一种光伏集群多参量联合优化控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及智能测控系统技术领域，具体为一种光伏集群的智能测控系统。

背景技术

分布式光伏集群是一种光伏发电系统的组织形式，它通过汇集一定数量的分布式光伏发电系统，形成一个规模较大的集中式光伏发电场(或光伏发电站)，这种组织形式可以更好地利用太阳能资源，提高光伏发电效率，并减少对电网的冲击。一个分布式光伏集群通常包括光伏组件(直接将光能转化为电能的设备，通常由太阳能电池板、逆变器和其他相关设备组成)、变压器(用于升高或降低光伏集群输出的电压，以适应电网的要求)、保护设备(断路器、继电器、熔断器等，这些设备用于保护光伏集群和电网免受短路、过载和故障等问题的损害)、监控终端(用于监测光伏集群的工作状态、输出功率、电流和电压等参数，同时可以远程控制和操作光伏集群)、电缆和导线(用于连接各个组件，传输电能和信号)及固定装置(用于支撑和固定光伏组件和设备)。

对10kV电压及以下、额定容量不高于500kWp的等级集群并网的光伏电站(或者说是光伏阵列)，如村镇扶贫光伏电站、乡镇小型的集群并网的光伏电站，整体规模较小，传统的分布式光伏设备的监控系统对于此类的光伏电站的控制通常是利用电容器与有载调压变压器等调压装置的相互配合使用，不具有本地电压控制功能，且监控系统也无法实现快速地、实时地控制。

发明内容

为了解决10kV电压及以下、额定容量不高于500kWp的等级集群并网的光伏电站(或者说是光伏阵列)的监控系统缺乏本地电压控制，无法实现快速、实时的控制，本发明提供一种光伏集群的智能测控系统。

本发明技术方案如下所述：

一方面，一种光伏集群多参量联合优化控制系统，其特征在于，设置于光伏阵列与电网之间，其包括：

电能质量信号采集模块，用于采集光伏阵列的电能信息；

一个或多个测控子站，所述测控子站与所述电能质量信号采集模块连接并进行数据采集文件的上传，其还与接入设备连接，上传接入设备的运行状态与对应设备的电能质量参数，并将接收到的控制指令及数据下放至接入设备，其还通过光伏储能一体机、储能双向变流器实现对光伏阵列的控制；

测控主站，用于接收所述测控子站上传的信息并进行数据分析，下放控制指令及数据至所述测控子站。

根据上述方案的本发明，其特征在于，测控主站以一对多的主从模式与多个测控子站连接，并根据国家有关功率调度、电能质量标准要求，对各个测控子站下发指令；

测控主站还读取测控子站上传的数据采集文件，计算、分析电能质量参数，并将计算分析结果进行现场数据显示，对计算分析结果存储，并将计算后的数据传送至各个测控子站，给予各个测控子站控制命令。

根据上述方案的本发明，其特征在于，测控子站以测控主站下发的低压并网点的有功功率、无功功率为目标，分析测控主站下发的功率调度数据，根据并网点的负荷侧电力参数、光伏逆变器信息，优化计算下层设备的功率分配值；

测控子站接收测控主站电能质量参数计算分析结果实现本地监控，控制接入设备的并网/离网状态切换与启停，促成功率指令在多机间的合理分配，并计算并网设备响应调控指令情况，把完成度小于设定目标的设备列为不理想设备并删除。

根据上述方案的本发明，其特征在于，光伏储能一体机通过交流侧并网点接入电网，与光伏组件配套使用，协调控制光伏与储能电池的出力，平抑光伏功率波动；

储能双向变流器通过充放电操作进行交直流电能变换，实现电池与电网之间能量的双向流动，在保证电池安全适度运行的前提下实现网侧有功功率与无功功率的输出或吸收。

另一方面，一种光伏集群多参量联合优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采集光伏阵列的电能信息、接入设备的运行状态与对应设备的电能质量参数；

