CN103269183A - 基于实时最优效率的光伏电站优化控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于实时最优效率的光伏电站优化控制系统，包括与工业计算机通信连的接数据采集平台、多个可控电流稳流器、多个可控电压稳压器以及智能汇流箱，光伏电池组件串依次与可控电流稳流器和可控电压稳压器的输入端电连接，且其输出端依次与智能汇流箱、直流配电柜、可控电压稳压器与相应的光伏逆变器电连接。本发明的控制方法包括数据采集平台读取光伏电池组件和光伏逆变器铭牌信息，以及实时条件的环境温度等数据，并将数据传输给工业计算机进行处理，再反馈控制实际系统中的电流和电压值，以调控光伏组件的输入电流电压和逆变器输入的电压。本发明能调整输入光伏逆变器的直流电压，保证工作在高效率状态，提高光伏电站系统的运行效率。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种基于实时最优效率的光伏电站优化控制系统及方法。
背景技术
现实生活运用的光伏电站系统普遍存在系统整体效率偏低和供电不稳定的问题。传统光伏电站系统所包括的光伏电池组件和直交流光伏逆变器在实时运行过程中，经常会出现没有追踪到最大效率点的状态，甚至工作在效率极低的情况下，而造成光伏电站能量的大量损失。
由于光伏电池组件在实际运行过程中周围环境复杂，以及大多数光伏逆变器追踪最大功率点追踪方法的局限性，导致其仅局限在追踪功率曲线单峰情况下到的最大值，而且经常波动，对于多峰的功率曲线也就是组件串中存在失配的情况，却无法捕捉到最优的工作点，需要一种稳定并且合适的模糊理论控制方法，从而减少由于传统追踪过程的延时性和追踪值不正确导致较大能量的白白浪费。
光伏逆变器由于受到直流电压和直流功率的双重因素的影响，然而光伏逆变器的接线是固定的，目前的光伏发电系统接入到逆变器线路固定，也就是输入光伏逆变器的功率一般改变较小，而在给定输入直流功率时，可以理论计算出光伏逆变器最佳效率下的输入直流电压值，来保持光伏逆变器能够的高效率的运行。
发明内容
本发明的目的是，提供一种基于实时最优效率的光伏电站优化控制系统及方法，能够解决传统光伏电站在实时运行条件下，光伏电池组件出现失配时追踪的最大功率值不准确；以及优化输入光伏逆变器直流电压值，保证光伏逆变器能工作在高效率状态，达到提高光伏电站系统整体的运行效率的目的。
为了达到上述目的，本发明的第一个技术方案是：一种基于实时最优效率的光伏电站优化控制系统，其创新点在于：
a、包括工业计算机、数据采集平台、智能汇流箱、直流配电柜、多个光伏电池组件串、多个可控电流稳流器、多个光伏逆变器和多个可控电压稳压器，所述数据采集平台、多个可控电流稳流器、多个可控电压稳压器以及智能汇流箱分别与工业计算机相应的连接端通信连接，每一个光伏电池组件串通过一个可控电流稳流器与一个可控电压稳压器的输入端电连接，而每个可控电压稳压器的输出端与智能汇流箱相应的输入端电连接，智能汇流箱的输出端与直流配电柜相应的输入端电连接，直流配电柜的输出端通过一个可控电压稳压器与相应的光伏逆变器电连接；
b、所述数据采集平台包括人机对话面板、组件旁路二极管通断判断开关、多个电流传感器和多个电压传感器，而人机对话面板、组件旁路二极管通断判断开关、多个电流传感器、多个电压传感器和智能汇流箱分别与工业计算机相应的连接端通信连接。
在上述第一个技术方案中，所述数据采集平台和智能汇流箱分别通过RS232串口及串行通信总线与工业计算机相应的连接端通信连接。
在上述第一个技术方案中，所述数据采集平台和智能汇流箱分别通过RS485串口及串行通信总线与工业计算机相应的连接端通信连接。
在上述第一个技术方案中，所述可控电流稳流器和可控电压稳压器通过RS232串口及串行通信总线与工业计算机相应的连接端通信连接。
