CN104601087B - 光伏发电站及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光伏发电站及其控制方法，其中，该光伏发电站包括至少一个光伏发电装置以及能够与所述光伏发电装置无线通信的同步协调器，各所述光伏发电装置包括光伏组件以及与所述光伏组件连接的逆变器，所述同步协调器，用于采集电网的特征参数，并将所述特征参数和控制信号发送给所述光伏发电装置；所述逆变器包括：第一无线控制模块，用于通过无线网络接收来自所述同步协调器的所述特征参数和所述控制信号，以及直流‑交流转换模块，用于在所述控制信号的控制下，将所述光伏组件输出的直流电转换为与所述特征参数保持同步的交流电。能够实现单个光伏组件从直流到交流的电能转换，降低了光伏发电站的功率损耗，提高了电能的转换效率。

Description

光伏发电站及其控制方法
技术领域
本发明涉及光伏发电领域，尤其涉及一种光伏发电站及其控制方法。
背景技术
太阳能是一种可再生能源，具有巨大的利用和推广潜力。然而，目前以家用光伏发电站为代表的小型光伏发电站却因为一些技术问题一直不能得到很好地普及和推广。
具言之，小型光伏发电站主要包括光伏组件阵列、逆变器、控制器和计量仪表等，先将光伏组件阵列串联和并联，再通过控制器将直流电汇集到一台或几台逆变器，由逆变器将直流电转换成交流电为用户供电。其中，逆变器通常为支持并网型光伏系统的大功率逆变器，其电压和相位参数被控制为与电网保持一致。这使得，小型光伏发电站不管是直流侧、还是交流侧，都因为电流过大而存在电能损失严重、系统转换效率低下的问题。
发明内容
技术问题
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是，如何提高小型光伏发电站的系统转换效率。
解决方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种光伏发电站，包括：至少一个光伏发电装置以及能够与所述光伏发电装置无线通信的同步协调器，各所述光伏发电装置包括光伏组件以及与所述光伏组件连接的逆变器，
所述同步协调器，用于采集电网的特征参数，并将所述特征参数和控制信号发送给所述光伏发电装置；
所述逆变器包括：
第一无线控制模块，用于通过无线网络接收来自所述同步协调器的所述特征参数和所述控制信号，以及
直流-交流转换模块，用于在所述控制信号的控制下，将所述光伏组件输出的直流电转换为与所述特征参数保持同步的交流电。
对于上述光伏发电站，在一种可能的实现方式中，所述直流-交流转换模块包括：
直流升压电路，用于对所述光伏组件输出的直流电进行升压处理；
H桥，与所述直流升压电路连接的H桥，用于将升压后的直流电转换成与所述特征参数保持同步的交流电；
与所述H桥连接的滤波器；以及
与所述H桥连接的驱动电路。
对于上述光伏发电站，在一种可能的实现方式中，所述第一无线控制模块被配置为，采用所述控制信号控制所述驱动电路，以驱动所述直流升压电路、所述H桥和所述滤波器工作。
对于上述光伏发电站，在一种可能的实现方式中，所述逆变器还包括：
直流-直流转换模块，与所述光伏组件连接，用于将所述光伏组件输出的直流电转换为第一电压和第二电压，其中所述第一电压用于为所述直流-交流转换模块供电，所述第二电压用于为所述第一无线控制模块供电。
对于上述光伏发电站，在一种可能的实现方式中，所述逆变器还包括：与所述第一无线控制模块连接的阻抗匹配电路、以及与所述阻抗匹配电路连接的天线。
对于上述光伏发电站，在一种可能的实现方式中，所述同步协调器包括：
第二无线控制模块，用于采集所述电网的所述特征参数，并向各所述逆变器广播发送所述特征参数和所述控制信号；
交流-直流转换模块，用于将所述电网输出的交流电转换为直流电，为所述第二无线控制模块供电。
对于上述光伏发电站，在一种可能的实现方式中，所述同步协调器还包括：与所述第二无线控制模块连接的采样电路和功率增强电路、与所述功率增强电路连接的阻抗匹配电路、以及与所述阻抗匹配电路连接的天线。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种光伏发电站的控制方法，包括：
经由同步协调器采集电网的特征参数，并生成控制信号；
通过无线网络将所述特征参数和所述控制信号发送至两个或两个以上逆变器，所述逆变器分别与光伏组件连接；
所述逆变器分别根据所述控制信号，将所述光伏组件输出的直流电转换为与所述特征参数保持同步的交流电。
