基于功率预测的分布式光伏储能调峰系统的制作方法

本实用新型涉及基于功率预测的分布式光伏储能调峰系统，属于新能源及分布式光伏储能调峰应用领域。

背景技术：

能源环境问题是制约经济、社会发展的重要因素，传统能源利用具有极大的环境代价，光伏发电属于新能源发电领域，其具有的环境友好特征是解决能源环境问题的突破口。近年，我国打造了一大批大型地面光伏发电站，在推进光伏产业发展的同时也留下了一些负面影响，受土地使用的限制，大型光伏电站多建设在西北部人烟稀少、多荒漠、荒滩的地区，当地电能消纳能力有限，外送输电线路铺设进度明显跟不上光伏电站建设速度，导致多地弃光问题突出，光伏发电存在极大的浪费，光伏发电企业收益得不到有效保障，甚至存在严重的财务亏损，严重的影响了光伏发电持续健康发展。光伏电站的弃光现象已经引起国家层面的重视，为保护光伏发电持续健康发展，保护光伏发电企业发展光伏发电的积极性，国家发改委、国家能源局于2016年5月27日出台关于做好风电、光伏发电全额保障性收购管理工作的通知，发改能源[2016]1150号，核定了部分存在弃风、弃光问题地区规划内的风电、光伏发电最低保障收购年利用小时数。光伏电站所在地光伏电能的消纳能力和外送能力是当地光伏产业发展的根本性制约因素，发改能源[2016]1150号能够在政策上保护已建光伏电站的收益，但不能从根本上解决光伏发电与消纳能力不足、输电建设进度严重滞后的根本性矛盾。

分布式光伏发电由于能够实现光伏发电就近消纳，减少输配电环节的损耗，受到越来越多的关注和重视，国家层面上陆续出台了相关政策推进分布式光伏发电的发展，目前分布式光伏发电主要有“自发自用、余电上网”和“全额上网”两种模式，“自发自用、余电上网”模式企业收益主要有，按全额发电量获得的国家补贴，自发自用节约的用电费用，以及余电上网部分获得的发电收益三部分。

在我国现行电网体制中，用电价格远高于发电价格，因此在“自发自用、余电上网”模式下，增加用户端自发自用的比例，可以使分布式光伏发电企业获得更高的发电收益，减少企业投资回收期，提高分布式光伏发电企业推广分布式光伏的积极性，有利于整个光伏产业的健康发展，然而光伏发电高峰期与用电高峰期不完全同步，光伏发电高峰期发出的电能很大一部分按余电上网的计价方式卖给电网企业，无形中减少了光伏发电企业的收益水平。为了提高用户端自发自用的比例，提出了一种基于功率预测的分布式光伏储能调峰系统，该系统将并网、离网、储能、功率预测、电能调度、负荷等有机结合，通过合理的功率预测及电能调度，可实现分布式光伏输出100%自发自用，利用峰谷电价削峰填谷，以及作为备用电源提高供电可靠性。

技术实现要素：

本实用新型针对分布式光伏发电自发自用比例不足的问题，提出了一种基于功率预测的分布式光伏储能调峰系统，主要目的是：通过合理的功率预测和电能调度，在解决分布式光伏自发自用比例不足问题的同时，可进一步实现利用峰谷电价削峰填谷，以及作为备用电源提高供电系统可靠性。本实用新型另外一个重要意义在于，通过应用本实用新型提供的基于功率预测的分布式光伏储能调峰系统，可以在改动很小的情况下，极大的提高具备储能装置的供电系统，如通信基站供电系统、具有后备UPS的供电系统等的综合利用率，除此之外，构成本实用新型的大部分设备和装置均是需求量大、产业化水平较高、规模化成本较低的标准设备，因此通过本实用新型提供的方法，用户或企业可以用很少的投资实现原供电系统的改造，改造之后的供电系统同时具备光伏并网发电及调峰、光伏离网发电、利用峰谷电价削峰填谷以及提高供电系统可靠性的功能。