在上述第一个技术方案中，所述可控电流稳流器和可控电压稳压器通过RS485串口及串行通信总线与工业计算机相应的连接端通信连接。
为了达到上述目的，本发明的第二个技术方案是：一种采用如上所述的基于实时最优效率的光伏电站优化控制系统的控制方法，其控制方法步骤依次是：
步骤一、数据处理
首先对数据采集平台的人机对话面板录入光伏电池组件的铭牌信息和光伏逆变器的铭牌信息，由组件旁路二极管通断判断开关测定每一个光伏电池组件的旁路二极管通断，多个电流传感器和多个电压传感器分别测定智能汇流箱每一单路的输入直流电流和输入直流电压，和相应的光伏逆变器每一串口的输入电流电压、输入电流电压，以及每一个光伏逆变器输出的总交流电流和交流电压，然后再将录入的光伏电池组件的铭牌信息和光伏逆变器的铭牌信息以及测定的所有的实时测量数据传输给工业计算机，并且由智能汇流箱将测定到的实时条件下的环境温度和斜面辐照度输给工业计算机；
步骤二、实时发电量计算
再由工业计算机根据测定的实时数据进行统计计算，得知多个光伏电池组件串的实时功率和多个光伏逆变器的实时输出功率；
步骤三、基于实时最优效率算法计算
由工业计算机根据光伏电池组件的铭牌信息和光伏逆变器的铭牌信息，并结合步骤一中测量的实时环境温度和旁路二极管通断的数据，分别计算出每一个光伏电池组件串的最大功率理论值，以及最大功率点时的电压值和电流值；每一个光伏逆变器输出最大功率的理论值，以及最大功率时的直流电压值；
步骤四、预测发电量计算
由工业计算机进行统计并计算出多个光伏电池组件串的最大功率理论值和多个光伏逆变器输出最大功率的理论值；
步骤五、反馈控制
工业计算机将步骤四中得到的预测发电功率和步骤二中得到的实时系统发电功率进行比较，若智能汇流箱预测的发电量大于实时发电量的3%~10%时，则由工业计算机进行如下控制：根据步骤三中计算出每一个光伏电池组件串最大功率点时的电流值，来控制调整与智能汇流箱输入端电连接的可控电流稳流器的电流值，同时用最大功率点时的电压值来控制调整与智能汇流箱输入端电连接的可控电压稳流器的电压值；再由步骤三中计算出每一个光伏逆变器最大功率时的直流电压值，控制与光伏逆变器输入端电连接的可控电压稳压器的电压值，以保证该系统能够获取到步骤三中模拟的发电量；否则系统中与智能汇流箱输入端电连接的可控电流稳流器保持实时的电流值运行，同时可控电压稳流器保持实时的电压值运行，以及与光伏逆变器输入端电连接的可控电压稳压器保持实时的电压值运行。
在上述第二个技术方案中，步骤一中光伏电池组件的铭牌信息包括在参考条件下最大功率点电流、电压、功率、组件面积、开路电压温度因子、短路电流温度因子和标准工况条件下的组件温度；光伏逆变器的铭牌信息包括交流功率比达到参考运行条件下的直流功率水平、启动功率、额定效率、跟踪点电压上限和跟踪点电压下限。
在上述第二个技术方案中，步骤一中数据采集平台通过RS485串口及串行通信总线，将录入的光伏电池组件的铭牌信息和光伏逆变器的铭牌信息以及测定的实时数据传输给工业计算机。
在上述第二个技术方案中，步骤一中数据采集平台通过RS232串口及串行通信总线，将录入的光伏电池组件的铭牌信息和光伏逆变器的铭牌信息以及测定的实时数据传输给工业计算机。
本发明所具有的积极效果是：本发明的基于实时最优效率的光伏电站优化控制系统能够有效控制光伏电池组件串和光伏逆变器的输出功率，保证在工况下，系统能够追踪出光伏电池组件串的最大功率值和光伏逆变器的最佳输入直流电压值，保证光伏电站能够实时最优效率运行，解决了实时条件下组件功率曲线出现多峰追踪峰值点不准确的问题，克服了传统的光伏逆变器追踪方式限于单峰性的情形；本发明的控制方法能够根据理论预测出光伏电池组件和光伏逆变器实时的最优工作状态信息，并控制其系统电气运行线路中的电流值和电压值，使得光伏逆变器能工作在高效率状态，从而保证光伏电站的较小损失，达到提高光伏电站系统整体的运行效率。
