CN108206525A - 基于逆变器和通信专网的光伏发电站无功补偿系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于逆变器和通信专网的光伏发电站无功补偿系统及方法，电站逆变器群中的每台逆变器均通过自身以太网接口接收来自光纤环网的无功补偿器的无功补偿指令值数据包，逆变器i与光纤交换机i的以太网接口协议均为自定义的收/发协议，逆变器i能直接通过自身以太网接口接收的电平比特流信号硬件解析无功补偿指令值数据包，而不通过传统的TCP/IP协议栈或MODBUS协议转换和操作系统来解析数据包，能极大减少无功补偿指令的通信延迟时间，进一步提高现有电站中各分散式逆变器的整体无功快速调节性能。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电系统控制领域，具体涉及一种基于逆变器和通信专网的光伏发电站无功补偿系统及方法。
背景技术
2011年以来，我国“三北”地区发生多起风电大规模脱网事故，无功补偿装置的运行及管理是造成风电事故扩大的主要原因。以甘肃酒泉风电基地2.24事故为例，该事故共造成598台840MW风电脱网，西北主网频率从50.034Hz下降到49.854Hz，给电网的稳定运行造成了较严重的影响。其中由于风电场无功配置不合理及响应时间较慢，导致了故障的进一步扩大。因此，近年来我国陆续出台了新能源并网的国家、行业及电网公司企业标准，标准中对风电场、光伏电站及其无功补偿装置的无功容量、无功动态能力等方面都提出了相关要求。
GB/T 19964-2012《光伏发电站接入电力系统技术规定》中对光伏电站静态无功支撑能力的要求如下：通过10kV～35kV电压等级接入电网的光伏发电站在其无功输出范围内，应具备根据光伏发电站并网点电压水平调节无功输出，参与电网电压调节的能力，其调节方式和参考电压、电压调差率等参数应由电网调度机构设定；通过110(66)kV及以上电压等级接入电网的光伏发电站应配置无功/电压控制系统，具备无功功率调节及电压控制能力。根据电网调度机构指令，光伏发电站自动调节其发出(或吸收)的无功功率，实现对并网点电压的控制，其调节速度和控制精度应满足电力系统电压调节的要求。目前光伏电站一般依据电站总容量配置一定比例的静止无功补偿发生装置(SVG)，以满足标准要求。光伏逆变器自身具有很强的无功调节能力，但受制于传统电站通信方式和控制模式，其无功调节能力未能得到充分利用，带来巨大的投资浪费和后期运维成本。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于逆变器和通信专网的光伏发电站无功补偿系统及方法，本发明不仅充分利用光伏逆变器自身无功调节容量，而且通过所构建的集并网点实时监测、光纤通信专网UDP广播指令传输和逆变器硬件解析指令数据包功能于一体的基于逆变器的快速无功补偿指令通信专网，充分提高现有电站中各分散式逆变器的整体无功快速调节性能。实现光伏发电站仅依靠逆变器的无功调节能力即可满足国标GB/T 19964-2012对光伏发电站无功电压调节的精度和快速响应性能的要求。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种基于逆变器和通信专网的光伏发电站无功补偿系统，其改进之处在于，所述系统包括依次连接的无功控制系统、无功补偿器、光纤环网和光伏电站逆变器群。
进一步地，所述无功补偿器位于电站并网点，用于通过以太网接口接收光伏电站无功控制系统(AVC)调度指令，并且实时采集光伏电站并网点的三相电压电流信号，设置光伏电站内分散式电站逆变器群的运行模式，根据当前运行模式计算出当前电站总无功补偿值，通过平均值分配方式，采用光纤环网的通信专网和UDP广播方式下发无功补偿指令值至各逆变器，最终响应光伏电站并网点电压波动事件或光伏电站AVC调度指令。
进一步地，所述光纤环网由光纤交换机1、光纤交换机2、光纤交换机3，……，光纤交换机n依次通过光纤连接构成，每台光纤交换机i与光伏电站逆变器群中相对应的逆变器i通过以太网接口进行对接；i＝1、2、3……n。
