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CN114465358A - 分布式光伏逆变器控制系统及方法 - Google Patents

分布式光伏逆变器控制系统及方法 Download PDF

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CN114465358A
CN114465358A CN202210084330.8A CN202210084330A CN114465358A CN 114465358 A CN114465358 A CN 114465358A CN 202210084330 A CN202210084330 A CN 202210084330A CN 114465358 A CN114465358 A CN 114465358A
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黄兴华
李泽文
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李怡然
黄秋岑
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State Grid Fujian Electric Power Co Ltd
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State Grid Fujian Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明提出一种分布式光伏逆变器控制系统及方法，包括多个光伏逆变器、物联开关和智能融合终端；多个所述光伏逆变器分别通过物联开关与智能融合终端建立连接。以解决光伏逆变器的远端控制调度指令较难实现、安全性能不足、有功无功调节能力未充分利用的问题。结合智能融合终端与物联开关，通过光伏逆变器手拉手通信方式与物联开关基于指令进行数据中继通信方式，提升通信效率，降低初期建设成本，同时保证信息通信安全，实现台区功率平衡与电压智能管控。

Description

分布式光伏逆变器控制系统及方法
技术领域
本发明涉及电气控制、智能配电技术领域，尤其涉及一种分布式光伏逆变器控制系统及方法。
背景技术
光伏逆变器是一种可以将光伏太阳能板产生的可变直流电压转换为市电频率交流电的逆变器。随着能源转型的推进与配电技术的发展，分布式光伏呈现装机规模高速发展的发展格局。传统的光伏逆变器通常采用直接与配电网连接的方式接入，依靠光伏逆变器的控制装置实现最大功率点跟踪与给定功率因数运行，利用无线公网或短距离无线蓝牙通讯方式实现对光伏逆变器电气量的远端控制。
随着分布式光伏为代表的分布式电源迅猛发展，大规模的分布式光伏接入配电网，对配电网电压水平、短路容量、继电保护、供电可靠性以及电能质量等方面造成较大影响。传统“无源、被动”配电网对光伏逆变器的接入感知与远端控制能力较低，通常利用无线公网或短距离无线蓝牙通讯方式实现对光伏逆变器电气量的远端控制，对光伏逆变器的远端控制调度指令较难实现，安全性能低。
现有分布式光伏逆变器控制技术中通常为各个光伏逆变器单独无序的调节并网交流电压、有功功率、无功功率、功率因数、发电量的方式接入低压配电网。在使用时存在以下缺点：
1、各个光伏逆变器未考虑邻近区域配电网接入的光伏逆变器发电量等信息，光伏逆变器单独无组织的调节将导致配电网的电压波动与有功功率波动，进而造成配电网电能质量下降。
2、随着用电负荷的增加，配电网无功需求增大，虽然光伏逆变器具备无功功率调节与功率因数调节功能，但是光伏逆变器无法获取低压配电网的实时无功需求，通常是保证自身特定的功率因数，浪费了光伏逆变器的无功调节能力。
这一些问题都是大规模分布式光伏逆变器接入低压配电网时需要考虑的问题。
此外，现有分布式光伏逆变器控制技术中通常为光伏逆变器检测自身并网点电压，满足并网条件后直接接入配电网，并通过厂家各自开发的APP实现远端控制，在使用时存在以下缺点：
