CN103368203A - 光伏逆功率闭环控制系统及方法 - Google Patents

光伏逆功率闭环控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光伏逆功率闭环控制系统及方法，光伏逆功率监控装置实时检测并网点的逆功率，根据设定的逆功率定值得到控制功率并生成控制信号，该控制信号由现场总线传递给逆变器，同时各逆变器将其输出功率实时反馈给光伏逆功率监控装置，该光伏逆功率监控装置逐步调节逆变器的输出，直到使光伏电压发出电始终和负载动态匹配；确保逆功率至始至终不会超出设定数值，使光伏输出总功率总是小于又逼近于负荷消耗功率，使光伏能源的利用效率达到最佳；通过对逆变器输出功率平滑而连续的闭环控制，彻底解决现有逆功率保护系统接入点开关数量与控制精度之间的矛盾，且控制效果和安全运行性能相比传统的开环控制得到根本上的提升。

Description

光伏逆功率闭环控制系统及方法
技术领域
本发明属于光伏逆功率保护技术领域，涉及一种光伏逆功率闭环控制系统及方法。
背景技术
2009年7月，国家电网公司印发了《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定（试行）》，规定了光伏电站接入电网的一般技术要求。规定要求：当光伏电站设计为不可逆并网方式时，应配置逆功率保护设备。当检测到逆向电流超出额定输出的5%时，光伏电站应在0.5-2s内停止向电网线路送电。所以，防逆流保护装置是不可逆并网光伏电站不可或缺的一部分。大多数小型光伏电站通过1-2台10kV/0.4kV配电变压器接入公共电网，基本为用户侧自备式电源系统，自发自用，不向公共电网馈电。逆功率保护装置成为有效防止光伏系统向电网馈电，保证公共电网品质的重要手段。
传统逆功率保护系统是由逆功率保护设备在测量点检测到逆功率后，发跳闸信号逐级直接断开光伏逆变器与电网之间的接点开关直至逆功率消失；逆功率消失后，检测到测量点的正向功率大于某一门槛值时，经过一定延时后，发合闸信号把清洁电源并网接入点合上，一次系统如图1所示。逆保设备如果需要提高控制精度必须减小流经接入点开关（接通和断开光伏电源与公共电网）的输送功率，这样势必会造成接入点开关数目的增多，导致光伏电源必须分割为许多控制小单元，使工程的设计难度和建造成本提高。而如果接入点开关过少则可能造成控制精度无法保证，同时也增加了设备运行风险。由于光伏电源的间隙性，这种方式需频繁投切造成开关元件机械寿命大减，同时增加维护和维修量。该方式阶梯型能量平衡控制除无法实现光伏电源利用最大化外，还会给供电母线造成电压波动（接入点开关传递较大电能时尤为明显），降低电网的供电质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种光伏逆功率闭环控制系统，以解决现有逆功率保护系统接入点开关数量与控制精度之间的矛盾，以及频繁投切造成开关元件机械寿命大减的问题。
本发明的另一目的是提供一种光伏逆功率闭环控制方法，以解决现有阶梯型能量平衡控制不但无法实现光伏电源利用最大化，而且会给供电母线造成电压波动，降低电网的供电质量的问题。
为实现第一目的，本发明的光伏逆功率闭环控制系统包括：
光伏逆功率监控装置，包括检测模块和控制模块，用于实时检测并网点的有功功率，经过分析、处理后生成控制信号并传递给逆变器；
逆变器，用于将光伏逆功率监控装置下发的控制信号转换为对应的输出功率，并将输出功率实时反馈给光伏逆功率监控装置；
遥控设备，用于与光伏逆功率监控装置信息交互；
所述光伏逆功率监控装置分别与逆变器和遥控设备通讯连接。
进一步的，所述光伏逆功率监控装置与安装在配电变压器的低压侧测量传感器相连。
进一步的，所述遥控设备为后台计算机。
