專利名稱：一種獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)及容量?jī)?yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)及容量?jī)?yōu)化方法。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能是一種無(wú)處不在、資源豐富且無(wú)任何環(huán)境污染的可再生能源。以光伏電池為核心的太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)(Photovoltaic，PV)是太陽(yáng)能開發(fā)利用的重要應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)際能源署的數(shù)據(jù)顯示，在全球4%的沙漠上安裝太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，就足以滿足全球能源需求。目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)投資成本高，系統(tǒng)運(yùn)行受外界影響的因素也較多。太陽(yáng)能本身受到季節(jié)、天氣和時(shí)間的影響很大，光伏陣列的容量不能按照常規(guī)電源那樣設(shè)計(jì)。由于太陽(yáng)能具有隨機(jī)和間斷的特性，獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)，必須采用必要的能源存儲(chǔ)設(shè)備。蓄電池是一種傳統(tǒng)的能源存儲(chǔ)方式，技術(shù)比較成熟，能源轉(zhuǎn)換效率較高。但蓄電池用于能源存儲(chǔ)的初始投資成本較高，且蓄電池的壽命較短，光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用過程中可能要追加蓄電池的置換成本。因此在滿足負(fù)載需求實(shí)現(xiàn)能源全年供需平衡的同時(shí)，也要考慮到整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的投資成本和系統(tǒng)效率等問題，在系統(tǒng)實(shí)際投資建設(shè)以前對(duì)系統(tǒng)容量進(jìn)行優(yōu)化，以能避免不必要的投資、提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，同時(shí)提高系統(tǒng)可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)及容量?jī)?yōu)化方法，該光伏發(fā)電系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化方法是以蓄電池作為能源存儲(chǔ)設(shè)備，該方法也適用于使用多種能源存儲(chǔ)設(shè)備的光伏發(fā)電系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化。一種獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)，包括光伏分系統(tǒng)、控制中心、蓄電池分系統(tǒng)和負(fù)載，光伏分系統(tǒng)由光伏陣列依次串接最大功率點(diǎn)跟蹤控制器和功率變換器組成，蓄電池分系統(tǒng)由多個(gè)蓄電池組串接功率變換器構(gòu)成的蓄電子系統(tǒng)構(gòu)成，所述功率變換器與直流總線相連， 直流總線給負(fù)載提供電源，控制中心分別與光伏分系統(tǒng)和蓄電池分系統(tǒng)雙向連接。在此系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化有四個(gè)步驟1.獲取氣象數(shù)據(jù)和負(fù)載數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化策略的過程中，首先要獲取系統(tǒng)所在地的溫度、光照等氣象數(shù)據(jù)和負(fù)載的使用數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是進(jìn)行系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化的基礎(chǔ)和依據(jù)。2.確定系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)為評(píng)價(jià)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)性能，分別定義了相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以便對(duì)其進(jìn)行量化分析。Ccoe = Ctac/Zae(1)Esjstim = u^+ U ^(2)
U Total(_為電價(jià)，Cta。年度總成本，Zae為年用電量，Esystem為光伏電能的系統(tǒng)使用效率，UPV(UBat)為由光伏陣列(蓄電池)提供給負(fù)載的電能，UT。tal為光伏陣列生產(chǎn)的電能總量， Epv(Eeat)為由光伏陣列(蓄電池)向負(fù)載供電時(shí)的電能使用效率。3.設(shè)計(jì)能源管理策略能源管理策略的目的是協(xié)調(diào)發(fā)電系統(tǒng)的各個(gè)部件，實(shí)現(xiàn)光伏能源的分配，在滿足用戶負(fù)載日常需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)全年的能源供需平衡。光伏電能首先滿足負(fù)載的需求，如果有剩余能源，存入蓄電池。當(dāng)滿足蓄電池充電要求后仍有剩余能源，這部分電能只能丟棄， 這將導(dǎo)致系統(tǒng)效率的下降。當(dāng)光伏電能不能滿足用戶的負(fù)載需求時(shí)，由蓄電池來滿足負(fù)載需求，如果蓄電池存儲(chǔ)的電能也不足以滿足負(fù)載需求，說明系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，不能滿足用戶全年的能源需求。從以上過程可以看出，必須根據(jù)用戶的年負(fù)載需求和所在地光照資源豐富程度來設(shè)計(jì)充足的能源存儲(chǔ)容量和足夠數(shù)量的光伏陣列來避免能源供給不足的情況發(fā)生，同時(shí)為了降低系統(tǒng)成本和提高光伏能源系統(tǒng)的效率，也必須在滿足用戶需求的同時(shí)，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中各元件的容量進(jìn)行優(yōu)化，確定能夠?qū)崿F(xiàn)全年能源供需平衡的系統(tǒng)容量最佳配置。4.系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化即確定系統(tǒng)最小容量配置，是在保證滿足用戶全年的負(fù)載需求的約束下，優(yōu)化系統(tǒng)元件的容量，從而降低系統(tǒng)成本和提高系統(tǒng)的能源利用效率。