CN107346899B - 一种光伏电站系统稳定性评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种光伏电站系统稳定性评估方法及系统，包括云监控平台大数据处理器、数据采集器、户外测试装置、智能汇流箱和环境采集器。不同逆变器将运行数据和运行状态，环境采集器采集温度，湿度和光照强度通过数据采集器上传云监控平台大数据处理器；云监控平台大数据处理器实时计算出电站发电量和运行数据，以便于对比不同厂家逆变器设备发电量差异。所述系统分别通过不同厂家光伏电站逆变器差异性控制算法，光伏组件健康程度分析算法和光伏电站故障率快速检测控制算法进行评估，对光伏电站有效的管理和预测控制提供有利参考依据。

Description

一种光伏电站系统稳定性评估方法及系统

技术领域

本发明涉及一种光伏电站系统稳定性评估方法及系统，属光伏发电评估技术领域。

背景技术

公开号CN105260952公开了一种基于马尔科夫链蒙特卡洛方法的光伏电站可靠性评估方法，用于由N个发电单元组成的集中式光伏电站，所述各发电单元包括以下四个部件：光伏阵列、直流汇流箱、光伏逆变器、变压器，最后汇入交流电网；包括以下步骤：建立各元件马尔科夫链模型，状态抽样，运行过程模拟，判断算法收敛。

公开号CN102496954公开了一种并网光伏电站稳定性判断方法，其建立稳定性判据的步骤包括：光伏电站系统部件构成及拓扑结构分析步骤、光伏电池阵列P－U功率输出特性分析及其数学表达式步骤、DC－AC变换器控制方式原理分析及其数学表达式步骤、得出并网光伏电站在恒功率控制方式及在MPPT功率控制方式下的稳定性判据步骤，测得光伏阵列出口测量的电压和功率数据，结合上述步骤得出的判据判断并网光伏电站稳定性。该方法仅由光伏阵列出口测量的电压和功率数据可充分判断并网光伏电站的稳定性。

目前针对光伏电站，上位机监控系统仅仅是数据采集和故障监控，没有对光伏电站稳定性和实用性进行测试评估。

发明内容

本发明的目的是，针对光伏电站上位机监控系统缺乏光伏发电稳定性和实用性进行测试评估，本发明提出一种光伏电站系统稳定性评估方法及系统。

实现本发明的技术方案是，

第一个方面，本发明提供了一种光伏电站系统稳定性评估系统，所述系统包括云监控平台处理器、数据采集器、户外测试装置、智能汇流箱和环境采集器。

所述光伏电站包括一个或多个光伏逆变系统，所述光伏逆变系统包括光伏组件和光伏逆变器。

光伏电站的每路光伏组件接入智能汇流箱；智能汇流箱将采集光伏组件的电压和电流通过数据采集器上传云监控平台处理器。

每个光伏逆变系统的输入输出侧安装户外测试设备，向云监控平台处理器上传光伏逆变系统的电压和电流数据，光伏逆变器将自身的运行数据和运行状态，通过数据采集器上传云监控平台处理器。

环境采集器采集温度和光照强度通过数据采集器上传云监控平台处理器。

云监控平台处理器根据接收到的数据计算不同厂家光伏逆变器设备发电量差异、光伏组件的健康程度和光伏电站的故障影响率，并根据不同厂家光伏逆变器发电量差异、光伏组件的健康程度和光伏电站的故障影响率进行光伏电站系统稳定性评估。

所述云监控平台处理器，包括：

电量计算模块，用于根据上传数据计算各个光伏逆变器同一时刻的功率和相同时间段内电量。

差异率计算模块，用于计算光伏电站的光伏逆变器发电量的差异率，βn越小，差异率越小。

β_n＝1-α₁*α₂……*α_n

其中，α_n：不同厂家光伏逆变器差异率；P_n：不同厂家光伏逆变器同一时刻的功率；β_n：光伏电站差异率。

所述智能汇流箱采集光伏组件的电压和电流并通过数据采集器上传云监控平台处理器，包括：

智能汇流箱在每天相同时间段相同光照强度和温度下，全局扫描光伏组件的电压和电流，通过给定电压从0到开路电压VOC变化控制光伏电池板的输出电压、电流和功率值，通过数据采集器上传至云监控平台处理器。

光伏电站的所有智能汇流箱采用轮询方式进行监测。

所述云监控平台处理器，还包括：

曲线绘制模块，用于以电压为横坐标，功率为纵坐标绘制出光伏电池板的全局电压功率曲线；

折合系数计算模块，用于根据实时监测光照强度和温度，对照光伏组件的厂家数据，计算出标准光照强度和温度下功率折合系数m；

健康程序计算模块，用于调取数据库中光伏电池板出厂光伏电池板的电压功率曲线做对比，计算光伏电站组件健康程度ε_total，ε_total越小，光伏组件健康程度越高；

