CN107317556A - 一种光伏发电站的智能监控方法 - Google Patents

一种光伏发电站的智能监控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光伏发电站的智能监控方法，该方法针对每一预设时间点，首先确定在每一预设时间点光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的太阳能辐照量，再根据光伏设备在每一倾角下对应的预设损失系数确定在每一预设时间点光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的系统效率，确定光伏设备在每一预设时间点对应的发电功率，以控制光伏发电设备时钟工作在最佳功率点上；所述方法通过电压优化控制，使得经下垂控制发生偏差的电压回到额定值，达到了直流电压无差调节的目的，使得光伏发电站的运行更稳定；此外，本发明的监控方法，采用无线加密通信实现监控数据的通信，使得监控装置对于光伏发电设备监控更为简单和可靠。

Description

一种光伏发电站的智能监控方法
技术领域
本发明涉及光电发电领域，具体涉及一种光伏发电站的智能监控方法。
背景技术
随着化石能源的日益枯竭以及环境压力的日益增大，我国乃至世界亟待能源结构的战略性调整，以风能、光能等为主的新能源在能源结构中将占到越来越多的比重。在新能源接入方面，直流电网相较于传统的交流电网，具有结构简单、可控性好、输送容量大以及线路成本低等特点，在技术和经济上更具优势，因此直流电网将成为未来电网发展的趋势。
电能以直流的形式传输、利用的微电网称之为直流微电网。同时相比于交流微电网而言，直流微电网具有结构简单，控制方便等优点，具有更大的发展潜力。
在直流微电网中，直流电压是反映系统内功率平衡的唯一指标。目前，对于多端的直流微电网系统，常采用电压下垂控制，来达到平衡系统功率的目的。电压下垂控制的基本思想是基于“电压-功率”的下垂特性曲线，通过调节直流电压，来控制功率的大小。
为了提高光伏发电效率，最大功率点跟踪技术(MPPT)得到广泛的应用。目前比较成熟的MPPT算法包括登山/扰动观察法和增量电导法等。登山/扰动观察法的优点是简单方便，不足是扰动范围大，跟踪速度慢，当环境剧烈变化时不能很好地对最大功率点进行跟踪。增量电导法优点是控制效果好，精度高，但其控制算法复杂，对控制系统要求高，需要精确的数学模型才能准确锁定最大功率点。光伏设备是利用太阳能电池直接将太阳能转换成电能的发电系统，其主要部件是光伏组件(太阳能电池板)、蓄电池、控制器和逆变器。与现有的主要发电方式相比较，光伏设备工作点变化较快，这是由于光伏设备受光照、温度等外界环境因素的影响很大，输入侧的一次能源功率不能主动在技术范围内进行调控，只能被动跟踪当时光照条件下的最大功率点，争取实现发电系统的最大输出。
光伏组件监控系统中，监控装置负责监控系统内的光伏组件(即数据采集装置)的工作状态；通信子系统负责监控装置和数据采集装置间的数据传输。目前在光伏发电行业中，光伏组件监控系统中的通信子系统由传统的有线和无线两种方式组成。
发明内容
本发明提供一种光伏发电站的智能监控方法，该方法针对每一预设时间点，首先确定在每一预设时间点光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的太阳能辐照量，再根据光伏设备在每一倾角下对应的预设损失系数确定在每一预设时间点光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的系统效率，根据确定出的在每一预设时间点光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的太阳能辐照量，和在每一预设时间点光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的系统效率，确定光伏设备在每一预设时间点对应的发电功率，以控制光伏发电设备时钟工作在最佳功率点上；所述方法通过电压优化控制，使得经下垂控制发生偏差的电压回到额定值，达到了直流电压无差调节的目的，使得光伏发电站的运行更稳定；此外，本发明的监控方法，采用无线加密通信实现监控数据的通信，使得监控装置对于光伏发电设备监控更为简单和可靠。
为了实现上述目的，本发明提供一种光伏发电站的智能监控方法，该方法包括如下步骤：
S1. 智能测算光伏发电设备的发电功率，并实时检测光伏发电站网侧直流电压；
S2. 将发电功率信息和网侧直流电压信息，通过无线加密通信的方式传输给监控装置；
S3. 监控装置根据上述发电功率信息和网侧直流电压信息，确定光伏发电站的控制策略，控制光伏电站的平稳运行。
优选的，在所述步骤S1中，具体采用如下方法智能测算光伏发电设备的发电功率：
S11.针对每一预设时间点，确定在每一预设时间点所述光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的太阳能辐照量；
