CN103986182A - 一种基于电力线载波通信的光伏并网系统 - Google Patents

一种基于电力线载波通信的光伏并网系统 Download PDF

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Abstract

一种基于电力线载波通信的光伏并网系统，包括太阳能电池板PV1、PV2、…、PVn，嵌入了窄带电力线载波通信的微型并网逆变器INV1、INV2、…、INVn，电力线，窄带电力线载波通信主站，电脑控制终端。微型并网逆变器（INV1、INV2、…、INVn）由辅助电源模块、直流采样电路、交流采样电路、控制电路、最大功率点跟踪直流升压变换器、逆变滤波模块、窄带电力线载波通信模块和电子开关组成。微型并网逆变器INV1、INV2、…、INVn的输出端连接电网电力线，由窄带电力线载波通信主站接收来自各窄带电力线载波通信模块的传输数据，采用电脑控制终端将窄带电力线载波通信主站所接收数据进行监测，并对故障并网单元进行远程控制，从而实现光伏并网系统基于电力线载波通信的智能控制。

Description

一种基于电力线载波通信的光伏并网系统
技术领域
本发明专利涉及一种太阳能光伏并网系统，特别是涉及一种基于电力线载波通信的光伏并网系统，属于太阳能利用技术领域。
背景技术
随着全球经济的飞速发展，化石能源的消耗急剧攀升，能源的过度开采及利用导致环境问题日益凸显。因此，可再生能源的开发与利用成为世界各国共同关注的焦点。其中，太阳能以其可持续、无污染、安全可靠的特点，已成为新能源研究领域的热点。而光伏并网发电系统更是世界太阳能光伏发电系统的主流应用方式。光伏发电通过逆变器实现交流输出从而与市电网并网，不仅可以实现就地消纳电力，节约输变电投资运行成本；而且通过辅助市电网发电，可以有效调节电网容量，削峰填谷。
目前光伏系统并网方式主要有两种，一是采用大型并网逆变器实现并网，二是采用微型并网逆变器实现并网。在采用大型并网逆变器的光伏系统中，为避免故障系统并网，需实时对各电池板组串进行监控。针对此系统的参数监测主要以无线网或以太网等通信方式实现，存在建立发射基站、重新布线等高成本的繁杂工作。同时，所监控的数据为汇流后的电池板组串的总电压电流，难以准确反应遮挡或故障电池板的信息，也不便于控制终端对遮挡或故障电池板的定位从而及时采取应急措施以及离网策略。
在采用微型并网逆变器的光伏系统中，单块电池板实现逆变并网输出，遮挡及故障不会对所有电池板的效率和并网造成影响，并且由于并网功率小，因此对电网稳定性影响小。目前，在千瓦级的采用微型并网逆变器的光伏发电系统中多采用无线通信或RS485等通信方式实现对数据的监测功能，从而使控制终端实时监测各个电池板以及微型逆变器的运行参数，及时精确地对故障电池板进行定位。然而，采用无线通信方式存在基站建设以及通信稳定性受视线范围的传输局限等问题；采用RS485通信则存在重新布线、通信距离短或必须配备专用通信电缆才能使最大通信距离达1200m的问题。针对以上两种通信方式存在的问题，本发明专利通过在微型并网逆变器中嵌入窄带电力线载波通信模块，利用微型逆变器并网功能以及现有电力线架构，实现系统运行数据向变压器内侧的监控终端的实时传送，从而避免发射基站建立、以及重新布线等工作，降低成本。同时采用LM2596做电压可调型辅助电源，共享电池板电压为窄带电力线载波通信模块及其所需的外围电路模块供电，减少系统配件数量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电力线载波通信的光伏并网系统，该系统既可以避免微型并网逆变器中通信布线及配件繁杂、通信距离短、不可靠的问题，又可以实现控制终端对单个光伏并网单元进行实时定位监控。
上述目的通过以下技术方案来实现。
