CN103988138A - 用于光伏系统的自动电压调节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏系统，所述光伏系统包括太阳能电池和光伏逆变器(110)，所述光伏逆变器(110)被构造用于将由所述太阳能电池产生的直流电转换成交流电。测量在所述光伏系统和所述电网的互连点(POI)(204)处的电网电压，并且将所述电网电压与设定值进行比较。基于所述测量的电网电压来产生控制信号。将所述控制信号提供至所述光伏逆变器(110)。调节所述控制信号，以使所述光伏逆变器(110)产生或吸收无功功率，以响应瞬时电网电压变化。

Description

用于光伏系统的自动电压调节

技术领域

本文所述主题的实施例整体涉及光伏系统。更具体地讲，所述主题的实施例涉及用于光伏系统的自动电压调节。

背景技术

光伏系统利用太阳辐射来发电。光伏系统可包括太阳能电池板的阵列，其中每个太阳能电池板包括互连的太阳能电池。太阳能电池包括P型和N型扩散区。冲击在太阳能电池上的太阳辐射产生迁移至扩散区的电子和空穴，从而在扩散区之间形成电压差。在背面接触式太阳能电池中，扩散区和与它们相连的金属触片均位于太阳能电池的背面上。触片允许将外部电路连接到太阳能电池上并由太阳能电池供电。

光伏逆变器将由太阳能电池产生的直流电转换成适于在互连点(POI)处联接至电网的交流电。将在POI处的电网电压调节至特定数值范围内，以满足需求。本发明的实施例涉及用于自动地调节由光伏系统输送至电网的电压的方法和系统。

发明内容

在一个实施例中，自动地调节由光伏系统产生的电压的方法包括测量由光伏系统输送的在与电网的互连点(POI)处的电压。将所测量的电网电压与设定点电压进行比较。基于所测量的电网电压与设定点电压的比较结果来产生逆变器基准电压。将逆变器基准电压在光伏逆变器的位置处提供至光伏逆变器。调节逆变器基准电压以响应快速持续变化的电网电压。

在另一个实施例中，光伏系统包括多个太阳能电池、多个光伏逆变器、和发电厂控制器。发电厂控制器被构造为基于在光伏系统与电网的互连点(POI)处测得的测量电压来调节逆变器基准电压，并且将逆变器基准电压提供至所述多个光伏逆变器中的一个光伏逆变器以调节该光伏逆变器的无功功率输出和响应在POI处的持续变化的电网电压。

在另一个实施例中，自动地调节由光伏系统产生的电压的方法包括测量由光伏系统提供至电网的电压。基于所测量的电压来产生控制信号以控制光伏逆变器的操作。响应于所测量电压的变化来调节控制信号，以调节光伏逆变器的无功功率输出。

本领域的普通技术人员在阅读包括附图和权利要求书的本公开全文之后，本发明的这些和其他特征对于他们而言将是显而易见的。

附图说明

当结合以下附图考虑时，通过参见具体实施方式和权利要求书可以更完全地理解所述主题，其中在所有附图中，类似的附图标记是指类似的元件。

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的光伏系统的组件。

图2示意性地示出了根据本发明的实施例的图1的光伏系统的附加组件。

图3示出了根据本发明的实施例的用于光伏系统的自动电压调节方法的流程图。

图4示意性地示出了根据本发明的实施例的图2的光伏系统的其他细节。

具体实施方式

在本发明中，提供了许多具体的细节，例如设备、部件和方法的例子，从而获得对本发明实施例的全面理解。然而，本领域的普通技术人员将会认识到，本发明可以在没有所述具体细节中的一者或多者的情况下实施。在其他情况下，未示出或描述熟知的细节，以避免混淆本发明的方面。

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的光伏系统200的组件。图1的实例中所示的光伏系统组件包括多个汇流箱112、多个太阳能电池板114、和光伏逆变器110。光伏系统可包括多个逆变器，但为了清楚地举例说明起见，图1中仅示出了一个。太阳能电池板114包括安装在同一框架上的电连接的太阳能电池。在一个实施例中，每个太阳能电池板114包括多个串联的背面接触式太阳能电池115。也可采用前面接触式太阳能电池。在图1中仅标记了背面接触式太阳能电池115中的一些。