S12.根据所述光伏设备在每一倾角下对应的预设损失系数，确定在每一预设时间点所述光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的系统效率；
S13.根据在每一预设时间点所述光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的太阳能辐照量，和在每一预设时间点所述光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的系统效率，确定所述光伏设备在每一预设时间点对应的发电功率。
优选的，在所述步骤S11中，针对每一预设时间点，按照下述方法确定在每一预设时间点光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的太阳能辐照量：
针对每一倾角，根据以下公式：
计算该倾角下一组光伏组件的太阳能辐照量，并根据该倾角下光伏组件的组数，确定所述光伏设备在该倾角下的光伏组件对应的太阳能辐照量，其中：表示在每一预设时间点，光伏设备在该倾角下的一组光伏组件对应的太阳能辐照量；
β表示该倾角；
Hb表示在每一预设时间点一组光伏组件对应的水平面上的直接辐照量；
Hd表示在每一预设时间点一组光伏组件对应的水平面上的散射辐照量；
Hp表示在每一预设时间点一组光伏组件对应的水平面上的辐照量；
表示光伏设备所在的纬度；
δ表示在每一预设时间点对应的太阳赤纬角；
ω表示在每一预设时间点对应的时角。
优选的，在所述步骤S12中，预设损失系数可以包括光伏组件飞尘遮挡损失系数、光伏组件温度损失系数、逆变器损失系数、光伏组件不匹配损失系数和线缆损耗系数。
优选的，可以通过下述公式确定在每一预设时间点光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的系统效率：
ηij＝(1-η1i)×(1-η2j)×(1-η3)×(1-η4)×(1-η5)
其中：ηij表示在第j个预设时间点，光伏设备在第i个倾角下的光伏组件对应的系统效率,i∈[1,N]，j∈[1,M]，N表示倾角的总个数，M表示预设时间点的总个数；
η1i表示光伏设备在第i个倾角下的光伏组件飞尘遮挡损失系数；
η2j表示光伏设备在第j个预设时间点对应的光伏组件温度损失系数；
η3表示逆变器损失系数；
η4表示光伏组件不匹配损失系数；
η5表示线缆损耗系数。
优选的，在所述步骤S13中，按照下述方法确定光伏设备在每一预设时间点对应的发电功率：
其中：Ep表示光伏设备在每一个预设时间点对应的发电功率；
p表示光伏设备的安装容量；
hi表示在每一预设时间点，光伏设备在该倾角下的光伏组件对应的太阳能辐照量；
ηij表示在第j个预设时间点，光伏设备在第i个倾角下的光伏组件对应的系统效率,i∈[1,N]，j∈[1,M]，N表示倾角的总个数，M表示预设时间点的总个数。
优选的，在所述步骤S2中，具体采用如下步骤实现无线加密通信：
S21监控装置向基站发送下行数据包，所述数据包包括光伏设备光伏设备终端身份和查询数据类型；
S22.基站根据基站和监控装置的通信协议对数据包进行数据解析，识别光伏设备终端身份和查询数据类型；根据基站和光伏设备终端的通信协议对光伏设备终端身份和查询数据类型进行组装，得到组装好的数据报文；对组装好的数据报文进行加密，得到加密数据报文；通过射频信道将加密数据报文发送到光伏设备终端；
S23.光伏设备终端对加密数据报文进行解密，得到光伏设备数据；根据串口协议将光伏设备数据组装成格式报文；通过串口将格式报文发送到数据采集装置；
S24.数据采集装置校验格式报文；在格式报文校验通过后，从格式报文中得到光伏设备数据部分；按照串口协议解析光伏设备数据部分，得到光伏设备数据；
S25.数据采集装置在得到光伏设备数据后，采集目标数据；将目标数据按串口协议打包，得到串口数据；将串口数据通过串口发送到光伏设备终端；
S26.光伏设备终端对串口数据进行校验；在串口数据校验通过后，从串口数据中获取光伏设备数据部分，并将光伏设备数据部分按照光伏设备终端和基站的通信协议进行组装，得到组装好的数据报文，该数据报文中携带光伏设备终端身份；将组装好的数据报文加密，得到加密数据；通过射频信道发送加密数据到基站；
S27.基站对加密数据进行解密，得到解密后的数据报文；对解密后的数据报文进行解析，识别所携带的光伏设备终端身份；从解析后的数据报文中提取光伏设备数据，并根据基站和监控装置的通信协议对光伏设备数据进行打包，得到打包数据，该打包数据包括光伏设备终端身份和响应数据类型；将打包数据发送到监控装置。
优选的，在所述步骤S3中，采用直流微电网下垂控制实现光伏发电站的平稳运行，具体包括如下步骤：
当光伏发电站连接的直流微电网的网侧直流电压经下垂控制产生电压偏差时，启动电压优化控制，改变并网换流器的直流电压-有功功率下垂特性曲线的截距，使所述并网换流器通过增发或吸收功率对直流网络侧电容进行充放电，令网侧直流电压恢复并保持在额定值。