该系统包括：n个太阳能电池板（PV1、PV2、…、PVn），n个嵌入了窄带电力线载波通信模块的微型并网逆变器（INV1、INV2、…、INVn），一个窄带电力线载波通信主站，一个电脑控制终端。其特征在于：太阳能电池板PV1、PV2、…、PVn的输出端分别与微型并网逆变器INV1、INV2、…、INVn的输入端连接，微型并网逆变器INV1、INV2、…、INVn的输出端连接电网电力线，由窄带电力线载波通信主站接收来自各窄带电力线载波通信模块的传输数据，采用电脑控制终端将窄带电力线载波通信主站所接收数据进行监测，并对故障并网单元进行远程控制；所述的微型并网逆变器（INV1、INV2、…、INVn）由辅助电源模块、直流采样电路、交流采样电路、控制电路、最大功率点跟踪直流升压变换器、逆变滤波模块、窄带电力线载波通信模块和电子开关组成。
微型并网逆变器中的辅助电源模块为LM2596可调电源模块，其直流输入端接太阳能电池板的输出端，为直流采样电路和交流采样电路提供24V直流电压，为窄带电力线载波通信模块提供9V直流电压，为控制电路提供5V直流电压。
微型并网逆变器中的直流采样电路的输入端与最大功率点跟踪直流升压变换器的输入端连接，对电池板输出的直流电压、直流电流进行采样，并通过RS485通信将采样信号送入控制电路；所述的交流采样电路的输入端与逆变滤波模块的输出端连接，对滤波输出的并网交流电压和交流电流进行采样，并通过RS485通信将采样信号送至控制电路。
微型并网逆变器中的电子开关串接在太阳能电池板与最大功率点跟踪直流升压变换器的一连接端中，电子开关的控制端接控制电路的一输出端。
微型并网逆变器中的控制电路设置有单片机和MAX485芯片。控制电路的一输出端连接最大功率点跟踪直流升压变换器的最大功率点跟踪控制端；另一输出端与窄带电力线载波通信模块连接，该输出端通过控制电路中采用的MAX485芯片实现RS485信号与3.3V TTL UART信号的相互转换，一方面将采样信号送入窄带电力线载波通信模块，另一方面将窄带电力线载波通信模块接收到的终端控制指令送入控制电路中进行处理和响应，使控制电路输出脉冲信号至电子开关，控制逆变器的启停。
微型并网逆变器中的窄带电力线载波通信模块的输入端与控制电路的一输出端连接，输出端与逆变滤波模块的输出端连接。该通信模块对控制电路中的直流电压、直流电流、交流电压、交流电流进行编码、调制，然后进行数/模转换、放大、滤波，并将调制好的高频模拟信号送入电力线进行传输；所述的窄带电力线载波通信主站提取各窄带电力线载波通信模块所传输的高频模拟信号，并在滤波、放大、模/数转换后进行解调、解码，然后根据所传输的数据包地址，通过RS485通信将数据送入电脑控制终端的SCADA集控系统并在相应太阳能并网单元窗口进行数据显示，从而达到对各太阳能电池并网单元工作状况监测的目的。若SCADA集控系统接收到的直流电压、直流电流、交流电压、交流电流不在阈值范围内，则判定当前太阳能电池并网单元故障，SCADA发送包含地址的控制指令数据包至窄带电力线载波通信主站，由窄带电力线载波通信主站发送至故障单元的微型并网逆变器中的控制电路，控制电路输出脉冲信号使电子开关关断，使微型逆变器停止工作和并网。
本发明与现有技术相比具有以下主要优点：
（1）通过在各微型并网逆变器中嵌入窄带电力线载波通信模块，实时将各并网单元的运行参数发送至终端SCADA集控系统，根据光伏系统并网的性质，利用现有低压电力线进行通信，避免无线通信基站成本浪费以及RS485通信误差大、不可靠的缺陷。
（2）通过采用LM2596可调电源模块作为辅助电源模块，避免窄带电力线载波通信模块、采样电路以及控制电路使用电源适配器供电的配件需求，共享太阳能电池板直流电压，减少集成的微型并网逆变器的配件数目。
（3）通过微型并网逆变器中的控制电路一方面将采集的交流电压和电流信号以及直流电压和电流信号直接送入窄带电力线载波通信模块进行处理、传输；另一方面接收并处理来自控制终端的信号指令，控制电子开关从而控制微型并网逆变器的启停。
（4）通过采用SCADA集控软件，实时监控各太阳能电池并网单元的运行状况并记录、保存历史运行数据。
 
