CN103731095A

CN103731095A - 太阳能电厂的启动

Info

Publication number: CN103731095A
Application number: CN201310484830.1A
Authority: CN
Inventors: 亚里·乌西迈基; 亚尔科·许蒂宁; 扬内·赫尔贝里
Original assignee: ABB AB
Current assignee: Malich Holding Netherlands Private LLC
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2033-10-16
Also published as: US9843185B2; EP2722959B1; US20140103729A1; EP2722959A1; ES2747125T3

Abstract

本发明提供了一种用于对太阳能发电机系统的一个或更多个启动参数进行优化的方法及太阳能发电机系统。所述太阳能发电机系统包括太阳能板阵列和用于对从所述板阵列获得的功率进行变换的变换器。所述方法包括：测量所述板阵列的输出电压；将所述输出电压与启动电压（V_dc）进行比较；当所述板阵列的所述输出电压超过所述启动电压（V_dc）时，启动所述太阳能发电机系统；在早晨启动之后，测量从所述太阳能板阵列获得的功率；将所获得的功率与已知极限值进行比较，以及基于对功率的比较来改变所述一个或更多个启动参数。

Description

太阳能电厂的启动

技术领域

本发明涉及光伏发电，更具体地涉及光伏发电系统的启动。

背景技术

光伏（PV）发电系统包括构成板阵列的一个或更多个光伏板。该板阵列与用于优化来自这些板的能量捕获及用于将生成的功率供应给电网或能量存储装置的电力电子设备连接。该电力电子设备包括用于修改从板阵列获得的电压和/或电流的一个或更多个变换器级。尽管PV系统中的电力电子设备一般包括除逆变器之外的其它变换器拓扑结构，但通常将这些设备称为太阳能逆变器或PV逆变器。

太阳能电厂或光伏发电系统在变化的环境状况下工作。环境状况随季节和天气而变化。这导致用于设定针对最优启动状况的参数的标准不恒定的事实。如果早晨太早启动PV发电机，则PV发电机不能产生足够的功率并且将停机，以便稍后再次启动。这样的不必要启动和停机磨损发电机系统的部件。另一方面，如果太晚启动发电机系统，则将损失一些能量，即，没有将来自太阳能板的所有可能的能量都馈送给电网。

已知，根据变化状况对用作连接至太阳能板系统的变换器的启动标准的参数进行优化。启动标准的一般示例为来自板阵列的电压和启动的时间延迟。根据这些标准，早晨启动过程包括：监测来自板阵列的开路电压，并且当该电压超过所设定的极限时，在由时间延迟设定的时间段届满之后启动太阳能逆变器。在已知系统中，根据现行状况手动校正这些参数。在太阳能电厂的试运行和工作期间，用于启动标准的参数的手动设定需要额外的工作。

参数的手动优化还因变化的状况而导致非最优情形。例如，当PV板覆盖有灰尘时，发电系统不能以针对洁净板的初始设定的标准启动。当板或其连接有故障时会发生同样的问题。因此，当利用新板替换旧板时或当对板进行维修时，针对启动设定的标准不再是最优的。

还已知，通过使用外部辐照或温度传感器来优化启动参数。然而，这样的外部传感器增加了系统的复杂性和成本。此外，这些外部传感器不能考虑在PV板中发生的变化。这样的变化例如在板变旧或变脏时发生。

发明内容

本发明的目的是提供一种用以解决上述问题的方法和用于实施该方法的系统。本发明的目的通过独立权利要求所述的方法和系统来实现。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。

本发明是基于如下构思：基于启动之后从板阵列获得的所测量的有功功率来优化启动参数。将所测量的有功功率与成功启动所需要的已知最优功率进行比较，并且基于该比较来改变启动参数。

启动标准的参数被自动地改变，使得启动适用于可能的变化状况。这样的变化状况例如为PV板的变化的拓扑或量、和/或变化的大气状况。利用本方法和系统，太阳能发电机系统的操作人员不需要在系统的试运行或工作期间手动地改变参数。