1、各个光伏逆变器仅通过检测自身并网点电压，进而直接接入低压配电网。配电网主站对光伏逆变器接入与运行状态感知能力不足。
2、光伏逆变器的远端控制通常采用无线公网或蓝牙方式进行控制，未考虑信息安全加密，容易受到针对分布式光伏逆变器的通信攻击。
3、配电网主站未建立与光伏逆变器的通信，无法实现远端调度控制与保护功能，仅依靠光伏逆变器自身的运行策略与保护策略实现并网运行，浪费了光伏逆变器主动参与有功调峰与无功补偿能力。
这一些问题都是大规模分布式光伏逆变器接入低压配电网时需要考虑的问题。
因此，急需一种提高光伏逆变器的可测、可控和安全性能的方案。
发明内容
本发明针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明提出一种分布式光伏逆变器控制系统及方法，解决光伏逆变器的远端控制调度指令较难实现、安全性能不足、有功无功调节能力未充分利用的问题。结合智能融合终端与物联开关，通过光伏逆变器手拉手通信方式与物联开关基于指令进行数据中继通信方式，提升通信效率，降低初期建设成本，同时保证信息通信安全，实现台区功率平衡与电压智能管控。
本发明具体采用以下技术方案：
一种分布式光伏逆变器控制系统，其特征在于，包括：多个光伏逆变器、物联开关和智能融合终端；多个所述光伏逆变器分别通过物联开关与智能融合终端建立连接。
进一步地，每一所述光伏逆变器配备有：带有至少2路RS485接口逆变器控制器；所述物联开关至少带有相连接的：带有至少2路RS485接口的RS485通信模块和HPLC载波通信模块；多个所述光伏逆变器和物联开关通过RS485接口手拉手连接构成环网；所述智能融合终端与物联开关通过HPLC建立连接。
进一步地，所述物联开关的功率输出端与台区380V配电网电气连接，功率输入端与光伏逆变器电气连接。
进一步地，所述光伏逆变器分别与逆变器控制装置和数据采集装置连接，所述逆变器控制装置分别与数据采集装置、数据计算装置和数据传输装置连接；显示装置分别与数据采集装置和数据传输装置连接。
进一步地，所述智能融合终端内嵌安全加密芯片，用于支持终端自身防护；所述物联开关设置有安全加密芯片，将光伏调控数据通信的安全边界延伸物联开关数据采集侧。
进一步地，所述数据采集装置将三相光伏逆变器并入交流配电网的电压U a 、U b 、U c 、并入交流配电网的电流i al 、i bl 、i cl 、光伏直流电压、光伏直流电流i dc 、采集并发送给逆变器控制装置，逆变控制装置与数据计算装置配合计算得到当前发电量、有功功率、无功功率和功率因数电气量数据，通过数据传输装置发送给物联开关，并将相关显示数据发送给显示装置，对于不必计算的数据，包括：三相光伏逆变器并入交流配电网的电压U a 、U b 、U c 、并入交流配电网的电流i al 、i bl 、i cl 、光伏直流电压、光伏直流电流i dc 直接由数据采集装置发送至显示装置，通过显示装置显示实时的光伏逆变器运行状态数据；所述物联开关将各个光伏逆变器的数据汇总，通过物联开关的RS485通信模块在本地解析各个光伏逆变器上传的数据包内容，判断是否有不满足并网要求的光伏逆变器运行状态数据，就地进行保护动作，再打包成适配HPLC通信方式的数据格式透传至智能融合终端。
进一步地，所述智能融合终端通过响应调度指令或在本地计算各台光伏逆变器的并网电压、发电量、有功功率、无功功率和功率因数给定值，以满足该区域交流电压稳定、有功功率波动抑制与无功功率统一补偿和功率因数集中调节的功能；所述智能融合终端通过HPLC的通信方式将各台光伏逆变器的并网电压、发电量、有功功率、无功功率和功率因数给定值下发至物联开关，物联开关将光伏逆变器的给定值分发给对应的光伏逆变器及其配套控制装置，逆变器控制装置根据获取到的并网电压、发电量、有功功率、无功功率、功率因数给定值，调整内部控制参数与驱动信号，实现根据调度要求调节并网电压、发电量、有功功率、无功功率和功率因数的目的。
进一步地，其数据通信方法，包括以下步骤：
