CN202856379U - 分布式光伏发电区域集成控制装置 - Google Patents

Abstract

一种分布式光伏发电区域集成控制装置，包括光伏电池阵列、分布式逆变控制系统、传感网络、区域内电气控制系统、区域集控中心系统和电力调度控制中心，所述光伏电池阵列与分布式逆变控制系统连接，分布式逆变控制系统与区域集控中心系统连接，所述传感网络分别与光伏电池阵列、分布式逆变控制系统、区域集控中心系统连接，所述区域内电气控制系统分别与分布式逆变控制系统、区域集控中心系统连接，所述区域集控中心系统与市电网连接，区域集控中心系统与电力调度控制中心连接。本实用新型能将一定区域内小功率、分布式光伏发电装置互联集中管理并网，实现了光伏电力的灵活高效可靠的利用形式、光伏发电系统的参数远程测控以及电力调度。

Description

分布式光伏发电区域集成控制装置

技术领域

本实用新型涉及分布式光伏发电并网系统及其检测与控制领域，尤其是涉及分布式光伏发电区域集成并网的控制系统与控制装置。 

背景技术

随着经济的发展，能源短缺是全世界各个国家都面临的问题。同时作为最重要的可利用的石化能源物质如煤炭、石油、天然气等正面临着枯竭的危险，能源短缺问题正变得越来越严重，并影响到人们的生活水平。另一方面，石化能源所带来的环境污染、气候变暖等问题已无法忽视，影响了可持续发展、节能环保理念的发展与推广，正越来越受到人们的关注。在众多的新型能源中，太阳能具有清洁无污染、安全可靠、制约少、用之不尽取之不竭、可持续利用等优点，从而具有不可比拟的优势。分布式发电可以电力就地消纳，节省输变电投资和运行费用，减少集中输电的线路损耗；而且与大电网供电互为补充，减少电网容量，改善电网峰谷性能，提高供电可靠性。 

但是光伏发电本身具有不同于常规电源的随机性和间歇性的特点，其并网运行对电网的电能质量和安全稳定运行构成一定的威胁。一方面，光伏功率的注入改变了局部电网的潮流分布，对局部电网的电压质量和稳定性有很大影响，限制了光伏发电接入系统的方式和规模。另一方面，光伏发电的原动力可控性不强，是否处于发电状态以及出功的大小受限于天气状况和光伏系统的性能。从电网的角度看，并网运行的光伏发电相当于一个具有随机性的扰动源，随时可能对电网的可靠运行造成影响。因此，上述光伏发电系统由于电能质量、不稳定性、孤岛效应等导致的电网运行及安全问题将极大限制我国小规模分布式光伏发电系统的 大规模推广和应用。 

中国的分布式光伏发电还未进入推广阶段，目前的示范项目工程仍以大容量的光伏电站的建设为主。除了大光伏电站外，“金太阳示范工程”具有分布式光伏发电的优点，但由于技术原因，其电力主要以就地消纳为主，其控制中心只能监测分布式电站参数，无法控制更无法进行电力调度。在以德国、日本为代表的太阳能发电发达国家中，普遍以独栋建筑物为分布式光伏发电单元并网，取得了较好的应用。但现有的这种分布式光伏发电并网方式在具体实施应用过程中，存在这许多缺陷： 

1)每个分布式光伏发电单元独立成为一个系统，其单元规模较小，数量太多，成本高不经济。 

2)分布式光伏单元规模小，为不同业主所拥有，电能质量管理不方便，也不便于电网定期维护，存在安全隐患。 

3)由于规模小，数量多，无法进行电力统一调度，为现有电网的电力调度来巨大负担，且存在孤岛运行的危险。 

4)独立分散，电网接入点众多，智能仪表安装复杂，参数检测成本高，为智能电网的推广带来负担。 

综上所述，现有的分布式光伏发电并网方式与控制系统并不经济实用，不具备大规模推广的技术基础。 

发明内容

为了克服现有的分布式光伏发电并网方式与控制系统无法电力调度、稳定性较差、不能集中并网监控、维护性较差的不足，本实用新型提供一种提高分布式光伏发电系统稳定性、集中并网集中监控调度、增强维护性的分布式光伏发电区域集成的并网方式与控制装置。 