附图说明

下面将借助优选实施例并参照附图来更详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了本发明的实施方式的流程图，

图2示出了减小启动标准的实施方式的流程图，

图3示出了增大启动标准的实施方式的流程图，以及

图4示出了光伏发电系统的简化结构。

具体实施方式

当太阳能板阵列在夜晚之后接收来自太阳的辐照时，板的开路电压开始上升。当开路电压超过针对早晨启动设定的极限值时，在时间延迟之后启动发电机系统（即一个或更多个变换器）的操作。延迟T_start的长度和电压极限V_dc为针对早晨启动设定的参数。在本发明中，当启动系统的变换器时，确定从板阵列获得的实际功率P_ac,k。优选地，根据来自板阵列的电流和电压的测量值来确定功率。不必根据直接来自板的电流和电压来确定功率。可以根据在变换器中测量的电流和电压来确定功率。代替电流和电压二者为测量值，这些值之一也可以为由变换器结构中的某一控制电路所输出的参考值。此外，当输出电压具有固定值时，也可以根据由变换器系统输出的电流来确定功率。

当确定了系统在启动瞬间之后的功率P_ac,k时，将其与极限值P_ac,opt进行比较。该极限值表示用于保持功率变换器系统可靠运行所需要的最优启动功率水平。PV发电系统的变换器系统需要用于系统操作的功率。这意味着从板阵列获得的一部分功率由功率变换器系统使用，而一部分功率作为功率损耗被耗散在系统中。稍微知道这些损耗，以便于可以在系统操作之前针对系统估计极限值P_ac,opt。从板阵列输出的功率必须超过该极限值，以便变换器系统的操作和功率的输出变得可能。该极限值可以包含安全裕量，使得略低于该极限的值足以操作变换器系统。

如果系统的实际功率P_ac,k接近极限值P_ac,opt，则确定不需要改变针对早晨启动的启动参数。然而，如果实际功率P_ac,k高于或低于极限值一定量，则对启动参数做出改变。在该方法的实施方式中，确定一定的滞后变化极限，并且当实际功率在这些极限的范围之外时，该启动不是最优的。在实施方式中，从而检查是否满足下式：

P_ac,opt–P_h<=P_ac,k<=P_ac,opt+P_h (1)

其中，P_h为定义的滞后极限。如以上所述，如果满足（1）的条件，则不改变启动参数。

如果实际功率P_ac,k高于极限值加滞后极限（即，P_ac,k>P_ac,opt+P_h），则在启动时输出的功率超过所需要的最小功率，并且可以较早启动电厂。通过改变启动参数中的一个或更多个参数来执行该较早启动。

如上所述，启动标准包括启动电压V_dc和时间延迟T_start。在本发明的实施方式中，当实际功率P_ac,k高于极限值加滞后极限时，确定启动电压是否高于最小启动电压V_dc,min。最小启动电压为从板获得的、能够成功启动的电压值。如果确定的启动电压高于最小启动电压，则降低启动电压的值。优选地，通过从先前的启动电压中减去固定电压值V_step来执行启动电压V_dc的降低。在该方法的实施方式中，电压值V_step也可以为通过函数计算出的变量。该函数可能与例如历史数据有关，即，当连续启动导致启动电压降低时选择较大的阶跃大小。该函数还可能与启动电压的当前值有关，即，当启动电压接近最小启动电压时选择较小的阶跃大小。

如果启动电压不高于最小启动电压，则不改变启动电压。因此，启动电压被赋予该最小启动电压的值。

在本发明的另一实施方式中，要改变的一个或更多个启动参数为时间延迟T_start的值。当所确定的实际功率P_ac,k高于极限值与滞后极限的和时，除非时间延迟T_start的值处于最小水平，否则通过减小该时间延迟来较早地进行PV发电系统的启动。因此，在该方法中，如果确定时间延迟T_start的值高于最小容许值T_start,min，则减小参数T_start的值。如结合启动电压，优选地，通过从所使用的T_start的值中减去恒定的T_step来逐步减小启动时间延迟。如果T_start不高于T_start,min的值，则将T_start,min的值赋予参数T_start。根据另一实施方式，根据可能与历史数据（即，先前的早晨启动）或T_start的当前值与最小容许值T_start,min之间的差有关的函数，来改变启动时间延迟。

