CN116048181A - 光伏设备以及提升光伏设备的光伏利用率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开光伏设备以及提升光伏设备的光伏利用率的方法。其中提升光伏设备的光伏利用率的方法，包括：当光伏设备与电网脱离且所述光伏设备的光伏装置与直流母线直接连接时，监控所述光伏设备的直流母线以及挂载在直流母线上的光伏装置、储能装置以及负载的电参数；根据光伏装置的电参数特性曲线，控制所述光伏设备运行功率跟踪模式或者最大功率输出模式；当所述光伏设备运行最大功率输出模式时，根据光伏装置、储能装置以及负载之间的供需关系，对所述储能装置的充放电状态以及负载的电参数进行调节或限制，以使得光伏装置、储能装置以及负载在光伏装置的最大功率输出点达到平衡。本发明可以使光伏设备的光伏装置尽可能运行在最大功率输出模式。

Description

光伏设备以及提升光伏设备的光伏利用率的方法

技术领域

本发明涉及光伏设备的技术领域，尤其涉及一种提升光伏设备的光伏利用率的方法。

背景技术

随着能源的紧缺以及大众环保意识的增强，目前出现了很多光伏设备，光伏设备通常都具有直流母线，直流母线可以通过DC/DC变换器连接到市网，以便光伏发电不足时，可以采用市电维持光伏设备的负载的正常运行。但是当光伏发电充足时或者是一些特殊情况下，光伏设备通常都与市电断开，因而直流母线与交流母线之间的DC/DC变换器暂停工作，此时光伏设备的光伏装置(如光伏阵列)并没有专用的DC/DC变换器，光伏装置与直流母线直连，储能装置通过DC/DC变换器连接直流母线，该DC/DC变换器对直流母线进行控制，导致光伏太阳能电池的没有运行在最大功率，损失了一定的发电量。

以光伏空调为例，随着光伏储直流空调系统应用场景的增多，各种的运行情况均能出现。在某些特定区域，比如海岛，偏远高地及山区等长期离网(电网)的环境，储能光伏等供需不平衡，能源利用率低下。

因而，如何提供一种方法使得光伏设备离网状态下与直流母线直连时，尽可能使得光伏太阳能电池可以运行在最大功率，提升光伏设备的光伏利用率是待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中光伏设备的光伏利用率不高的技术问题，本发明提出了光伏设备以及提升光伏设备的光伏利用率的方法。

本发明提出的提升光伏设备的光伏利用率的方法，包括：

当光伏设备与电网脱离且所述光伏设备的光伏装置与直流母线直接连接时，监控所述光伏设备的直流母线以及挂载在直流母线上的光伏装置、储能装置以及负载的电参数；

根据光伏装置的电参数特性曲线，控制所述光伏设备运行功率跟踪模式或者最大功率输出模式；

当所述光伏设备运行最大功率输出模式时，根据光伏装置、储能装置以及负载之间的供需关系，对所述储能装置的充放电状态以及负载的电参数进行调节或限制，以使得光伏装置、储能装置以及负载在光伏装置的最大功率输出点达到平衡。

进一步，所述光伏装置的电参数特性曲线具体为光伏装置的输出功率与直流母线的电压之间的关系曲线。

进一步，当储能装置的电量状态为满电状态时，若负载的功率小于光伏装置的最大功率，所述光伏设备运行功率跟踪模式，继续监控所述光伏设备的直流母线以及挂载在直流母线上的光伏装置、储能装置以及负载的电参数。

进一步，当储能装置的电量状态为满电状态时，若负载的功率等于光伏装置的最大功率，所述光伏设备运行最大功率输出模式。

进一步，当储能装置的电量状态为满电状态时，若负载的功率大于光伏装置的最大功率，所述光伏设备运行最大功率输出模式，同时基于所述储能设备的最大放电功率，对所述负载的功率进行限制。

进一步，当储能装置的电量状态为非满电状态时，若负载的功率小于光伏装置的最大功率减去储能装置的最大充电功率，所述光伏设备运行功率跟踪模式，继续监控所述光伏设备的直流母线以及挂载在直流母线上的光伏装置、储能装置以及负载的电参数。