附图说明
图1是本发明控制系统的结构方框示意图；
图2是本发明控制方法中光伏电池组件最大功率点追踪的计算流程图；
图3是本发明控制方法中光伏逆变器最优直流电压的计算流程图；
图4是本发明控制方法中光伏电池组件输出端可控电流稳流器和可控电压稳压器的控制原理图；
图5是本发明控制方法中逆变器输入端可控电压稳压器的控制原理图。
具体实施方式
以下结合附图以及给出的实施例，对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。
如图1所示，一种基于实时最优效率的光伏电站优化控制系统，包括工业计算机1、数据采集平台2、智能汇流箱4、直流配电柜5、多个光伏电池组件串3、多个可控电流稳流器6、多个光伏逆变器7和多个可控电压稳压器8，所述数据采集平台2、多个可控电流稳流器6、多个可控电压稳压器8以及智能汇流箱4分别与工业计算机1相应的连接端通信连接，每一个光伏电池组件串3通过一个可控电流稳流器6与一个可控电压稳压器8的输入端电连接，而每个可控电压稳压器8的输出端与智能汇流箱4相应的输入端电连接，智能汇流箱4的输出端与直流配电柜5相应的输入端电连接，直流配电柜5的输出端通过一个可控电压稳压器8与相应的光伏逆变器7电连接；所述数据采集平台2包括人机对话面板2-1、组件旁路二极管通断判断开关2-2、多个电流传感器2-3和多个电压传感器2-4，而人机对话面板2-1、组件旁路二极管通断判断开关2-2、多个电流传感器2-3和多个电压传感器2-4分别与工业计算机1相应的连接端通信连接。
本发明所述的光伏组件串3指的是，多个光伏组件串联而成的光伏组件串。
本发明的控制系统所述数据采集平台2和智能汇流箱4通过RS232串口及串行通信总线与工业计算机1相应的连接端通信连接。
本发明的控制系统所述数据采集平台2智能汇流箱4通过RS485串口及串行通信总线与工业计算机1相应的连接端通信连接。
本发明的控制系统所述可控电流稳流器6和可控电压稳压器8通过RS232串口及串行通信总线与工业计算机1相应的连接端通信连接。
本发明的控制系统所述可控电流稳流器6和可控电压稳压器8通过RS485串口及串行通信总线与工业计算机1相应的连接端通信连接。
本发明控制系统所包括的所有部件均为市售品。
如图2、3、4、5所示，一种采用如上所述的基于实时最优效率的光伏电站优化控制系统的控制方法，其控制方法步骤依次是：
步骤一、数据处理
首先对数据采集平台2的人机对话面板2-1录入光伏电池组件的铭牌信息和光伏逆变器的铭牌信息，由组件旁路二极管通断判断开关2-2测定每一个光伏电池组件的旁路二极管通断，多个电流传感器2-3和多个电压传感器2-4分别测定智能汇流箱4每一单路的输入直流电流和输入直流电压，和相应的光伏逆变器7每一串口的输入电流电压、输入电流电压，以及每一个光伏逆变器7输出的总交流电流和交流电压，然后再将录入的光伏电池组件的铭牌信息和光伏逆变器的铭牌信息以及测定的所有的实时测量数据传输给工业计算机1，并且由智能汇流箱4将测定到的实时条件下的环境温度和斜面辐照度输给工业计算机1；
步骤二、实时发电量计算
再由工业计算机1根据测定的实时数据进行统计计算，得知多个光伏电池组件串3的实时功率和多个光伏逆变器7的实时输出功率；
步骤三、基于实时最优效率算法计算
由工业计算机1根据光伏电池组件的铭牌信息和光伏逆变器的铭牌信息，并结合步骤一中测量的实时环境温度和旁路二极管通断的数据，分别计算出每一个光伏电池组件串3的最大功率理论值，以及最大功率点时的电压值和电流值；每一个光伏逆变器7输出最大功率的理论值，以及最大功率时的直流电压值；
