用于光伏电站的控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明描述了一种用于光伏（“PV”）电站的控制系统，所述控制系统包括：电站级控制系统，用于实现在电站的发电站处的电站级控制功能；监管系统，用于电站的监管控制和数据获取；以及通信网络，连接电站级控制系统、监管系统和电站装置。还描述了使用电站级控制系统和监管系统控制PV电站的方法以及在发电站中调节功率特征的方法。
【专利说明】用于光伏电站的控制系统
【技术领域】
[0001]这里所描述的主题涉及用于太阳能电站(诸如光伏(“PV”)电站)的控制系统。
【背景技术】
[0002]太阳能电站通常包括多个发电站，每个发电站可包括一个或更多个太阳能发电装置。在多个发电站产生的电功率通常被发送到期望位置或在一个或更多个位置被发送到电网。
[0003]用于光伏(“PV”)太阳能电站的发电站可包括具有连接到逆变器的多个PV太阳能面板的功率转换站。PV面板产生如直流(“DC”)电流的电功率。逆变器接收由PV太阳能面板产生的如DC电流的电流。由PV太阳能面板产生的DC电流可在被发送到逆变器之前被放大或被另外修改。然后，逆变器将DC电流转换为交流(“AC”)电流，并将AC电流发送到与发电系统中的其他发电站的公共连接点(通常被称为“交叉点”或“Ρ0Ι”)。
[0004]PV电站通常包括多个电站装置，诸如PV面板、电组合器盒、电逆变器、用于调节在太阳能发电中使用的PV面板、传感器和其他装置的跟踪器。PV电站的一个重要方面是如何控制和监测电站装置。用于发电系统的传统控制系统架构通常将控制功能和数据聚合功能嵌入到单个发电装置(诸如逆变器)中，或者通过在电站(诸如在由美国超导制造的D-VAR智能电网系统中)的其他电力电子设备的使用来提供该功能。传统控制系统架构监测从每个发电站提供的AC功率，但是通常不监测在被转换为AC功率之前的DC功率。
[0005]期望具有一种用于太阳能电站的控制系统，该控制系统从中央位置提供电站级控制功能(诸如对电站装置的控制)、数据获取功能以及各种元件和发电系统的设施之间的互连，该控制系统具有成本效益、相对简单的设计和可扩展性。还期望监测和调节由一批PV面板产生的DC功率在被转换为AC功率之前的量。
[0006]这里所描述的实施例包括具有对发电系统的各个方面的中央控制的用于PV电站的各种控制系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1是根据这里所描述的实施例的发电系统的框图；
[0008]图2是根据这里所描述的实施例的发电系统的发电站的框图；
[0009]图3是根据这里所描述的实施例的电站级控制系统的框图；
[0010]图4是可使用这里所描述的电站级控制系统提供电站级控制功能的一种方式的框图；
[0011]图5是根据这里所描述的实施例的监管控制系统的框图。
【具体实施方式】
[0012]在以下详细描述中，参照构成本发明的一部分且示出本发明的特定实施例的附图。充分详细地描述这些实施例以使本领域的普通技术人员能够实现并使用它们。还要理解的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可对本文中所公开的特定实施例进行结构、逻辑或程序的改变。
[0013]本公开描述了用于光伏(“PV”)发电系统的各种控制系统。所描述的控制系统提供用于以下功能的灵活平台，所述功能包括:对多个发电站的电站装置进行实时功率控制，用于电站运作和用于非时间关键控制能力的监管控制功能以及用于监视电站性能和用于支持运作和维护的数据获取功能。所描述的控制系统把电站级控制功能、监管控制功能和/或数据聚合功能分成它们自己的单独的物理和逻辑实体。
[0014]所描述的用于PV电站的控制系统的实施例包括其他元件之间的电站级控制系统和电站监管系统。所描述的实施例包括控制硬件和软件、数据获取硬件和软件、网络元件、用户接口、用于其他仪器(诸如传感器)或其他装置(诸如远程终端单元)的接口和对其他系统的接口。所描述的实施例还包括远程访问和访问安全功能。