进一步，当储能装置的电量状态为非满电状态时，若负载的功率等于光伏装置的最大功率减去储能装置的最大充电功率，所述光伏设备运行最大功率输出模式。

进一步，当储能装置的电量状态为非满电状态时，若负载的功率大于光伏装置的最大功率减去储能装置的最大充电功率，所述光伏设备运行最大功率输出模式，同时基于所述储能设备的最大放电功率，对所述负载的功率进行限制。

本发明提出的光伏设备，包括：光伏装置、储能装置、负载，其特征在于，还包括用于相互协作执行上述技术方案所述的提升光伏设备的光伏利用率的方法的检测模块和控制模块；

所述检测模块用于监控所述光伏设备的直流母线以及挂载在直流母线上的光伏装置、储能装置以及负载的电参数；

所述控制模块根据光伏装置的电参数特性曲线，控制所述光伏设备运行功率跟踪模式或者最大功率输出模式；当所述光伏设备运行最大功率输出模式时，根据光伏装置、储能装置以及负载之间的供需关系，对所述储能装置的充放电状态以及负载的电参数进行调节或限制，以使得光伏装置、储能装置以及负载在光伏装置的最大功率输出点达到平衡。

进一步，所述光伏设备包括光伏空调。

本发明利用光伏装置的P-U特性曲线，保持光伏装置、储能装置以及负载三者功率的平衡，可自动调节光伏装置的输出功率以达到功率平衡的功率跟踪控制策略，且结合储能单元的直流母线电压控制策略，可实现功率跟踪和最大功率输出的快速切换。

附图说明

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是本发明一实施例的流程图。

图2是本发明的储能满电时负载功率变化对光伏装置运行点的影响示意图。

图3是本发明的储能非满电时负载功率变化对光伏装置运行点的影响示意图。

图4是本发明一实施例的光伏储直流空调系统的组成框图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由此，本说明书中所指出的一个特征将用于说明本发明的一个实施方式的其中一个特征，而不是暗示本发明的每个实施方式必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的系统设计，但是这些特征也可用于其他的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。

如图1所示，本发明光伏设备包括直流母线、光伏装置、储能装置和负载，光伏装置、储能装置以及负载均挂载在直流母线上。储能装置可以通过DC/DC变换器连接直流母线，例如通过双向DC/DC变换器连接直流母线。而光伏装置缺乏专用的DC/DC变换器连接直流母线。

基于上述描述的光伏设备，本发明的提升光伏设备的光伏利用率的方法，主要包括以下步骤。

当光伏设备的光伏装置缺乏专用的DC/DC变换器连接直流母线时，例如脱离电网运行，导致原来直流母线与交流母线之间的DC/DC变换器无法对光伏设备的光伏装置进行控制，此时光伏装置直接与直流母线连接，储能装置的DC/DC变换器对直流母线进行控制。此时监控光伏设备的直流母线以及挂载在直流母线上的光伏装置、储能装置以及负载的电参数。鉴于电参数之间是可以相互换算的，因而本发明不限定光伏装置、储能装置以及负载的电参数，例如，可以监控光伏装置的输出电压和输出电流，监控储能装置的充放电状态，以及相应的电压、电流等，监控负载的功率或者是对应的电压、电流等。

接着本发明根据光伏装置的电参数特性曲线，控制光伏设备运行功率跟踪模式或者最大功率输出模式。并且当光伏设备运行最大功率输出模式时，光伏设备根据光伏装置、储能装置以及负载之间的供需关系，对储能装置的充放电状态以及负载的电参数进行调节或限制，以使得光伏装置、储能装置以及负载在光伏装置的最大功率输出点达到平衡。

关于光伏装置的电参数特征曲线，常见的有光伏装置的输出功率与直流母线的电压之间的关系曲线，以及光伏装置的电压与电流之间的关系曲线。在一个实施例中，本发明的光伏装置的电参数特性曲线具体为光伏装置的输出功率与直流母线的电压之间的关系曲线。当光伏装置为光伏阵列时，光伏装置的输出功率与直流母线的电压之间的关系曲线也称之为光伏阵列的P-U特性曲线。

