CN113300406A - 一种单向分布式并网光伏发电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单向分布式并网光伏发电系统及其控制方法，该系统包括依次连接的光伏电池组件和逆变器，逆变器的输出端接入家庭电网，家庭电网连接有用电设备及光伏发电控制装置，家庭电网还连接至公共电网，逆变器将光伏电池组件产生的直流电转换为交流电，并将转换得到的交流电并入家庭电网，为用电设备以及光伏发电控制装置提供电能；公共电网通过家庭电网给用电设备提供电能；光伏发电控制装置用于调节控制逆变器输出交流电的流向。与现有技术相比，本发明能够高效可靠地实现光伏发电单向流通控制，防止光伏发出的交流电逆流至公共电网，同时最大限度充分利用光伏发出的电能、避免能源浪费。

Description

一种单向分布式并网光伏发电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，尤其是涉及一种单向分布式并网光伏发电系统及其控制方法。

背景技术

光伏发电系统主要分为并网光伏发电和离网光伏发电，其中，并网光伏发电系统主要由发电单元(光伏组件组成的方阵)、并网设备(并网逆变器)、升压设备及其他辅助设备组成，光伏电池组件利用光电效应将太阳能转变成电能，经逆变器逆变后，根据光伏电站接入电网技术规定、光伏电站容量确定光伏电站接入电网的电压等级，由变压器升压后接入公共电网。目前，对并网光伏发电系统的管理模式分为两种：a.分布式光伏电站，它的建设位置可以是工商业及房顶、农业大棚、荒山荒坡、滩涂、湖泊水面等距离用电单元较近的地方，生产出的电量可以是全额上网销售，采取“自发自用、余电上网”的运行模式；b.集中式地面光伏电站，这种电站一般建在绵延的山地、戈壁沙滩等耕地，装机容量比分布式光伏电站的容量大，生产的电能经过逆变升压后就近并入输电电网。此外，分布式光伏电站接入电网的模式主要分为“全额上网”“自发自用、余电上网”及“自发自用、禁电上网”3种。“自发自用、禁止余电上网”模式的项目大部分都是采用逆功率控制柜，其通过监测产权分界点功率的实际值，与设定的整定控制功率临界定值进行比较，从而调节逆变器的功率输出或切断分布式光伏发电系统，以实现防逆功率的自动控制及功率恢复功能。该装置的基本原理为：监测产权分界点的电压和电流，通过逻辑控制跳合闸出口实时投退新能源发电单元汇集线、并网出线，达到控制产权分界点的功率方向及提高新能源发电消纳水平的目的。

离网光伏发电系统主要由太阳能电池、太阳能充电器、储能设备、升压电路以及逆变电路组成。太阳能电池将太阳能转化为电能，是太阳能发电系统的核心；充电器将太阳能存入储能设备；储能设备用于存储太阳能电池转换的电能，并在缺少阳光的时段使用；升压电路将蓄电池的低电压抬高到逆变器输入端所需的高电压；逆变电路将直流电转换为交流电，供后级的交流负载使用。

综上可知，离网式光伏发电系统成本高，仅在电网没有覆盖场地有绝对优势，使用有限。在进行离网式太阳能光伏发电系统设计应用时，要注意蓄电池的选择，它的性能及容量整体系统的效率有着直接影响。同时，在日常运行阶段，还应注意蓄电池的充放电方式，避免出现过充或者过放等影响蓄电池使用寿命的情况。为了避免影响用户的供电，还要设置备用电源，以应对一些突发情况，这就加重了布线任务。现有离网式发电受环境因素影响大，连续阴雨天气会导致蓄电池储能不足；用电负载的用电量较大，会导致蓄电池供不应求；光伏发电系统发生故障，难以发现，检修也有较大困难；为了更高效率的利用太阳能资源，确保离网光伏发电系统处于最佳工作状态，具有最大的输出功率，因此在系统设计应用时，要找到系统工作的最大功率点，而这需要大量的数据和计算。

并网式光伏发电系统复杂，系统应用门槛高。技术难点主要在于并入公共电网需要获取入网许可证，并网逆变器需要工作于最大功率点附近；还要跟踪电网参数并与其一致，没有足够容量发电意义不大，原因如下：