优选的，电压优化控制通过改变下垂曲线的截距来调节直流电压，其中下垂曲线的截距U* dc_Grid与并网换流器下垂特性曲线的斜率kg和并网换流器发出的功率PGrid0有关，受G-VSC的容量限制，其变化范围表示为：
式中：U* dc_Grid为并网换流器下垂特性曲线的截距，PGrid_min为并网换流器输出功率的最小值，PGrid_max为并网换流器输出功率的最大值，kg为下垂特性曲线的斜率。
本发明的技术方案具有如下优点：（1）该方法针对每一预设时间点，首先确定在每一预设时间点光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的太阳能辐照量，再根据光伏设备在每一倾角下对应的预设损失系数确定在每一预设时间点光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的系统效率，根据确定出的在每一预设时间点光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的太阳能辐照量，和在每一预设时间点光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的系统效率，确定光伏设备在每一预设时间点对应的发电功率，以控制光伏发电设备时钟工作在最佳功率点上；（2）所述方法通过电压优化控制，使得经下垂控制发生偏差的电压回到额定值，达到了直流电压无差调节的目的，使得光伏发电站的运行更稳定；（3）本发明的监控方法，采用无线加密通信实现监控数据的通信，使得监控装置对于光伏发电设备监控更为简单和可靠。
附图说明
图1示出了一种光伏发电站的智能监控方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了一种光伏发电站的智能监控方法的流程图，该方法包括如下步骤：
S1. 智能测算光伏发电设备的发电功率，并实时检测光伏发电站网侧直流电压。
优选的，在所述步骤S1中，具体采用如下方法智能测算光伏发电设备的发电功率：
S11.针对每一预设时间点，确定在每一预设时间点所述光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的太阳能辐照量；
S12.根据所述光伏设备在每一倾角下对应的预设损失系数，确定在每一预设时间点所述光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的系统效率；
S13.根据在每一预设时间点所述光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的太阳能辐照量，和在每一预设时间点所述光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的系统效率，确定所述光伏设备在每一预设时间点对应的发电功率。
优选的，在所述步骤S11中，针对每一预设时间点，按照下述方法确定在每一预设时间点光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的太阳能辐照量：
针对每一倾角，根据以下公式：
计算该倾角下一组光伏组件的太阳能辐照量，并根据该倾角下光伏组件的组数，确定所述光伏设备在该倾角下的光伏组件对应的太阳能辐照量，其中：表示在每一预设时间点，光伏设备在该倾角下的一组光伏组件对应的太阳能辐照量；
β表示该倾角；
Hb表示在每一预设时间点一组光伏组件对应的水平面上的直接辐照量；
Hd表示在每一预设时间点一组光伏组件对应的水平面上的散射辐照量；
Hp表示在每一预设时间点一组光伏组件对应的水平面上的辐照量；
表示光伏设备所在的纬度；
δ表示在每一预设时间点对应的太阳赤纬角；
ω表示在每一预设时间点对应的时角。
优选的，在所述步骤S12中，预设损失系数可以包括光伏组件飞尘遮挡损失系数、光伏组件温度损失系数、逆变器损失系数、光伏组件不匹配损失系数和线缆损耗系数。
优选的，可以通过下述公式确定在每一预设时间点光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的系统效率：
ηij＝(1-η1i)×(1-η2j)×(1-η3)×(1-η4)×(1-η5)
其中：ηij表示在第j个预设时间点，光伏设备在第i个倾角下的光伏组件对应的系统效率,i∈[1,N]，j∈[1,M]，N表示倾角的总个数，M表示预设时间点的总个数；
η1i表示光伏设备在第i个倾角下的光伏组件飞尘遮挡损失系数；
η2j表示光伏设备在第j个预设时间点对应的光伏组件温度损失系数；
η3表示逆变器损失系数；
η4表示光伏组件不匹配损失系数；
η5表示线缆损耗系数。
优选的，在所述步骤S13中，按照下述方法确定光伏设备在每一预设时间点对应的发电功率：
其中：Ep表示光伏设备在每一个预设时间点对应的发电功率；
p表示光伏设备的安装容量；
hi表示在每一预设时间点，光伏设备在该倾角下的光伏组件对应的太阳能辐照量；