对于上述方法，在一种可能的实现方式中，将所述光伏组件输出的直流电转换为与所述特征参数保持同步的交流电，包括：
根据所述特征参数，对所述光伏组件输出的直流电进行升压处理；
将升压后的直流电转换成与所述特征参数保持同步的交流电。
对于上述方法，在一种可能的实现方式中，所述特征参数包括电压和相位，将升压后的直流电转换成与所述特征参数保持同步的交流电，包括：
将升压后的直流电转换成与所述电网的电压和相位一致的交流电。
有益效果
本发明实施例中，能够实现单个光伏组件从直流到交流的电能转换，降低了光伏发电站的功率损耗，提高了电能的转换效率。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。
图1示出根据本发明一实施例的光伏发电站的结构示意图；
图2示出根据本发明另一实施例的光伏发电站的逆变器的结构示意图；
图3示出根据本发明另一实施例的光伏发电站的逆变器的一个示例的结构示意图；
图4示出根据本发明另一实施例的光伏发电站的同步协调器的结构示意图；
图5示出根据本发明另一实施例的光伏发电站的同步协调器的一个示例的结构示意图；
图6示出根据本发明一实施例的光伏发电站的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
实施例1
图1示出根据本发明一实施例的光伏发电站的结构示意图。如图1所示，该光伏发电站主要可以包括：至少一个光伏发电装置11以及能够与所述光伏发电装置11无线通信的同步协调器13，各所述光伏发电装置11包括光伏组件111以及与所述光伏组件连接的逆变器113，所述同步协调器13，用于采集电网的特征参数，并将所述特征参数和控制信号发送给所述光伏发电装置11。
例如，如图1所示，该光伏发电站可以包括与N个独立的光伏组件111分别连接的N个逆变器113，以及与逆变器113进行无线通信的同步协调器13。每个逆变器113可以与独立的光伏组件111的直流输出端相连，安装在光伏组件111的接线盒中，将光伏组件111输出的直流电转换成220V/50Hz的交流电输出。并且逆变器113通过接收来自同步协调器13的时钟信号、控制信号和电网特征参数，可以根据电网的特征参数调整逆变器113的输出电能指标参数，达到电压和相位与电网参数同步，满足随时并联入网的条件。其中，N为大于等于1的整数。
举例而言，光伏组件可以采用SUN-230型光伏组件，其峰值功率为230W，工作电压35.8V，工作电流6.44A，具有优良的抗风强度和防水等级，具有长达25年的使用寿命，其接线盒为特别定制，具有容量大，防水防尘等级高，接口专用的特点，可以满足独立并网和通过集线器汇流后集中供电等不同应用场合的需求。
具体而言，每一个独立的光伏组件111和与之相连的逆变器113都可以在同步协调器13的无线通信状态下进行独立的工作，输出与电网电压和相位等特征参数相同的交流电，满足独立并网的条件，可以直接并入电网；也可以将一定数量的光伏组件111和与之相连的逆变器113，一个独立的同步协调器13构成一个独立供电系统，将所有光伏发电装置输出的交流电通过并联集线器输出，为小规模用户独立供电，具有广阔的应用前景。各逆变器113、同步协调器13具有自组网功能。
采用本发明实施例提供的光伏发电站，能够克服传统大功率光伏逆变器电流大、功率损耗大、转换效率低、参数调整难度大、价格昂贵等问题，实现单个太阳能光伏组件从直流到220V/50Hz交流的电能转换，降低了光伏发电站的功率损耗，提高了电能的转换效率。该光伏发电站可以通过同步协调器13采集电网的电压和相位等特征参数，同步协调器13再通过同步广播等形式将特征参数、控制指令和系统时钟等以无线通讯的方式发送给所有的逆变器113，实现所有逆变器113输出的电能参数与电网保持实时跟踪，满足并网于电网的条件，实现并网供电，具有系统集成度高、结构简单、同步精度高、参数稳定、可扩展性好等优点。
实施例2
图2示出根据本发明另一实施例的光伏发电站的逆变器的结构示意图。图2中标号与图1相同的部件具有相同的功能，为简明起见，省略对这些部件的详细说明。
在上一实施例的基础上，光伏发电站的逆变器113可以包括：
第一无线控制模块21，用于通过无线网络接收来自所述同步协调器13的所述特征参数和所述控制信号，以及
直流-交流转换模块23，用于在所述控制信号的控制下，将所述光伏组件输出的直流电转换为与所述特征参数保持同步的交流电。
