本申請是基于申請日為2012年02月27日、申請?zhí)枮?01280013081.8(國際申請?zhí)枮閜ct/us2012/026791)、發(fā)明創(chuàng)造名稱為“用于光伏系統(tǒng)的自動電壓調節(jié)”的中國專利申請的分案申請。
本文所述主題的實施例整體涉及光伏系統(tǒng)。更具體地講，所述主題的實施例涉及用于光伏系統(tǒng)的自動電壓調節(jié)。
背景技術：
光伏系統(tǒng)利用太陽輻射來發(fā)電。光伏系統(tǒng)可包括太陽能電池板的陣列，其中每個太陽能電池板包括互連的太陽能電池。太陽能電池包括p型和n型擴散區(qū)。沖擊在太陽能電池上的太陽輻射產生遷移至擴散區(qū)的電子和空穴，從而在擴散區(qū)之間形成電壓差。在背面接觸式太陽能電池中，擴散區(qū)和與它們相連的金屬觸片均位于太陽能電池的背面上。觸片允許將外部電路連接到太陽能電池上并由太陽能電池供電。
光伏逆變器將由太陽能電池產生的直流電轉換成適于在互連點(poi)處聯(lián)接至電網的交流電。將在poi處的電網電壓調節(jié)至特定數(shù)值范圍內，以滿足需求。本發(fā)明的實施例涉及用于自動地調節(jié)由光伏系統(tǒng)輸送至電網的電壓的方法和系統(tǒng)。
技術實現(xiàn)要素：
在一個實施例中，自動地調節(jié)由光伏系統(tǒng)產生的電壓的方法包括測量由光伏系統(tǒng)輸送的在與電網的互連點(poi)處的電壓。將所測量的電網電壓與設定點電壓進行比較?；谒鶞y量的電網電壓與設定點電壓的比較結果來產生逆變器基準電壓。將逆變器基準電壓在光伏逆變器的位置處提供至光伏逆變器。調節(jié)逆變器基準電壓以響應快速持續(xù)變化的電網電壓。
在另一個實施例中，光伏系統(tǒng)包括多個太陽能電池、多個光伏逆變器、和發(fā)電廠控制器。發(fā)電廠控制器被構造為基于在光伏系統(tǒng)與電網的互連點(poi)處測得的測量電壓來調節(jié)逆變器基準電壓，并且將逆變器基準電壓提供至所述多個光伏逆變器中的一個光伏逆變器以調節(jié)該光伏逆變器的無功功率輸出和響應在poi處的持續(xù)變化的電網電壓。
在另一個實施例中，自動地調節(jié)由光伏系統(tǒng)產生的電壓的方法包括測量由光伏系統(tǒng)提供至電網的電壓?；谒鶞y量的電壓來產生控制信號以控制光伏逆變器的操作。響應于所測量電壓的變化來調節(jié)控制信號，以調節(jié)光伏逆變器的無功功率輸出。
本領域的普通技術人員在閱讀包括附圖和權利要求書的本公開全文之后，本發(fā)明的這些和其他特征對于他們而言將是顯而易見的。
附圖說明
當結合以下附圖考慮時，通過參見具體實施方式和權利要求書可以更完全地理解所述主題，其中在所有附圖中，類似的附圖標記是指類似的元件。
圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的光伏系統(tǒng)的組件。
圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的圖1的光伏系統(tǒng)的附加組件。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于光伏系統(tǒng)的自動電壓調節(jié)方法的流程圖。
圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的圖2的光伏系統(tǒng)的其他細節(jié)。
具體實施方式
在本發(fā)明中，提供了許多具體的細節(jié)，例如設備、部件和方法的例子，從而獲得對本發(fā)明實施例的全面理解。然而，本領域的普通技術人員將會認識到，本發(fā)明可以在沒有所述具體細節(jié)中的一者或多者的情況下實施。在其他情況下，未示出或描述熟知的細節(jié)，以避免混淆本發(fā)明的方面。
圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的光伏系統(tǒng)200的組件。圖1的實例中所示的光伏系統(tǒng)組件包括多個匯流箱112、多個太陽能電池板114、和光伏逆變器110。光伏系統(tǒng)可包括多個逆變器，但為了清楚地舉例說明起見，圖1中僅示出了一個。太陽能電池板114包括安裝在同一框架上的電連接的太陽能電池。在一個實施例中，每個太陽能電池板114包括多個串聯(lián)的背面接觸式太陽能電池115。也可采用前面接觸式太陽能電池。在圖1中僅標記了背面接觸式太陽能電池115中的一些。