[0015]图1示出PV电站100的框图。电站100包括至少一个变电所101、运作和维护站102以及一个或更多个发电站103。尽管在图1中仅示出了单个变电所101，但是应当理解的是，电站100可包括多个变电所101，每个变电所101具有多个相关联的发电站103。
[0016]电站100中的每个发电站103通常将包括(下面针对图2进一步描述的)多个电站装置。这样的电站装置可包括用于产生和传送电流的PV面板、用于将多个PV面板的输出互连的电组合器盒、用于将DC电信号转化为AC电信号的逆变器、用于控制PV面板的配置的跟踪器或其他安装机构、用于检测各种条件的传感器以及在太阳能的产生、运作和/或控制中使用的其他设备和组件。例如，在PV电站中，每个发电站103可包括从太阳辐射产生DC电流的多个PV面板、与安装的PV面板相关联的引导PV面板面向入射光的太阳跟踪器、用于组合从多个PV面板接收的DC电流的组合器盒以及用于将(例如，从一个或更多个组合器盒接收的)DC电流转换为进一步发送的AC电流的逆变器。
[0017]电站100包括发电站103之间的公共功率连接点，被称为交叉点(“Ρ0Ι”)112。在一个或更多个发电站103产生的电功率通过P0I112被作为AC功率输出到电力网120 (或到另一期望位置)。因此，P0I112表示电站100的单个输出，并且在P0I112测量的功率特征是输入到电网120的电功率的特征。
[0018]电站100的变电所101、运作和维护站102以及发电站103通过电站通信网络560互连。通信网络560可以是光纤、有线或无线网络或者用于提供电站100中的各个控制系统组件之间的通信的其他适当类型的网络。例如，通信网络560可以是具有私有网络寻址的冗余高速环形光纤局域网(“LAN”)。优选地，通信网络560包括具有虚拟LAN (“VLAN”)支持的标准化的开关，所述虚拟LAN支持包括对被第三方服务提供商的系统访问的支持。VLAN表示如下LAN网络，在所述LAN网络中，主机组(通常具有一组共同的需求)以犹如它们被附着于同一 LAN而不管它们的物理位置的方式进行通信。
[0019]网络运作中心105和远程中心106 (例如，站外消费控制中心)可远程地连接到电站100。如下面进一步所述，网络运作中心105和/或远程中心106可使用传统的安全互联网连接而连接到电站100的监管系统202。
[0020]如图1中所示，电站100还包括用于提供其他控制功能中的实时电站级控制功能(诸如有功功率控制、电压调节和功率因子设置点能力)的电站级控制系统201。电站级控制系统201的元件可位于变电所101中，如图1中所示。可选择地，电站级控制系统201的一些或全部元件可位于变电所101的外部，并可位于电站100中的若干不同位置处(诸如其他变电所)。如果电站100包括多个变电所101，则电站级控制系统201可位于所述多个变电所101中的一个变电所中，并通过通信网络560连接到其他变电所101和发电站103。
[0021]在运作和维护站102中设置用于提供监管控制和数据获取功能(包括用于在每个发电站103的电站装置的控制和数据获取能力)的监管系统202。监管系统202的元件可位于运作和维护站102中，如图1中所示。可选择地，监管系统202的一些或全部元件可位于运作和维护站102的外部，并可位于若干不同位置(诸如变电所101、网络运作中心105或远程中心106中)。
[0022]电站级控制系统201和监管系统202形成了电站100的整体控制系统。下面进一步描述电站100的控制系统。
[0023]图2是示出发电站103内的电站装置的更多细节的框图。应当理解的是，图2中示出的电站装置仅是示例性的电站装置，并且发电站103可包括本领域中公知的其他电站装置。