在一种可能的实现方式中，逆变器113还包括：直流-直流转换模块25，与所述光伏组件111连接，用于将所述光伏组件111输出的直流电转换为第一电压和第二电压，其中所述第一电压用于为所述直流-交流转换模块供电，所述第二电压用于为所述第一无线控制模块供电。此外，逆变器113还可以包括与第一无线控制模块21相连的阻抗匹配电路27以及天线29。
在图3所示的逆变器113的示例中，逆变器113与独立的光伏组件111相连。每一个逆变器113可以包括一个精密的DC-DC模块250，一个高性能、高效率、高集成度的DC-AC模块230，以及一个高可靠、高稳定性的CC2530模块I。逆变器113由DC-DC模块250进行供电，DC-DC模块250输出电压为稳定的+12V、+5V和+3.3V直流电。每个逆变器113产生的220V/50Hz的交流与电网的电压和相位特征参数相同，满足独立并网条件，可以在电压和电流过零点时实现并网。其中，CC2530模块I用于与同步协调器13内置的CC2530模块II组成无线传感器网络，接收来自同步协调器13的控制指令、系统时钟和电网特征参数等，控制DC-AC模块230的驱动电路调整逆变器113的输出电能参数。
在一种可能的实现方式中，直流-交流转换模块23可以包括直流升压电路，用于对所述光伏组件输出的直流电进行升压处理；H桥，与所述直流升压电路连接的H桥，用于将升压后的直流电转换成与所述特征参数保持同步的交流电；与所述H桥连接的滤波器；以及与所述H桥连接的驱动电路。第一无线控制模块可以采用所述控制信号控制所述驱动电路，以驱动所述直流升压电路、所述H桥和所述滤波器工作。
举例而言，DC-AC模块230主要负责将直流电转换成220V/50Hz交流电，通过直流升压电路、驱动电路、由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)构成的H桥、EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)滤波器实现220V/50Hz交流电输出，其中，驱动电路由CC2530模块I产生的SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脉冲宽度调制)波控制；CC2530模块I接收来自同步协调器13的CC2530模块II的特征参数和控制信号后，可以控制驱动电路使得DC-AC模块230输出的电压和相位参数与电网保持完全同步。此外，CC2530模块I主要由具有无线通信和存储等功能的CC2530芯片，以及与CC2530芯片连接的阻抗匹配电路，以及与阻抗匹配电路连接的鞭状天线等组成。
在光伏发电装置11工作时，光伏组件111将太阳能转换成电能，输出电压为35.8V。首先，安装在光伏组件111中的逆变器113中的DC-DC模块250将35.8V的直流电分别降低为+12V、+5V和+3.3V。其中，+12V和+5V直流电压主要用于给DC-AC模块230供电，+3.3V直流电压主要用于给CC2530芯片供电。当CC2530芯片获得电能供应后，首先搜寻来自同步协调器13的无线信号，对接收到的信号进行解码和存储。CC2530芯片通过内置的8051CPU可以控制DC-AC模块230的驱动电路。此外，DC-AC模块230的直流升压电路可以直接与光伏组件111相连，将35.8V的直流电升压为280V直流电，然后输出给IGBT构成的H桥。驱动电路控制H桥输出的电能参数与电网保持一致，例如输出达到标准的220V/50Hz交流电。DC-AC模块230的输出端可以直接并入电网，或者通过交流汇流器并联，为独立的小型负载进行供电。
在一种可能的实现方式中，如图4所示，同步协调器13可以包括：
第二无线控制模块41，用于采集所述电网的所述特征参数，并向各所述逆变器广播发送所述特征参数和所述控制信号；
交流-直流转换模块43，用于将所述电网输出的交流电转换为直流电，为所述第二无线控制模块供电。
在一种可能的实现方式中，同步协调器13还可以包括：与所述第二无线控制模块43连接的采样电路44和功率增强电路45、与所述功率增强电路45连接的阻抗匹配电路47、以及与所述阻抗匹配电路47连接的天线49。
其中，交流-直流转换模块可以包括降压变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等。
举例而言，如图5所示，与电网相连的同步协调器13，可以由一个通用的AC-DC模块430和一个高集成度、高功率的CC2530模块II组成。同步协调器13实时采集电网信息，对电网的电压和相位等特征参数进行动态跟踪，将电网特征参数、系统时钟和控制指令以广播同步的方式发送给所有逆变器113的CC2530模块I。其中，CC2530模块II可以与所有逆变器113内置的CC2530模块I组成无线传感器网络，向各逆变器113发送控制指令、系统时钟和电网特征参数等，实现无线传感器网络的系统同步。