光伏串包括如圖1中的多個串聯(lián)的太陽能電池板114。一組太陽能電池板114電連接到匯流箱112，其中太陽能電池板114為串聯(lián)連接的。電連接匯流箱112，使得光伏串中的所有太陽能電池板114為串聯(lián)的。例如，光伏串的輸出電連接到逆變器110，所述逆變器110將由太陽能電池115產生的直流電(dc)轉換成適于輸送至公用電網的交流電(ac)。
圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的光伏系統(tǒng)200的附加組件。圖2示出了結合圖1描述的逆變器110。為了清楚地舉例說明起見，圖2中未示出太陽能電池板114。在圖2的實例中，光伏系統(tǒng)200的組件位于光伏變電站210和逆變器塊220中。
逆變器塊220為逆變器所在的大體區(qū)域。逆變器塊220通常設置為遠離變電站210(其遠離與電網的互連點(poi)204)。通信模塊201允許逆變器110和設置在變電站210中的組件之間進行數(shù)據(jù)通信。逆變器塊220還可包括未明確示于圖2中的附加組件，例如模數(shù)轉換器、數(shù)模轉換器、和用于支持逆變器110的操作的其他組件。
在一個實施例中，使用監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(scada)來控制光伏系統(tǒng)200的操作，其中發(fā)電廠控制器202充當中央控制計算機。在一個實施例中，逆變器110、發(fā)電廠控制器202、和變電站計算機203根據(jù)modbustcp/ip通信協(xié)議進行通信。在該實施例中，通信模塊201包括以太網交換機，所述以太網交換機在光伏系統(tǒng)200的組件之間提供數(shù)據(jù)通信鏈路。也可通過發(fā)出模擬信號(例如通過提供用于信號的單獨配線)來進行監(jiān)測和控制。
在圖2的實例中，逆變器塊220中的升壓變壓器將逆變器110的ac輸出電壓升高至較高的電壓以用于配電到變電站210。
變電站210中的發(fā)電機升壓(gsu)變壓器將從逆變器塊220接收的ac電壓進一步地升壓并且隨后耦合至poi204，以用于配電到電網(未示出)。變電站計算機203允許變電站210進行控制和監(jiān)測。變電站計算機203可以配置成控制保護電路和通過儀表205來讀取在poi204處的電壓。
變電站210中的發(fā)電廠控制器202可以配置成有利于控制在poi204處(或附近)的電壓的專用計算機或通用計算機。如在下文中將更加顯而易見的是，發(fā)電廠控制器202可有利于通過操縱處理逆變器基準電壓形式的控制信號來控制在poi204處的電壓。
可通過自動電壓調節(jié)(avr)來控制在互連點處的電壓。一般來講，avr可涉及通過操縱在逆變器處的無功(或功率因子)設定值來操縱光伏系統(tǒng)的無功功率輸出/輸入，以控制在與電網的配電、輸電、或其他電連接形成的互連點處的電壓。avr也可用于協(xié)調光伏系統(tǒng)與無功功率源(例如靜態(tài)var補償器和電容組)的操作。
盡管avr自身能夠適應持續(xù)變化的電網電壓，但在一些情況下，這種適應過程可能太慢。例如，當avr控制器試圖通過吸收大量的無功功率來降低電網電壓(如，電網為1.03pu，并且avr設定值為1.02pu)時，逆變器終端電壓可因發(fā)電廠內的ac采集子系統(tǒng)的阻抗而處于較低值(如，0.96pu)。這可導致逆變器終端電壓比在互連點處的電壓低7％之多。如果電網電壓的突然下降(如下降至0.97pu)快于avr控制器的響應時間并且逆變器仍然在吸收無功功率，則逆變器終端電壓可下降很低(如，降至0.90pu)，并且可因逆變器通常具有狹窄的操作窗(其可為+/-10％)而導致逆變器跳開。為了解決通常的avr實施的響應時間慢的問題，本發(fā)明的實施例產生并且操縱控制信號，以允許逆變器快速地適應持續(xù)變化的電網條件。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于光伏系統(tǒng)的自動電壓調節(jié)方法的流程圖。為了舉例說明的目的，使用圖2的組件來解釋圖3的方法。
在圖3的實例中，發(fā)電廠控制器202充當avr控制器。發(fā)電廠控制器202接收基準電壓vref形式的設定點電壓?；鶞孰妷簐ref可接收自(例如)scada源或數(shù)據(jù)處理網關?；鶞孰妷簐ref對應于在poi204處的預定的、期望的調節(jié)電壓水平。