为实现第二目的，本发明的光伏逆功率闭环控制方法技术方案如下：光伏逆功率监控装置实时检测并网点的逆功率，根据设定的逆功率定值得到控制功率并生成控制信号，该控制信号由现场总线传递给逆变器，同时各逆变器将其输出功率实时反馈给光伏逆功率监控装置，该光伏逆功率监控装置逐步调节逆变器的输出，直到使光伏电压发出电始终和负载动态匹配。
进一步的，所述光伏逆功率监控装置实时检测并网点的有功功率P逆，是采集并网配电变压器一次传感器输出的电压和电流数据，并对采集数据进行计算分析得到。
进一步的，所述根据设定的逆功率定值得到控制功率，其中控制功率C光=P逆-P设，P设为设定的逆功率定值，P逆为检测得到的并网点有功功率。
进一步的，所述逐步调节逆变器的输出，是找到最匹配控制功率的逆变器，调节其功率消除逆功率产生，若是逆功率仍存在，则调节下一逆变器功率，直到逆功率消失。
进一步的，所述逐步调节逆变器的输出是逐级控制逆变器直至逆功率消失。
进一步的，所述光伏逆功率监控装置检测到逆功率后，输出开关量信号给逆变器，控制逆变器的启停。
本发明的光伏逆功率闭环控制系统包括光伏逆功率监控装置、逆变器和遥控设备，执行单元采用摒弃了接入点开关，采用现场总线通讯的输出功率可调的逆变器来代替，同时可开入接点完成启停控制，该逆变器能够接收来自逆功率监控装置的控制信号并将其转换为功率调节动作来平滑而精确地控制功率输出，将控制信号由开关量（接入点开关的开合状态）转为数字量（可调功率输出值），彻底解决了接入点开关的频繁通道给供电母线引入谐波污染，引起供电电压的明显抖动最终影响负荷端的供电质量的问题，免除了接入点开关失效给装置带来的故障和维护费用；通过对逆变器输出功率平滑而连续的闭环控制，彻底解决现有逆功率保护系统接入点开关数量与控制精度之间的矛盾，且控制效果和安全运行性能相比传统的开环控制得到根本上的提升。
本发明的光伏逆功率闭环控制方法是一种分段、阶梯型的开环控制，光伏逆功率闭环控制系统实际输出量（光伏逆变器的输出功率）紧密跟踪期望输出量（负荷实际消耗功率），期望输出量与实际输出量的误差（在本系统中将转换为逆功率向公共电网倒馈电）反馈给输入端（采集控制单元），控制器根据输入端传递的误差（逆功率）调整输出端的输出（光伏逆变器的输出功率），从而形成完整的闭环控制，确保逆功率至始至终不会超出设定数值，使光伏输出总功率总是小于又逼近于负荷消耗功率，使光伏能源的利用效率达到最佳；本方法中的逆变器能够接收来自逆功率监控装置的控制信号并将其转换为功率调节动作来平滑而精确地控制功率输出，直接杜绝了接入点开关频繁通断给供电母线造成的电压波动从而提高了负荷的供电质量，免除了接入点开关失效给装置带来的故障和维护费用；本方法是在综合考虑多种因素（如逆功率、每台逆变器的输出功率和已运行时间等等）之后给出一个最佳的调整方案，合理分配现场每台逆变器的工作，执行策略更加智能化，同时执行效果也得到显著优化。
附图说明
图1是现有逆功率保护系统构成图；
图2是本发明实施例的系统原理图；
图3是本发明实施例的系统配置图。
具体实施方式
光伏逆功率监控系统，应用在设计为不可逆并网方式的光伏电站，在有效防止光伏电源向公共电网倒送电的同时，还能控制调节光伏逆变器的输出功率，使清洁电源最大限度给负荷供电，减少用户用电成本。系统主要由光伏逆功率监控装置（或者称为检测控制单元）和1～127可调功率逆变器（执行单元）构成，通过采用现场总线技术（can、profibus、以太网等）承担各单元的实时通讯连接，保证控制的快速性，光伏逆功率监控装置除具备现地人机交互功能外，也可与后台进行信息交互，系统构成如图2所示。
光伏逆功率监控装置负责实时采集并网配电变压器一次传感器输出的电压和电流数据。并对采集数据进行计算分析，得到与电网之间交互总有功功率数据。该检测控制单元通过现地或远方接受用户的功能设置，具有对异常电流、电压报警功能和功率控制功能，根据功率的发生状况制定合适的智能化控制策略，形成平滑、连续的功率闭环控制，使光伏电源发出电始终和负载动态匹配，在消除光伏逆功率产生的同时使光伏能源的利用效率达到最佳。