系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化目標(biāo)是使系統(tǒng)成本最小化，系統(tǒng)效率最大化，決策變量是系統(tǒng)配置中各元件的容量。系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化首先需要對(duì)光伏電池、蓄電池、功率變換器和負(fù)載建模，然后基于系統(tǒng)所在地的溫度、光照等氣象數(shù)據(jù)和負(fù)載的使用數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)容量進(jìn)行優(yōu)化。本發(fā)明的系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化就是確定光伏陣列、蓄電池和功率變換器等元件的最佳容量組合，以使混合光伏發(fā)電系統(tǒng)在滿足負(fù)載需求、實(shí)現(xiàn)全年能源供需平衡的同時(shí)，降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)效率和可靠性。


圖1為本發(fā)明中光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；圖2為本發(fā)明確定一組系統(tǒng)最小容量配置流程圖；圖3為本發(fā)明確定一系列系統(tǒng)最小容量配置的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖1為光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。光伏發(fā)電系統(tǒng)中各元件是通過功率變換器與直流總線相連，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。將直流總線上的電壓穩(wěn)定在Vbus = 220V左右，各元件通過功率變換器實(shí)現(xiàn)輸出特性的相互匹配。光伏陣列首先通過最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制器獲得最大功率輸出，然后通過一個(gè)DC/DC變換器將光伏電能送入直流總線；將蓄電池分為三個(gè)小組，對(duì)其施行了分組管理，集中有限的光伏電能為特定小組進(jìn)行充電，以避免蓄電池始終處于欠充的狀態(tài)，各小組分別通過一個(gè)雙向DC/DC變換器與直流總線相連。圖2為確定一組系統(tǒng)最小容量配置流程圖。首先確定蓄電池的容量，光伏陣列中光伏組件的數(shù)量從1逐次遞增，然后基于系統(tǒng)模型，根據(jù)能源管理策略，判定該數(shù)量的光伏組件和相應(yīng)容量的蓄電池的組和配置，是否可在系統(tǒng)所在地的氣象條件下滿足負(fù)載全年的能源需求，當(dāng)以最少數(shù)量光伏組件滿足約束條件時(shí)，便確定了一組系統(tǒng)最小容量配置，然后根據(jù)式(1)和( 計(jì)算該最小配置的經(jīng)濟(jì)(電價(jià))和技術(shù)(效率)指標(biāo)值。由于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽(yáng)能為其唯一的能量來源，如果系統(tǒng)的能源存儲(chǔ)容量已知，基于滿足負(fù)載全年能源需求的約束，是可確定光伏陣列數(shù)量的最小值，得到一組系統(tǒng)最小容量配置。對(duì)于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，逆變器的額定功率為最大負(fù)載的1.25倍。 圖3為確定一系列系統(tǒng)最小容量配置的流程圖。在圖2的基礎(chǔ)上，可在滿足全年能源供需平衡的約束下，按照從小到大不同蓄電池存儲(chǔ)容量的順序，求取出一系列系統(tǒng)最小配置。如果能源存儲(chǔ)設(shè)備的容量太小，可能會(huì)出現(xiàn)用有限數(shù)量的光伏陣列不能滿足負(fù)載全年負(fù)載需求的情況。基于這些最小容量配置的系統(tǒng)性能(效率和成本)，便可對(duì)不同配置的光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能進(jìn)行比較和分析了，用戶可以根據(jù)自身的需求進(jìn)行選擇。
權(quán)利要求
1.一種獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于包括光伏分系統(tǒng)、控制中心、蓄電池分系統(tǒng)和負(fù)載，光伏分系統(tǒng)由光伏陣列依次串接最大功率點(diǎn)跟蹤控制器和功率變換器組成，蓄電池分系統(tǒng)由多個(gè)蓄電池組串接功率變換器構(gòu)成的蓄電子系統(tǒng)構(gòu)成，所述功率變換器與直流總線相連，直流總線給負(fù)載提供電源，控制中心分別與光伏分系統(tǒng)和蓄電池分系統(tǒng)雙向連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量?jī)?yōu)化方法，其特征在于系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化有四個(gè)步驟(1)獲取氣象數(shù)據(jù)和負(fù)載數(shù)據(jù)(2)確定系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)為評(píng)價(jià)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)性能，分別定義了相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以便對(duì)其進(jìn)行量化分析；
全文摘要
本發(fā)明公開了一種獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)及容量?jī)?yōu)化方法，屬于光伏發(fā)電領(lǐng)域。本發(fā)明涉及的獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)包括光伏分系統(tǒng)、蓄電池分系統(tǒng)、負(fù)載和控制中心。容量?jī)?yōu)化方法以系統(tǒng)中各元件的容量為決策變量，首先在一定蓄電池容量的條件下，基于滿足負(fù)載全年能源需求的約束，確定光伏陣列數(shù)量的最小值，得到一組系統(tǒng)最小配置；然后按照從小到大不同蓄電池存儲(chǔ)容量的順序，求取出一系列系統(tǒng)最小配置，并計(jì)算其經(jīng)濟(jì)和技術(shù)性能指標(biāo)，用戶可據(jù)自身需求來選擇相應(yīng)的系統(tǒng)容量配置。該方法適用于使用單種和多種能源存儲(chǔ)設(shè)備的光伏發(fā)電系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化。
文檔編號(hào)H02N6/00GK102403930SQ20111035547
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月11日
發(fā)明者曾慶軍, 李春華, 王玉龍, 章飛康 申請(qǐng)人:江蘇科技大學(xué)