在一個實施例中，逆變器110被構造用于隨在逆變器塊220處的逆變器110的終端處存在的逆變器基準電壓的變化來產生或吸收無功功率。具有此能力的市售逆變器的實例包括得自德國的艾思瑪太陽能技術股份公司(smasolartechnologyag)的那些。也可使用其他合適的逆變器。當響應于在poi204處的過高電壓(如，高于閾值電壓)來調節(jié)逆變器基準電壓時，逆變器110可吸收無功功率以降低在poi204處的電壓。相似地，相似地，當響應于在poi204處的過低電壓(如，低于閾值電壓)來調節(jié)逆變器基準電壓時，逆變器110可產生無功功率以升高在poi204處的電壓。逆變器電子器件尤其適用于此功能，并且一些市售的逆變器110具有快至一個或幾個ac周期的響應時間。逆變器110的快速響應時間允許將逆變器終端電壓保持在其操作窗內以響應瞬時電網電壓變化，并且還允許逆變器110在公用電網需求最大時產生應急無功功率。
由于ac集電系統(tǒng)中的阻抗，在poi204處的電壓與在逆變器110的終端處的電壓之間可存在大的差值。即，在逆變器塊220處的逆變器110的終端處的電壓未必與在poi204處的電壓相同。
根據(jù)實施例，發(fā)電廠控制器202從儀表205接收在poi204處的電壓讀數(shù)。發(fā)電廠控制器202產生誤差信號verr，該誤差信號指示在poi204處的所需電壓(vref)和在poi204處的實際電壓(vmeter)之間的差值。將誤差信號提供至補償器403，所述補償器403基于誤差信號來產生逆變器基準電壓vinv_ref形式的控制信號。補償器403調節(jié)逆變器基準電壓vinv_ref，以使在poi204處的所需電壓和實際電壓之間的誤差最小化。補償器403在最小(“min”)值和最大(“max”)值內來調節(jié)逆變器基準電壓vinv_ref。在一個實施例中，補償器403利用比例積分(pi)控制方案來產生逆變器基準電壓vinv_ref。可使用的其他控制方案包括比例、積分、微分、比例-積分、積分-微分、比例-微分、和比例-積分-微分。
逆變器100接收逆變器基準電壓vinv_ref并且隨后基于逆變器基準電壓vinv_ref的值來產生或吸收無功功率。反饋周期持續(xù)進行以將在poi204處的電壓保持在由設定點電壓指定的調節(jié)電壓的范圍內，所述設定點電壓由基準電壓vref來表示。
圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的光伏系統(tǒng)200的其他細節(jié)。
在圖4的實例中，通過發(fā)電廠控制器202來執(zhí)行功能塊401-408和410-413?？梢岳斫獾氖牵赏ㄟ^軟件、硬件、或者硬件/軟件的組合來實現(xiàn)這些功能。例如，發(fā)電廠控制器202可包括具有硬件接口和相關驅動器軟件的計算機，所述硬件接口用于模擬輸入直接測量和控制、數(shù)據(jù)通信(如，以太網適配器)、數(shù)據(jù)采集(如，接收信號)和控制(如，發(fā)送控制信號)。發(fā)電廠控制器202可利用與應用軟件結合的專用處理器或協(xié)處理器來執(zhí)行其功能。發(fā)電廠控制器202可與其他控制器以主從配置來使用，以協(xié)調光伏系統(tǒng)200與無功功率源(例如靜態(tài)var補償器和電容組)的操作。
參見圖4，發(fā)電廠控制器202接收用作設定點電壓的基準電壓vref，所述設定點電壓用于設定在poi204處的電壓。加法器401基于由基準電壓vref指出的在poi204處的所需電壓與由儀表205測量的在poi204處的電壓(vmeter)之間的差值來產生誤差信號verr。
在一個實施例中，基準電壓vref和儀表電壓讀數(shù)vmeter在發(fā)電廠控制器202中作為數(shù)字信號進行處理?？蓪⑦@些電壓利用模數(shù)轉換器(adc)轉換成數(shù)字，并且隨后通過數(shù)據(jù)通信網絡提供至發(fā)電廠控制器202。作為具體實例，可通過modbustcp寄存器來將基準電壓vref和儀表電壓讀數(shù)vmeter提供至發(fā)電廠控制器202。對由發(fā)電廠控制器202接收的命令和輸入(包括基準電壓vref和儀表電壓讀數(shù)vmeter)可以進行邊界檢查。
光伏系統(tǒng)中的基準電壓vref、儀表電壓讀數(shù)vmeter、和其他電壓/電流可由其他類型的信號(其中對光伏系統(tǒng)200的其余部分進行適當?shù)母淖?來表示。例如，電壓信號可由電流信號來表示，反之亦然。又如，光伏系統(tǒng)中的電壓和電流可用rms(均方根)來表示。