具体的，本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

本实用新型由光伏单元（100）、并网逆变器（101）、并网电能表（102）、关口电能表（103）、电网（137）、离网DC/DC控制器（104）、AC/DC控制器（105）、储能管理系统（106）、离网DC/AC控制器（107）、直流负荷（108）、交流负荷（109）、储能装置（110）、功率预测装置（111）、开关控制单元（112）、通信单元（113）、受控开关K0、K1、K2、K3、K4、K5等组成；光伏单元（100）与受控开关K1、K2相连，并网逆变器（101）的输入与受控开关K1相连，并网逆变器（101）输出与并网电能表（102）输入相连，并网电能表（102）输出与关口电能表（103）、受控开关K3、K5相连，关口电能表（103）输出接电网（137）；离网DC/DC控制器（104）输入与受控开关K2相连，其输出连接到储能管理系统（106）的输入；AC/DC控制器（105）输入与受控开关K3相连，其输出连接到储能管理系统（106）的输入；离网DC/AC控制器（107）的输入与储能管理系统（106）的输出相连，其输出与受控开关K4相连；受控开关K4、K5在靠近交流负荷（109）侧相连后与交流负荷（109）相连；直流负荷（108）的输入通过K0与储能管理系统（106）的输出相连；储能装置（110）与储能管理系统（106）直接相连；功率预测装置（111）的输出与开关控制单元（112）输入相连，其RS485/422总线接口通过RS485/422总线分别与光伏单元（100）、储能装置（110）、直流负荷（108）、交流负荷（109）、关口电能表（103）、通信单元（113）的RS485/422总线接口相连。

本实用新型提供的系统可归纳总结为四层结构，第一层结构包括光伏单元（114），第二层结构包括电网端（115）、并网装置（116）、离网装置（117），第三层结构包括功率预测（121）、电能调度（118），第四层结构包括储能装置（119）、负荷（120），其中电网端（115）由关口电能表（103）和电网（137）组成，并网装置（116）由K1、并网逆变器（101）和并网电能表（102）组成，离网装置（117）由K2、离网DC/DC控制器（104）组成，功率预测（121）由功率预测装置（111）和通信单元（113）组成，电能调度（118）由K0、K3、K4、K5、开关控制单元（112）、储能管理系统（106）、AC/DC控制器（105）、离网DC/AC控制器（107）组成，负荷（120）由直流负荷（108）、交流负荷（109）组成，系统将光伏单元、并网、离网、储能、功率预测、电能调度、负荷等有机结合成一个整体。

在本实用新型提供的系统中，分布式光伏以并网为主，离网为辅，只有当市电停电时，为最大化利用分布式光伏电能，分布式光伏才工作在离网状态，K1闭合表明电网正常且分布式光伏工作或拟工作在并网状态，K2闭合表明电网已停电且分布式光伏工作或拟工作在离网状态，K2闭合时K3、K5即使闭合也无法为下行设备供电，定义K1、K2在任何时刻不能同时处于闭合状态，K2闭合时K3、K5中任何一个不能为闭合状态，K4、K5在任何时刻不能同时处于闭合状态，K3、K4不同时处于闭合状态，K0~K5构成的64种开关状态排除上述定义中不能实现的开关状态后，剩余24种有效的开关状态。

在本实用新型提供的系统中，功率预测装置（111）的通过RS485总线获取光伏单元历史运行维护信息，直流负荷历史运行维护信息、未来确定的功率分布信息，交流负荷历史运行维护信息、未来确定的功率分布信息，储能装置历史运行维护信息、当前剩余容量信息，电网调度、停电安排及分时峰谷电价信息，当地光伏发电历史样本信息，当地气象预报信息等，功率预测装置（111）综合处理上述信息后给出K0~K5确定的开关状态，并通过开关控制单元（112）控制K0~K5开关的断开或闭合，以提前规划储能装置剩余容量完成电能调度。

在本实用新型提供的系统中，其包含的通信单元（113）可完成系统与远端服务器之间的信息交换，但其最主要功能是接收系统安装地光伏发电历史样本信息、函数拟合方法及相关参数，并将其发送到功率预测装置（111）用以拟合光伏发电功率与气象信息的函数关系，功率预测装置（111）利用未来气象预报信息、拟合的函数关系以及光伏单元历史运行维护信息等信息来确定系统未来光伏发电功率，同时收集电网调度、停电安排及分时峰谷电价，交直流负荷的未来功率分布以及储能装置剩余容量等的相关信息，通过开关控制单元（112）控制K0~K5开关的状态可完成如下功能：使储能装置在分布式光伏峰值功率到来前提前预留足够的存储容量，以实现分布式光伏发电100%自发自用；使储能装置在停电前储备足够的容量，以确保停电后可以利用分布式光伏离网发电和储能装置自身的存储容量满足负荷需求；使储能装置在低谷电价时储备适量的电能，保证未来负荷利用光伏发电和预存电量获得最大化收益。

本实用新型提供的方法适用于改造具有储能装置的供电系统，如通信基站供电系统、具有后备UPS的供电系统等，在不改变原系统供电结构的前提下，通过适量增配光伏阵列（122）、并网逆变器（123）、并网电能表（124）、离网DC/DC控制器（125）、通信单元（126）、功率预测装置（127）、开关控制单元（128）、以及用于实现电能调度的受控开关K6、K7、K8等，实现满足用户基本需求的分布式光伏储能调峰系统。