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：  

一种分布式光伏发电区域集成控制装置，包括光伏电池阵列、分布式逆变控制系统、传感网络、区域内电气控制系统、区域集控中心系统和电力调度控制中心，所述光伏电池阵列与所述分布式逆变控制系统连接，所述分布式逆变控制系统与所述区域集控中心系统连接，所述传感网络分别与光伏电池阵列、分布式逆变控制系统和区域集控中心系统连接，所述区域内电气控制系统分别与分布式逆变控制系统、区域集控中心系统连接，所述区域集控中心系统与市电网连接，所述区域集控中心系统与电力调度控制中心连接。 

所述光伏电池阵列安装于区域内各个建筑物顶，组成多单元分布式光伏电池阵列，其功率大小因地制宜，由建筑物屋顶可用光照面积、阴影区域等因素决定。各个光伏电池功能阵列单元输出直流电能经汇流箱导入分布式逆变控制系统。各个光伏电池阵列单元其工作电压与功率输出由所述分布式逆变控制系统实时控制。 

所述分布式逆变控制系统由光伏电池阵列单元对应的多逆变控制系统组成。所述逆变控制系统单元由直流电力逆变模块、最大功率点追踪控制模块、通信模块组成。 

所述传感网络由传感器网络与数据融合模块组成，所述传感器网络与所述数据融合模块连接；所述传感器网络包括温度传感器组、日照度传感器组、霍尔电流传感器组、霍尔电压传感器组、频率传感器组、热像漏电流传感器组等组成。所述温度、日照度传感器布置于所述光伏电池阵列现场，所述霍尔电流传感器组、霍尔电压传感器组、热像漏电流传感器组等布置于所述分布式逆变控制中，用于检测光伏电池阵列与分布式逆变控制系统的工作状态。所述数据融合模块采集各个传感器模块的数据并通过安培定律、维恩位移黑体辐射定律等计算出功率、功率因素、有功与无功功率、温度等，并采用定量权数归一化算法对数据进行处理 并发出紧急针对现场命令。 

本实用新型的技术构思为：将多层分布式微网的控制方法、通信技术以及电力调度策略引入到太阳能光伏发电并网系统中，将一定区域范围内的小功率、分布式光伏发电装置利用网络通讯技术加以互联并进行集中并网与调度控制，可与现有集中电力供电系统结合形成一个整体的高效灵活电力系统，提高整个供电系统的稳定性、可靠性和电力质量。 

由光伏电池阵列、分布式逆变控制系统、传感网络、区域内电气控制系统、区域集控中心系统、电力调度控制中心等主要部分组成，采用特有的控制方法，如附图3所示，将一定区域范围内的小功率、分布式光伏发电装置互联集中并网，并可接受当地电力的调度控制。其中光伏电池阵列为太阳能转换电能装置，因地制宜布置在区域内的多栋建筑物顶端，光伏电池阵列所转化的直流电能经汇流后分别接入各自对应的分布式逆变控制系统中。分布式逆变系统一方面将直流电能逆变为380伏特的工频交流电能，另一方面对光伏电池阵列的最大功率点进行跟踪控制，实时调节光伏电池阵列的工作电压，使其输出功率始终最大化。分布式逆变系统输出的380伏特工频交流电能由区域集控中心系统并联后集中在同一个节点并网。此外，区域集控中心根据区域内分布式光伏发电电源的状态模型和传感网络的信号参数，调整并控制各个分布式光伏发电电源的工作状态，并根据部分参数采用特有算法发出紧急控制命令。另外，区域控制中心与电力调度中心通信，上报区域内光伏发电工作状态与环境参数，同时接收电力调度中心的调度命令，执行其停止、调整、启动发电的操作。传感网络的各种传感器布置与区域网内各个设备上，用于检测环境参数和电气参数，并将参数信号发送到区域集控中心系统，供其决策。当地电力调度中心接收区域集控中心系统的工作环境参数和工作状态，并根据实际市电电力消纳情况对区域集成的分布式光伏发电系统进行 控制与调度。 