步骤S1：当光伏逆变器装置准备并入配电网发电时，光伏逆变器装置采集光伏输入电压、输入电流、输出电压、输出电流电气量数据，计算获得当前发电量、有功功率、无功功率和功率因数电气量数据，按照RS485方式将上述数据打包发送给物联开关；
步骤S21：物联开关的通信模块采集到由光伏逆变器装置按照RS485通信方式发送过来的当前光伏运行数据，在本地解析数据包，分析当前发电量、有功功率、无功功率和功率因数电气量数据信息，判断是否需要就地进行保护动作，包括：孤岛保护、过载保护、过压保护和欠压保护；并按照HPLC通信方式将数据包打包并发送至智能融合终端；
步骤S3：智能融合终端采集到物联开关发送的光伏逆变器运行数据后，将数据包上传至云主站；智能融合终端通过响应调度指令或在本地计算各台光伏逆变器的并网电压、发电量、有功功率、无功功率和功率因数给定值，按照HPLC或RS485的通信方式将各台光伏逆变器的并网电压、发电量、有功功率、无功功率和功率因数给定值下发至物联开关；
步骤S4：物联开关通信模块采集到由智能融合终端发送过来的各个光伏逆变器装置的给定值数据包后，将数据包分发给对应的光伏逆变器及其配套控制装置；
步骤S5：光伏逆变器控制装置根据获取到的并网电压、发电量、有功功率、无功功率、功率因数给定值，调整内部控制参数，实现根据调度要求调节并网电压、发电量、有功功率、无功功率和功率因数的目的。
进一步地，将步骤S21替换为步骤S22：物联开关的通信模块通过协议适配，融合终端转发主站下达召测通信指令到物联开关，物联开关接收到请求帧数据域的端口信息，通过数据中继方式将采集到由光伏逆变器装置按照RS485通信方式发送过来的数据包，按照应答帧的格式打包数据抄送上传至智能融合终端，不在物联开关本地进行解析。
本发明及其优选方案具有如下优点或有益效果：
1、通过物联开关的协议适配，实现数据中继，达到通过高速电力载波HPLC模块传输不同协议的目的，赋予物联开关对不同厂家光伏逆变器装置的管理能力。
2、智能融合终端自带有安全加密芯片，物联开关可加装安全加密芯片，将光伏并网的电力信息安全边界延伸至物联开关采集侧，从设备层面保证光伏电力信息数据安全。
3、利用智能融合终端和物联开关实现对分布式光伏逆变器的并网电压、发电量、有功功率、无功功率和功率因数等电气量采集、远端控制与本地保护，有利于维持低压配电网的电压稳定，抑制有功功率波动，实现给定无功功率与目标功率因数调节的目的，降低了线路损耗。
4、可以利用一台物联开关实现一点对多点逆变器并网信息的采集，降低了一个物联开关对一个光伏逆变器采集、保护配套的建设成本和后期运维成本；
5、充分利用光伏逆变器及其配套控制装置的无功补偿功能，无需配套建设一套无功补偿装置，降低建设成本和后期运维费用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例提供的第一种分布式光伏逆变器控制系统结构示意图。
图2为本发明实施例提供的第二种分布式光伏逆变器控制系统结构示意图。
图3为本发明实施例分布式光伏逆变器控制流程示意图。
图4为本发明实施例光伏逆变器及其配套控制装置的整体结构示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：
如图1所示，本实施例提出的基本设计方案中，包括有n个光伏逆变器、物联开关和智能融合终端。
其中，每一光伏逆变器配备有：带有至少2路RS485接口逆变器控制器；物联开关至少带有相连接的：带有至少2路RS485接口的RS485通信模块和HPLC载波通信模块；n个光伏逆变器和物联开关通过RS485接口手拉手连接构成环网；智能融合终端与物联开关通过HPLC载波中继通信建立连接。
具体地，其核心部分的连接方式可以是：物联开关的通信模块与光伏逆变器及其配套控制器装置1的第1路RS-485接口连接，光伏逆变器装置1的第二路RS-485接口与光伏逆变器装置2的第一路RS-485接口连接，光伏逆变器装置2的第二路RS-485接口与光伏逆变器装置3的第一路RS-485接口连接，依次类推，直至光伏逆变器装置n的第二路RS-485接口与物联开关的第二路RS-485接口连接。