(2)测控子站分析、优化实时数据并转发至测控主站；

(3)测控主站下发功率调度指令，并实现电能质量实时监测；

(4)测控子站根据调度指令控制接入设备的工作状态，以完成功率调度。

根据上述方案的本发明，其特征在于，在对接入设备进行有功功率调度过程中，先获取有功功率待调量P，有功功率待调量P不为0时计算各接入设备有功功率调节量：

当接入设备有功功率待调量P＞0时，各储能设备有功功率调节量为：

当接入设备有功功率待调量P＜0时，各储能设备有功功率调节量为：

其中P为有功功率待调量，ω

进一步的，还包括剔除不可控设备的过程：

有功功率待调量P≠0时，判断SOC

超出此范围表示其不具备输出或者吸收有功功率，为不可控设备，进行剔除。

进一步的，还包括剔除不理想设备的过程：

每轮调度指令下发后，间隔指定设备响应时间，验证各设备的指令完成度，完成度小于95％的为不理想设备，进行剔除。

根据上述方案的本发明，其特征在于，按照裕度占比分配方式对储能系统、光伏阵列处的光伏逆变器的无功功率进行调度，各储能变流器或光伏逆变器的无功调度量为：

其中，Q

根据上述方案的本发明，其特征在于，还包括电压自适应控制过程，电压自适应控制分为并网点电压控制与馈线电压控制：

启动并网点电压控制时，首先调节光伏逆变器无功输出，然后是储能双向变流器无功输出：若光伏逆变器或储能双向变流器已经输出最大可调量，无功功率不能将并网点电压控制在合理区间内，则启动储能双向变流器的有功功率控制；

馈线电压控制时，利用户用光伏储能一体机的功率注入与吸收能力调节用户侧节点电压，根据馈线各节点电压、灵敏度、设备有功数据及设备无功数据，确定调压优先顺序，然后按照先本地节点调节、后邻近节点调节，先无功调节、后有功调节的顺序实施馈线电压控制。

根据上述方案的本发明，其有益效果在于，本发明将10kV电压及以下、额定容量不高于500kWp的等级集群并网的光伏电站(光伏阵列)接入现有的大型的光伏电站的监控系统中，以测控子站作为控制中心，令光伏阵列的电能质量信息等接入测控主站中，并入大型光伏电站的控制范围，令这类光伏阵列接收大型监控系统的监控，并实现快速地、实时地控制。

1.本系统针对容量渗透率(一定区域内光伏装机容量与负荷峰值之比)大于30％的小功率分布式光伏电站集群并网的现状，解决了监测调度难、有功功率消纳、电压越限、电能质量恶化等问题，其中，测控子站采用高渗透率光伏集群增长态势下的功率调度策略和就地自适应电压分层控制算法，控制分布式光伏电站与集中式储能系统协调配合出力。

2.本系统利用电源侧光伏逆变器的无功支撑能力、负荷侧储能双向变流器的有功峰谷转移与无功调压能力、光伏储能一体机按照设定充放电时间或电压上下限释放或吸收有功功率，实现功率调度。

3.测控主站采用基于LabVIEW的软件系统完成复杂的电能质量参数的分析计算，达到经济效益的最大化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明系统硬件结构图；

图2为本发明测控主站工作流程图；

图3为本发明有功功率调度流程图；

图4为本发明无功控制电压曲线图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种光伏集群多参量联合优化控制系统，如图1所示，设置于光伏阵列与电网之间，其包括电能质量信号采集模块、一个或多个测控子站、测控主站。

1、电能质量信号采集模块

电能质量信号采集模块用于采集光伏阵列的电能信息。电能质量信号采集模块设置在变压器与电网之间并与测控子站连接，光伏阵列产生的电压先后经直流配电、光伏逆变器、交流配电、变压器并入电网。

电能质量信号采集模块包括电压电流一体式互感器模块、信号调理模块、抗混叠滤波模块及A/D转换模块。该电能质量信号采集模块对光伏阵列产生的电压(经过直流配电处理、光伏逆变器处理、交流配电处理及变压器处理后)实现电能质量采样，电压电流一体式互感器模块实现数据采样，采样数据信号经过信号调理模块处理，再经过抗混叠滤波模块清除杂乱的信号后，在进行直流交流转换，形成关于光伏阵列的电能质量数据文件发送至测控子站。A/D转换模块选用NI公司研发的C系列模数转换模块NI9220，满足数据采集需求，采样频率需大于12.8kHz，三相供电系统需要6路以上电压与电流采集通道。

该电能质量信号采集模块对光伏阵列产生的电压(经过直流配电处理、光伏逆变器处理、交流配电处理及变压器处理后)实现电能质量采样，电压电流一体式互感器模块实现数据采样，采样数据信号经过信号调理模块处理，再经过抗混叠滤波模块清除杂乱的信号后，在进行直流交流转换，形成关于光伏阵列的电能质量数据文件发送至测控子站。

2、测控子站

测控子站，即智能测控终端下位机，其与电能质量信号采集模块连接并进行数据采集文件的上传，其还与接入设备连接，上传接入设备的运行状态与对应设备的电能质量参数，并将接收到的控制指令及数据下放至接入设备，其还通过光伏储能一体机、储能双向变流器实现对光伏阵列的控制。