附图说明：
图1为本发明的系统整体控制连接示意图。
图2为本发明嵌入了窄带电力线载波通信模块的微型并网逆变器的内部结构示意图。
图中，1．电力线，2．窄带电力线载波通信主站，3．电脑控制终端，4．变压器，5．辅助电源模块，6．直流采样电路，7．交流采样电路，8．控制电路，9．最大功率点跟踪直流升压变换器，10．逆变滤波模块，11．窄带电力线载波通信模块，12．电子开关。
具体实施方式：
在图1所示的实施例中，太阳能电池板PV1、PV2、…、PVn的输出端分别与微型并网逆变器INV1、INV2、…、INVn的输入端连接，微型并网逆变器INV1、INV2、…、INVn的输出端连接电网电力线，由窄带电力线载波通信主站(2)接收来自各窄带电力线载波通信模块(11)的传输数据，采用电脑控制终端将窄带电力线载波通信主站所接收数据进行监测，并对故障并网单元进行远程控制。如图2所示的嵌入了窄带电力线载波通信模块的微型并网逆变器由辅助电源模块(5)，直流采样电路(6)，交流采样电路(7)，控制电路(8)，最大功率点跟踪直流升压变换器(9)，逆变滤波模块(10)，窄带电力线载波通信模块(11)，电子开关(12)组成。
在图1中，太阳能电池板PV1、PV2、…、PVn的输出端分别与微型并网逆变器INV1、INV2、…、INVn的输入端连接，微型并网逆变器INV1、INV2、…、INVn的输出端通过公共电网接口并网输出，同时并网接口处的220V/380V、50Hz低压电力线(1)作为通信信道将各微型并网逆变器中由太阳能电池板输入的直流电压、直流电流，以及逆变滤波后并网输出的交流电压、交流电流信号向窄带电力线载波通信主站(2)传输。窄带电力线载波通信主站(2)自低压电力线中提取、解调各太阳能电池并网单元所传输的直流电压、直流电流、交流电压、交流电流信号，并根据所传输的数据包地址，通过RS485通信送往电脑控制终端(3)，由SCADA集控系统在相应太阳能电池并网单元窗口进行数据显示。由于高频载波通信信号不能通过电力变压器（4），因此电脑控制终端应设置于变压器(4)的输入端附近。SCADA集控系统记录、显示数据的同时，根据阈值判定各太阳能电池并网单元是否正常工作，对于故障或遮挡的太阳能电池并网单元，由电脑控制终端(3)SCADA集控系统发送包含地址的控制指令数据包至窄带电力线载波通信主站(2)，窄带电力线载波通信主站(2)发送控制指令至该地址的微型并网逆变器中的控制电路(8)，控制电路根据控制指令输出脉冲信号使电子开关(12)关断，使微型并网逆变器停止工作和并网，等待检修。
在图2中，太阳能电池板（PV）输出的直流电压、直流电流输入至微型并网逆变器(INV)中的辅助电源模块(5)和最大功率点跟踪直流升压变换器(9)，辅助电源模块(5)采用LM2596可调电源模块为直流采样电路(6)、交流采样电路(7)、控制电路(8)、窄带电力线载波通信模块(11)供电。控制电路(8)对最大功率点跟踪直流升压变换器(9)执行最大功率点跟踪算法，产生PWM脉冲驱动信号，从而控制升压变换器开关管的导通时间，实现对单块太阳能电池板的最大功率点跟踪，同时由升压变换器将太阳能光伏电池低电压升至比电网峰值高的电压。逆变滤波模块(10)将前级直流升压变换器所汲取的电能逆变为交流电压、交流电流，通过标准电网接口馈入电网，并维持直流母线电压的稳定。
在微型并网逆变器(INV1)实现升压、逆变并网的同时，直流采样电路(6)对微型并网逆变器(INV1)输入端的直流电压、直流电流进行采样，交流采样电路(7)对逆变滤波输出后的交流电压、交流电流进行采样，两采样电路均通过RS485通信将采样信号送入控制电路(8)。控制电路(8)采用MAX485芯片将接收到的RS485信号转换为3.3V TTL UART送入窄带电力线载波通信模块(11),窄带电力线载波通信模块(11)对直流电压、直流电流、交流电压、交流电流数据进行编码和调制，随后进行数/模转换，并将所得的模拟信号进行放大、滤波得到高频载波信号，通过公共电网接口耦合至市电220V/380V、50Hz低压电力线(1)上进行传输。窄带电力线载波通信主站(2)从市电220V/380V、50Hz低压电力线(1)上提取高频载波信号，信号经窄带电力线载波通信主站(2)滤波、放大、模/数转换后解调得到直流电压、直流电流、交流电压、交流电流的解码数据。解码所得数据通过与位于变压器内侧的电脑控制终端(3)的RS485通信传送至SCADA集控系统，并根据数据来源的地址显示在对应的太阳能电池并网单元窗口，实现电脑控制终端(3)对各太阳能电池并网单元的实时监测与数据记录。
在电脑控制终端(3)监测过程中，将每一个接收到的数据与阈值相比较，从而判断太阳能电池并网单元是否故障或遮挡，若接收的任一数据不在阈值范围内，则电脑控制终端(3)发送包含该太阳能电池并网单元地址的控制指令数据包至窄带电力线载波通信主站(2)，由窄带电力线载波通信主站通过低压电力线(1)发送至此地址下的微型并网逆变器中的控制电路(8)，控制电路(8)输出脉冲信号使电子开关(12)关断，使微型并网逆变器停止工作和并网，等待维修人员进行检测、维修处理。