A、配电网运行特性发生改变，局部高比例分布式光伏发电接入，使电网下网潮流变轻，甚至出现倒送，严重时导致部分地区网供负荷特性发生变化；B、增加了继电保护的复杂性：大量分布式光伏发电接入，改变了配网潮流规律和网供负荷特性，配电网故障特征发生较大变化，致使继电保护整定计算及运行管理更加复杂；C、对电能质量产生影响：分布式光伏发电高比例接入地区，变流器等电力电子元件大规模接入电网，易导致谐波、电压闪变、三相不平衡等电能质量指标超标。

而且现有的并网式防逆流光伏发电系统，其防逆流装置是通过通信方式调节，逆变器的功率输出只适用于单体装机容量在500kW以下的分布式光伏发电项目，逆功率控制柜与逆变器之间采用RS485通信，整个光伏发电系统对通信的依赖太高，通信中断后，逆功率控制柜就会直接切断光伏发电系统，造成光伏电力的浪费。这也不符合国家电网对继电保护和安全自动装置在可靠性、灵敏性、选择性、速动性这4个方面的基本要求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种单向分布式并网光伏发电系统及其控制方法，以实现单向、高效、可靠并网发电的目的。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种单向分布式并网光伏发电系统，包括依次连接的光伏电池组件和逆变器，所述逆变器的输出端接入家庭电网，所述家庭电网连接有用电设备及光伏发电控制装置，所述家庭电网还连接至公共电网，所述逆变器将光伏电池组件产生的直流电转换为交流电，并将转换得到的交流电并入家庭电网，为用电设备以及光伏发电控制装置提供电能；

所述公共电网通过家庭电网给用电设备提供电能；

所述光伏发电控制装置用于调节控制逆变器输出交流电的流向。

进一步地，所述光伏发电控制装置包括依次连接的测量单元、控制单元、调节单元和储能单元，所述测量单元用于检测公共电网的网侧电流方向，所述控制单元根据公共电网的网侧电流方向，通过调节单元相应调节逆变器输出交流电的流向，所述储能单元用于接收存储逆变器输出的交流电能。

进一步地，所述测量单元安装于公共电网与家庭电网之间。

进一步地，所述控制单元通过智能网关与云端连接，以将控制单元的相关数据传输至云端实现远程监控，同时接收来自云端对控制单元的控制参数设置。

进一步地，所述测量单元具体为智能电表。

进一步地，所述控制单元具体为PLC控制器。

进一步地，所述储能单元具体为热水器，以对逆变器输出的交流电能进行热储能。

进一步地，所述调节单元具体为功率调节器。

一种单向分布式并网光伏发电系统控制方法，包括以下步骤：

S1、测量单元实时监测公共电网的网侧电流方向，并将检测结果传输给控制单元；

S2、控制单元接收测量单元输出的检测结果，并根据公共电网的网侧电流方向，结合调节单元相应调节控制逆变器输出交流电的流向，防止逆变器输出交流电流向公共电网，同时保证用电设备的正常供电。

进一步地，所述步骤S2的具体过程为：

若公共电网的网侧电流方向为正向，则表明用电设备用电量大于光伏发电量，此时控制单元控制调节单元输出功率降低、储能单元不接收逆变器输出的交流电能，逆变器输出交流电全部提供给用电设备；

若公共电网的网侧电流方向为反向，则表明用电设备用电量小于光伏发电量，此时控制单元控制调节单元输出功率增加、储能单元接收逆变器输出的交流电能，逆变器输出交流电同时为用电设备以及储能单元供电。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明通过将家庭电网与光伏发电控制装置连接，利用光伏发电装置中依次连接的测量单元、控制单元、调节单元和储能单元，能够可靠地调节控制逆变器输出交流电的流向，防止逆变器输出交流电流向公共电网，保证光伏发电的单向流通，在确保用电设备正常工作的情况下，使逆变器输出的多余交流电能够被可靠地存储转化，由此实现单向、高效、可靠并网发电的目的。