根据实施方式，当启动功率高于功率的最优值的范围（即，高于极限值与滞后极限的和）时，根据以上过程来改变启动时间和启动电压二者。

如果实际功率P_ac,k低于从其中减去了滞后极限的极限值（即，P_ac,k<P_ac,opt–P_h），则启动时输出的功率是不充足的并且应当改变启动参数。优选地，以如下方式设定滞后极限：在该方式中，即使在实际功率略低于该范围时，仍然能够启动变换器系统。当启动功率低于该范围时，应当确保针对启动所设定的参数中的一个或更多个增大。

用于增大启动参数的过程与上述用于减小参数的步骤是相反的。根据实施方式，当实际功率P_ac,k低于可容许范围时，检查启动电压V_dc是否低于启动电压的所设定的最大值V_dc,max。如果启动电压低于该最大值，则增大启动电压。优选地，通过对当前启动电压增加恒定值V_step来增大启动电压。如同在减小参数的情况下，也可以基于历史数据或启动电压的当前值与启动电压的最大值之间的差来计算与启动电压相加的值。

如果启动电压不低于最大值V_dc,max，则启动电压V_dc获得最大电压值V_dc,max。

根据另一实施方式，通过增大时间延迟T_start来增大启动参数中的一个或更多个启动参数。因此，根据实施方式，确定时间延迟T_start是否低于最大启动时间延迟T_start,max。如果是这样的情况，则将时间延迟的值增大时间阶跃T_step。如果时间延迟T_start不低于最大启动时间延迟，则将最大时间延迟的值赋予时间延迟T_start。如上，用于改变时间延迟的时间阶跃T_step的值优选地为恒定的，或者其可以为利用考虑了历史数据或T_start的当前值与启动延迟的最大值之间的裕量的函数计算出来的变量。

根据本发明的实施方式，当启动功率低于最优功率时，根据以上过程改变时间延迟和启动电压二者。

将上述针对启动确定的参数（即，时间延迟T_start和启动电压V_dc）存储在系统中，使得在下一个早晨的启动中使用这些参数。此外，根据实施方式，存储时间延迟和/或启动电压的值以便采集历史数据。该数据用于确定系统是否正在缓慢地变得有缺陷。例如，如果时间延迟T_start和启动电压V_dc在短时间内增大到最大极限或快速变化，则系统可能经历故障。因此，可以使用变化的参数向维护人员生成警报，使得可以在系统完全失效之前检查系统并可能修复系统。类似地，本发明的方法可以给出对覆盖有雪的板的表示。

当太阳能电厂配备有包括本发明的方法的系统时，电厂的终端用户不必设定启动参数。此外，不需要知道PV板的属性，这是因为该方法会自己适应。如果将一些PV板添加到系统中或替换旧的PV板，则启动参数将自动地适应而无需工作人员的任何努力。类似地，当系统的板变旧并且从板输出的功率正缓慢地降低时，该方法使得参数适应变化的输出水平。此外，该方法和系统将观察一组板阵列或直流（DC）熔丝是否有故障并改变启动参数。

该方法和系统还自动地观察启动参数中大气状况的变化。这些变化的状况包括每年的温度变化和太阳的升起角度的变化。板阵列的温度影响与启动电压极限相比较的开路电压，而太阳的升起角度与时间延迟的长度有关。在本发明中独立且自动地考虑这两个因素。板阵列的开路电压在较低温度下较高。然而，当将板加载（即连接）到变换器时，如果对板的辐照不充足，则电压下降。因此，在启动参数中应当考虑温度变化。在本发明中，自动地考虑温度。类似地，在太阳每年转动的期间，太阳在每年的特定时间较快升起。启动变换器系统时使用的时间延迟中考虑升起速度或升起角度。在本发明的实施方式中，时间延迟自动地适应，使得在参数中考虑太阳的升起时间。