Claims (3)

1.一种基于电力线载波通信的光伏并网系统，包括太阳能电池板（PV1、PV2、…、PVn），嵌入了窄带电力线载波通信的微型并网逆变器（INV1、INV2、…、INVn），电力线，窄带电力线载波通信主站，电脑控制终端，其特征在于：太阳能电池板PV1、PV2、…、PVn的输出端分别与微型并网逆变器INV1、INV2、…、INVn的输入端连接，微型并网逆变器INV1、INV2、…、INVn的输出端连接电网电力线；由窄带电力线载波通信主站接收来自各窄带电力线载波通信模块的传输数据，采用电脑控制终端将窄带电力线载波通信主站所接收数据进行监测，并对故障并网单元进行远程控制；窄带电力线载波通信主站和电脑控制终端设置于变压器的输入端附近。
2.根据权利要求1所述的一种基于电力线载波通信的光伏并网系统，其特征在于：所述的嵌入了窄带电力线载波通信的微型并网逆变器（INV1、INV2、…、INVn）由辅助电源模块、直流采样电路、交流采样电路、控制电路、最大功率点跟踪直流升压变换器、逆变滤波模块、窄带电力线载波通信模块和电子开关组成。
3.根据权利要求1和2所述的嵌入了窄带电力线载波通信的微型并网逆变器（INV1、INV2、…、INVn），其特征在于：所述的辅助电源模块为LM2596可调电源模块，其直流输入端接太阳能电池板的输出端，为直流采样电路和交流采样电路提供24V直流电压，为窄带电力线载波通信模块提供9V直流电压，为控制电路提供5V直流电压；所述的直流采样电路的输入端与最大功率点跟踪直流升压变换器的输入端连接，对电池板输出的直流电压、直流电流进行采样，并通过RS485通信将采样信号送入控制电路；所述的交流采样电路的输入端与逆变滤波模块的输出端连接，对滤波输出的并网交流电压和交流电流进行采样，并通过RS485通信将采样信号送至控制电路；所述的电子开关串接在太阳能电池板与最大功率点跟踪直流升压变换器的一连接端中，电子开关的控制端接控制电路的一输出端；所述的控制电路设置有单片机和MAX485芯片，控制电路的一输出端连接最大功率点跟踪直流升压变换器的最大功率点跟踪控制端；另一输出端与窄带电力线载波通信模块的控制端连接，该输出端通过控制电路中采用的MAX485芯片实现RS485信号与3.3V TTL UART信号的相互转换，一方面将采样信号送入窄带电力线载波通信模块，另一方面将窄带电力线载波通信模块接收到的终端控制指令送入控制电路中进行处理和响应，使控制电路输出脉冲信号至电子开关，控制逆变器的启停；所述的窄带电力线载波通信模块的输入端与控制电路的一输出端连接，输出端与逆变滤波模块的输出端连接。
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