[0024]图2中示出的每个发电站103包括用作发电机的多个PV面板225。PV面板225从太阳辐射产生直流(“DC”)电流。多个PV面板可以以串联串或并联串互连，每个发电站包括PV面板的一个或更多个串226。在图2中，尽管应当理解也示出了 PV面板225的其他串226，但是为了清楚起见仅对PV面板225的第一串226a和第二串226b加上标签。从多个PV面板225 (诸如从一个或更多个串226中的PV面板225)输出的DC在组合器盒223中被组合。然后，从一个或更多个组合器盒223输出的DC被输入到逆变器222，逆变器222将DC电流转化为交流(“AC”)电流。因此，发电站103包括DC区域和AC区域，其中，DC区域包括逆变器222之前的电站装置以及沿功率链的互连(例如，PV面板225、组合器盒223和对逆变器222的输入)，AC区域包括逆变器222之后的电站装置以及沿功率链的互连(例如，逆变器222的输出和发电站输出451)。
[0025]每个PV面板225还结合到安装机构224，安装机构224可包括根据当前本地条件(例如，根据当前本地环境条件和/或入射太阳光的方向)对一个或更多个PV面板225进行定向的跟踪器。
[0026]发电站103中的每个逆变器222通过发电站输出451将AC电功率输出到电站100(图1)的交叉点(“Ρ0Ι”)112。
[0027]每个发电站103还包括监视和通信装置450，监视和通信装置450包括存储元件460 (诸如直连式存储器)和逻辑元件461 (诸如可编程逻辑控制器)。如果通过通信网络560接收的命令(诸如下面进一步描述的用于电站级控制功能的命令)处于与发电站103的电站装置所支持的命令不同的协议或格式，则监视和通信装置450提供所述命令的转化。
[0028]另外，监视和通信装置450与发电站103内的电站装置的集成监视系统接口连接，并从所述集成监视系统收集数据。监视和通信装置450收集发电站103的DC区域内的电站装置(诸如PV面板225和组合器盒223)的DC功率特征(例如，电流、电压和/或其他度量)以及互连，并收集AC区域内的电站装置(诸如逆变器222)的AC功率特征(例如，电流、电压和/或其他度量)以及互连。监视和通信装置450还收集关于在输出451的发电站的整体AC输出的数据。该数据可被存储在通信装置450的存储元件460中，并通过通信网络560被提供给电站级控制系统201和/或监管系统202 (图5)。[0029]在发电站103的用于监视DC功率特征的能力提供被输入到每个逆变器222中的DC功率的缩减。例如，如下面针对图3和图4进一步讨论的，由电站级控制系统201执行的电站控制功能可要求将从每个发电站103输出的AC功率的特定电平。通常，通过调节AC区域中的功率的输出(例如，调节逆变器222的AC功率输出)而调节从每个发电站103输出的AC功率。此外，每个逆变器222可具有用于一个或更多个输入DC功率特征的阈值电平，诸如逆变器222可转化为输出AC电流的输入DC电流的最大量。如果到逆变器222的输入DC电流超过该阈值，则产生的DC功率可能会被浪费，并且逆变器222可能会损坏。
[0030]通过经由监视和通信装置450测量发电站103的DC区域中的功率特征，输入到每个逆变器222的DC功率可在DC区域中被调节。例如，从与第一组合器盒223相关联的第一组PV面板225 (例如，第一串226a的PV面板225)产生的总功率的量以及从与第二组合器盒223相关联的第二组PV面板225 (例如，第二串226b的PV面板225)产生的总功率的量可通过受控的继电器、开关或其他受控的装置被调节。调节由与各个组合器盒223相关联的不同组的PV面板225产生的总功率的操作可调节输入到各个相应的逆变器222的总DC功率负载。
[0031]另外，调节由与各个组合器盒相关联的不同组的PV面板225产生的总功率的操作允许平衡在两组面板的最佳条件期间由两组PV面板225产生的功率，并在功率产生中响应于另一组的减小(例如，由于另一组PV面板225达不到最佳条件)而增大一组。
[0032]每个组合器盒223可被配置为调节由与其相关联的一组PV面板225产生的DC功率。例如，响应于DC区域中的测量，组合器盒223中的受控的继电器、开关或其他受控的装置可被触发以停止从一个或更多个相关联的PV面板225接收DC电流。这可通过每个相关联的组合器盒223调节输入到逆变器222的DC电流的量，组合器盒223反过来影响逆变器222输出的AC功率的量。