具体地，同步协调器13由AC-DC模块430进行供电，AC-DC模块430的输出电压为稳定的+12V、+5V和+3.3V直流电。CC2530模块II主要采集电网的特征参数，与所有CC2530模块I建立无线传感器网络，实现系统的同步。举例而言，CC2530模块II主要由CC2530芯片、与CC2530芯片连接的功率放大器PA、与功率放大器PA连接的阻抗匹配电路、以及与阻抗匹配电路连接的鞭状天线组成。
在同步协调器13工作时，与电网直接相连的AC-DC模块430可以将电网的220V/50Hz交流电转换成为+12V、+5V和+3.3V直流电。其中，+12V和+5V直流电压主要用于给采样电路44供电，+3.3V直流电压主要给CC2530芯片供电。当CC2530芯片获得电能供应后，首先CC2530芯片内置的8051CPU控制采样电路，通过电阻分压和LM324运放采样，再通过内置的A/D转换电路获得电网的电压和相位等特征参数，并存储在CC2530芯片内置的RAM中。CC2530模块II完成电网特征参数采用后，自定义系统时钟，再与网络覆盖范围内的所有逆变器113的CC2530模块I进行自组网通信，建立无线传感器网络系统，最后将采样得到的电网的特征参数、系统时钟和控制指令以广播同步的形式发送给所有的CC2530模块I，实现系统的实时同步。
举例而言，每个逆变器的CC2530芯片包含有2.4GHz IEEE802.15.4兼容无线收发器和标准的增强型8051CPU。其中，无线收发器辅助外围电阻、电容、电感和射频天线，实现无线局域网的建立；8051CUP具有20个I/O端口，具有8KB RAM，最高具有256KB闪存，可以实现外部设备的可编程控制，具有超低功耗工作模式。此外，在本实施例中，8051CPU可以产生SPWM控制信号，从而控制驱动电路和IGBT构成的H桥，使逆变器输出与电网特征参数完全同步的220V/50Hz的交流电。光伏组件可以采用高转换效率的单晶硅电池片，正常工作时稳定输出电压为35.8V，光伏电池组件安装在面向阳光一面，确保接收充足的太阳光，通过8051CPU内置的最大功率跟踪算法，尽可能提高太阳能的转换效率。
本发明的光伏发电站采用太阳能光伏组件与逆变器相结合，逆变器的DC-DC模块可以直接将光伏组件输出的直流电降压，为逆变器的其他模块供电，具有稳定可靠的优点；在逆变器的DC-AC模块、CC2530模块I的控制下，可以将直流电转换成与电网特征参数一致的交流电，有效降低了逆变器直流侧和交流侧的工作电流，降低了光伏发电站功率损耗，提高了逆变器的转换效率。采用无线传感器网络将同步协调器和逆变器构建无线通信系统。
此外，逆变器的CC2530模块I和同步协调器的CC2530模块II组成的无线传感器网络稳定性高，可以实现整个光伏发电站的交流侧电网特征参数、系统时钟完全同步，满足交流并网的条件，并且，CC2530芯片集成的无线收发器组成的无线传感器网络具有性能稳定、网络健壮、结构灵活、操作简便，可扩展性强等优点。因此，本发明的光伏发电站实现了信息的同步、实时管理与控制，可以广泛应用于小型分布式光伏发电站等领域，为分布式光伏发电站的构建和交流侧同步并网发电提供了新的途径。
实施例3
图6示出根据本发明一实施例的光伏发电站的控制方法的流程示意图。本实施例的光伏发电站的结构可以参见上述实施例中任意一种结构的光伏发电站，如图6和图1所示，该光伏发电站的控制方法主要可以包括：
步骤601、经由同步协调器13采集电网的特征参数，并生成控制信号；
步骤602、通过无线网络将所述特征参数和所述控制信号发送至两个或两个以上逆变器113，所述逆变器113分别与光伏组件111连接；
步骤603、逆变器113分别根据所述控制信号，将所述光伏组件111输出的直流电转换为与所述特征参数保持同步的交流电。
其中，在步骤603中，将所述光伏组件111输出的直流电转换为与所述特征参数保持同步的交流电，包括：根据所述特征参数，对所述光伏组件111输出的直流电进行升压处理；将升压后的直流电转换成与所述特征参数保持同步的交流电。
在一种可能的实现方式中，本发明实施例中电网的特征参数可以包括电压和相位，将升压后的直流电转换成与所述特征参数保持同步的交流电，包括：将升压后的直流电转换成与所述电网的电压和相位一致的交流电。