光伏组件健康程度评测算法如下所示：

ε_total＝ε₁*ε₂*…·*ε_n

其中，ε_n：每组光伏组件健康程度；P_t：光伏电池板实时监测功率；m：功率折合系数；N：电池板衰减率的倒数；Q：光伏组件遮挡系数的倒数；一般20个光伏组件配置成一串光伏组件，P₀₁是第一个光伏电池板在标准光照和温度下输出功率，P₀₂₀是第20个光伏电池板在标准光照和温度下输出功率。

所述云监控平台处理器，还包括：

故障等级确定模块，用于确定故障发生点以及对应的设备级故障等级；

故障影响率计算模块，用于根据设备级故障等级以及故障影响因子计算光伏电站的故障影响率。

所述故障等级确定模块，包括：

第一检测单元，用于检测故障发生的区域；所述光伏电站划分为多个区域，每个区域设有总故障输出信号ERR_n；

第二检测单元，用于检测所述故障发生的区域中所述故障属于哪一台逆变器系统；

第三检测单元，用于检测故障以下哪类设备的故障：光伏组件故障，汇流箱故障，逆变器故障，配电箱故障和户外检测设备故障；

第四检测单元，用于检测对应设备级故障等级是报警故障，可恢复性故障还是不可恢复性故障。

所述故障影响率计算模块具体用于根据下式计算故障影响率：

其中：ρ：故障影响率；∈：报警故障次数；a：报警故障的影响因子；

可恢复性故障次数；b：可恢复性故障的影响因子；σ：不可恢复性故障次数；c：不可恢复性故障的影响因子；

全年光伏电站允许故障次数。

所述云监控平台处理器，还包括：

评估模块，用于根据下式进行光伏电站系统稳定性评估；

其中：

光伏电站系统稳定性因子；W_r：光伏电站全年实际发电量；W_total：光伏电站装机容量发电量；β_n：光伏电站差异率，根据光伏逆变器发电量差异计算得到；ε_total：光伏电站组件健康程度；ρ：故障影响率。

第二个方面，本发明提供了一种光伏电站系统稳定性评估方法，包括如下步骤：

智能汇流箱采集光伏组件的电压和电流并通过数据采集器上传云监控平台处理器；

安装于每个光伏逆变系统的输入输出侧的户外测试设备，向云监控平台处理器上传光伏逆变系统的电压和电流数据；

光伏逆变器将运行数据和运行状态通过数据采集器上传云监控平台处理器；

环境采集器采集温度和光照强度，通过数据采集器上传云监控平台处理器；

云监控平台处理器根据接收到的数据计算不同厂家光伏逆变器发电量差异、光伏组件的健康程度和光伏电站的故障影响率，并根据不同厂家光伏逆变器发电量差异、光伏组件的健康程度和光伏电站的故障影响率进行光伏电站系统稳定性评估。

本发明的有益效果是，本发明针对目前的光伏电站，上位机监控系统仅仅是数据采集和故障监控，没有对光伏电站稳定性和实用性进行测试评估，本发明提出了光伏电站系统稳定性评估系统，分别通过光伏电站逆变器差异性，光伏组件健康程度和光伏电站故障率方面进行评估，对光伏电站有效的管理和预测控制提供有利参考依据。

附图说明

图1为光伏电站系统稳定性评估系统结构示意图；

图2为检测故障发生位置流程示意图；

图3为检测是可恢复性故障还是不可恢复性故障流程示意图。

具体实施方式

实施例一、

本发明实施例提供了一种光伏电站系统稳定性评估系统，如图1所示。所述系统包括云监控平台大数据处理器、数据采集器、户外测试装置、智能汇流箱和环境采集器。

所述光伏电站包括一个或多个光伏逆变系统，所述光伏逆变系统包括光伏组件和光伏逆变器。

光伏逆变系统由光伏组件和光伏逆变器组成，N个光伏逆变系统组成光伏电站，光伏电站一般是兆瓦级，十兆瓦级和百兆瓦级。

本实施例的光伏电站采用集散式光伏逆变器，图1中，每路光伏组件通过传感器接入智能汇流箱；智能汇流箱通过传感器采集电压和电流并通过数据采集器上传云监控平台处理器；每个逆变系统输入输出侧安装户外测试设备，向云监控平台大数据处理器上传逆变系统电压电流数据，同时不同逆变器将其运行数据和运行状态，环境采集器采集温度和光照强度通过数据采集器上传云监控平台处理器；云监控平台处理器计算出电站发电量和运行数据，以便于对比不同厂家逆变器设备发电量差异。所述系统分别通过不同厂家光伏电站逆变器发电量差异性，光伏组件健康程度和光伏电站故障率进行评估，对光伏电站有效的管理和预测控制提供有利参考依据。