本发明的发明构思的原理主要是基于以下原理。

在较强光照条件下，若光伏设备的光伏装置仍位于最大功率输出点，光伏装置的输出功率大于负载消耗功率，这将导致直流母线的电压上升。若此时储能装置的SOC不为1，SOC全称为state-of-charge，指的是电池的充电状态，又称剩余容量，表示电池继续工作的能力。SOC为1代表储能装置的电池充满，则利用光伏装置与负载需求之间的差额功率给储能装置的电池充电，使得直流母线电压保持在最大功率输出点。

当储能装置的电池达到最大充电功率或充满电后，若光伏设备的发电功率仍有盈余，即光伏设备的输出功率大于负载的功率，也将使得直流母线的电压升高。

根据光伏阵列的P-U特性曲线可知，当直流母线电压大于MPPT电压时，直流母线电压升高后光伏输出功率会急剧下降，当光伏输出功率和系统消耗功率达到平衡时直流母线电压再次稳定，并且将稳定在P-U特性曲线MPPT点的右侧。这里的MPPT全称为称MaximumPower Point Tracking，MPPT电压表示光伏装置的最大功率点的电压，MPPT点表示光伏装置的最大功率点。

当光伏设备的发电功率的盈余功率减小时，会导致直流母线电压下降，而直流母线电压的下降使得光伏输出功率增大，再次达到供需平衡。

当直流母线电压降低到MPPT点左侧时，储能单元的功率调节会使得直流母线电压稳定在MPPT点，从而实现功率跟踪到最大功率输出的平滑切换。

因而基于上述原理，下面描述本发明根据光伏装置的电参数特性曲线，控制光伏设备运行功率跟踪模式或者最大功率输出模式，并且当光伏设备运行最大功率输出模式时，光伏设备根据光伏装置、储能装置以及负载之间的供需关系，对储能装置的充放电状态以及负载的电参数进行调节或限制，以使得光伏装置、储能装置以及负载在光伏装置的最大功率输出点达到平衡的具体技术方案。

当储能装置的电量状态为满电状态时，若负载的功率小于光伏装置的最大功率，光伏设备运行功率跟踪模式，继续监控光伏设备的直流母线以及挂载在直流母线上的光伏装置、储能装置以及负载的电参数。

当储能装置的电量状态为满电状态时，若负载的功率等于光伏装置的最大功率，光伏设备运行最大功率输出模式，光伏装置的光伏利用率最高。

当储能装置的电量状态为满电状态时，若负载的功率大于光伏装置的最大功率，光伏设备运行最大功率输出模式，光伏装置的光伏利用率最高，同时基于储能设备的最大放电功率，对负载的功率进行限制。

当储能装置的电量状态为非满电状态时，若负载的功率小于光伏装置的最大功率减去储能装置的最大充电功率，光伏设备运行功率跟踪模式，继续监控光伏设备的直流母线以及挂载在直流母线上的光伏装置、储能装置以及负载的电参数。

当储能装置的电量状态为非满电状态时，若负载的功率等于光伏装置的最大功率减去储能装置的最大充电功率，光伏设备运行最大功率输出模式，光伏装置的光伏利用率最高。

当储能装置的电量状态为非满电状态时，若负载的功率大于光伏装置的最大功率减去储能装置的最大充电功率，光伏设备运行最大功率输出模式，光伏装置的光伏利用率最高，同时基于储能设备的最大放电功率，对负载的功率进行限制。

下面结合图2、图3中所示出的光伏装置的输出功率与直流母线的电压之间的关系曲线，详细分析负载的功率、储能装置的状态、光伏装置的运行模式对直流母线电压的影响。

假设光照强度和温度不变，储能装置充满了电，为满电状态时，直流母线的电压大小随负载功率变化的变化如图2所示。

假设初始时，负载的功率为P_m1，与光伏装置的最大输出功率相等，整个光伏设备的系统功率平衡，直流母线的电压为U1，此时光伏设备为最大功率输出模式。

当负载的功率减小到P_m2时，光伏装置输出的功率大于负载消耗的功率，由于储能装置的SOC为1，即储能装置的电池为满电状态，不能吸收光伏装置盈余的功率，因此导致直流母线电压升高。