本实用新型的有益效果主要表现在：  

1)将一定区域范围内的小功率、分布式光伏发电装置利用网络通讯技术加以互联并进行集中并网与调度控制，每个光伏发电单元具有二级控制，提高了系统的稳定性。 

2)光伏直流电经过逆变后再经过集控中心集中管理并网，可以方便地进行无功补偿和有源滤波，提高了电能质量，减少对电网的谐波和无功污染。 

3)光伏发电具有间歇性和不稳定性的特点，区域内多个分布式光伏发电装置经过集中并联后再并网，只有一个并网点，减少了间歇性和不稳定电力对市电网的冲击。 

4)光伏发电具有分散、功率小、数量多的特点，该系统将区域内多个分布式光伏发电集中管理并网，实现了光伏发电的调度和管理，便于市电电网波峰波谷的调节。 

5)由于电力调度中心实时监测分布式光伏发电系统的工作状态，而且能够对其进行状态控制和电力调度，避免了光伏发电电源的孤岛运行状态，提高了电网的安全性。 

6)分布式光伏发电地与负载在同一区域，经过电力调度中心的调度，光伏电能能够就地消纳，减小了市电电网扩容的投入和电能传输的损耗，提高了系统的经济性。 

7)分布式发电区域集成控制系统采用标准化内源模型和通信控制协议，使电力调度中心可同时管理多个区域集成光伏发电系统，具备良好的可推广性，便于光伏电能大规模并网应用。 

8)光伏发电系统的发电峰值与与负载用电高峰重合，对市电电网有削峰的 调节作用。 

9)实现了整个系统集中实施与集中管理，采用了可视化的管理中心，增强了系统功能，方便系统维护，增强了系统的稳定性和可靠性，并降低了维护成本。 

附图说明

图1是本实用新型分布式光伏发电区域集成控制装置的结构图； 

图2是本实用新型集控中心控制系统结构框架； 

图3 是本实用新型分布式光伏发电区域集成的控制方法与调度策略的示意图。 

具体实施方式

结合附图对本实用新型的实施例作详细说明：本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。 

参照图1~图3，一种分布式光伏发电区域集成控制装置，由光伏电池阵列、分布式逆变控制系统、传感网络、区域内电气控制系统、区域集控中心系统和电力调度控制中心等主要部分组成，所述光伏电池阵列与所述分布式逆变控制系统连接，所述分布式逆变控制系统与所述区域集控中心系统连接，所述传感网络分别与光伏电池阵列、分布式逆变控制系统和区域集控中心系统连接，所述区域内电气控制系统分别与分布式逆变控制系统、区域集控中心系统连接，所述区域集控中心系统与市电网连接，所述区域集控中心系统与电力调度控制中心连接。 

本实用新型采用控制方法将一定区域范围内的小功率、分布式光伏发电装置互联集中并网，并可接受当地电力的调度控制。其中光伏电池阵列为太阳能转换电能装置，因地制宜布置在区域内的多栋建筑物顶端，光伏电池阵列所转化的直流电能经汇流后分别接入各自对应的分布式逆变控制系统中。分布式逆变系统一 方面将直流电能逆变为380伏特的工频交流电能，另一方面对光伏电池阵列的最大功率点进行跟踪控制，实时调节光伏电池阵列的工作电压，使其输出功率始终最大化。分布式逆变系统输出的380伏特工频交流电能由区域集控中心系统并联后集中在同一个节点并网。此外，区域集控中心根据区域内分布式光伏发电电源的状态模型和传感网络的信号参数，调整并控制各个分布式光伏发电电源的工作状态，并根据部分参数采用特有算法发出紧急控制命令。另外，区域控制中心与电力调度中心通信，上报区域内光伏发电工作状态与环境参数，同时接收电力调度中心的调度命令，执行其停止、调整、启动发电的操作。传感网络的各种传感器布置与区域网内各个设备上，用于检测环境参数和电气参数，并将参数信号发送到区域集控中心系统，供其决策。当地电力调度中心接收区域集控中心系统的工作环境参数和工作状态，并根据实际电力消纳情况对区域集成的分布式光伏发电系统进行控制与调度。 