功率可调逆变器作为本系统的执行单元负责将检测控制单元发出的控制信号转换成对应的输出功率。
光伏逆功率监控装置采用的是一种全新的逆功率闭环控制方法。本装置根据系统的实际输出量（光伏逆变器的输出功率）紧密跟踪期望输出量（负荷实际消耗功率），期望输出量与实际输出量的误差（在本系统中将转换为逆功率向公共电网倒馈电）反馈给输入端（采集控制单元），采集控制单元根据输入端传递的误差（逆功率值）调整输出端的输出（光伏逆变器的输出功率），从而形成完整的闭环控制，确保逆功率至始至终不会超出设定数值。使光伏输出总功率总是小于又逼近于负荷消耗功率，使光伏能源的利用效率达到最优。
如图2所示，为光伏逆功率闭环控制系统的结构和原理框图。该图包括了本系统的主要部件和各个部件的主要功能。光伏逆功率监控系统包括光伏逆功率监控装置（或者检测控制单元）、遥控设备和执行单元；逆变器作为执行单元接受控制命令完成功率调节功能；光伏逆功率监控装置由检测模块和控制模块构成，具有电流、电压、功率检测，闭环控制，电流电压异常报警、人机及通讯等功能；该处遥控设备为后台计算机，该后台计算机完成信息查询、控制参数设定等远程遥信、遥调、遥测及遥控功能。
功率调节原理：光伏逆功率监控装置实时检测并网点的有功功率P逆，得到控制功率C光=P逆-P设，P设为设定的逆功率定值，同时通过现场总线实时采集各逆变器的输出功率P光，找到最匹配C光的逆变器，调节其功率消除逆功率产生。
如图3所示为系统配置图。光伏电站往往通过1-2台10KV/0.4KV配电变压器连接到公共电网从而实现并网。光伏逆功率监控装置检测安装在配电变压器的低压侧测量点1和2的电压、电流信号。光伏逆变器1-n作为通讯子站通过现场总线与逆功率监控装置连接，接受监控装置命令和反馈有功功率实时数据。
电流电压互感器把配电变压器测量点一次电流电压转换为二次信号，该二次信号通过电缆传给逆功率监控装置。通过以下公式计算各测量点有功功率P1和P2，然后求总有功P。
各有功功率为（两种不同的计算方法）：
P=Uab·Ia·cosα+Ucb·Ic·cosβ或
Figure BDA00003415196500071
说明：Uab-AB线电压,Ucb-CB线电压,Ia-A相电流,Ic-C相电流,α-AB线电压超前,A相电流的角度,β-CB线电压超前C相电流的角度,UA、UB、UC-A、B、C相电压,IA、IB、IC-A、B、C相电流,
Figure BDA00003415196500072
相的功率因数。
系统有2种工作模式：闭环控制模式和启停控制模式。
系统默认工作在闭环控制模式，逆功率监控装置判断功率流向和功率大小，根据用户设定的逆功率门槛值，通过PID控制算法生成控制信号，由现场总线传递给可调功率逆变器，同时逆变器把实际输出功率反馈给监控装置。逐步调节逆变器的输出，直到与负载平衡。由于光伏电源的间歇性，如果不能够跟踪控制要求，说明已达最大功率输出，调整其他的逆变器，直到功率利用最大化，不足负荷由电网提供供电。
当系统设定为启停控制模式，或在闭环控制模式时发生通讯故障，系统自动切换到启停控制模式。
启停控制模式时，光伏逆功率监控装置在测量点检测到逆功率后，输出开关量信号给逆变器，控制逆变器的启停，开入1时逆变器运行，开入0时逆变器停止运行，而非直接断开逆变器开关。逆功率监控装置判断功率流向和功率大小。如果电网供电回路出现逆功率现象，当逆功率值大于逆功率定值时，先停止逆变器1，如逆功率仍存在，再停止逆变器2，逐级控制逆变器直至逆功率消失。逆功率消失后，检测到测量点的正向功率大于某一门槛值时，经过一定延时后，控制器发开关量信号给逆变器启动运行。该模式可作为闭环控制失效后冗余控制模式，保证系统仍能运行。启停控制模式需在人工干预下才能切换到闭环控制模式。