光伏串包括如图1中的多个串联的太阳能电池板114。一组太阳能电池板114电连接到汇流箱112，其中太阳能电池板114为串联连接的。电连接汇流箱112，使得光伏串中的所有太阳能电池板114为串联的。例如，光伏串的输出电连接到逆变器110，所述逆变器110将由太阳能电池115产生的直流电(DC)转换成适于输送至公用电网的交流电(AC)。

图2示意性地示出了根据本发明的实施例的光伏系统200的附加组件。图2示出了结合图1描述的逆变器110。为了清楚地举例说明起见，图2中未示出太阳能电池板114。在图2的实例中，光伏系统200的组件位于光伏变电站210和逆变器块220中。

逆变器块220为逆变器所在的大体区域。逆变器块220通常设置为远离变电站210（其远离与电网的互连点(POI)204）。通信模块201允许逆变器110和设置在变电站210中的组件之间进行数据通信。逆变器块220还可包括未明确示于图2中的附加组件，例如模数转换器、数模转换器、和用于支持逆变器110的操作的其他组件。

在一个实施例中，使用监视控制和数据采集系统(SCADA)来控制光伏系统200的操作，其中发电厂控制器202充当中央控制计算机。在一个实施例中，逆变器110、发电厂控制器202、和变电站计算机203根据Modbus TCP/IP通信协议进行通信。在该实施例中，通信模块201包括以太网交换机，所述以太网交换机在光伏系统200的组件之间提供数据通信链路。也可通过发出模拟信号（例如通过提供用于信号的单独配线）来进行监测和控制。

在图2的实例中，逆变器块220中的升压变压器将逆变器110的AC输出电压升高至较高的电压以用于配电到变电站210。

变电站210中的发电机升压(GSU)变压器将从逆变器块220接收的AC电压进一步地升压并且随后耦合至POI204，以用于配电到电网（未示出）。变电站计算机203允许变电站210进行控制和监测。变电站计算机203可以配置成控制保护电路和通过仪表205来读取在POI204处的电压。

变电站210中的发电厂控制器202可以配置成有利于控制在POI204处（或附近）的电压的专用计算机或通用计算机。如在下文中将更加显而易见的是，发电厂控制器202可有利于通过操纵处理逆变器基准电压形式的控制信号来控制在POI204处的电压。

可通过自动电压调节(AVR)来控制在互连点处的电压。一般来讲，AVR可涉及通过操纵在逆变器处的无功（或功率因子）设定值来操纵光伏系统的无功功率输出/输入，以控制在与电网的配电、输电、或其他电连接形成的互连点处的电压。AVR也可用于协调光伏系统与无功功率源（例如静态VAR补偿器和电容组）的操作。

尽管AVR自身能够适应持续变化的电网电压，但在一些情况下，这种适应过程可能太慢。例如，当AVR控制器试图通过吸收大量的无功功率来降低电网电压（如，电网为1.03pu，并且AVR设定值为1.02pu）时，逆变器终端电压可因发电厂内的AC采集子系统的阻抗而处于较低值（如，0.96pu）。这可导致逆变器终端电压比在互连点处的电压低7%之多。如果电网电压的突然下降（如下降至0.97pu）快于AVR控制器的响应时间并且逆变器仍然在吸收无功功率，则逆变器终端电压可下降很低（如，降至0.90pu），并且可因逆变器通常具有狭窄的操作窗（其可为+/-10%）而导致逆变器跳开。为了解决通常的AVR实施的响应时间慢的问题，本发明的实施例产生并且操纵控制信号，以允许逆变器快速地适应持续变化的电网条件。

图3示出了根据本发明的实施例的用于光伏系统的自动电压调节方法的流程图。为了举例说明的目的，使用图2的组件来解释图3的方法。

在图3的实例中，发电厂控制器202充当AVR控制器。发电厂控制器202接收基准电压V_REF形式的设定点电压。基准电压V_REF可接收自（例如）SCADA源或数据处理网关。基准电压V_REF对应于在POI204处的预定的、期望的调节电压水平。