在本实施例中，采用的物联开关的定义与现有常规领域的“物联智能开关”的含义基本相同，即可以通过物联网远程控制开关的分、合闸。具体应用至本实施例场景时“物联部分”采用HPLC载波通信模块实现（也可以替换为RS485的通信方式），该模块属于本领域常见电路模块，本实施例不对其进行进一步赘述；而“开关”部分则可以采用本领域常用于对电路通断进行控制的断路器并进一步可以配备有合闸、分闸的控制电路。
进一步为了实现对光伏逆变器至电网的通断控制，可以将物联开关的功率输出端与台区380V配电网电气连接，功率输入端与光伏逆变器电气连接，相当于将其断路器的部分进行接入。
通过引入控制和通信等相关模块，可用于实现包括孤岛保护、过压保护、欠压保护、电量统计，用于实现远程遥控遥测，用于上传下发电气量数据，用于光伏逆变器故障状态下的快速隔离。
在本实施例中，所采用的智能融合终端也属于当前较为成熟的设备，可以利用其自带的功能用于通过响应调度指令或在本地计算各台光伏逆变器的并网电压、发电量、有功功率、无功功率和功率因数给定值，以满足该区域交流电压稳定、有功功率波动抑制与无功功率统一补偿和功率因数集中调节的功能，以及用于监控物联开关和低压配电网电能质量，并上传数据至配电云主站。智能融合终端进一步可以通过无线公网方式与其他设备进行数据交互。
在本实施例中，智能融合终端内嵌安全加密芯片，支持终端自身防护。对应地，物联开关可加装安全加密芯片，将光伏调控数据通信的安全边界延伸物联开关数据采集侧。
如图4所示，在本实施例中，涉及的三相逆变器的电路拓扑包括但不限于两电平拓扑、三电平T-Type拓扑、三电平飞跨电容型拓扑、三电平中性点钳位拓扑、多电平钳位拓扑、多电平级联拓扑等，实现直流逆变成三相交流功能与有功功率、无功功率和功率因数调节功能。其控制器用于控制光伏逆变器产生满足并网接入低压配电网要求的电压、用于采集光伏输入电压、输入电流、输出电压和输出电流的电气量数据、用于与物联开关通过RS-485通信方式交互光伏逆变器信息、用于响应物联开关通过RS-485通信方式下达的并网调控指令。
在实际使用过程中，可以通过数据采集装置将三相光伏逆变器并入交流配电网的电压U a 、U b 、U c 、并入交流配电网的电流i al 、i bl 、i cl 、光伏直流电压、光伏直流电流i dc 、采集并发送给逆变器控制装置，逆变控制装置与数据计算装置配合计算得到当前发电量、有功功率、无功功率和功率因数电气量数据，通过数据传输装置按照RS-485方式将上述数据发送给物联开关，并将相关显示数据发送给显示装置，对于不必计算的数据，例如三相光伏逆变器并入交流配电网的电压U a 、U b 、U c 、并入交流配电网的电流i al 、i bl 、i cl 、光伏直流电压、光伏直流电流i dc 直接由数据采集装置发送至显示装置，通过显示装置显示实时的光伏逆变器运行状态数据。物联开关将各个光伏逆变器的数据汇总，通过物联开关的RS-485通信模块在本地解析各个光伏逆变器上传的数据包内容，判断是否有不满足并网要求的光伏逆变器运行状态数据，就地进行保护动作，例如过载保护、过压保护、欠压保护等，再打包成适配HPLC通信方式的数据格式，按照HPLC通信方式透传至智能融合终端。
智能融合终端通过响应调度指令或在本地计算各台光伏逆变器的并网电压、发电量、有功功率、无功功率和功率因数给定值，以满足该区域交流电压稳定、有功功率波动抑制与无功功率统一补偿和功率因数集中调节的功能。交流智能融合终端通过HPLC的通信方式将各台光伏逆变器的并网电压、发电量、有功功率、无功功率和功率因数给定值下发至物联开关，物联开关通过RS-485通信方式将光伏逆变器的给定值分发给对应的光伏逆变器及其配套控制装置，控制装置根据获取到的并网电压、发电量、有功功率、无功功率、功率因数给定值，调整内部控制参数与驱动信号，实现根据调度要求调节并网电压、发电量、有功功率、无功功率和功率因数的目的。