二、本发明无需设置蓄电池组进行储能，不仅简化了系统结构布线，同时降低了系统构造成本。

三、本发明将光伏发电控制装置内的控制单元通过智能网关与云端连接，实现了远程实时监控，无需现场人工维护，降低了使用成本，提高了系统的可靠性和维护人员工作效率；利用网关的双向通信功能实现了对光伏发电数据、用户用电数据等工况信息的实时监控；并能根据实际需要对控制参数进行更新设置，具有开放性高、实时性的优点。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为实施例的系统结构示意图；

图3为实施例中光伏发电控制装置的连接结构示意图；

图4为实施例中控制单元与互联网云端的连接结构示意图；

图5为本发明的方法流程图；

图中标记说明：1、光伏电池组件，2、逆变器，3、家庭电网，4、用电设备，5、光伏发电控制装置，501、测量单元，502、控制单元，503、调节单元，504、储能单元，6、公共电网，7、智能网关，8、云端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种单向分布式并网光伏发电系统，包括依次连接的光伏电池组件1和逆变器2，逆变器1的输出端接入家庭电网3，家庭电网3连接有用电设备4及光伏发电控制装置5，家庭电网3还连接至公共电网6，逆变器2将光伏电池组件1产生的直流电转换为交流电，并将转换得到的交流电并入家庭电网3，为用电设备4以及光伏发电控制装置5提供电能；

公共电网6通过家庭电网3给用电设备4提供电能；

光伏发电控制装置5用于调节控制逆变器2输出交流电的流向，光伏发电控制装置5包括依次连接的测量单元501、控制单元502、调节单元503和储能单元504，测量单元501用于检测公共电网6的网侧电流方向，测量单元501安装于公共电网6与家庭电网3之间，控制单元502根据公共电网6的网侧电流方向，通过调节单元503相应调节逆变器2输出交流电的流向，储能单元504用于接收存储逆变器输出的交流电能。

此外，控制单元502通过智能网关7与云端8连接，以将控制单元502的相关数据传输至云端8实现远程监控，同时接收来自云端8对控制单元502的控制参数设置。

如图2～图4所示，本实施例中，测量单元具体为智能电表，控制单元具体为PLC控制器，储能单元具体为热水器，以对逆变器输出的交流电能进行热储能，调节单元具体为功率调节器，采用自耦变压器进行功率调节。本实施例的系统结构包括主回路和控制回路：主回路的一条支路是利用逆变器将光伏电池板产生的直流电变为交流电，并入家庭电网，接着给用户设备和热水器供电，另一条支路是由公共电网给家庭电网供电，接着给用户设备供电；

控制回路主要是PLC控制器检测到智能电度表中的电流值，当光伏发电量大于用户设备用电时，通过功率调节器将多余的电能传给热水器，进行热储能；若光伏发电量大致与用户设备所用电量相同，则无多余电能流向热水器；若光伏发电量小于用户设备所用电量，此时，公共电网会将不足的电量输送给家庭电网，和光伏发电系统发的电一起给用户设备供电。

其中，对于光伏发电控制过程，当PLC控制器检测到系统工作的各种电参数后，根据光伏发电优先使用、电网冲击小的控制策略，以进行功率调节；系统通过智能网关和云端链接，不同的设备及环境下控制参数也不同，可以通过云端远程调整参数，同时将系统工况信息，上传至云端，进行联网观测。

图3为储能控制方框图，利用物联网平台编写程序，通过PLC控制器检测电流信号，进而控制自耦变压器工作。当需要增加储能能量的时候，调高自耦变压器输出电压，输出功率增加；当需要减少储能能量的时候，降低自耦变压器输出电压，输出功率降低；当不需要储能的时候，自耦变压器输出电压为零，存储功率也为零。在实际应用中，储能系统控制设备参数，根据容量不同选择参数与型号不同。

本实施例结合研华物联网平台进行云端控制，如图4所示，将PLC采集的数据通过研华的智能网关ECU-1501传入互联网云端，此外，软件编写的程序也可通过智能网关来控制功率调节器。由此实现PC机远程实时监控，无需现场人工维护，降低了使用成本，提高了系统的可靠性和维护人员工作效率。利用网关的双向通信功能实现了对光伏发电数据、用户用电数据等工况信息的实时监控；并能根据实际需要对系统程序进行更新，对控制参数设置等，具有开放性高、实时性的优点。