在一个实施例中，逆变器110被构造用于随在逆变器块220处的逆变器110的终端处存在的逆变器基准电压的变化来产生或吸收无功功率。具有此能力的市售逆变器的实例包括得自德国的艾思玛太阳能技术股份公司（SMA Solar Technology AG）的那些。也可使用其他合适的逆变器。当响应于在POI204处的过高电压（如，高于阈值电压）来调节逆变器基准电压时，逆变器110可吸收无功功率以降低在POI204处的电压。相似地，相似地，当响应于在POI204处的过低电压（如，低于阈值电压）来调节逆变器基准电压时，逆变器110可产生无功功率以升高在POI204处的电压。逆变器电子器件尤其适用于此功能，并且一些市售的逆变器110具有快至一个或几个AC周期的响应时间。逆变器110的快速响应时间允许将逆变器终端电压保持在其操作窗内以响应瞬时电网电压变化，并且还允许逆变器110在公用电网需求最大时产生应急无功功率。

由于AC集电系统中的阻抗，在POI204处的电压与在逆变器110的终端处的电压之间可存在大的差值。即，在逆变器块220处的逆变器110的终端处的电压未必与在POI204处的电压相同。

根据实施例，发电厂控制器202从仪表205接收在POI204处的电压读数。发电厂控制器202产生误差信号V_ERR，该误差信号指示在POI204处的所需电压(Vref)和在POI204处的实际电压(V_METER)之间的差值。将误差信号提供至补偿器403，所述补偿器403基于误差信号来产生逆变器基准电压V_{INV_REF}形式的控制信号。补偿器403调节逆变器基准电压V_{INV_REF}，以使在POI204处的所需电压和实际电压之间的误差最小化。补偿器403在最小(“Min”)值和最大(“Max”)值内来调节逆变器基准电压V_{INV_REF}。在一个实施例中，补偿器403利用比例积分(PI)控制方案来产生逆变器基准电压V_{INV_REF}。可使用的其他控制方案包括比例、积分、微分、比例-积分、积分-微分、比例-微分、和比例-积分-微分。

逆变器100接收逆变器基准电压V_{INV_REF}并且随后基于逆变器基准电压V_{INV_REF}的值来产生或吸收无功功率。反馈周期持续进行以将在POI204处的电压保持在由设定点电压指定的调节电压的范围内，所述设定点电压由基准电压V_REF来表示。

图4示意性地示出了根据本发明的实施例的光伏系统200的其他细节。

在图4的实例中，通过发电厂控制器202来执行功能块401-408和410-413。可以理解的是，可通过软件、硬件、或者硬件/软件的组合来实现这些功能。例如，发电厂控制器202可包括具有硬件接口和相关驱动器软件的计算机，所述硬件接口用于模拟输入直接测量和控制、数据通信（如，以太网适配器）、数据采集（如，接收信号）和控制（如，发送控制信号）。发电厂控制器202可利用与应用软件结合的专用处理器或协处理器来执行其功能。发电厂控制器202可与其他控制器以主从配置来使用，以协调光伏系统200与无功功率源（例如静态VAR补偿器和电容组）的操作。

参见图4，发电厂控制器202接收用作设定点电压的基准电压V_REF，所述设定点电压用于设定在POI204处的电压。加法器401基于由基准电压V_REF指出的在POI204处的所需电压与由仪表205测量的在POI204处的电压(V_METER)之间的差值来产生误差信号V_ERR。

在一个实施例中，基准电压V_REF和仪表电压读数V_METER在发电厂控制器202中作为数字信号进行处理。可将这些电压利用模数转换器(ADC)转换成数字，并且随后通过数据通信网络提供至发电厂控制器202。作为具体实例，可通过ModbusTCP寄存器来将基准电压V_REF和仪表电压读数V_METER提供至发电厂控制器202。对由发电厂控制器202接收的命令和输入（包括基准电压V_REF和仪表电压读数V_METER）可以进行边界检查。

光伏系统中的基准电压V_REF、仪表电压读数V_METER、和其他电压/电流可由其他类型的信号（其中对光伏系统200的其余部分进行适当的改变）来表示。例如，电压信号可由电流信号来表示，反之亦然。又如，光伏系统中的电压和电流可用RMS（均方根）来表示。