附图说明

图1为基于功率预测的分布式光伏储能调峰系统原理图；

图2为基于功率预测的分布式光伏储能调峰系统结构图；

图3为通信基站供电系统改造图；

图4为实现分布式光伏发电100%自发自用时电能调度流程图；

图5为实现停电满足负荷需求时电能调度流程图；

图6为实现利用峰谷电价削峰填谷功能时电能调度流程图；

图7为受控开关通断逻辑表。

具体实施方式

实施例一：

基于功率预测的分布式光伏储能调峰系统包括：光伏单元（100）、并网逆变器（101）、并网电能表（102）、关口电能表（103）、电网（137）、离网DC/DC控制器（104）、AC/DC控制器（105）、储能管理系统（106）、离网DC/AC控制器（107）、直流负荷（108）、交流负荷（109）、储能装置（110）、功率预测装置（111）、开关控制单元（112）、通信单元（113）、受控开关K0、K1、K2、K3、K4、K5等。

各部分的连接方式如图1所示，其具体连接方式如下：光伏单元（100）与受控开关K1、K2相连，并网逆变器（101）的输入与受控开关K1相连，并网逆变器（101）输出与并网电能表（102）输入相连，并网电能表（102）输出与关口电能表（103）、受控开关K3、K5相连，关口电能表（103）输出接电网（137）；离网DC/DC控制器（104）输入与受控开关K2相连，其输出连接到储能管理系统（106）的输入；AC/DC控制器（105）输入与受控开关K3相连，其输出连接到储能管理系统（106）的输入；离网DC/AC控制器（107）的输入与储能管理系统（106）的输出相连，其输出与受控开关K4相连；受控开关K4、K5在靠近交流负荷（109）侧相连后与交流负荷（109）相连；直流负荷（108）的输入通过K0与储能管理系统（106）的输出相连；储能装置（110）与储能管理系统（106）直接相连；功率预测装置（111）的输出与开关控制单元（112）输入相连，其RS485/422总线接口通过RS485/422总线分别与光伏单元（100）、储能装置（110）、直流负荷（108）、交流负荷（109）、关口电能表（103）、通信单元（113）的RS485/422总线接口相连。

图2所示为根据图1归纳总结的系统结构图，整个系统可归纳总结为四层结构，第一层结构包括光伏单元（114），第二层结构包括电网端（115）、并网装置（116）、离网装置（117），第三层结构包括功率预测（121）、电能调度（118），第四层结构包括储能装置（119）、负荷（120），其中电网端（115）由关口电能表（103）和电网（137）组成，并网装置（116）由K1、并网逆变器（101）和并网电能表（102）组成，离网装置（117）由K2、离网DC/DC控制器（104）组成，功率预测（121）由功率预测装置（111）和通信单元（113）组成，电能调度（118）由K0、K3、K4、K5、开关控制单元（112）、储能管理系统（106）、AC/DC控制器（105）、离网DC/AC控制器（107）组成，负荷（120）由直流负荷（108）、交流负荷（109）组成，系统将光伏单元、并网、离网、储能、功率预测、电能调度、负荷等有机结合成一个整体。

实施例二：

基于功率预测的分布式光伏储能调峰系统中，分布式光伏以并网为主，离网为辅，只有当市电停电时，为最大化利用分布式光伏电能，分布式光伏才工作在离网状态，K1闭合表明电网正常且分布式光伏工作或拟工作在并网状态，K2闭合表明电网已停电且分布式光伏工作或拟工作在离网状态，K2闭合时K3、K5即使闭合也无法为下行设备供电，定义K1、K2在任何时刻不能同时处于闭合状态，K2闭合时K3、K5中任何一个不能为闭合状态，K4、K5在任何时刻不能同时处于闭合状态，K3、K4不同时处于闭合状态，K0~K5构成的64种开关状态排除上述定义中不能实现的开关状态后，剩余24种有效的开关状态。

基于功率预测的分布式光伏储能调峰系统中，K0~K5全部可能的开关状态及开关状态说明如图7所示，其中0表示对应开关处于断开状态，1表示对应开关处于闭合状态。图7给出的是受控开关K0~K5所有可能的开关状态，K0~K5当前应该处于何种开关状态由功率预测装置（111）根据功率预测的结果来确定，具体实现方式如下：功率预测装置（111）的通过RS485总线获取光伏单元历史运行维护信息，直流负荷历史运行维护信息、未来确定的功率分布信息，交流负荷历史运行维护信息、未来确定的功率分布信息，储能装置历史运行维护信息、当前剩余容量信息，电网调度、停电安排及分时峰谷电价信息，当地光伏发电历史样本信息，当地气象预报信息等，功率预测装置（111）综合处理上述信息后给出K0~K5确定的开关状态，并通过开关控制单元（112）控制K0~K5开关的断开或闭合，以提前规划储能装置剩余容量完成电能调度。