步骤四、预测发电量计算
由工业计算机1进行统计并计算出多个光伏电池组件串3的最大功率理论值和多个光伏逆变器7输出最大功率的理论值；
步骤五、反馈控制
工业计算机1将步骤四中得到的预测发电功率和步骤二中得到的实时系统发电功率进行比较，若智能汇流箱4预测的发电量大于实时发电量的3%~10%时，则由工业计算机1进行如下控制：根据步骤三中计算出每一个光伏电池组件串3最大功率点时的电流值，来控制调整与智能汇流箱4输入端电连接的可控电流稳流器6的电流值，同时用最大功率点时的电压值来控制调整与智能汇流箱4输入端电连接的可控电压稳流器8的电压值；再由步骤三中计算出每一个光伏逆变器7最大功率时的直流电压值，控制与光伏逆变器7输入端电连接的可控电压稳压器8的电压值，以保证该系统能够获取到步骤三中模拟的发电量；否则系统中与智能汇流箱4输入端电连接的可控电流稳流器6保持实时的电流值运行，同时可控电压稳流器8保持实时的电压值运行，以及与光伏逆变器7输入端电连接的可控电压稳压器8保持实时的电压值运行。
本发明的控制方法步骤一中光伏电池组件的铭牌信息包括在参考条件下最大功率点电流、电压、功率、组件面积、开路电压温度因子、短路电流温度因子和标准工况条件下的组件温度；光伏逆变器的铭牌信息包括交流功率比达到参考运行条件下的直流功率水平、启动功率、额定效率、跟踪点电压上限和跟踪点电压下限。
本发明的控制方法步骤一中数据采集平台2通过RS485串口及串行通信总线，将录入的光伏电池组件的铭牌信息和光伏逆变器的铭牌信息以及测定的实时数据传输给工业计算机1。
本发明的控制方法步骤一中数据采集平台2通过RS232串口及串行通信总线，将录入的光伏电池组件的铭牌信息和光伏逆变器的铭牌信息以及测定的实时数据传输给工业计算机1。
本发明的控制方法具体实施过程：
步骤一、数据处理
由组件旁路二极管通断判断开关2-3测定的组件旁路二极管通断为 
，每一个智能汇流箱4的电流和电压分别为
， 
，光伏逆变器7输入的电流电压分别为
、 
，以及光伏逆变器7输出的电流电压分别为
和
；光伏电池组件的铭牌信息包括在参考条件下最大功率点电流为
、电压为
、功率为
、组件面积为
、开路电压温度因子为
、短路电流温度因子为
和标准工况条件下的组件温度为
；光伏逆变器的铭牌信息包括交流功率比达到参考运行条件下的直流功率水平为
、启动功率为、额定效率为
、跟踪点电压上限为
和跟踪点电压下限为；由智能汇流箱4测定实时条件下的环境温度为
和斜面辐照度为
，
步骤二、实时发电量计算
再由工业计算机1根据测定的实时数据进行统计计算，得知多个光伏电池组件串3的实时功率（也就是连接到智能汇流箱的光伏电池组件串的功率）和多个光伏逆变器7的实时输出功率；其计算公式如下：
其中，
为第n路电流值；
为第n路电压值；
为第n路输入总功率，；为第m个光伏逆变器输入的总电压；
为第m个光伏逆变器输入的总电流；
为第m个光伏逆变器输出的总电压，V；
为第m个光伏逆变器输出的总电流；为第m个光伏逆变器的工作效率；
再统计出多个（所有的）光伏电池组件串3的实时功率和多个（所有的）光伏逆变器的实时输出功率；
步骤三、基于实时最优效率算法计算
如图3、4所示，由工业计算机1根据光伏电池组件的铭牌信息和光伏逆变器7铭牌信息，结合智能汇流箱4测量的实时环境温度和辐照度，以及电流传感器2-3反馈的二极管通断数据，分别计算出与与智能汇流箱4电连接的光伏电池组件串最大功率的理论值，这里的理论值突出每一串光伏电池组件功率多峰曲线下的最大功率值，弥补光伏逆变器最大功率追踪的不足；保证所有光伏逆变器在实时运行条件得到最大效率，计算其在接收特定直流功率值情况下的最佳输入直流电压理论值。而计算光伏电池组件最大功率点追踪流程中包含以下参数：组件温度
、曲线拟合参数