具体实施时，各种信息或数据的采集和上传均可以是实时的，也可以间隔预设时间进行，本发明对此不作限制。

环境采集器除采集温度、光照强度外，还可以采集其他环境信息，例如：湿度等，本领域技术人员可以根据实际需要采集相应的环境信息，并根据采集到的环境信息进行后续的评估分析。

由于不同厂家逆变器具备将逆变器数据上传上位机监控系统通信功能，但是由于精度和算法原因，各个逆变器厂家上传数据误差比较大，导致光伏电站数据监控系统稳定性评估存在较大误差。因此，对光伏电站系统安装高精度户外检测装置，对不同厂家光伏逆变器输入输出电压，电流，功率进行实时监测，本实施例计算光伏电站逆变器发电量的差异率如下：

(1)通过环境采集器记录当时光照强度和温度；

(2)通过户外检测装置记录每台逆变器输入电流、电压，计算出输入功率；

(3)通过户外检测装置记录每台逆变器输出电流、电压，计算出输出功率；

(4)将检测逆变器输入输出数据上传监控系统；

(5)上位机监控系统根据上传数据计算各个逆变器同一时刻的功率和相同时间段内电量；

具体实施时，可以每十分钟记录一次；

(6)计算光伏电站的逆变器发电量的差异率，β_n越小，差异率越小；

β_n＝1-α₁*α₂……*α_n

其中，α_n：不同厂家逆变器差异率；P_n：不同厂家光伏逆变器同一时刻的功率；β_n：光伏电站差异率。

本实施例计算光伏组件健康程度如下：

云监控平台在每天相同时间段相同光照强度和温度下，智能汇流箱全局扫描电压、电流一次上传云监控平台，云监控平台处理器以电压为横坐标，功率为纵坐标绘制出光伏电池板的全局电压功率曲线，然后不同曲线之间对比，判断光伏电池组件健康程度，算法具体流程如下：

(1)环境采集器实时监测光照强度和温度，上传上位机数据监控系统；

(2)屏蔽智能汇流箱MPPT(Maximum Power Point Tracking)最大功率点跟踪功能；

(3)智能汇流箱通过给定电压从0到开路电压VOC变化控制光伏电池板输出，电压变化步长20V；

(4)实时记录给定不同电压时，光伏电池板输出电压、电流和功率，上传上位机监控系统；

(5)光伏电站所有智能汇流箱采用轮询方式进行监测，防止引起光伏电站功率波动；

(6)上位机数据监控系统以电压为横坐标，功率为纵坐标绘制光伏电池板全局电压功率曲线；

(7)根据实时监测光照强度和温度，计算出标准光照强度和温度下折合功率系数；

(8)调取数据库中光伏电池板出厂时的电压功率曲线做对比，计算光伏电站组件健康程度ε_total，ε_total越小，光伏组件健康程度越高；

光伏组件健康程度评测算法如下所示：

ε_total＝ε₁*ε₂*....*ε_n

其中，ε_total：光伏电站光伏组件健康程度；ε_n：每组光伏组件健康程度；P_t：光伏电池板实时监测功率；m：功率折合系数；N：电池板衰减率的倒数；Q：光伏组件遮挡系数的倒数；一般20个光伏组件配置成一串光伏组件，P₀₁是第一个光伏电池板在标准光照和温度下功率，P₀₂₀是第20个光伏电池板在标准光照和温度下输出功率。

具体实施时，根据光伏组件的数量，上述光伏组件健康程度的公式可以适应修改，本发明实施例仅是以20个光伏组件为例进行了说明，本领域技术人员采用其他数量的光伏组件时采用类似上述评测健康程度的方式，依然应当在本发明的保护范围内。

计算光伏电站故障影响率，包括：

(1)确定光伏电站划分为多个区域，每个区域设定一个总故障输出信号ERR_n，检测故障发生哪个区域；

(2)检测该区域中故障属于哪一台逆变器系统；

(3)每个设备故障信号采用故障分层定位方式，检测故障是否是光伏组件故障，汇流箱故障，逆变器故障，配电箱故障和户外检测设备故障；

(4)检测对应设备级故障等级是报警故障，可恢复性故障还是不可恢复性故障。

图2所示为检测故障发生位置流程示意图，如图所示，检测故障发生位置可以包括如下步骤：

假设确定光伏电站划分为N个区域，每个区域设定一个总故障输出信号ERR_n；

首先确定故障发生哪个区域，例如：可以判断故障区域是否为区域n，如果不是，那故障区域是否为区域n-1，如果不是，那么再判断故障区域是否为n-2,...以此类推，直至确定故障发生的区域；如果是区域故障，可以直接确定这个区域的编号是多少；