转储死区功能（块402）可根据应用而启用或不启用。转储死区功能允许误差电压V_ERR在一定的范围内变化，且无需调节发送到逆变器110的控制信号。更具体地讲，当电网电压（即，在POI204处的电压）位于边界（通常为标称的±1%）内时，转储死区功能允许发送到补偿器403的输入值变大或变小，并且将逆变器110保持为基准电压设定值，以使得逆变器110输出整数功率因子。换句话讲，如果电网电压在（例如）±1%的范围内，则发送到补偿器403的输入值实际上刚好是电网电压。如果电网电压位于死区极限内，则这还会导致逆变器110输出整数功率因子。

在一个实施例中，补偿器403包括PI补偿器。PI补偿器403可为绝对的，这意味着逆变器基准电压V_{INV_REF}基于误差信号V_ERR以及PI补偿器403的比例增益(Kp)和积分增益(Ki)向上或向下偏置。然而，逆变器基准电压V_{INV_REF}可通过基准电压V_REF而保持稳定。补偿器403也可为增量的。补偿器403可具有积分饱卷保护和饱和极限。可因发生电网扰动时触发的状态机逻辑来启动或禁用补偿器403。

电压极限选择功能（块404）被构造为基于得自功率因子限制器（子回路431）和无功功率限制器（子回路432）子回路的输入来降低或升高补偿器403的逆变器基准电压V_{INV_REF}输出。电压极限选择功能调节逆变器基准电压V_{INV_REF}，使得逆变器110不产生超出功率因子极限（PF极限）和无功功率极限（Q极限）的输出。

功率因子限制器子回路（子回路431）被构造为当由仪表205在POI204处测量的功率因子接近、等于、或超过功率因子极限（PF极限）时来限制逆变器基准电压V_{INV_REF}。将得自仪表205的功率因子读数通过功率因子滤波器（PF滤波器）进行滤波，并且随后与功率因子极限进行比较（块413）。功率因子限制器子回路具有其自身的补偿器410，因为在POI204处的功率因子由于流过发电厂AC集电系统的实际功率的阻抗变化而未必与在逆变器终端处的功率因子相同。补偿器409可采用PI或其他控制方案。

无功功率限制器子回路（子回路432）被构造为当由仪表205在POI204处测量的无功功率接近、等于、或无功功率极限（Q限制）时来限制逆变器110的无功功率输出。将得自仪表205的无功功率读数通过无功功率滤波器（Q滤波器）进行滤波，并且随后与无功功率极限进行比较（块412）。无功功率子回路具有其自身的补偿器411，因为在POI204处的无功功率因子由于流过发电厂AC集电系统的实际功率的阻抗变化而未必与在逆变器终端处的无功功率相同。补偿器410可采用PI或其他控制方案。

整体速率限制功能（块405）限制逆变器基准电压V_{INV_REF}的变化速率。这可防止逆变器基准电压V_{INV_REF}的快速和急剧变化。

逆变器偏置功能（块406）被构造为通过修改各个逆变器基准电压（如果需要）来补偿逆变器停运。逆变器偏置功能可基于由无功功率平衡器功能（块408）计算的逆变器偏置值来向上或向下偏置各个逆变器基准电压。无功功率平衡器功能检查得自正与发电厂控制器202通信的所有逆变器110的无功功率输出。如果特定逆变器110正比其他逆变器110输出/吸收更多的无功功率，则用于此特定逆变器110的单独逆变器基准电压V_{INV_REF}将相应地向上或向下进行调节。无功功率平衡器功能可直接从逆变器终端读取逆变器无功功率输出。对于无功功率平衡器408而言，存在多个无功功率滤波器（Q滤波器）和无功功率输入，但为了清楚地举例说明起见，图4中仅示出了一组。

逆变器偏置功能可从每个逆变器110周期性地接收搏动信号，以检测逆变器停运。在提供至对应的逆变器110之前，对于每个单独的逆变器基准电压V_{INV_REF}应用单独的速率限制功能（块407）。在一个实施例中，通过ModbusTCP寄存器来将逆变器基准电压V_{INV_REF}提供至对应的逆变器110。从寄存器中读取逆变器基准电压V_{INV_REF}并且将其转换成模拟电压信号，然后将所述模拟电压信号提供到在逆变器块220处的逆变器110的终端，所述逆变器110位于逆变器块220中。