本发明采用如图5所示的方法，以实现对单向分布式并网光伏发电系统的控制，主要包括以下步骤：

S1、测量单元实时监测公共电网的网侧电流方向，并将检测结果传输给控制单元；

S2、控制单元接收测量单元输出的检测结果，并根据公共电网的网侧电流方向，结合调节单元相应调节控制逆变器输出交流电的流向，防止逆变器输出交流电流向公共电网，同时保证用电设备的正常供电，具体的：

若公共电网的网侧电流方向为正向，则表明用电设备用电量大于光伏发电量，此时控制单元控制调节单元输出功率降低、储能单元不接收逆变器输出的交流电能，逆变器输出交流电全部提供给用电设备；

若公共电网的网侧电流方向为反向，则表明用电设备用电量小于光伏发电量，此时控制单元控制调节单元输出功率增加、储能单元接收逆变器输出的交流电能，逆变器输出交流电同时为用电设备以及储能单元供电。

综上所述，本发明综合离网，并网及防逆流三者优势，以实现一种高效、方便、覆盖面广的单向高效分布式并网光伏发电系统。首先，省去了针对蓄电池组的大量布线，大大节约了成本，改善离网式发电系统的缺点，增强了系统的稳定性、可靠性和高效性；其次，光伏发的电不会流向公共电网，通过光伏发电控制，能够保证了电流的单向流通，而且不需要申请入网许可证，便可以直接使用；最后，光伏发电系统会将光伏产生的多余电能，传给热水器，进行加热或者保温，相当于一种热储能，大大改善了传统技术中存在的能效不足。

此外，本发明采用功率调节器，利用PLC编写程序控制电机运行，将光伏发电过剩的电能传给热水器进行加热或者保温，具有稳定的性能，并且使用可靠。

本发明采用并网接线模式，将太阳能电池输出的直流电经逆变器变为交流电后，可直接供用户使用，这样就给用户节省了不少开支，而为了方便用户，并网光伏发电并不流向公共电网，这样省去了申请入网许可证的过程，采用光伏能源单向传输的方式，在家庭电网和公共电网之间，连接一个智能电度表，当PLC检测到智能电度表中的电流信号时，会将此信号传给微电脑控制器，通过控制功率调节器，将多余的电能传给热水器，让其加热或者保温，致使电流不会反偏，从而保证光伏发的电不会流入公共电网，同时将光能最大化利用，没有造成资源浪费。

本实施例还利用研华webaccess和系统联网，通过监控画面可以了解系统的运行情况以及对系统进行配置管理。网络是基于互联网，可以在任意电脑上，实时观察系统中运行情况，以保证系统的安全性；另外，装有智能网关，方便以后的系统维修与升级。

为验证本发明技术方案的有效性，将本技术方案与传统光伏发电系统进行比较，以五块光伏电池板为例进行说明：

在原材料方面，离网光伏发电系统都会配备蓄电池，铅酸免维护蓄电池和胶体蓄电池使用最为广泛。市面上容量为100AH左右(基本能满足家庭用电)的铅酸免维护蓄电池平均价格在400元左右，而容量为100AH左右的胶体蓄电池平均价格也接近400元。而本技术方案则无需蓄电池，直接以烧热水的形式储存多余电能，且容量可任意调节(水箱水越多，储能越多，反之亦然)。这就省去了购买蓄电池以及蓄电池布线的成本，能节省500元左右的成本。传统的光伏系统的安装及调试，所需成本大约1000元，而我们的技术方案则只需500元左右，成本上相比，就节约了50％。

在能源利用方面，目前常用光伏板规格：发电功率250w，面积1.6㎡，假设平均每天光照时间为5h，平均每年有效光照天数为300天。一块光伏板每年能发375度，普通家庭年用电量在2000度左右，由此可知，五块光伏板(年发电量为1875度)即能满足普通家庭用电。对于传统光伏发电，发电量一定，若蓄电池储能已满，则将会浪费掉多余的电能，五块光伏发电板产生的电量会浪费近400度电。由于本技术方案能通过加热水储存电能且容量任意，所以能最大限度的利用能源，忽略电路以及仪器电能损耗，本技术方案基本能做到百分百利用光伏板发的电。按照每度电0.6元计算，本技术方案相较于传统光伏发电一年将节省240元电费，在电能利用率上，我们技术方案近乎做到100％，而传统发电系统只能做到80％左右。