进一步地，所述光伏电站逆变器群中的每台逆变器均通过自身以太网接口接收来自光纤环网的无功补偿器的无功补偿指令值数据包，逆变器i与光纤交换机i的以太网接口协议均为自定义的收/发协议，逆变器i通过自身以太网接口接收的电平比特流信号硬件解析无功补偿指令值数据包；
每台逆变器解析出无功补偿指令值后，启动自身控制直至完成无功调节至目标值。
本发明还提供一种基于逆变器和通信专网的光伏发电站无功补偿系统的补偿方法，其改进之处在于，所述方法包括以下工作模式：
(1)恒定电压闭环控制工作模式；
(2)定无功功率、定功率因数控制工作模式；
(3)夜间无功支撑工作模式。
进一步地，所述(1)的恒定电压闭环控制工作模式包括：设定光伏电站运行于某一恒定电压值，实时采集光伏电站并网点的三相电压电流信号，根据恒定电压值(每个电站都有其目标值，每个变电站的目标值不一样)与实时采集的光伏电站并网点的三相电压作差后，经比例积分调节器计算输出当前电站总无功补偿值，通过平均值分配方式，采用光纤环网的通信专网和UDP广播方式下发均分后的无功补偿指令值至各逆变器；
每台逆变器均通过自身以太网接口接收来自光纤环网的无功补偿器的无功补偿指令值数据包，逆变器i与光纤交换机i的以太网接口协议均为自定义的收/发协议，逆变器i通过自身以太网接口接收的电平比特流信号硬件解析无功补偿指令值数据包；每台逆变器解析出无功补偿指令值后，将启动自身的无功外环与电流内环的双闭环控制直至完成无功调节至当前每台逆变器所解析出无功补偿指令值。
进一步地，所述恒定电压值指的是光伏电站并网点额定电压的0.9倍至1.1倍之间。
进一步地，所述(2)的定无功功率、定功率因数控制工作模式包括：设定光伏电站运行于恒定无功功率目标值，或者根据当前光伏电站的有功功率和定功率因数计算出当前光伏电站应该运行的无功功率目标值，通过平均值分配该无功功率目标值的方式，采用光纤环网的通信专网和UDP广播方式下发均分后的无功补偿指令值至各逆变器；
每台逆变器均通过自身以太网接口接收来自光纤环网的无功补偿器的无功补偿指令值数据包，逆变器i与光纤交换机i的以太网接口协议均为自定义的收/发协议，逆变器i通过自身以太网接口接收的电平比特流信号硬件解析无功补偿指令值数据包；每台逆变器解析出无功补偿指令值后，将启动自身的无功外环与电流内环的双闭环控制直至完成无功调节至当前每台逆变器所解析出无功补偿指令值。
进一步地，所述(3)的夜间无功支撑工作模式包括：无功补偿器位于电站并网点，用于通过以太网接口接收光伏电站无功控制系统(AVC)调度指令，通过平均值分配光伏电站无功控制系统(AVC)调度指令的方式，采用光纤环网的通信专网和UDP广播方式下发均分后的无功补偿指令值至各逆变器；
每台逆变器均通过自身以太网接口接收来自光纤环网的无功补偿器的无功补偿指令值数据包，逆变器i与光纤交换机i的以太网接口协议均为自定义的收/发协议，逆变器i通过自身以太网接口接收的电平比特流信号硬件解析无功补偿指令值数据包；每台逆变器解析出无功补偿指令值后，将启动自身的无功外环与电流内环的双闭环控制直至完成无功调节至当前每台逆变器所解析出无功补偿指令值。
为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：
1)本发明的一种基于逆变器和通信专网的光伏发电站无功补偿系统能充分利用现有光伏发电站内光伏逆变器自身的无功容量和无功补偿能力，根据电站无功控制系统(AVC)调度指令或电站并网点电压波动事件，快速下发无功补偿指令至站内每台逆变器，通过站内分散的每台逆变器的快速无功响应，来等效实现电站并网点的快速无功补偿，满足国家标准GB/T19964-2012《光伏发电站接入电力系统技术规定》中无功补偿的相关要求，具备部分或全部代替光伏电站现有动态无功补偿装置的能力，降低电站初始投资成本和后期维护成本。
2)目前光伏发电站中光伏逆变器接收上级无功补偿指令一般通过站内监控网络和MODBUS协议转换，导致通信延迟，延迟时间一般为秒级，降低逆变器动态无功响应的快速性。而监控网络数据信息量大，对于只是其中一部分数据的无功补偿指令而言通信等待和协议转换时间较长，本发明不依赖站内监控网络，通过所构建的集并网点实时监测、光纤通信专网UDP广播指令传输和逆变器硬件解析指令数据包功能于一体的基于逆变器的快速无功补偿指令通信专网，实现通信延迟时间为毫秒级，能充分提高现有电站中各分散式逆变器的整体无功快速调节性能。
