足平抑直流侧功率下沉/上浮充放电控制，而实施一定比例一次调频充放电，该一次调频充放电功率比例应满足以下关系式，

充电：

放电：

调频充电禁止区：该区域内的储能系统荷电量处于储能系统充电最高荷电量区间，储能系统优先以最大功率参与平抑直流侧功率下沉/上浮充放电控制，不再参与一次调频充电的过程，一次调频放电功率比例满足以下关系式，

放电：

下调备用区：该区域内的电池荷电量偏低，但能够满足平抑直流侧功率下沉/上浮充放电控制，而实施一定比例一次调频充放电，该一次调频充放电功率比例应满足以下关系式，

充电：

放电：

调频放电禁止区，该区域内的储能系统荷电量处于储能系统放电最低荷电量区间。储能系统优先以最大功率参与平抑直流侧功率下沉/上浮充放电控制，不再参与一次调频放电的过程，一次调频充电功率比例满足以下关系式：

充电：

在上述除均衡备用区外的储能系统充放电过程中，由于平抑风机、光伏输出波动的负担只能由分布式储能逆变器内部独立的储能系统承担，而一次调频任务可由其他分布式储能逆变器共同承担，或者由孤岛微网配备的柴油发电机承担，因此分布式储能逆变器平抑风机、光伏输出波动优先级高于一次调频。

过放区：储能系统一般不会轻易进入该区域，一旦进入该区域，储能系统执行预充电模式，通过辅助电源以0.01倍至0.1倍的储能电池额定充电电流给储能电池预充电，使其进入调频放电限制区。

所述调频放电限制区、下调备用区、均衡备用区、上调备用区、调频充电限制区执行储能电池充放电能量管理方法时，应当还同时执行用于储能系统充放电的高效率门槛自适应切换模块，用以实施储能系统充放电高效率门槛自适应切换步骤。

储能系统执行一次调频和平抑直流侧功率下沉/上浮时，储能电池通过双向DCDC变换器长时间频繁进行大小不一的功率充放电。而双向DCDC变换器一般在其输出额定电流的0.2～0.8倍时，处于最高输出效率区间。因此存在轻载和满载的低输出效率区间的问题。这种效率区间差异导致的分布式储能系统间能量损耗差异，在储能系统一充一放之间成几何倍数增大，因而不得不增大储能电池容量以弥补损耗，加重了分布式储能系统间的荷电状态不均衡现象，进一步降低了可再生能源利用率。

例如由于两个独立的光伏板输出功率不一致，其中一组分布式储能系统按双向DCDC变换器50％功率充电，那么该充电功率将处在双向DCDC变换器的最高效率区间约95％，而另外一组分布式储能系统按双向DCDC变换器10％功率充电，那么该充电功率将处在双向DCDC变换器较低的效率区间约90％，设锂电池在两种充电功率下，自身充电效率为95％，若此时两者均以双向DCDC变换器的最高效率区间约95％进行等长时间充电，则充电量差额百分比为50％*95％*95％－10％*95％*95％＝36.1％，而实际情况双向DCDC变换器存在输出功率效率区间时，则两者充电量差额百分比为50％*95％*95％－10％*95％*90％＝36.58％，由此可知仅一充电过程，两种情况下两者充电量差额之间的差异便超过了0.5％，那么在频繁充放电以及满功率充放电时，将存在更大的差异。

实施储能系统充放电高效率门槛自适应切换步骤，所依赖的电路结构如图1所示，主双向DCDC变换器和备双向DCDC变换器分别通过断路器与MPPT模块和DC/AC模块相连的直流母线电连接，另一端与储能系统电连接，储能系统包含蓄电池荷电量检测模块分别与储能电池一、储能电池二信号连接，用以检测储能电池实时荷电量和输出功率能力；微处理器分别与蓄电池荷电量检测模块和高效率门槛自适应切换模块信号连接，高效率门槛自适应切换模块根据一次调频和平抑光伏输出波动功率所需功率，自适应投切相应数量的双向DCDC变换器和储能电池。两台双向DCDC变换器互为主备关系且完全相同，可同时为单组或两组储能电池充放电，也可单台双向DCDC变换器同时为单组或两组储能电池充放电。因此可将原本单台双向DCDC变换器的功率输出最高效率区间扩充一倍。

通过实施储能系统充放电高效率门槛自适应切换步骤，使得储能系统进行一次调频和平抑光伏输出波动时始终以最高效率进行充放电，具体实施如图4、图5所示，并包括以下实施步骤：

步骤1：设置电网频率允许偏差功率ΔP

步骤2：选择min(ΔP

若所需输出功率P

若所需输出功率P

若所需输出功率P

若所需输出功率P

其中，P

以上通过实施储能系统充放电高效率门槛自适应切换步骤，能够使得分布式储能逆变系统内进行一次调频和平抑光伏输出波动时，均以最高效率进行充放电，并保持足够功率的吞吐量。

根据所述过放区预充电模式具体实施方式，还应包括自启动电源和辅助电源构成的辅助供电系统。

如图6所示，所述自启动电源通过光伏板发电后，作为分布式储能逆变器的辅助供电，用于分布式储能逆变器自启动。所述辅助电源由分布式储能逆变器启动并建立交流母线电压后，由交流母线给辅助电源供电，通过对顶二极管替代自启动电源用于分布式储能逆变器辅助供电，以保证辅助供电系统的稳定性，另一方面，储能系统由于自放电或者异常情况进入过防区后，为了防止快速充电对储能电池造成损坏，由储能系统执行预充电模式，此时双向DCDC变换器停止充电，仅通过辅助电源以0.01倍至0.1倍的储能电池额定充电电流给储能电池预充电，使其进入调频放电限制区，随后由双向DCDC变换器接管储能电池充电过程，该过程预充电过程不采用双向DCDC变换器进行充电，原因在于预充电电流较低，不足以进入双向DCDC变换器的高效率区，且占用了双向DCDC变换器的主要功能，不利于发电系统的稳定。

根据本发明的示例性实施例还提供一种计算机设备，该计算机设备包括处理器和存储器，存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序在被处理器读取并运行时，实现上述的分布式储能逆变系统能量管理方法。

本发明的分布式储能逆变系统电路结构和分布式储能逆变系统能量管理方法是一个整体，各能量管理方法之间是相互联系的，且能量管理方法依赖于系统电路结构，在实施例中的特征或方面的描述将被认为可适用于其他实施列中的类似特征或方面。

综上所述，本发明的优点是：通过结合海岛分布式储能逆变系统的电路结构和能量管理方法，在实施储能电池能量均衡充放电管理步骤时，能够均衡海岛供电系统各个分布式储能系统荷电量，兼顾分布式储能逆变系统参与海岛供电系统一次调频和平抑光伏输出波动的能力和可持续性，一方面，在此过程中实施储能系统充放电高效率门槛自适应切换步骤，扩充双向DCDC变换器的功率输出最高效率区间，有效解决了储能系统充放电过程能量损耗过大和损耗不均衡的问题。另一方面，辅助供电系统维持内部供电稳定的同时，还提供储能电池预充电功能，避免了传统预充电方式长时间占用双向DCDC变换器所带来的功能缺相和能量损失。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

以上对本发明实施例所提供的一种海岛分布式储能逆变系统及其能量管理方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。凡是利用本发明说明书及附图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他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。