ηij表示在第j个预设时间点，光伏设备在第i个倾角下的光伏组件对应的系统效率,i∈[1,N]，j∈[1,M]，N表示倾角的总个数，M表示预设时间点的总个数。
S2. 将发电功率信息和网侧直流电压信息，通过无线加密通信的方式传输给监控装置。
优选的，在所述步骤S2中，具体采用如下步骤实现无线加密通信：
S21监控装置向基站发送下行数据包，所述数据包包括光伏设备光伏设备终端身份和查询数据类型；
S22.基站根据基站和监控装置的通信协议对数据包进行数据解析，识别光伏设备终端身份和查询数据类型；根据基站和光伏设备终端的通信协议对光伏设备终端身份和查询数据类型进行组装，得到组装好的数据报文；对组装好的数据报文进行加密，得到加密数据报文；通过射频信道将加密数据报文发送到光伏设备终端；
S23.光伏设备终端对加密数据报文进行解密，得到光伏设备数据；根据串口协议将光伏设备数据组装成格式报文；通过串口将格式报文发送到数据采集装置；
S24.数据采集装置校验格式报文；在格式报文校验通过后，从格式报文中得到光伏设备数据部分；按照串口协议解析光伏设备数据部分，得到光伏设备数据；
S25.数据采集装置在得到光伏设备数据后，采集目标数据；将目标数据按串口协议打包，得到串口数据；将串口数据通过串口发送到光伏设备终端；
S26.光伏设备终端对串口数据进行校验；在串口数据校验通过后，从串口数据中获取光伏设备数据部分，并将光伏设备数据部分按照光伏设备终端和基站的通信协议进行组装，得到组装好的数据报文，该数据报文中携带光伏设备终端身份；将组装好的数据报文加密，得到加密数据；通过射频信道发送加密数据到基站；
S27.基站对加密数据进行解密，得到解密后的数据报文；对解密后的数据报文进行解析，识别所携带的光伏设备终端身份；从解析后的数据报文中提取光伏设备数据，并根据基站和监控装置的通信协议对光伏设备数据进行打包，得到打包数据，该打包数据包括光伏设备终端身份和响应数据类型；将打包数据发送到监控装置。
S3. 监控装置根据上述发电功率信息和网侧直流电压信息，确定光伏发电站的控制策略，控制光伏电站的平稳运行。
在所述步骤S3中，采用直流微电网下垂控制实现光伏发电站的平稳运行，具体包括如下步骤：
当光伏发电站连接的直流微电网的网侧直流电压经下垂控制产生电压偏差时，启动电压优化控制，改变并网换流器的直流电压-有功功率下垂特性曲线的截距，使所述并网换流器通过增发或吸收功率对直流网络侧电容进行充放电，令网侧直流电压恢复并保持在额定值。
电压优化控制通过改变下垂曲线的截距来调节直流电压，其中下垂曲线的截距U* dc_Grid与并网换流器下垂特性曲线的斜率kg和并网换流器发出的功率PGrid0有关，受G-VSC的容量限制，其变化范围表示为：
式中：U* dc_Grid为并网换流器下垂特性曲线的截距，PGrid_min为并网换流器输出功率的最小值，PGrid_max为并网换流器输出功率的最大值，kg为下垂特性曲线的斜率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种光伏发电站的智能监控方法，该方法包括如下步骤：
S1. 智能测算光伏发电设备的发电功率，并实时检测光伏发电站网侧直流电压；
S2. 将发电功率信息和网侧直流电压信息，通过无线加密通信的方式传输给监控装置；
S3. 监控装置根据上述发电功率信息和网侧直流电压信息，确定光伏发电站的控制策略，控制光伏电站的平稳运行。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1中，具体采用如下方法智能测算光伏发电设备的发电功率：
S11.针对每一预设时间点，确定在每一预设时间点所述光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的太阳能辐照量；
S12.根据所述光伏设备在每一倾角下对应的预设损失系数，确定在每一预设时间点所述光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的系统效率；
S13.根据在每一预设时间点所述光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的太阳能辐照量，和在每一预设时间点所述光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的系统效率，确定所述光伏设备在每一预设时间点对应的发电功率。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步骤S11中，针对每一预设时间点，按照下述方法确定在每一预设时间点光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的太阳能辐照量：
针对每一倾角，根据以下公式：
计算该倾角下一组光伏组件的太阳能辐照量，并根据该倾角下光伏组件的组数，确定所述光伏设备在该倾角下的光伏组件对应的太阳能辐照量，其中：表示在每一预设时间点，光伏设备在该倾角下的一组光伏组件对应的太阳能辐照量；