例如，当白天变短时，早晨温度趋于降低。温度的降低增大了板的开路电压。如果不改变启动参数，则因较低温度导致的电压增大使变换器系统以过低量的生成功率启动。通过增大启动电压，考虑因较低温度导致的增大的开路电压。

类似地，当太阳的升起时间变长时，应当延长启动变换器系统时所使用的时间延迟，使得对系统的板的辐照足以启动变换器系统。

下面，结合示出实施方式的流程图的图1、图2和图3来描述本发明的操作。在图1中，当来自板的电压超过或达到设定的极限V_dc并且在越过电压限值之后时间T_start届满时，启动PV发电系统1。因此，当来自板的电压达到设定的极限V_dc时，启动定时器以计算延迟T_start。在时间延迟之后，启动变换器系统，并且确定从板阵列获得的功率P_ac,k2。

在启动变换器和确定功率之后，还确定该启动是否为早晨启动3。例如，这可以通过使用实时时钟来实现。如果确定该启动不是早晨启动，则不对启动参数做出改变，并且原样保持V_dc和T_start的值4。

如果该启动是早晨启动，则确定实际确定的功率是否在最优范围内5。如上所述，可以将启动功率的最优范围确定为滞后极限内的功率极限。当启动时的实际功率在该范围内时，确定不需要改变启动参数6。如果启动功率不在该范围内，则检查该功率是否高于最优范围7。如果所确定的实际功率高于所限定的范围，则减小启动参数8，而如果该功率不高于所限定的范围，则增大启动参数9，这是因为已确定该功率在最优范围之外。在图2和图3中以更详细的方式示出了减小和增大启动参数（块8和块9）。

图2示出了减小启动参数的实施方式，即图1的块8。当确定功率高于最优范围时，减小启动参数。在减小参数的处理中，检查启动电压V_dc是否高于针对启动电压设定的最小值V_dc,min81。如果启动电压高于下限，则降低启动电压的值82。在图2的实施方式中，通过从启动时使用的启动电压中减去恒定值V_step来降低启动电压。因此，在下一个早晨启动中，以板阵列的较低的实际电压启动变换器系统。

如果启动电压V_dc不高于最小启动电压V_dc,min，则启动电压接纳最小启动电压的值83。换句话说，启动电压已经处于实际下限而不能被进一步降低。

图2的启动参数的减小还公开了：将启动延迟T_start与最小启动延迟T_start,min相比较84。如果所使用的启动延迟大于最小值，则使启动延迟减小83。在图2的实施方式中，通过从T_start的当前值中减去恒量T_step来减小启动延迟。如果启动延迟T_start不大于延迟的最小值，则T_start获得最小延迟的值86。

图3示出了由于启动功率低于最优范围而增大启动参数9的实施方式。在图3中，检查所使用的启动电压V_dc是否低于针对启动电压设定的上限V_dc,max91。如果启动电压低于上限，则通过将增量V_step与当前启动电压V_dc相加来增大该电压92，以获得在下一早晨启动中使用的并应当总是小于开路电压的启动电压。如果启动电压不低于上限，则给出上限V_dc,max的值作为启动电压V_dc的值。

此外在图3中，通过将启动延迟T_start与启动时间的最大值T_start,max进行比较94并且在所使用的启动延迟的值低于最大值时增大启动延迟95，来增大启动参数。通过将恒量T_step与时间延迟的当前值相加来执行该增大。如果所使用的启动延迟不低于最大值，则将最大值设定为时间延迟T_start。

在图2和图3的实施方式中，使用恒量V_step和T_step来执行启动电压和时间延迟二者的增大和减小。如上所述，这些值也可以是变量。此外，增大和减小所使用的值可以彼此不同。也就是说，V_step和T_step可以以不同值来增大参数和减小参数。

本发明的方法优选在可连接至太阳能板阵列的变换器系统中实施。该变换器系统还包括用于将来自变换器系统的功率馈送给交流电网或DC系统的连接器。DC系统可以包括DC存储部件或DC网络。