3)电站逆变器群中的每台逆变器均通过自身以太网接口接收来自光纤环网的无功补偿器的无功补偿指令值数据包，逆变器i与光纤交换机i的以太网接口协议均为自定义的收/发协议，逆变器i能直接通过自身以太网接口接收的电平比特流信号硬件解析无功补偿指令值数据包，而不通过传统的TCP/IP协议栈或MODBUS协议转换和操作系统来解析数据包，能极大减少无功补偿指令的通信延迟时间，进一步提高现有电站中各分散式逆变器的整体无功快速调节性能。
4)本发明提出的一种基于逆变器和通信专网的光伏发电站无功补偿系统有以下工作模式：(1)恒定电压闭环控制：在光伏电站控制能力范围内，设定光伏电站运行于某一恒定电压值，可以长期维持并网点稳定，实时响应电网电压暂态扰动事件；(2)定无功功率、定功率因数控制：依据电网调度指令、业主自身控制需求，设置光伏电站运行于能力范围内任意工作点，满足多样化的电站无功需求；(3)夜间无功支撑工作模式：夜间光伏逆变器停止输出有功功率后，光伏电站也可以依据电网调度指令对电网提供快速、稳定、大容量的无功支撑，实现光伏电站并网辅助服务功能。该无功补偿系统能满足电网安全稳定运行和业主自身多种无功控制需求，支撑电网安全稳定运行。
本发明提出一种基于逆变器和通信专网的光伏发电站无功补偿系统，不仅充分利用光伏逆变器自身无功调节容量，而且通过所构建的集并网点实时监测、光纤通信专网UDP广播指令传输和逆变器硬件解析指令数据包功能于一体的基于逆变器的快速无功补偿指令通信专网，充分提高现有电站中各分散式逆变器的整体无功快速调节性能。实现光伏发电站仅依靠逆变器的无功调节能力即可满足国标GB/T 19964-2012对光伏发电站无功电压调节的精度和快速响应性能的要求。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于逆变器和通信专网的光伏发电站无功补偿系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
实施例一
本发明的一种基于逆变器和通信专网的光伏发电站无功补偿系统，能充分利用现有光伏发电站内光伏逆变器自身的无功容量和无功补偿能力，根据电站无功控制系统(AVC)调度指令或电站并网点电压波动事件，快速下发无功补偿指令至站内每台逆变器，通过站内分散的每台逆变器的快速无功响应，来等效实现电站并网点的快速无功补偿，满足国家标准GB/T19964-2012《光伏发电站接入电力系统技术规定》中无功补偿的相关要求，具备部分或全部代替光伏电站现有动态无功补偿装置的能力，降低电站初始投资成本和后期维护成本。
目前光伏发电站中光伏逆变器接收上级无功补偿指令一般通过站内监控网络和MODBUS协议转换，导致通信延迟，延迟时间一般为秒级，降低逆变器动态无功响应的快速性。而监控网络数据信息量大，对于只是其中一部分数据的无功补偿指令而言通信等待和协议转换时间较长，本发明不依赖站内监控网络，通过所构建的集并网点实时监测、光纤通信专网UDP广播指令传输和逆变器硬件解析指令数据包功能于一体的基于逆变器的快速无功补偿指令通信专网，实现通信延迟时间为毫秒级，能充分提高现有电站中各分散式逆变器的整体无功快速调节性能。
本发明提出的一种基于逆变器和通信专网的光伏发电站无功补偿系统，其结构图如图1所示，包括无功补偿器、光纤环网和电站逆变器群三个部分；
其中无功补偿器位于电站并网点，用于通过以太网接口接收电站无功控制系统(AVC)调度指令，并且实时采集电站并网点的三相电压电流信号，设置站内分散式逆变器群的运行模式，根据当前运行模式计算出当前电站总无功补偿值，通过平均值分配方法，采用光纤环网的通信专网和UDP广播方式下发无功补偿指令值至各逆变器，最终响应电站并网点电压波动事件或电站AVC调度指令；
光纤环网由光纤交换机1、光纤交换机2、光纤交换机3……光纤交换机n依次通过光纤连接构成，每台光纤交换机i(i＝1、2、3……n)与电站逆变器群中的逆变器i通过以太网接口进行对接；