本发明已公开了用于光伏系统的改善的自动电压调节技术。虽然已提供了本发明的具体实施例，但是应当理解，这些实施例是用于举例说明的目的，而不用于限制。通过阅读本发明，许多另外的实施例对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。

Claims (20)

1.一种自动地调节由光伏系统产生的电压的方法，包括：

测量由光伏系统输送的在与电网的互连点(POI)处的电压以产生测量的电网电压；

将所述测量的电网电压与基准电压进行比较，所述基准电压指示用于所述POI的设定点电压；

基于所述测量的电网电压与所述基准电压的比较结果来产生逆变器基准电压；

将所述逆变器基准电压在光伏逆变器的位置处提供至所述光伏逆变器，所述光伏逆变器将由太阳能电池产生的交流电转换成直流电以用于输送至所述电网；以及

调节所述逆变器基准电压以响应所述测量的电网电压的瞬时变化。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述逆变器基准电压由补偿器根据控制方案产生。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述控制方案包括比例积分补偿器。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：

限制所述逆变器基准电压的变化速率。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

基于由所述光伏逆变器产生的无功功率与由所述光伏系统中的其他光伏逆变器产生的无功功率的比较结果来限制所述逆变器基准电压。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述太阳能电池包括安装在太阳能电池板中的背面接触式太阳能电池。

7.根据权利要求1所述的方法，其中通过经由数据通信网络传输的寄存器来将所述逆变器基准电压提供至所述光伏逆变器。

8.根据权利要求1所述的方法，其中当所述测量的电压指示所述电网电压高于阈值电压时，调节所述逆变器基准电压，以使所述光伏逆变器吸收无功功率。

9.根据权利要求1所述的方法，其中当所述测量的电压指示所述电网电压低于阈值电压时，调节所述逆变器基准电压，以使所述光伏逆变器产生无功功率。

10.一种光伏系统，包括：

多个太阳能电池；

多个光伏逆变器，所述多个光伏逆变器被构造用于将由所述多个太阳能电池产生的直流电转换成交流电；以及

发电厂控制器，所述发电厂控制器被构造为基于在光伏系统与电网的互连点(POI)处测量的测量电压来调节逆变器基准电压，并且将所述逆变器基准电压提供至所述多个光伏逆变器中的一个光伏逆变器，以调节所述的一个光伏逆变器的无功功率输出并且响应在所述POI处的持续变化的电网电压。

11.根据权利要求10所述的光伏系统，还包括仪表，所述仪表被构造用于测量在所述POI处的所述测量电压。

12.根据权利要求10所述的光伏系统，还包括多个交换机，所述多个交换机提供所述发电厂控制器和所述多个光伏逆变器之间的数据通信链路。

13.根据权利要求10所述的光伏系统，其中所述发电厂控制器被构造用于限制所述逆变器基准电压的变化速率。

14.根据权利要求10所述的光伏系统，其中所述发电厂控制器将所述逆变器基准电压通过数据通信网络以数字形式提供至所述的一个光伏逆变器。

15.根据权利要求10所述的光伏系统，其中所述发电厂控制器被构造为基于由所述的一个光伏逆变器产生的无功功率与由所述多个光伏逆变器中的其他光伏逆变器产生的无功功率的比较结果来限制所述逆变器基准电压。

16.一种自动地调节由光伏系统产生的电压的方法，所述方法包括：

测量由光伏系统提供至电网的电压，以产生测量电压；

产生控制信号，以控制光伏逆变器的操作，所述控制信号基于所述测量电压产生；以及

响应于所述测量电压的变化来调节所述控制信号，以调节所述光伏逆变器的无功功率输出。

17.根据权利要求16所述的方法，其中调节所述控制信号的步骤包括：

基于所述测量电压和基准电压之间的差值来调节所述控制信号，以使所述光伏逆变器吸收或输出无功功率。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述控制信号包括电压信号，所述电压信号在所述光伏逆变器的位置处提供至所述光伏逆变器。

19.根据权利要求16所述的方法，其中所述测量电压在所述光伏系统与所述电网的互连点处测量。

20.根据权利要求16所述的方法，其中所述光伏逆变器将由背面接触式太阳能电池产生的直流电转换成交流电。