如图2所示，本发明实施例提供的第二种分布式光伏逆变器控制系统结构也支持每一光伏逆变器对应连接一个物联开关的多物联开关拓扑结构，该方案从管控逻辑上更为清晰，但成本较高，且物联开关与智能融合终端之间只能支持HPLC载波通信的方式。
如图3所示，本发明实施例方案提供的通信方案为：
S1、当光伏逆变器装置准备并入配电网发电时，光伏逆变器装置采集光伏输入电压、输入电流、输出电压、输出电流电气量数据，计算获得当前发电量、有功功率、无功功率和功率因数电气量数据，按照RS-485方式将上述数据打包发送给物联开关。
S21、物联开关的通信模块采集到由光伏逆变器装置按照RS-485通信方式发送过来的当前光伏运行数据，在本地解析数据包，分析当前发电量、有功功率、无功功率和功率因数电气量数据信息，判断是否需要就地进行保护动作，例如孤岛保护、过载保护、过压保护、欠压保护等，按照HPLC通信方式将数据包打包并发送至智能融合终端；
S22、物联开关的通信模块通过协议适配，融合终端转发主站下达召测通信指令到物联开关，物联开关接收到请求帧数据域的端口信息，通过数据中继方式将采集到由光伏逆变器装置按照RS-485通信方式发送过来的数据包，按照应答帧的格式打包数据抄送上传至智能融合终端，不在物联开关本地进行解析。
S3、智能融合终端采集到物联开关发送的光伏逆变器运行数据后，将数据包上传至云主站。智能融合终端通过响应调度指令或在本地计算各台光伏逆变器的并网电压、发电量、有功功率、无功功率和功率因数给定值，按照HPLC或RS-485的通信方式将各台光伏逆变器的并网电压、发电量、有功功率、无功功率和功率因数给定值下发至物联开关。
S4、物联开关通信模块采集到由智能融合终端发送过来的各个光伏逆变器装置的给定值数据包后，将数据包分发给对应的光伏逆变器及其配套控制装置。
S5、控制装置根据获取到的并网电压、发电量、有功功率、无功功率、功率因数给定值，调整内部控制参数，实现根据调度要求调节并网电压、发电量、有功功率、无功功率和功率因数的目的。
其中，对于第2个步骤，如果采用如图1所示的拓扑结构，则一般选用S21的方案，对应第一种通信方法为光伏逆变器装置将采集到的数据包在本地解析，再重新打包上传智能融合终端；
如果采用如图2所示的拓扑结构，则一般选用S22的方案，对应第二种通信方法为物联开关的通信模块通过协议适配，融合终端转发主站下达的召测通信指令到物联开关，物联开关接收到请求帧数据域的端口信息，通过数据中继方式将采集到由光伏逆变器装置按照RS-485通信方式发送过来的数据包，按照应答帧的格式打包数据抄送上传至智能融合终端，不在物联开关本地进行解析。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的分布式光伏逆变器控制系统及方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种分布式光伏逆变器控制系统，其特征在于，包括：多个光伏逆变器、物联开关和智能融合终端；多个所述光伏逆变器分别通过物联开关与智能融合终端建立连接。
2.根据权利要求1所述的分布式光伏逆变器控制系统，其特征在于：每一所述光伏逆变器配备有：带有至少2路RS485接口逆变器控制器；所述物联开关至少带有相连接的：带有至少2路RS485接口的RS485通信模块和HPLC载波通信模块；多个所述光伏逆变器和物联开关通过RS485接口手拉手连接构成环网；所述智能融合终端与物联开关通过HPLC建立连接。
3.根据权利要求1所述的分布式光伏逆变器控制系统，其特征在于：所述物联开关的功率输出端与台区380V配电网电气连接，功率输入端与光伏逆变器电气连接。
4.根据权利要求2所述的分布式光伏逆变器控制系统，其特征在于：所述光伏逆变器分别与逆变器控制装置和数据采集装置连接，所述逆变器控制装置分别与数据采集装置、数据计算装置和数据传输装置连接；显示装置分别与数据采集装置和数据传输装置连接。
5.根据权利要求1所述的分布式光伏逆变器控制系统，其特征在于：所述智能融合终端内嵌安全加密芯片，用于支持终端自身防护；所述物联开关设置有安全加密芯片，将光伏调控数据通信的安全边界延伸物联开关数据采集侧。