电站逆变器群中的每台逆变器均通过自身以太网接口接收来自光纤环网的无功补偿器的无功补偿指令值数据包，逆变器i与光纤交换机i的以太网接口协议均为自定义的收/发协议，逆变器i能直接通过自身以太网接口接收的电平比特流信号硬件解析无功补偿指令值数据包，而不通过传统的TCP/IP协议栈和操作系统来解析数据包；
逆变器解析出无功补偿指令值后，启动自身控制直至完成无功调节至目标值。
实施例二
本发明提出的一种基于逆变器和通信专网的光伏发电站无功补偿系统的补偿方法，包括以下工作模式：
(1)恒定电压闭环控制：在光伏电站控制能力范围内，设定光伏电站运行于某一恒定电压值，可以长期维持并网点稳定，实时响应电网电压暂态扰动事件；
(2)定无功功率、定功率因数控制：依据电网调度指令、业主自身控制需求，设置光伏电站运行于能力范围内任意工作点，满足多样化的电站无功需求；
(3)夜间无功支撑工作模式：夜间光伏逆变器停止输出有功功率后，光伏电站也可以依据电网调度指令对电网提供快速、稳定、大容量的无功支撑，实现光伏电站并网辅助服务功能。
具体的：
1、恒定电压闭环控制工作模式：
1)设定光伏电站运行于某一恒定电压值(光伏电站并网点额定电压的0.9倍至1.1倍之间)，实时采集光伏电站并网点的三相电压电流信号，根据该恒定电压值与实时采集的光伏电站并网点的三相电压作差后经比例积分调节器计算输出当前电站总无功补偿值，通过平均值分配方式，采用光纤环网的通信专网和UDP广播方式下发均分后的无功补偿指令值至各逆变器。
2)每台逆变器均通过自身以太网接口接收来自光纤环网的无功补偿器的无功补偿指令值数据包，逆变器i与光纤交换机i的以太网接口协议均为自定义的收/发协议，逆变器i通过自身以太网接口接收的电平比特流信号硬件解析无功补偿指令值数据包；每台逆变器解析出无功补偿指令值后，将启动自身一般公知的无功外环与电流内环的双闭环控制直至完成无功调节至当前每台逆变器所解析出无功补偿指令值。
2.定无功功率、定功率因数控制工作模式：
1)设定光伏电站运行于某一恒定无功功率目标值，或者根据当前光伏电站的有功功率和定功率因数计算出当前光伏电站应该运行的某一无功功率目标值，通过平均值分配该无功功率目标值的方式，采用光纤环网的通信专网和UDP广播方式下发均分后的无功补偿指令值至各逆变器。
2)每台逆变器均通过自身以太网接口接收来自光纤环网的无功补偿器的无功补偿指令值数据包，逆变器i与光纤交换机i的以太网接口协议均为自定义的收/发协议，逆变器i通过自身以太网接口接收的电平比特流信号硬件解析无功补偿指令值数据包；每台逆变器解析出无功补偿指令值后，将启动自身一般公知的无功外环与电流内环的双闭环控制直至完成无功调节至当前每台逆变器所解析出无功补偿指令值。
3、夜间无功支撑工作模式：
1)所述无功补偿器位于电站并网点，用于通过以太网接口接收光伏电站无功控制系统(AVC)调度指令，通过平均值分配该光伏电站无功控制系统(AVC)调度指令的方式，采用光纤环网的通信专网和UDP广播方式下发均分后的无功补偿指令值至各逆变器。
2)每台逆变器均通过自身以太网接口接收来自光纤环网的无功补偿器的无功补偿指令值数据包，逆变器i与光纤交换机i的以太网接口协议均为自定义的收/发协议，逆变器i通过自身以太网接口接收的电平比特流信号硬件解析无功补偿指令值数据包；每台逆变器解析出无功补偿指令值后，将启动自身一般公知的无功外环与电流内环的双闭环控制直至完成无功调节至当前每台逆变器所解析出无功补偿指令值。
本发明提出一种基于逆变器和通信专网的光伏发电站无功补偿系统及其方法，不仅充分利用光伏逆变器自身无功调节容量，而且通过所构建的集并网点实时监测、光纤通信专网UDP广播指令传输和逆变器硬件解析指令数据包功能于一体的基于逆变器的快速无功补偿指令通信专网，充分提高现有电站中各分散式逆变器的整体无功快速调节性能。实现光伏发电站仅依靠逆变器的无功调节能力即可满足国标GB/T 19964-2012对光伏发电站无功电压调节的精度和快速响应性能的要求。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于逆变器和通信专网的光伏发电站无功补偿系统，其特征在于，所述系统包括依次连接的无功控制系统、无功补偿器、光纤环网和光伏电站逆变器群。