然后确定故障属于哪一台逆变器系统，例如：可以判断逆变器系统m是否故障，如果没有故障，那么继续判断逆变器系统m-1是否故障，...，以此类推，直至确定发生故障的逆变器系统，并可以确定逆变器系统的编号是多少，从而确定故障的准确位置。

图3所示为检测是可恢复性故障还是不可恢复性故障流程，首先确定故障的设备种类，先确定故障是否在光伏组件，如是光伏组件，则直接进入报警程序；如不是光伏组件故障，则检测是否汇流箱故障；如不是汇流箱故障，则检测是否配电箱故障；如不是配电箱故障，则检测是否外部检测设备故障，如是，则进入报警程序；进入报警程序后，则确定故障是否属于可修复，如属可修复，则安排故障检测，直至修复完成。

故障影响率ρ为：

其中：ρ：故障影响率；∈：报警故障次数；a：报警故障的影响因子，具体实施时a取0.1；

可恢复性故障次数；b：可恢复性故障的影响因子,具体实施时b取0.2；σ：不可恢复性故障次数；c：不可恢复性故障的影响因子，具体实施时c取0.7；

全年光伏电站允许故障次数，具体实施时可以取100。

光伏电站系统稳定性评估方式：

其中：

光伏电站系统稳定性因子；W_r：光伏电站全年实际发电量；W_total：光伏电站装机容量发电量。

实施例二、

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种光伏电站系统稳定性评估方法，其解决技术问题所采取的技术手段与一种光伏电站系统稳定性评估系统的原理相似，重复之处不再赘述。

所述光伏电站系统稳定性评估方法可以包括如下步骤：

智能汇流箱采集光伏组件的电压和电流并通过数据采集器上传云监控平台处理器；

安装于每个光伏逆变系统的输入输出侧的户外测试设备，向云监控平台处理器上传光伏逆变系统的电压和电流数据；

光伏逆变器将运行数据和运行状态通过数据采集器上传云监控平台处理器；

环境采集器采集温度和光照强度，通过数据采集器上传云监控平台处理器；

云监控平台处理器根据接收到的数据计算不同厂家光伏逆变器发电量差异、光伏组件的健康程度和光伏电站的故障影响率，并根据不同厂家光伏逆变器发电量差异、光伏组件的健康程度和光伏电站的故障影响率进行光伏电站系统稳定性评估。

实施中，所述计算不同厂家光伏电站逆变器发电量差异，可以包括：

根据上传数据计算各个光伏逆变器同一时刻的功率和相同时间段内电量；

计算光伏电站的光伏逆变器发电量的差异率，β_n越小，差异率越小；

β_n＝1-α₁*α₂……*α_n

其中，α_n：不同厂家逆变器差异率；P_n：不同厂家光伏逆变器同一时刻的功率；β_n：光伏电站差异率。

实施中，所述计算光伏组件的健康程度，可以包括：

云监控平台处理器以电压为横坐标，功率为纵坐标绘制出光伏电池板的全局电压功率曲线；

根据实时监测光照强度和温度，对照光伏组件的厂家数据，计算出标准光照强度和温度下功率折合系数m；

调取数据库中光伏电池板出厂光伏电池板的电压功率曲线做对比，计算光伏电站组件健康程度ε_total，ε_total越小，光伏组件健康程度越高；ε_total＝ε₁*ε₂*....*ε_n；

其中，ε_n：每组光伏组件健康程度，

P_t：光伏电池板实时监测功率；m：功率折合系数；N：电池板衰减率的倒数；Q：光伏组件遮挡系数的倒数；一般20个光伏组件配置成一串光伏组件，P₀₁是第一个光伏电池板在标准光照和温度下输出功率，P₀₂₀是第20个光伏电池板在标准光照和温度下输出功率。