当直流母线电压升高到U₂时光伏装置的输出功率和负载的功率再次平衡，直流母线的电压稳定在U₂。

当负载的功率增大到P_m3时，光伏装置的输出功率小于负载的功率，直流母线的电压减小，减小到直流母线的电压小于MPPT电压时，储能装置为了维持光伏设备的MPPT运行，即为了维持光伏设备的最大功率输出模式，储能装置将会放电供负载使用，以弥补光伏装置不足的功率，使得直流母线电压稳定在最大功率输出点。同时由于储能装置的最大放电功率有限，因此此时需要限制负载的功率。

设P_dechmax为储能装置的最大放电功率，P_dechmax＝P_m3-P_m1，当负载的功率在P_m1与P_m3之间变化时，储能装置可以通过调整其放电功率，使得光伏装置的光伏阵列运行在MPPT模式，即光伏设备运行在最大功率输出模式。

综上所述，储能装置在满电状态下，当负载的功率小于P_m1时，光伏设备运行在功率跟踪模式，负载的功率位于P_m1与P_m3之间时，光伏设备运行在MPPT模式，即光伏设备运行在最大功率输出模式，同时光伏设备控制负载的功率不能超过P_m3，否则需要切除部分负载。

当储能装置非满电时，若是光伏装置的发电量充足，则储能装置可以吸收一部分光伏装置的盈余功率，此时负载变化对直流母线电压的影响如图3所示。

图3中，P_chmax为储能装置的最大充电功率，P_chmax＝P_m1-P_m4，当负载的功率位于P_m1与P_m4之间时，储能装置可以通过调整充电功率，使得直流母线的电压稳定在最大功率输出点，即光伏设备运行在最大功率输出模式。

当负载的功率减小到P_m2时，此时的光伏装置的输出功率大于负载和储能装置的最大充电功率之和，直流母线的电压随之升高并最终稳定在U₃，此时光伏装置的输出功率等于储能电池充电功率与负载消耗功率之和。

综上所述，储能装置在非满电状态下，当负载的功率小于P_m4时，光伏设备运行在功率跟踪模式，负载的功率处于P_m4与P_m3之间时，光伏设备运行在MPPT模式，即光伏设备运行在最大功率输出模式，同时光伏设备控制负载的功率不能超过P_m3。

通过上述储能装置的满电状态以及非满电状态各种控制的对比，可以发现，相较于满电状态，在储能装置为非满电状态时，可运行在MPPT模式的负载功率范围更广。

本发明还保护光伏设备，该光伏设备包括：光伏装置、储能装置、负载。在此基础上，该光伏设备还包括检测模块和控制模块，检测模块和控制模块相互协作一起执行上述提升光伏设备的光伏利用率的方法。

检测模块用于监控光伏设备的直流母线以及挂载在直流母线上的光伏装置、储能装置以及负载的电参数。

控制模块根据光伏装置的电参数特性曲线，控制光伏设备运行功率跟踪模式或者最大功率输出模式。

当光伏设备运行最大功率输出模式时，根据光伏装置、储能装置以及负载之间的供需关系，控制模块对储能装置的充放电状态以及负载的电参数进行调节或限制，以使得光伏装置、储能装置以及负载在光伏装置的最大功率输出点达到平衡。

在一个实施例中，本发明的光伏设备包括光伏空调。

图4示出了本发明的光伏空调的一个组成框图。光伏空调包括直流母线、光伏阵列(即光伏装置)、储能电池(即储能装置)和空调负载，光伏阵列、储能电池以及空调负载均挂载在直流母线上。储能电池可以通过DC/DC变换器连接直流母线，例如通过双向DC/DC变换器连接直流母线。直流母线通过双向AC/DC变换器与交流母线连接。交流母线上挂载着交流负载，电网为交流母线提供电力。双向AC/DC变换器负责与电网进行功率交互，在光伏空调的光伏阵列发电量不足时，控制市电为空调负载和储能电池提供电量，在光伏空调的光伏阵列发电量充足时，光伏空调处于离网状态，直流母线与交流母线之间的双向AC/DC变换器不发挥作用，由光伏设备根据其光伏阵列的P-U特性曲线，自动调节光伏阵列的输出功率以达到功率平衡的功率跟踪控制策略，且结合储能电池的直流母线电压控制策略，实现功率跟踪和最大功率输出的快速切换。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提升光伏设备的光伏利用率的方法，其特征在于，包括：