测控子站是整个系统的运算和控制核心，安装在光伏集群接入的高容量渗透率台区的低压侧并网点，一般在配电箱附近。测控子站包含有远程调度模式和就地运行模式两种状态，且远程调度模式优先于就地运行模式。为保障数据采集和设备控制的实时性、兼顾信道成本和易扩展性，测控子站与邻近设备(集中式储能系统、分布式光伏电站、电能质量检测装置)通过RS485通信线，与测控主站之间采用EC60870-5.104规格光纤通信，与远处设备(光伏储能一体机)则采取中继路由技术的电力线宽带载波方式收发数据。

在数据上行过程中，测控子站采集接入设备的运行状态、实时功率、并网点电气参数(频率、电压与电流)等数据，为测控主站提供充分可靠的数据。

在数据下行过程中，其以测控主站下发的低压并网点的有功功率、无功功率为目标，分析测控主站下发的功率调度数据，根据并网点的负荷侧电力参数、光伏逆变器信息，优化计算下层设备的功率分配值。测控子站接收测控主站电能质量参数计算分析结果实现本地监控，控制接入设备的并网/离网状态切换与启停，促成功率指令在多机间的合理分配。并计算并网设备响应调控指令情况，把完成度小于设定目标(如95％)的设备列为“不理想设备”并剔除。

测控子站还通过光伏储能一体机、储能双向变流器实现对光伏阵列的控制，光伏储能一体机通过交流侧并网点接入电网，与光伏组件配套使用，协调控制光伏与储能电池的出力，平抑光伏功率波动，储能双向变流器通过充放电操作进行交直流电能变换，实现电池与电网之间能量的双向流动，在保证电池安全适度运行的前提下实现网侧有功功率与无功功率的输出或吸收。

分布式光伏电站、集中式储能系统与测控子站均通过RS485通信。光伏储能一体机通过交流侧并网点接入电网，与光伏组件配套使用，能够协调控制光伏与储能电池的出力，平抑光伏功率波动，解决分布式光伏部分时段就地消纳难度较大等问题。储能双向变流器可通过充放电操作进行交直流电能变换，实现电池与电网之间能量的双向流动，在保证电池安全适度运行的前提下实现网侧有功功率与无功功率的输出或吸收，解决分布式发电就地实时平衡的问题，测控子站通过光伏储能一体机、储能双向变流器实现对光伏阵列的控制。

光伏储能一体机通过交流侧并网点接入电网，与光伏组件配套使用，能够协调控制光伏与储能电池的出力，平抑光伏功率波动，解决分布式光伏部分时段就地消纳难度较大等问题。储能双向变流器可通过充放电操作进行交直流电能变换，实现电池与电网之间能量的双向流动，在保证电池安全适度运行的前提下实现网侧有功功率与无功功率的输出或吸收，解决分布式发电就地实时平衡的问题，测控子站通过光伏储能一体机、储能双向变流器实现对光伏阵列的控制。

3、测控主站

测控主站，即计算机服务器上位机，其用于接收测控子站上传的信息并进行数据分析，下放控制指令及数据至测控子站。

测控主站以一对多的主从模式，接收多个测控子站上传的接入设备(光伏阵列、储能设备等)的运行状态与对应设备的电能质量参数，并根据国家有关功率调度、电能质量标准中的相关要求(即预设的限定条件)，对各个测控子站下发指令，包括有功率有功功率、无功功率调度指令、对功率调节设备的管理控制命令、电能质量参数计算数据。测控主站应用程序为在虚拟仪器平台LabVIEW上设计的电能质量监控程序。测控主站还读取测控子站上传的数据采集文件，从获取的数据采集文件中计算、分析电能质量参数(包括供电电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动及电压闪变)，并将计算分析结果进行现场数据显示，对计算分析结果存储，并将计算后的数据传送至各个测控子站，给予各个测控子站控制命令。

测控主站作为上级监控中心，一般安装在县城35kV变电站内，由计算机上位机与交换机等成套设备构成，一个测控主站对应多个现场测控子站，测控主站与测控子站之间采用加密的光纤通信，各站分别分配同一网段内固定IP地址。为保障数据传输的时效性和安全性，测控子站与上行的测控主站之间的主干线路，采用EC60870-5.104规约光纤通信，测控子站大约1秒/次上传设备运行状态与电能质量参数，约每30秒/1次接收测控主站的功率调度指令、设备运行状态指示、电能质量分析结果数据等。