2.如权利要求1所述的光伏发电站无功补偿系统，其特征在于，所述无功补偿器位于电站并网点，用于通过以太网接口接收光伏电站无功控制系统调度指令，并且实时采集光伏电站并网点的三相电压电流信号，设置光伏电站内分散式电站逆变器群的运行模式，根据当前运行模式计算出当前电站总无功补偿值，通过平均值分配方式，采用光纤环网的通信专网和UDP广播方式下发无功补偿指令值至各逆变器，最终响应光伏电站并网点电压波动事件或光伏电站AVC调度指令。
3.如权利要求1所述的光伏发电站无功补偿系统，其特征在于，所述光纤环网由光纤交换机1、光纤交换机2、光纤交换机3，……，光纤交换机n依次通过光纤连接构成，每台光纤交换机i与光伏电站逆变器群中相对应的逆变器i通过以太网接口进行对接；i＝1、2、3……n。
4.如权利要求1所述的光伏发电站无功补偿系统，其特征在于，所述光伏电站逆变器群中的每台逆变器均通过自身以太网接口接收来自光纤环网的无功补偿器的无功补偿指令值数据包，逆变器i与光纤交换机i的以太网接口协议均为自定义的收/发协议，逆变器i通过自身以太网接口接收的电平比特流信号硬件解析无功补偿指令值数据包；
每台逆变器解析出无功补偿指令值后，启动自身控制直至完成无功调节至目标值。
5.一种基于逆变器和通信专网的光伏发电站无功补偿系统的补偿方法，其特征在于，所述方法包括以下工作模式：
(1)恒定电压闭环控制工作模式；
(2)定无功功率、定功率因数控制工作模式；
(3)夜间无功支撑工作模式。
6.如权利要求5所述的光伏发电站无功补偿系统的补偿方法，其特征在于，所述的恒定电压闭环控制工作模式(1)包括：设定光伏电站运行于某一恒定电压值，实时采集光伏电站并网点的三相电压电流信号，根据所述恒定电压值与实时采集的光伏电站并网点的三相电压作差后，经比例积分调节器计算输出当前电站总无功补偿值，通过平均值分配方式，采用光纤环网的通信专网和UDP广播方式下发均分后的无功补偿指令值至各逆变器；
每台逆变器均通过自身以太网接口接收来自光纤环网的无功补偿器的无功补偿指令值数据包，逆变器i与光纤交换机i的以太网接口协议均为自定义的收/发协议，逆变器i通过自身以太网接口接收的电平比特流信号硬件解析无功补偿指令值数据包；每台逆变器解析出无功补偿指令值后，将启动自身的无功外环与电流内环的双闭环控制直至完成无功调节至当前每台逆变器所解析出无功补偿指令值。
7.如权利要求6所述的光伏发电站无功补偿系统的补偿方法，其特征在于，所述恒定电压值指的是光伏电站并网点额定电压的0.9倍至1.1倍之间。
8.如权利要求5所述的光伏发电站无功补偿系统的补偿方法，其特征在于，所述的定无功功率、定功率因数控制工作模式(2)包括：设定光伏电站运行于恒定无功功率目标值，或者根据当前光伏电站的有功功率和定功率因数计算出当前光伏电站应该运行的无功功率目标值，通过平均值分配该无功功率目标值的方式，采用光纤环网的通信专网和UDP广播方式下发均分后的无功补偿指令值至各逆变器；
每台逆变器均通过自身以太网接口接收来自光纤环网的无功补偿器的无功补偿指令值数据包，逆变器i与光纤交换机i的以太网接口协议均为自定义的收/发协议，逆变器i通过自身以太网接口接收的电平比特流信号硬件解析无功补偿指令值数据包；每台逆变器解析出无功补偿指令值后，将启动自身的无功外环与电流内环的双闭环控制直至完成无功调节至当前每台逆变器所解析出无功补偿指令值。
9.如权利要求5所述的光伏发电站无功补偿系统的补偿方法，其特征在于，所述的夜间无功支撑工作模式(3)包括：无功补偿器位于电站并网点，用于通过以太网接口接收光伏电站无功控制系统调度指令，通过平均值分配光伏电站无功控制系统调度指令的方式，采用光纤环网的通信专网和UDP广播方式下发均分后的无功补偿指令值至各逆变器；
每台逆变器均通过自身以太网接口接收来自光纤环网的无功补偿器的无功补偿指令值数据包，逆变器i与光纤交换机i的以太网接口协议均为自定义的收/发协议，逆变器i通过自身以太网接口接收的电平比特流信号硬件解析无功补偿指令值数据包；每台逆变器解析出无功补偿指令值后，将启动自身的无功外环与电流内环的双闭环控制直至完成无功调节至当前每台逆变器所解析出无功补偿指令值。
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