轉儲死區(qū)功能(塊402)可根據(jù)應用而啟用或不啟用。轉儲死區(qū)功能允許誤差電壓verr在一定的范圍內變化，且無需調節(jié)發(fā)送到逆變器110的控制信號。更具體地講，當電網電壓(即，在poi204處的電壓)位于邊界(通常為標稱的±1％)內時，轉儲死區(qū)功能允許發(fā)送到補償器403的輸入值變大或變小，并且將逆變器110保持為基準電壓設定值，以使得逆變器110輸出整數(shù)功率因子。換句話講，如果電網電壓在(例如)±1％的范圍內，則發(fā)送到補償器403的輸入值實際上剛好是電網電壓。如果電網電壓位于死區(qū)極限內，則這還會導致逆變器110輸出整數(shù)功率因子。
在一個實施例中，補償器403包括pi補償器。pi補償器403可為絕對的，這意味著逆變器基準電壓vinv_ref基于誤差信號verr以及pi補償器403的比例增益(kp)和積分增益(ki)向上或向下偏置。然而，逆變器基準電壓vinv_ref可通過基準電壓vref而保持穩(wěn)定。補償器403也可為增量的。補償器403可具有積分飽卷保護和飽和極限。可因發(fā)生電網擾動時觸發(fā)的狀態(tài)機邏輯來啟動或禁用補償器403。
電壓極限選擇功能(塊404)被構造為基于得自功率因子限制器(子回路431)和無功功率限制器(子回路432)子回路的輸入來降低或升高補償器403的逆變器基準電壓vinv_ref輸出。電壓極限選擇功能調節(jié)逆變器基準電壓vinv_ref，使得逆變器110不產生超出功率因子極限(pf極限)和無功功率極限(q極限)的輸出。
功率因子限制器子回路(子回路431)被構造為當由儀表205在poi204處測量的功率因子接近、等于、或超過功率因子極限(pf極限)時來限制逆變器基準電壓vinv_ref。將得自儀表205的功率因子讀數(shù)通過功率因子濾波器(pf濾波器)進行濾波，并且隨后與功率因子極限進行比較(塊413)。功率因子限制器子回路具有其自身的補償器410，因為在poi204處的功率因子由于流過發(fā)電廠ac集電系統(tǒng)的實際功率的阻抗變化而未必與在逆變器終端處的功率因子相同。補償器409可采用pi或其他控制方案。
無功功率限制器子回路(子回路432)被構造為當由儀表205在poi204處測量的無功功率接近、等于、或無功功率極限(q限制)時來限制逆變器110的無功功率輸出。將得自儀表205的無功功率讀數(shù)通過無功功率濾波器(q濾波器)進行濾波，并且隨后與無功功率極限進行比較(塊412)。無功功率子回路具有其自身的補償器411，因為在poi204處的無功功率因子由于流過發(fā)電廠ac集電系統(tǒng)的實際功率的阻抗變化而未必與在逆變器終端處的無功功率相同。補償器410可采用pi或其他控制方案。
整體速率限制功能(塊405)限制逆變器基準電壓vinv_ref的變化速率。這可防止逆變器基準電壓vinv_ref的快速和急劇變化。
逆變器偏置功能(塊406)被構造為通過修改各個逆變器基準電壓(如果需要)來補償逆變器停運。逆變器偏置功能可基于由無功功率平衡器功能(塊408)計算的逆變器偏置值來向上或向下偏置各個逆變器基準電壓。無功功率平衡器功能檢查得自正與發(fā)電廠控制器202通信的所有逆變器110的無功功率輸出。如果特定逆變器110正比其他逆變器110輸出/吸收更多的無功功率，則用于此特定逆變器110的單獨逆變器基準電壓vinv_ref將相應地向上或向下進行調節(jié)。無功功率平衡器功能可直接從逆變器終端讀取逆變器無功功率輸出。對于無功功率平衡器408而言，存在多個無功功率濾波器(q濾波器)和無功功率輸入，但為了清楚地舉例說明起見，圖4中僅示出了一組。
逆變器偏置功能可從每個逆變器110周期性地接收搏動信號，以檢測逆變器停運。在提供至對應的逆變器110之前，對于每個單獨的逆變器基準電壓vinv_ref應用單獨的速率限制功能(塊407)。在一個實施例中，通過modbustcp寄存器來將逆變器基準電壓vinv_ref提供至對應的逆變器110。從寄存器中讀取逆變器基準電壓vinv_ref并且將其轉換成模擬電壓信號，然后將所述模擬電壓信號提供到在逆變器塊220處的逆變器110的終端，所述逆變器110位于逆變器塊220中。
本發(fā)明已公開了用于光伏系統(tǒng)的改善的自動電壓調節(jié)技術。雖然已提供了本發(fā)明的具體實施例，但是應當理解，這些實施例是用于舉例說明的目的，而不用于限制。通過閱讀本發(fā)明，許多另外的實施例對于本領域的普通技術人員而言將是顯而易見的。