已知存在多种与太阳能结合进行操作的变换器。本发明的系统不限于该系统的拓扑，因而该系统可以包括多相输出和多个变换器级。图4示出了本发明的系统的简化结构，其中，太阳能板阵列41连接至变换器结构42。变换器结构42还连接至交流（AC）电网43。

为了实施该方法，该系统包括运算单元和用于存储操作中所使用的各种参数的存储部件。此外，该系统包括用于实现该方法的各种比较的部件。

本领域内技术人员显然可知，作为技术进步，该创造性构思可以以各种方式来实施。本发明及其实施方式不限于以上描述的示例，而可以在权利要求的范围内进行变化。

Claims

1.一种用于对太阳能发电机系统的一个或更多个启动参数进行优化的方法，其中，所述太阳能发电机系统包括太阳能板阵列和用于对从所述板阵列获得的功率进行变换的变换器，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

测量所述板阵列的输出电压，

将所述输出电压与启动电压（V_dc）进行比较，

当所述板阵列的所述输出电压超过所述启动电压（V_dc）时，启动所述太阳能发电机系统，

在早晨启动之后，测量从所述太阳能板阵列获得的功率，

将所获得的功率与已知极限值进行比较，以及

基于对功率的所述比较来改变所述一个或更多个启动参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述将所获得的功率与已知极限值进行比较的步骤包括以下步骤：

将所获得的功率与下限和上限进行比较，以及

当所获得的功率高于所述上限或低于所述下限时，改变所述一个或更多个启动参数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述启动参数之一为启动电压电平，并且所述改变所述一个或更多个启动参数的步骤包括以下步骤：

当所获得的功率高于所述上限时，减小所述启动电压，以及

当所获得的功率低于所述下限时，增大所述启动电压。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，通过将电压阶跃（V_step）与当前启动时所使用的启动电压相加或通过从当前启动时所使用的启动电压中减去电压阶跃（V_step），来执行所述启动电压的增大或所述启动电压的减小。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述启动电压具有上限值（V_dc,max）和下限值（V_dc,min），所述上限值和下限值限制所述启动电压的增大和减小。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述电压阶跃（V_step）为恒量或变量，所述变量的值依赖于当前启动电压与所述上限值（V_dc,max）或所述下限值（V_dc,min）之间的差。

7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述启动参数之一为启动所述发电系统时所使用的时间延迟，并且改变所述一个或更多个启动参数包括以下步骤：

当所获得的功率高于所述上限时，减小所述时间延迟，以及

当所获得的功率低于所述下限时，增大所述时间延迟。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，通过将时间阶跃（T_step）与当前启动时所使用的时间延迟相加或通过从当前启动时所使用的时间延迟中减去时间阶跃（T_step），来执行所述时间延迟的增大或减小。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述时间延迟具有上限值（T_start,max）和下限值（T_start,min），所述上限值和所述下限值限制所述时间延迟的增大和减小。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述时间阶跃（V_step）为恒量或变量，所述变量的值依赖于当前时间与所述上限值（T_start,max）或所述下限值（T_start,min）之间的差。

11.根据前述权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：

当所述参数中的一个或更多个参数处于其极限值时，生成警报。

12.根据前述权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：

当所述参数中的一个或更多个参数快速增大时，生成警报。

13.一种太阳能发电机系统，其中，所述太阳能发电机系统包括太阳能板阵列和用于对从所述板阵列获得的功率进行变换的变换器，其特征在于，所述系统包括：

用于测量所述板阵列的输出电压的部件，

用于将所述输出电压与启动电压（V_dc）进行比较的部件，

用于在所述板阵列的所述输出电压超过所述启动电压（V_dc）时启动所述太阳能发电机系统的部件，

用于在启动之后测量从所述太阳能板阵列获得的功率的部件，

用于将所获得的功率与已知极限值进行比较的部件，以及

用于基于对功率的比较来改变所述一个或更多个启动参数的部件。