实施中，所述计算光伏电站的故障影响率，可以包括：

确定故障发生点以及对应的设备级故障等级；

根据设备级故障等级以及故障影响因子计算光伏电站的故障影响率。

实施中，所述确定故障发生点以及对应的设备级故障等级，可以包括：

检测故障发生的区域；所述光伏电站划分为多个区域，每个区域设有总故障输出信号ERR_n；

检测所述故障发生的区域中所述故障属于哪一台逆变器系统；

检测故障是以下哪类设备的故障：光伏组件故障，汇流箱故障，逆变器故障，配电箱故障和户外检测设备故障；

检测对应设备级故障等级是报警故障，可恢复性故障还是不可恢复性故障。

实施中，所述根据设备级故障等级以及故障影响因子计算故障影响率，为：

其中：ρ：故障影响率；∈：报警故障次数；a：报警故障的影响因子；

可恢复性故障次数；b：可恢复性故障的影响因子；σ：不可恢复性故障次数；c：不可恢复性故障的影响因子；

全年光伏电站允许故障次数。

实施中，所述根据不同厂家光伏逆变器发电量差异、光伏组件的健康程度和光伏电站的故障影响率进行光伏电站系统稳定性评估，可以包括：

其中：

光伏电站系统稳定性因子；W_r：光伏电站全年实际发电量；W_total：光伏电站装机容量发电量；β_n：光伏电站差异率，根据光伏逆变器发电量差异计算得到；ε_total：光伏电站组件健康程度；ρ：故障影响率。

为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

Claims (3)

1.一种光伏电站系统稳定性评估系统，所述光伏电站包括一个或多个光伏逆变系统，所述光伏逆变系统包括光伏组件和光伏逆变器，其特征在于，所述系统包括云监控平台处理器、数据采集器、户外测试装置、智能汇流箱和环境采集器；

光伏电站的每路光伏组件接入智能汇流箱；智能汇流箱采集光伏组件的电压和电流并通过数据采集器上传云监控平台处理器；

每个光伏逆变系统的输入输出侧安装户外测试设备，向云监控平台处理器上传光伏逆变系统的电压和电流数据；

光伏逆变器将自身的运行数据和运行状态，通过数据采集器上传云监控平台处理器；

环境采集器采集温度和光照强度，通过数据采集器上传至云监控平台处理器；

云监控平台处理器根据接收到的数据计算不同厂家光伏逆变器发电量差异、光伏组件的健康程度和光伏电站的故障影响率，并根据不同厂家光伏逆变器发电量差异、光伏组件的健康程度和光伏电站的故障影响率进行光伏电站系统稳定性评估；

所述云监控平台处理器，包括：

曲线绘制模块，用于以电压为横坐标，功率为纵坐标绘制出光伏电池板的全局电压功率曲线；

折合系数计算模块，用于根据实时监测光照强度和温度，对照光伏组件的厂家数据，计算出标准光照强度和温度下功率折合系数m；

健康程序计算模块，用于调取数据库中光伏电池板出厂光伏电池板的电压功率曲线做对比，计算光伏电站组件健康程度ε_total，ε_total越小，光伏组件健康程度越高；ε_total＝ε₁*ε₂*…*ε_n；

其中，ε_n：每组光伏组件健康程度，

P_t：光伏电池板实时监测功率；m：功率折合系数；N：电池板衰减率的倒数；Q：光伏组件遮挡系数的倒数；20个光伏组件配置成一串光伏组件，P₀₁是第一个光伏电池板在标准光照和温度下输出功率，P₀₂₀是第20个光伏电池板在标准光照和温度下输出功率。

2.根据权利要求1所述的一种光伏电站系统稳定性评估系统，其特征在于，所述云监控平台处理器，还包括：

故障等级确定模块，用于确定故障发生点以及对应的设备级故障等级；

故障影响率计算模块，用于根据设备级故障等级以及故障影响因子计算光伏电站的故障影响率；

所述故障等级确定模块，包括：

第一检测单元，用于检测故障发生的区域；所述光伏电站划分为多个区域，每个区域设有总故障输出信号ERR_n；

第二检测单元，用于检测所述故障发生的区域中所述故障属于哪一台逆变器系统；

第三检测单元，用于检测故障是以下哪类设备的故障：光伏组件故障，汇流箱故障，逆变器故障，配电箱故障和户外检测设备故障；

第四检测单元，用于检测对应设备级故障等级是报警故障，可恢复性故障还是不可恢复性故障。

3.如权利要求1所述的一种光伏电站系统稳定性评估系统，其特征在于，所述云监控平台处理器，还包括：

评估模块，用于根据下式进行光伏电站系统稳定性评估；

其中：

光伏电站系统稳定性因子；W_r：光伏电站全年实际发电量；W_total：光伏电站装机容量发电量；β_n：光伏电站差异率，根据光伏逆变器发电量差异计算得到；ε_total：光伏电站组件健康程度；ρ：故障影响率。

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