、串联电阻
、并联电阻
、光生电流
、等效二极管反向饱和电流、组件最大功率
、电压
和电流
；光伏逆变器最大效率点计算流程中光伏组件接收的实时功率
和最优工作直流电压；
步骤四、预测发电量计算
由工业计算机将步骤三模拟的所有最优值信息进行统计计算出所有光伏电池组件串最大功率的理论值和所有光伏逆变器输出最大功率的理论值；
步骤五、反馈控制
工业计算机1将步骤四中得到的预测发电功率和步骤二中得到的实时系统发电功率进行比较，若预测智能汇流箱4发电大于实时发电量的3~10%，则由工业计算机1进行如下控制：根据步骤三中计算出每一路光伏电池组件串最大功率点时电流和电压值，来控制调整与智能汇流箱4电连接的可控电流稳流器6和可控电压稳压器8，以及由步骤三中计算出光伏逆变器7的最佳输入直流电压理论值，控制光伏逆变器7入口的可控电压稳压器8，以保证该系统能够获取到步骤三中模拟的发电量；否则系统维持原状。
如图4、5所示，光伏电池组件输出端可控电流稳流器和可控电压稳压器的控制原理图和光伏逆变器输入端可控电压稳压器的控制原理图：
光伏电池组件输出端连接的可控电流稳流器和可控电压稳压器控制原理部分主要考虑如下，在实际条件下第n个光伏电池组件的电流电压功率
、
、
和预测的电流电压功率
、
、之间关系，只有预测大于实际时才控制该路电流和电压，由
和
两个参量反馈电流和电压的波动，最终稳定在0点。
光伏逆变器输入端连接的可控电压稳压器控制原理，主要是根据理论计算出来的每一个光伏逆变器的最优电压
，然后由
参量反馈电压的波动，最终稳定在0点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于实时最优效率的光伏电站优化控制系统，其特征在于：
a、包括工业计算机（1）、数据采集平台（2）、智能汇流箱（4）、直流配电柜（5）、多个光伏电池组件串（3）、多个可控电流稳流器（6）、多个光伏逆变器（7）和多个可控电压稳压器（8），所述数据采集平台（2）、多个可控电流稳流器（6）、多个可控电压稳压器（8）以及智能汇流箱（4）分别与工业计算机（1）相应的连接端通信连接，每一个光伏电池组件串（3）通过一个可控电流稳流器（6）与一个可控电压稳压器（8）的输入端电连接，而每个可控电压稳压器（8）的输出端与智能汇流箱（4）相应的输入端电连接，智能汇流箱（4）的输出端与直流配电柜（5）相应的输入端电连接，直流配电柜（5）的输出端通过一个可控电压稳压器（8）与相应的光伏逆变器（7）电连接；
b、所述数据采集平台（2）包括人机对话面板（2-1）、组件旁路二极管通断判断开关（2-2）、多个电流传感器（2-3）和多个电压传感器（2-4），而人机对话面板（2-1）、组件旁路二极管通断判断开关（2-2）、多个电流传感器（2-3）和多个电压传感器（2-4）分别与工业计算机（1）相应的连接端通信连接。
2.根据权利要求1所述的基于实时最优效率的光伏电站优化控制系统，其特征在于：所述数据采集平台（2）和智能汇流箱（4）分别通过RS232串口及串行通信总线与工业计算机（1）相应的连接端通信连接。
3.根据权利要求1所述的基于实时最优效率的光伏电站优化控制系统，其特征在于：所述数据采集平台（2）和智能汇流箱（4）分别通过RS485串口及串行通信总线与工业计算机（1）相应的连接端通信连接。
4.根据权利要求1所述的基于实时最优效率的光伏电站优化控制系统，其特征在于：所述可控电流稳流器（6）和可控电压稳压器（8）分别通过RS232串口及串行通信总线与工业计算机（1）相应的连接端通信连接。
5.根据权利要求1所述的基于实时最优效率的光伏电站优化控制系统，其特征在于：所述可控电流稳流器（6）和可控电压稳压器（8）分别通过RS485串口及串行通信总线与工业计算机（1）相应的连接端通信连接。