基于功率预测的分布式光伏储能调峰系统中，通信单元（113）可完成系统与远端服务器之间的信息交换，但其最主要功能是接收系统安装地光伏发电历史样本信息、函数拟合方法及相关参数，并将其发送到功率预测装置（111）用以拟合光伏发电功率与气象信息的函数关系，功率预测装置（111）利用未来气象预报信息、拟合的函数关系以及光伏单元历史运行维护信息等信息来确定系统未来光伏发电功率，同时收集电网调度、停电安排及分时峰谷电价，交直流负荷的未来功率分布以及储能装置剩余容量等的相关信息，通过开关控制单元（112）控制K0~K5开关的状态可完成如下功能：使储能装置在分布式光伏峰值功率到来前提前预留足够的存储容量，以实现分布式光伏发电100%自发自用；使储能装置在停电前储备足够的容量，以确保停电后可以利用分布式光伏离网发电和储能装置自身的存储容量满足负荷需求；使储能装置在低谷电价时储备适量的电能，保证未来负荷利用光伏发电和预存电量获得最大化收益。

本案例中，为实现分布式光伏发电100%自发自用，预先进行电能调度的具体过程如下：功率预测装置（111）预测得到未来光伏发电量、负荷耗电量，并获取当前储能装置剩余电量，然后判断未来光伏发电量是否大于未来负荷耗电量，如果不大于，则K0~K5的当前开关状态均可保持不变或切换到使储能装置当前容量保持不变的开关状态，否则，则进一步判断在K0~K5开关状态不发生改变的情况下利用蓄电池能否全部吸收光伏多余发电量，如果蓄电池能够吸收光伏多余发电量，则K0~K5当前开关状态可保持不变或切换到使储能装置当前容量保持不变的开关状态，否则，K0~K5当前开关状态切换到使储能装置预先释放容量的状态。该过程的具体流程可参考图4所示。

本案例中，为实现停电后利用分布式光伏离网发电和储能装置自身的存储容量满足负荷需求，预先进行电能调度的具体过程如下：功率预测装置（111）预测未来停电后光伏发电量、负荷耗电量，并获取当前储能装置剩余电量，然后判断未来停电后光伏发电量与储能装置当前电量之和是否大于未来停电后负荷耗电量，如果不大于，则K0~K5的当前开关状态切换到使储能装置通过市电预先储备容量的状态，否则，K0~K5的当前开关状态可保持不变或切换到使储能装置容量保持不变的开关状态。该过程的具体流程可参考图5所示。

本案例中，为实现利用峰谷电价削峰填谷功能，预先进行电能调度的具体过程如下：功率预测装置（111）首先获取当前用电价格，并判断当前是否为用电高峰期电价，如果当前不是用电高峰期电价，则进一步判断当前是否为用电低谷期电价，如果当前也不是用电低谷期电价，则根据储能装置剩余容量和未来光伏发电量之和是否满足未来负荷需求确定K0~K5当前开关状态，如果当前是用电低谷期电价，则进一步核算存储电价低谷期电量与存储未来光伏剩余电量获得最大收益时储能装置应该具有的剩余容量，并确定K0~K5当前开关状态；如果当前恰好处于用电高峰期，则判断储能装置进一步释放容量是否能够应对未来不时之需，如果能够应对未来不时之需，则K0~K5当前开关状态切换到使储能装置释放容量的状态以节约电能，否则如果储能装置进一步释放容量不能保证应对未来不时之需，则K0~K5当前开关状态可保持不变或切换到使储能装置容量保持不变的开关状态。该过程的具体流程可参考图6所示。

实施例三：

基于功率预测的分布式光伏储能调峰系统，其提供的方法适用于改造具有储能装置的供电系统，如通信基站供电系统、具有后备UPS的供电系统等，在不改变原系统供电结构的前提下，通过适量增配光伏阵列（122）、并网逆变器（123）、并网电能表（124）、离网DC/DC控制器（125）、通信单元（126）、功率预测装置（127）、开关控制单元（128）、以及用于实现电能调度的受控开关K6、K7、K8等，实现满足用户基本需求的分布式光伏储能调峰系统。图3所示系统原理图中，虚线框外部为标准通信基站供电系统配置图，虚线框内为利用本实用新型提供的方法改造该供电系统，需要增配或改造的部分，其中开关K8是将原供电系统中非受控开关替换成受控开关，上述改造后，原标准通信基站供电系统升级为具有功率预测功能的分布式光伏储能调峰系统，可极大提高通信基站供电系统收益水平。

需要说明的是，上述实例仅仅是为了阐述本实用新型的构思和实现方法，目的是使本领域内的技术人员理解本实用新型的具体内容，并可以照此实施此发明，并不能以此来限制本实用新型的保护范围。因此，凡依照本实用新型原理、构思、形状所作的变化或修饰，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。