本发明的光伏逆功率监控系统与现有逆保设备相比具有以下优点：
1，传统逆保设备如果需要提高控制精度必须减小流经接入点开关（接通和断开光伏电源与公共电网）的输送功率，这样势必会造成接入点开关数目的增多，导致光伏电源必须分割为许多控制小单元，使工程的设计难度和建造成本提高。而如果接入点开关过少则可能造成控制精度无法保证，同时也增加了设备运行风险。本设备通过对逆变器输出功率平滑而连续的闭环调控，使这一问题不复存在，控制效果和安全运行性能相比传统的开环控制得到根本上的提升。
2，传统逆保设备在检测到逆功率超出规定数值后直接断开光伏电源与公共电网之间的一个或多个接入点开关，使部分负荷功耗转由公共电网承担，造成了清洁能源的浪费。本系统采用智能型光伏逆功率监控装置控制逆变器的电能输出，使得清洁能源的输出功率总是小于又逼近于负荷消耗功率，使清洁能源的利用效率达到最佳。
3，传统逆保设备在负荷功耗变化率较大的应用场合下会导致接入点开关的频繁通断，在流经接入点开关的输出功率较大的情况下，接入点开关的频繁通断将不可避免地给供电母线引入谐波污染，引起供电电压的明显抖动最终影响了负荷端的供电质量。该谐波污染还有可能通过配电变压器低压侧耦合到高压侧的公共电网端，进一步造成公共电网的污染。同时接入点开关的频繁通断势必会影响开关的使用寿命，提高了设备发生故障的频率和维护成本。本设备由于彻底抛弃了接入点开关的使用，将控制信号由开关量（接入点开关的开合状态）转为数字量（可调功率输出值），使该问题得到彻底解决。

Claims (9)

1.一种光伏逆功率闭环控制系统，其特征在于，包括：
光伏逆功率监控装置，包括检测模块和控制模块，用于实时检测并网点的有功功率，经过分析、处理后生成控制信号并传递给逆变器；
逆变器，用于将光伏逆功率监控装置下发的控制信号转换为对应的输出功率，并将输出功率实时反馈给光伏逆功率监控装置；
遥控设备，用于与光伏逆功率监控装置信息交互；
所述光伏逆功率监控装置分别与逆变器和遥控设备通讯连接。
2.根据权利要求1所述的光伏逆功率闭环控制系统，其特征在于：所述光伏逆功率监控装置与安装在配电变压器的低压侧测量传感器相连。
3.根据权利要求1或2所述的光伏逆功率闭环控制系统，其特征在于：所述遥控设备为后台计算机。
4.一种光伏逆功率闭环控制方法，其特征在于，光伏逆功率监控装置实时检测并网点的逆功率，根据设定的逆功率定值得到控制功率并生成控制信号，该控制信号由现场总线传递给逆变器，同时各逆变器将其输出功率实时反馈给光伏逆功率监控装置，该光伏逆功率监控装置逐步调节逆变器的输出，直到使光伏电压发出电始终和负载动态匹配。
5.根据权利要求4所述的光伏逆功率闭环控制方法，其特征在于：所述光伏逆功率监控装置实时检测并网点的有功功率P逆，是采集并网配电变压器一次传感器输出的电压和电流数据，并对采集数据进行计算分析得到。
6.根据权利要求4所述的光伏逆功率闭环控制方法，其特征在于：所述根据设定的逆功率定值得到控制功率，其中控制功率C光=P逆-P设，P设为设定的逆功率定值，P逆为检测得到的并网点有功功率。
7.根据权利要求4所述的光伏逆功率闭环控制方法，其特征在于：所述逐步调节逆变器的输出，是找到最匹配控制功率的逆变器，调节其功率消除逆功率产生，若是逆功率仍存在，则调节下一逆变器功率，直到逆功率消失。
8.根据权利要求7所述的光伏逆功率闭环控制方法，其特征在于：所述逐步调节逆变器的输出是逐级控制逆变器直至逆功率消失。
9.根据权利要求4-8中任一项所述的光伏逆功率闭环控制方法，其特征在于：所述光伏逆功率监控装置检测到逆功率后，输出开关量信号给逆变器，控制逆变器的启停。
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