在工序方面：本技术方案由于没有蓄电池，所以无需繁琐的布线步骤，同时，本技术方案实现了对光伏发电数据，用户用电数据的实时监控，还能根据实际需要通过编写新程序对系统进行更新，大大减轻了检修任务。

环境保护方面：本技术方案在产生经济效益的同时还将产生社会效益，当本技术方案投入使用后，用户家庭用电将不再主要依靠国家电网供电。每年可节约0.7吨标准煤，减排二氧化碳1.5吨，减排灰渣0.5吨，减排粉尘0.01吨。为可持续发展做出了巨大贡献。

Claims (10)

1.一种单向分布式并网光伏发电系统，其特征在于，包括依次连接的光伏电池组件(1)和逆变器(2)，所述逆变器(2)的输出端接入家庭电网(3)，所述家庭电网(3)连接有用电设备(4)及光伏发电控制装置(5)，所述家庭电网(3)还连接至公共电网(6)，所述逆变器(2)将光伏电池组件(1)产生的直流电转换为交流电，并将转换得到的交流电并入家庭电网(3)，为用电设备(4)以及光伏发电控制装置(5)提供电能；

所述公共电网(6)通过家庭电网(3)给用电设备(4)提供电能；

所述光伏发电控制装置(5)用于调节控制逆变器(2)输出交流电的流向。

2.根据权利要求1所述的一种单向分布式并网光伏发电系统，其特征在于，所述光伏发电控制装置(5)包括依次连接的测量单元(501)、控制单元(502)、调节单元(503)和储能单元(504)，所述测量单元(501)用于检测公共电网(6)的网侧电流方向，所述控制单元(502)根据公共电网(6)的网侧电流方向，通过调节单元(503)相应调节逆变器(2)输出交流电的流向，所述储能单元(504)用于接收存储逆变器(2)输出的交流电能。

3.根据权利要求2所述的一种单向分布式并网光伏发电系统，其特征在于，所述测量单元(501)安装于公共电网(6)与家庭电网(3)之间。

4.根据权利要求2所述的一种单向分布式并网光伏发电系统，其特征在于，所述控制单元(502)通过智能网关(7)与云端(8)连接，以将控制单元(502)的相关数据传输至云端(8)实现远程监控，同时接收来自云端(8)对控制单元(502)的控制参数设置。

5.根据权利要求2～4任一所述的一种单向分布式并网光伏发电系统，其特征在于，所述测量单元(501)具体为智能电表。

6.根据权利要求2～4任一所述的一种单向分布式并网光伏发电系统，其特征在于，所述控制单元(502)具体为PLC控制器。

7.根据权利要求2～4任一所述的一种单向分布式并网光伏发电系统，其特征在于，所述储能单元(504)具体为热水器，以对逆变器(2)输出的交流电能进行热储能。

8.根据权利要求2～4任一所述的一种单向分布式并网光伏发电系统，其特征在于，所述调节单元(503)具体为功率调节器。

9.一种用于控制如权利要求1所述单向分布式并网光伏发电系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、测量单元实时监测公共电网的网侧电流方向，并将检测结果传输给控制单元；

S2、控制单元接收测量单元输出的检测结果，并根据公共电网的网侧电流方向，结合调节单元相应调节控制逆变器输出交流电的流向，防止逆变器输出交流电流向公共电网，同时保证用电设备的正常供电。

10.根据权利要求9所述的一种用于控制单向分布式并网光伏发电系统的方法，其特征在于，所述步骤S2的具体过程为：

若公共电网的网侧电流方向为正向，则表明用电设备用电量大于光伏发电量，此时控制单元控制调节单元输出功率降低、储能单元不接收逆变器输出的交流电能，逆变器输出交流电全部提供给用电设备；

若公共电网的网侧电流方向为反向，则表明用电设备用电量小于光伏发电量，此时控制单元控制调节单元输出功率增加、储能单元接收逆变器输出的交流电能，逆变器输出交流电同时为用电设备以及储能单元供电。

Images