如图2至图4所示，本发明还提供一种光伏集群多参量联合优化控制方法，通过在光伏阵列与电网之间设置光伏集群多参量联合优化控制系统来实现，包括以下步骤：

(1)采集光伏阵列的电能信息、接入设备的运行状态与对应设备的电能质量参数；

(2)测控子站分析、优化实时数据并转发至测控主站；

(3)测控主站下发功率调度指令，并实现电能质量实时监测；

(4)测控子站根据调度指令控制接入设备的工作状态，以完成功率调度。

如图2所示，先判断是否正确连接远程测控子站，若否则进行远程监测并进行数据存储，若是，则进行数据采集、分析过程：测控子站上传数据、测控主站经过数据分析后下发功率调度指令，并完成电能基本参数的测量；确定是否分析电能质量，若是则进行电能分析，若否则进行远程监测并进行数据存储。

在具体实现过程中，为避免计算过程中出现调度值异号引发的功率对冲效应，在对接入设备进行有功功率调度过程中，先获取有功功率待调量P，再进行接入设备有功功率调节量计算。

有功功率待调量P的计算过程中：测控子站将测控主站下发的有功功率调度量P

当有功功率待调量P为0的时候直接进行下一次调度；当有功功率待调量P不为0时计算各接入设备有功功率调节量：

当接入设备有功功率待调量P＞0时，各储能设备有功功率调节量为：

当接入设备有功功率待调量P＜0时，各储能设备有功功率调节量为：

其中P为有功功率待调量，ω

在具体实现过程中，为避免出现功率对冲效应，按照裕度占比分配方式对储能系统、光伏阵列处的光伏逆变器的无功功率进行调度，各储能变流器或光伏逆变器的无功调度量为：

其中，Q

进行各个设备有功功率调节量计算前还包括剔除不可控设备的过程：有功功率待调量P≠0时，判断SOC

完成各个设备有功功率调节量计算后还包括剔除不理想设备的过程：每轮调度指令下发后，间隔指定设备响应时间，验证各设备的指令完成度，完成度小于95％的为不理想设备，进行剔除，并重新计算各设备的有功功率调度量。

每轮调度删除不可控设备(指令完成度为0)与不理想设备后，重新计算各储能设备的有功调度量，不断优化各设备的调度指令，直到指令完成度大于等于95％。

当高渗透率光伏功率超过本地负荷消纳能力，会形成功率倒送，若光伏并网位置处于线路末端时，并网节点及相邻节点电压会随着并网功率的增大而升高，造成电压越限。对此，本发明还包括电压自适应控制过程，电压自适应控制分为并网点电压控制(在逆变器或双向变流器容量允许的范围内自动调节无功功率输出)与馈线电压控制(利用负荷节点周围的光伏储能一体机，吸收无功功率与有功功率)，且并网点电压控制优先级高于馈线电压控制：

(1)启动并网点电压控制时，首先调节光伏逆变器无功输出，然后是储能双向变流器无功输出：若光伏逆变器或储能双向变流器已经输出最大可调量，无功功率不能将并网点电压控制在合理区间内，则启动储能双向变流器的有功功率控制.

按照国家标准对低压配电网的电压运行区间要求，设置调整电压的启动阈值(U

(2)馈线电压控制时，利用户用光伏储能一体机的功率注入与吸收能力调节用户侧节点电压，根据馈线各节点电压、灵敏度、设备有功数据及设备无功数据，确定调压优先顺序，然后按照先本地节点调节、后邻近节点调节，先无功调节、后有功调节的顺序实施馈线电压控制。

根据国家标准(GB/T12325.2008)，测控子站对380V并网点电压控制，为避免设备的频繁启停，在过零点附近设置足够的死区，设置电压启动阈值下限为0.95Pu上限为1.05Pu。逆变器或储能双向变流器无功调节电压范围为0.93Pu至1.07Pu，无功控制并网点电压曲线如图4所示，储能双向变流器有功调节电压范围为0.90Pu至1.10Pu。

本发明还可以实现远程调度与就地运行之间的状态切换：

远程模式下，测控子站接收测控主站电能质量分析结果数据，实时监测并网光伏电站电能质量参数；接收测控主站的运行状态指示，控制接入设备的并网/离网状态切换和启停；优化主站功率调节指令，调节各储能设备的有功功率以及储能设备与分布式光伏逆变器的无功功率，实现多机功率的智能分配。当与测控主站通信中断，自动切换到本地工作模式，根据并网点及馈线电压与额定电压偏差情况，调节并网点逆变器或双向变流器无功功率以及负荷节点周围的光伏储能一体机的无功功率与有功功率，实现功率指令在多机间的合理分配。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。