所述光伏电池阵列分别安装在区域内多栋主要建筑物顶端组成多单元分布式光伏电池阵列，其功率可根据建筑物屋顶面积与日照情况分别独立确定。各个光伏电池功能阵列输出直流电流经汇流箱导入多个分布式逆变控制系统。分布式逆变控制系统分别实时控制其对应的光伏电池阵列的工作电压与功率输出。 

所述分布式逆变控制系统由多组逆变控制系统组成。每个逆变控制系统单元由直流电力逆变模块、最大功率点追踪控制模块、通信模块组成。所述逆变控制系统的直流电力逆变模块采用三相无变压器型(Transformerless) 混合型H 桥（MOSFET＋IGBT）拓扑结构。将光伏电池阵列所输出直流电力逆变为三相380伏特的工频交流电。所述逆变控制系统的最大功率点追踪控制模块采用自适应模糊神经推理算法根据光伏电池的功率电压特性曲线和工作环境参数最大功率点算法得出光伏电池的最佳工作电压，然后由双BOOST-BUCK控制电路实时调整光 伏电池的工作电压，使之输出功率最大。所述逆变控制系统的通信模块采用MODBUS TCP/IP现场总线工业通信协议与所述区域集控中心进行数据交换，将工作状态、电压、电流、功率因素、有功功率等参数上传至所述区域集控中心，并接受所述区域集控中心的命令。 

所述逆变控制系统的最大功率点追踪控制模块由双BOOST-BUCK控制电路与自适应模糊神经推理（adaptive neuro-fuzzy inference， ANFI）算法组成。根据光伏电池的I-V、P-V特性曲线与温度、太阳辐射度等工作环境参数的关系特性采用ANFI算法得出光伏电池的最佳工作电压，然后由双BOOST-BUCK控制电路实时调制光伏电池的工作电压，使之输出功率最大。 

所述自适应模糊神经推理算法基于自适应神经网络的模糊推理系统，采用Sugeno模糊模型的五层ANFI神经网络结构，由当前电压、电流、功率、温度、太阳辐射度参数组成输入向量u(V,I,P,T,R)，输出f(u)为最大功率点的最佳工作电压。 

所述传感网络由传感器网络与数据融合模块组成。所述传感器网络包括温度传感器组、日照度传感器组，分别布置于光伏电池阵列现场；还包括霍尔电流传感器组、霍尔电压传感器组，以及热像漏电流传感器组、频率传感器组等。传感网络个传感器分别用于检测光伏电池阵列工作环境、分布式逆变控制系统的工作状态。所述数据融合模块采集每个传感器模块并通过安培定律、维恩位移黑体辐射定律等计算出功率、功率因素、有功与无功功率、温度等，并采用定量权数归一化算法对数据进行处理，若区域系统内发生短路、失相、严重欠频等电气事故集控中心将发出紧急针对现场控制命令。 

所述定量权数归一算法将功率变化偏移量、频率变化偏移量、电压变化偏移量、电流变化偏移量、温度变化偏移量进行加权，然后归一化为[0 1]区间的紧急 程度，当归一化紧急程度大于既定阈值矢量时，即为对应的危险状况，将发出对应的紧急针对现场命令。 

所述区域内电气控制系统接受分布式逆变控制系统紧急命令与区域集控中心命令，用于改变区域内所述光伏电池阵列、分布式逆变控制系统的工作状态，控制发电功率、保障区域内电气设施安全。 