6.根据权利要求4所述的分布式光伏逆变器控制系统的控制方法，其特征在于：所述数据采集装置将三相光伏逆变器并入交流配电网的电压U a 、U b 、U c 、并入交流配电网的电流i al 、 i bl 、i cl 、光伏直流电压、光伏直流电流i dc 、采集并发送给逆变器控制装置，逆变控制装置与数据计算装置配合计算得到当前发电量、有功功率、无功功率和功率因数电气量数据，通过数据传输装置发送给物联开关，并将相关显示数据发送给显示装置，对于不必计算的数据，包括：三相光伏逆变器并入交流配电网的电压U a 、U b 、U c 、并入交流配电网的电流i al 、i bl 、i cl 、光伏直流电压、光伏直流电流i dc 直接由数据采集装置发送至显示装置，通过显示装置显示实时的光伏逆变器运行状态数据；所述物联开关将各个光伏逆变器的数据汇总，通过物联开关的RS485通信模块在本地解析各个光伏逆变器上传的数据包内容，判断是否有不满足并网要求的光伏逆变器运行状态数据，就地进行保护动作，再打包成适配HPLC通信方式的数据格式透传至智能融合终端。
7.根据权利要求6所述的分布式光伏逆变器控制系统的控制方法，其特征在于：所述智能融合终端通过响应调度指令或在本地计算各台光伏逆变器的并网电压、发电量、有功功率、无功功率和功率因数给定值，以满足该区域交流电压稳定、有功功率波动抑制与无功功率统一补偿和功率因数集中调节的功能；所述智能融合终端通过HPLC的通信方式将各台光伏逆变器的并网电压、发电量、有功功率、无功功率和功率因数给定值下发至物联开关，物联开关将光伏逆变器的给定值分发给对应的光伏逆变器及其配套控制装置，逆变器控制装置根据获取到的并网电压、发电量、有功功率、无功功率、功率因数给定值，调整内部控制参数与驱动信号，实现根据调度要求调节并网电压、发电量、有功功率、无功功率和功率因数的目的。
8.根据权利要求1所述的分布式光伏逆变器控制系统的数据通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：当光伏逆变器装置准备并入配电网发电时，光伏逆变器装置采集光伏输入电压、输入电流、输出电压、输出电流电气量数据，计算获得当前发电量、有功功率、无功功率和功率因数电气量数据，按照RS485方式将上述数据打包发送给物联开关；
步骤S21：物联开关的通信模块采集到由光伏逆变器装置按照RS485通信方式发送过来的当前光伏运行数据，在本地解析数据包，分析当前发电量、有功功率、无功功率和功率因数电气量数据信息，判断是否需要就地进行保护动作，包括：孤岛保护、过载保护、过压保护和欠压保护；并按照HPLC通信方式将数据包打包并发送至智能融合终端；
步骤S3：智能融合终端采集到物联开关发送的光伏逆变器运行数据后，将数据包上传至云主站；智能融合终端通过响应调度指令或在本地计算各台光伏逆变器的并网电压、发电量、有功功率、无功功率和功率因数给定值，按照HPLC或RS485的通信方式将各台光伏逆变器的并网电压、发电量、有功功率、无功功率和功率因数给定值下发至物联开关；
步骤S4：物联开关通信模块采集到由智能融合终端发送过来的各个光伏逆变器装置的给定值数据包后，将数据包分发给对应的光伏逆变器及其配套控制装置；
步骤S5：光伏逆变器控制装置根据获取到的并网电压、发电量、有功功率、无功功率、功率因数给定值，调整内部控制参数，实现根据调度要求调节并网电压、发电量、有功功率、无功功率和功率因数的目的。
9.根据权利要求8所述的分布式光伏逆变器控制系统的数据通信方法，其特征在于，将步骤S21替换为步骤S22：物联开关的通信模块通过协议适配，融合终端转发主站下达召测通信指令到物联开关，物联开关接收到请求帧数据域的端口信息，通过数据中继方式将采集到由光伏逆变器装置按照RS485通信方式发送过来的数据包，按照应答帧的格式打包数据抄送上传至智能融合终端，不在物联开关本地进行解析。
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