6.一种采用如权利要求1~4任一所述的基于实时最优效率的光伏电站优化控制系统的控制方法，其特征在于：其控制方法步骤依次是：
步骤一、数据处理
首先对数据采集平台（2）的人机对话面板（2-1）录入光伏电池组件的铭牌信息和光伏逆变器的铭牌信息，由组件旁路二极管通断判断开关（2-2）测定每一个光伏电池组件的旁路二极管通断，多个电流传感器（2-3）和多个电压传感器（2-4）分别测定智能汇流箱（4）每一单路的输入直流电流和输入直流电压，和相应的光伏逆变器（7）每一串口的输入电流电压、输入电流电压，以及每一个光伏逆变器（7）输出的总交流电流和交流电压，然后再将录入的光伏电池组件的铭牌信息和光伏逆变器的铭牌信息以及测定的所有的实时测量数据传输给工业计算机（1），并且由智能汇流箱（4）将测定到的实时条件下的环境温度和斜面辐照度输给工业计算机（1）；
步骤二、实时发电量计算
再由工业计算机（1）根据测定的实时数据进行统计计算，得知多个光伏电池组件串（3）的实时功率和多个光伏逆变器（7）的实时输出功率；
步骤三、基于实时最优效率算法计算
由工业计算机（1）根据光伏电池组件的铭牌信息和光伏逆变器的铭牌信息，并结合步骤一中测量的实时环境温度和旁路二极管通断的数据，分别计算出每一个光伏电池组件串（3）的最大功率理论值，以及最大功率点时的电压值和电流值；每一个光伏逆变器（7）输出最大功率的理论值，以及最大功率时的直流电压值；
步骤四、预测发电量计算
由工业计算机（1）进行统计并计算出多个光伏电池组件串（3）的最大功率理论值和多个光伏逆变器（7）输出最大功率的理论值；
步骤五、反馈控制
工业计算机（1）将步骤四中得到的预测发电功率和步骤二中得到的实时系统发电功率进行比较，若智能汇流箱（4）预测的发电量大于实时发电量的3%~10%时，则由工业计算机（1）进行如下控制：根据步骤三中计算出每一个光伏电池组件串（3）最大功率点时的电流值，来控制调整与智能汇流箱（4）输入端电连接的可控电流稳流器（6）的电流值，同时用最大功率点时的电压值来控制调整与智能汇流箱（4）输入端电连接的可控电压稳流器（8）的电压值；再由步骤三中计算出每一个光伏逆变器（7）最大功率时的直流电压值，控制与光伏逆变器（7）输入端电连接的可控电压稳压器（8）的电压值，以保证该系统能够获取到步骤三中模拟的发电量；否则系统中与智能汇流箱（4）输入端电连接的可控电流稳流器（6）保持实时的电流值运行，同时可控电压稳流器（8）保持实时的电压值运行，以及与光伏逆变器（7）输入端电连接的可控电压稳压器（8）保持实时的电压值运行。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：步骤一中光伏电池组件的铭牌信息包括在参考条件下最大功率点电流、电压、功率、组件面积、开路电压温度因子、短路电流温度因子和标准工况条件下的组件温度；光伏逆变器的铭牌信息包括交流功率比达到参考运行条件下的直流功率水平、启动功率、额定效率、跟踪点电压上限和跟踪点电压下限。
8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：步骤一中数据采集平台（2）通过RS485串口及串行通信总线，将录入的光伏电池组件的铭牌信息和光伏逆变器的铭牌信息以及测定的实时数据传输给工业计算机（1）。
9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：步骤一中数据采集平台（2）通过RS232串口及串行通信总线，将录入的光伏电池组件的铭牌信息和光伏逆变器的铭牌信息以及测定的实时数据传输给工业计算机（1）。
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