所述区域集控中心系统由电力汇集电气模块、通信模块、数据融合与决策算法、上位机应用软件等组成。所述区域集控中心系统的电力汇集电气模块由变压器、空气开关、继电器、逻辑可编程控制器等主要部分组成，将6组分布式逆变控制系统所逆变的三相380伏特工频交流电并联汇集接入市电电网。所述区域集控中心系统的通信模块具有区域内通信与区域外远程通信两个通道。区域内通信通道用于与区域内分布式逆变控制系统和传感网络通信，采用MODBUS TCP/IP现场总线协议采集区域内信号数据，并向分布式逆变系统、电气控制系统相关节点发送控制命令。区域外远程通信通道用于与所述电力调度中心通信，采用通用UDP网际用户数据包协议和专用智能电网编码与加密算法向调度中心传送系统内各个主要部件的工作条件与状态，包括温度数据、日照度数据、有功功率、并网节点电压、功率因数、谐波分量等，同时接收调度中心的调度命令，用于调整区域内光伏发电的电力或工作状态。所述区域集控中心系统的数据融合与决策算法采用D—S证据理论和模糊数学的多传感器数据融合技术，综合传感网络的信号数据，然后采用定量权数归一化算法对融合数据进行分析，并向电气控制模块和分布式逆变控制系统发出控制命令。所述区域集控中心系统的上位机应用软件采用面向对象的程序开发方法开发，具有稳定性好可扩展性强的特点，由人机界面、控制逻辑与数据库等主要部分组成。人机界面用于工作环境与区域内各电气设备工作状态的显示与命令发送操作。控制逻辑用于数据融合与决策算法后的命 令产生。数据库用于保存工作环境参数、工作状态历史数据以及各种事件的日志，具有可追溯性的特点。 

所述电力调度控制中心为一套远程监控应用软件，采用面向对象的软件编程技术开发，具备多组人机界面，能监控多个区域集成系统的工作状态。采用通用网际用户数据包协议和专用智能电网编码与加密算法接收区域集成控制系统的工作条件参数与状态。在人机界面显示区域集成控制系统的温度、日照度、有功功率、并网节点电压、功率因数、谐波分量等数据。具备向区域集成控制系统发送电力调度命令，包括停止发电、定量发电、启动发电、电能质量反馈等，用于调整区域内光伏发电的电力或工作状态。 

本实施例为杭州市某高校内分布式光伏发电区域集成系统示范工程规划。该分布式光伏发电区域集成控制装置由6组光伏电池阵列单元、6组分布式逆变控制系统、1个传感网络、1组区域内电气控制系统、1个区域集控中心系统以及远程电力调度控制中心等主要部分组成，如图1所示。 

6个光伏电池功能阵列分别安装在校内6栋主要建筑物顶端组成分布式光伏电池阵列，其功率有15KVA与20KVA两种。各个光伏电池功能阵列输出直流电流经汇流箱导入6个分布式逆变控制系统。6个分布式逆变控制系统分别实时控制其对应的光伏电池阵列的工作电压与功率输出。6个逆变控制系统的每个逆变控制系统单体由直流电力逆变模块、最大功率点追踪控制模块、通信模块组成。其直流电力逆变模块采用三相无变压器型(Transformerless) 混合型H 桥（MOSFET＋IGBT）拓扑结构。将光伏电池阵列所输出直流电力逆变为三相380伏特的工频交流电。其最大功率点追踪控制模块采用自适应模糊神经推理算法根据光伏电池的功率电压特性曲线和工作环境参数最大功率点算法得出光伏电池的最佳工作电压，然后由双BOOST-BUCK控制电路实时调整光伏电池的工作电压， 使之输出功率最大其通信模块采用MODBUS TCP/IP现场总线工业通信协议与所述区域集控中心进行数据交换，将工作状态、电压、电流、功率因素、有功功率等参数上传至所述区域集控中心，并接受所述区域集控中心的命令。 