当光伏设备与电网脱离且所述光伏设备的光伏装置与直流母线直接连接时，监控所述光伏设备的直流母线以及挂载在直流母线上的光伏装置、储能装置以及负载的电参数；

根据光伏装置的电参数特性曲线，控制所述光伏设备运行功率跟踪模式或者最大功率输出模式；

当所述光伏设备运行最大功率输出模式时，根据光伏装置、储能装置以及负载之间的供需关系，对所述储能装置的充放电状态以及负载的电参数进行调节或限制，以使得光伏装置、储能装置以及负载在光伏装置的最大功率输出点达到平衡。

2.如权利要求1所述的提升光伏设备的光伏利用率的方法，其特征在于，所述光伏装置的电参数特性曲线具体为光伏装置的输出功率与直流母线的电压之间的关系曲线。

3.如权利要求2所述的提升光伏设备的光伏利用率的方法，其特征在于，当储能装置的电量状态为满电状态时，若负载的功率小于光伏装置的最大功率，所述光伏设备运行功率跟踪模式，继续监控所述光伏设备的直流母线以及挂载在直流母线上的光伏装置、储能装置以及负载的电参数。

4.如权利要求2所述的提升光伏设备的光伏利用率的方法，其特征在于，当储能装置的电量状态为满电状态时，若负载的功率等于光伏装置的最大功率，所述光伏设备运行最大功率输出模式。

5.如权利要求2所述的提升光伏设备的光伏利用率的方法，其特征在于，当储能装置的电量状态为满电状态时，若负载的功率大于光伏装置的最大功率，所述光伏设备运行最大功率输出模式，同时基于所述储能设备的最大放电功率，对所述负载的功率进行限制。

6.如权利要求2所述的提升光伏设备的光伏利用率的方法，其特征在于，当储能装置的电量状态为非满电状态时，若负载的功率小于光伏装置的最大功率减去储能装置的最大充电功率，所述光伏设备运行功率跟踪模式，继续监控所述光伏设备的直流母线以及挂载在直流母线上的光伏装置、储能装置以及负载的电参数。

7.如权利要求2所述的提升光伏设备的光伏利用率的方法，其特征在于，当储能装置的电量状态为非满电状态时，若负载的功率等于光伏装置的最大功率减去储能装置的最大充电功率，所述光伏设备运行最大功率输出模式。

8.如权利要求2所述的提升光伏设备的光伏利用率的方法，其特征在于，当储能装置的电量状态为非满电状态时，若负载的功率大于光伏装置的最大功率减去储能装置的最大充电功率，所述光伏设备运行最大功率输出模式，同时基于所述储能设备的最大放电功率，对所述负载的功率进行限制。

9.一种光伏设备，包括：光伏装置、储能装置、负载，其特征在于，还包括用于相互协作执行如权利要求1至8任意一项所述的提升光伏设备的光伏利用率的方法的检测模块和控制模块；

所述检测模块用于监控所述光伏设备的直流母线以及挂载在直流母线上的光伏装置、储能装置以及负载的电参数；

所述控制模块根据光伏装置的电参数特性曲线，控制所述光伏设备运行功率跟踪模式或者最大功率输出模式；当所述光伏设备运行最大功率输出模式时，根据光伏装置、储能装置以及负载之间的供需关系，对所述储能装置的充放电状态以及负载的电参数进行调节或限制，以使得光伏装置、储能装置以及负载在光伏装置的最大功率输出点达到平衡。

10.如权利要求9所述的光伏设备，其特征在于，所述光伏设备包括光伏空调。

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