本实施例的光伏发电站的控制方法，可以实现单个太阳能光伏组件从直流到交流的电能转换，降低了光伏发电站的功率损耗，提高了电能的转换效率。此外，通过同步协调器13采集电网的电压和相位等特征参数，同步协调器13再通过同步广播等形式将特征参数、控制指令和系统时钟等以无线通讯的方式发送给所有的逆变器113，实现所有逆变器113输出的电能参数与电网保持实时跟踪，满足于电网并网的条件，实现并网供电，具有系统集成度高、结构简单、同步精度高、参数稳定、可扩展性好等优点。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种光伏发电站，其特征在于，包括：至少一个光伏发电装置以及能够与所述光伏发电装置无线通信的同步协调器，各所述光伏发电装置包括光伏组件以及与所述光伏组件连接的逆变器，
所述同步协调器，用于采集电网的特征参数，并将系统时钟、所述特征参数和控制信号发送给所述光伏发电装置，所述特征参数包括所述电网的电压和相位；
所述同步协调器包括：
第二无线控制模块，用于采集所述电网的所述特征参数，并向各所述逆变器广播发送所述系统时钟、所述特征参数和所述控制信号；
交流-直流转换模块，用于将所述电网输出的交流电转换为直流电，为所述第二无线控制模块供电；
采样电路，与所述第二无线控制模块连接，用于通过电阻分压和运放采样，再通过直流-交流转换电路获得电网的电压和相位；
所述逆变器包括：
第一无线控制模块，用于通过无线网络接收来自所述同步协调器的所述系统时钟、所述特征参数和所述控制信号，以及
直流-交流转换模块，用于在所述控制信号的控制下，将所述光伏组件输出的直流电转换为与所述电网的电压和相位保持同步的交流电。
2.根据权利要求1所述的光伏发电站，其特征在于，所述直流-交流转换模块包括：
直流升压电路，用于对所述光伏组件输出的直流电进行升压处理；
H桥，与所述直流升压电路连接的H桥，用于将升压后的直流电转换成与所述特征参数保持同步的交流电；
与所述H桥连接的滤波器；以及
与所述H桥连接的驱动电路。
3.根据权利要求2所述的光伏发电站，其特征在于，所述第一无线控制模块被配置为，采用所述控制信号控制所述驱动电路，以驱动所述直流升压电路、所述H桥和所述滤波器工作。
4.根据权利要求2或3所述的光伏发电站，其特征在于，所述逆变器还包括：
直流-直流转换模块，与所述光伏组件连接，用于将所述光伏组件输出的直流电转换为第一电压和第二电压，其中所述第一电压用于为所述直流-交流转换模块供电，所述第二电压用于为所述第一无线控制模块供电。
5.根据权利要求2或3所述的光伏发电站，其特征在于，所述逆变器还包括：与所述第一无线控制模块连接的阻抗匹配电路、以及与所述阻抗匹配电路连接的天线。
6.根据权利要求1所述的光伏发电站，其特征在于，所述同步协调器还包括：与所述第二无线控制模块连接的功率增强电路、与所述功率增强电路连接的阻抗匹配电路、以及与所述阻抗匹配电路连接的天线。
7.一种光伏发电站的控制方法，其特征在于，包括：
经由同步协调器的第二无线控制模块采集电网的特征参数，并生成控制信号，所述特征参数包括所述电网的电压和相位；所述同步协调器的采样电路与所述第二无线控制模块连接，所述采样电路通过电阻分压和运放采样，再通过直流-交流转换电路获得电网的电压和相位；所述同步协调器的交流-直流转换模块将所述电网输出的交流电转换为直流电，为所述第二无线控制模块供电；
所述同步协调器的第二无线控制模块通过无线网络将系统时钟、所述特征参数和所述控制信号广播发送至两个以上逆变器，所述逆变器与光伏组件一一连接；
所述逆变器的第一无线控制模块通过无线网络接收来自所述同步协调器的所述系统时钟、所述特征参数和所述控制信号；所述逆变器的直流-交流转换模块分别根据所述控制信号，将所述光伏组件输出的直流电转换为与所述电网的电压和相位保持同步的交流电。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述光伏组件输出的直流电转换为与所述特征参数保持同步的交流电，包括：
根据所述特征参数，对所述光伏组件输出的直流电进行升压处理；
将升压后的直流电转换成与所述特征参数保持同步的交流电。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将升压后的直流电转换成与所述特征参数保持同步的交流电，包括：
将升压后的直流电转换成与所述电网的电压和相位一致的交流电。
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