传感器网络包括6组温度传感器组、日照度传感器组，分别布置于光伏电池阵列现场；还包括12组霍尔电流传感器组、霍尔电压传感器组，以及6组热像漏电流传感器组、6组频率传感器组等。传感网络个传感器分别用于检测光伏电池阵列工作环境、分布式逆变控制系统的工作状态。数据融合模块采集每个传感器模块并通过安培定律、维恩位移黑体辐射定律等计算出功率、功率因素、有功与无功功率、温度等，并采用定量权数归一化算法对数据进行处理，若区域系统内发生短路、失相、严重欠频等电气事故集控中心将发出紧急针对现场控制命令。区域内电气控制系统接受分布式逆变控制系统紧急命令与区域集控中心命令，用于改变区域内所述光伏电池阵列、分布式逆变控制系统的工作状态，控制发电功率、保障区域内电气设施安全。 

区域集控中心系统由电力汇集电气模块、通信模块、数据融合与决策算法、上位机应用软件、人机界面等组成。区域集控中心系统的电力汇集电气模块由变压器、空气开关、继电器、逻辑可编程控制器等主要部分组成，将6组分布式逆变控制系统所逆变的三相380伏特工频交流电并联汇集接入市电电网。区域集控中心系统的通信模块具有区域内通信与区域外远程通信两个通道。区域内通信通道用于与区域内分布式逆变控制系统和传感网络通信，采用MODBUS TCP/IP现场总线协议采集区域内信号数据，并向分布式逆变系统、电气控制系统相关节点发送控制命令。区域外远程通信通道用于与所述电力调度中心通信，采用通用UDP网际用户数据包协议和专用智能电网编码与加密算法向调度中心传送系统内各个主要部件的工作条件与状态，包括温度数据、日照度数据、有功功率、并 网节点电压、功率因数、谐波分量等，同时接收调度中心的调度命令，用于调整区域内光伏发电的电力或工作状态。所述区域集控中心系统的数据融合与决策算法采用D—S证据理论和模糊数学的多传感器数据融合技术，综合传感网络的信号数据，然后采用定量权数归一化算法对融合数据进行分析，并向电气控制模块和分布式逆变控制系统发出控制命令。所述区域集控中心系统的上位机应用软件采用面向对象的程序开发方法开发，由人机界面、控制逻辑与数据库等主要部分组成。人机界面用于工作环境与区域内各电气设备工作状态的显示与命令发送操作。控制逻辑用于数据融合与决策算法后的命令产生。数据库用于保存工作环境参数、工作状态历史数据以及各种事件的日志，具有可追溯性的特点。 

电力调度控制中心为一套远程监控应用软件，采用面向对象的软件编程技术开发，具备多组人机界面，能监控多个区域集成系统的工作状态。采用通用网际用户数据包协议和专用智能电网编码与加密算法接收区域集成控制系统的工作条件参数与状态。在人机界面显示区域集成控制系统的温度、日照度、有功功率、并网节点电压、功率因数、谐波分量等数据。具备向区域集成控制系统发送电力调度命令，包括停止发电、定量发电、启动发电、电能质量反馈等，用于调整区域内光伏发电的电力或工作状态。 

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的一个具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。 

Claims (2)

1.一种分布式光伏发电区域集成控制装置，其特征在于：包括光伏电池阵列、分布式逆变控制系统、传感网络、区域内电气控制系统、区域集控中心系统和电力调度控制中心，所述光伏电池阵列与分布式逆变控制系统连接，分布式逆变控制系统与区域集控中心系统连接，所述传感网络分别与光伏电池阵列、分布式逆变控制系统、区域集控中心系统连接，所述区域内电气控制系统分别与分布式逆变控制系统、区域集控中心系统连接，所述区域集控中心系统与市电网连接，区域集控中心系统与电力调度控制中心连接。

2.如权利要求1所述分布式光伏发电区域集成控制装置，其特征在于：所述分布式逆变控制系统由光伏电池阵列单元对应的多个逆变控制系统单体组成，所述逆变控制系统单体由直流电力逆变模块、最大功率点追踪控制模块、通信模块组成。 

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