β表示该倾角；
Hb表示在每一预设时间点一组光伏组件对应的水平面上的直接辐照量；
Hd表示在每一预设时间点一组光伏组件对应的水平面上的散射辐照量；
Hp表示在每一预设时间点一组光伏组件对应的水平面上的辐照量；
表示光伏设备所在的纬度；
δ表示在每一预设时间点对应的太阳赤纬角；
ω表示在每一预设时间点对应的时角。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步骤S12中，预设损失系数可以包括光伏组件飞尘遮挡损失系数、光伏组件温度损失系数、逆变器损失系数、光伏组件不匹配损失系数和线缆损耗系数。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，可以通过下述公式确定在每一预设时间点光伏设备在每一倾角下的光伏组件对应的系统效率：
ηij＝(1-η1i)×(1-η2j)×(1-η3)×(1-η4)×(1-η5)
其中：ηij表示在第j个预设时间点，光伏设备在第i个倾角下的光伏组件对应的系统效率,i∈[1,N]，j∈[1,M]，N表示倾角的总个数，M表示预设时间点的总个数；
η1i表示光伏设备在第i个倾角下的光伏组件飞尘遮挡损失系数；
η2j表示光伏设备在第j个预设时间点对应的光伏组件温度损失系数；
η3表示逆变器损失系数；
η4表示光伏组件不匹配损失系数；
η5表示线缆损耗系数。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步骤S13中，按照下述方法确定光伏设备在每一预设时间点对应的发电功率：
其中：Ep表示光伏设备在每一个预设时间点对应的发电功率；
p表示光伏设备的安装容量；
hi表示在每一预设时间点，光伏设备在该倾角下的光伏组件对应的太阳能辐照量；
ηij表示在第j个预设时间点，光伏设备在第i个倾角下的光伏组件对应的系统效率,i∈[1,N]，j∈[1,M]，N表示倾角的总个数，M表示预设时间点的总个数。
7.如权利要求1-6任一所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，具体采用如下步骤实现无线加密通信：
S21监控装置向基站发送下行数据包，所述数据包包括光伏设备光伏设备终端身份和查询数据类型；
S22.基站根据基站和监控装置的通信协议对数据包进行数据解析，识别光伏设备终端身份和查询数据类型；根据基站和光伏设备终端的通信协议对光伏设备终端身份和查询数据类型进行组装，得到组装好的数据报文；对组装好的数据报文进行加密，得到加密数据报文；通过射频信道将加密数据报文发送到光伏设备终端；
S23.光伏设备终端对加密数据报文进行解密，得到光伏设备数据；根据串口协议将光伏设备数据组装成格式报文；通过串口将格式报文发送到数据采集装置；
S24.数据采集装置校验格式报文；在格式报文校验通过后，从格式报文中得到光伏设备数据部分；按照串口协议解析光伏设备数据部分，得到光伏设备数据；
S25.数据采集装置在得到光伏设备数据后，采集目标数据；将目标数据按串口协议打包，得到串口数据；将串口数据通过串口发送到光伏设备终端；
S26.光伏设备终端对串口数据进行校验；在串口数据校验通过后，从串口数据中获取光伏设备数据部分，并将光伏设备数据部分按照光伏设备终端和基站的通信协议进行组装，得到组装好的数据报文，该数据报文中携带光伏设备终端身份；将组装好的数据报文加密，得到加密数据；通过射频信道发送加密数据到基站；
S27.基站对加密数据进行解密，得到解密后的数据报文；对解密后的数据报文进行解析，识别所携带的光伏设备终端身份；从解析后的数据报文中提取光伏设备数据，并根据基站和监控装置的通信协议对光伏设备数据进行打包，得到打包数据，该打包数据包括光伏设备终端身份和响应数据类型；将打包数据发送到监控装置。
8.如权利要求1-7任一所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，采用直流微电网下垂控制实现光伏发电站的平稳运行，具体包括如下步骤：
当光伏发电站连接的直流微电网的网侧直流电压经下垂控制产生电压偏差时，启动电压优化控制，改变并网换流器的直流电压-有功功率下垂特性曲线的截距，使所述并网换流器通过增发或吸收功率对直流网络侧电容进行充放电，令网侧直流电压恢复并保持在额定值。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，电压优化控制通过改变下垂曲线的截距来调节直流电压，其中下垂曲线的截距U* dc_Grid与并网换流器下垂特性曲线的斜率kg和并网换流器发出的功率PGrid0有关，受G-VSC的容量限制，其变化范围表示为：
式中：U* dc_Grid为并网换流器下垂特性曲线的截距，PGrid_min为并网换流器输出功率的最小值，PGrid_max为并网换流器输出功率的最大值，kg为下垂特性曲线的斜率。
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