[0033]发电站103还包括用于监视环境条件或PV面板225处的条件的一个或更多个传感器452。例如，传感器452可被配置为监视水平辐照度、阵列平面辐照度、风速、风向、外部空气温度、外部相对湿度、日降雨量和年降雨量、面板温度和/或与PV面板225相关的其他条件。传感器452还连接到监视和通信装置450，以将传感器452收集的数据提供给监管系统 202 (图 5)。
[0034]如下面针对图3至图5进一步描述的，电站级控制系统201和监管系统202形成电站100 (图1)的控制系统，其中，电站100包括用于控制和数据聚合功能的单独的物理或逻辑实体。控制系统提供超过传统系统的如下优点，包括通过统一控制功能到不同电站装置的广播以及通过基于个体对电站装置(例如，PV面板225、电组合器盒223、逆变器222、安装机构224、传感器452等)的控制来提供对在P0I112的电站输出的功率特征的控制。另夕卜，电站级控制功能由主控制器213 (图3)管理，主控制器213可被电站级控制系统201的用户或者被监管系统202的用户在本地配置，如下面进一步所述。
[0035]图3示出如包含在变电所101内的示出的电站级控制系统201的框图。如以上所讨论的，电站级控制系统201的元件可在电站100 (图1)的变电所101内被实现，或者与变电所101分离。电站级控制系统201包括足以完全实现电站100的自动的和独立的操作的硬件和软件，如下面进一步所述。
[0036]电站级控制系统201包括一个或更多个变电所远程终端单元(“RTU”)210。变电所远程终端单元210可以是微处理器控制的装置，所述装置被配置为用作电站级控制系统的本地控制中心(hub)，并且使用标准变电所设备接口协议(诸如DNP3或IEC6185)或本领域中公知的其他接口协议与电站级控制系统201的其他元件接口。变电所RTU210还包括用于电站100的本地运作、配置和故障排除的基于网络的用户接口(例如，具有显示器、键盘等)。变电所RTU210对电网运营商和其他提供适应性以在本地将命令(例如，下面进一步描述的用于电站控制功能的指令和/或参数)提供给(下面描述的)主控制器213。
[0037]电站级控制系统201还包括主控制器213。主控制器213可包括一个或更多个逻辑引擎，所述一个或更多个逻辑引擎包括至少一个处理器。主控制器213可以是单独的元件，或者可被内建在变电所RTU210中。主控制器213通过通信网络560将用于实时电站级控制功能的指令提供给发电站103 (图2)中的电站装置。主控制器213可经由通信网络560或另一安全连接通过变电所RTU210被配置，或通过(下面进一步描述的)监管系统202的监管用户接口 230 (图5)被配置。
[0038]电站级控制系统201还包括POI监视装置211，POI监视装置211可经由诸如DNP3或IEC61850的公知协议或本领域中公知的其他协议与主控制器213和/或与变电所RTU210接口连接。POI监视装置211包括传感器和被配置为在P0I112检测各种功率特征(诸如电压电平、无功电压、功率电平和本领域中公知的其他功率特征)的其他元件。
[0039]电站级控制系统201被设计为调节作为单个大型发电机的电站100的有功功率输出和无功功率输出。如以上针对图1和图2所述，电站100在多个发电站103中的每个中包括一个或更多个PV面板225 (图2)。每个PV面板225基于其当前能力(例如，基于PV面板225的当前本地环境条件)产生DC电功率。电站级控制系统201在每个发电站103中协调电站装置的电站级控制功能，以例如通过调节每个发电站103的DC区域中的功率特征(例如，调节PV面板225的串226或组合器盒223的输出)、通过调节每个发电站103的AC区域中的功率特征(例如，调节逆变器222的输出或发电站输出451)或者通过调节以上二者来调节电站100的整体输出。通过协调电站级控制功能，电站级控制系统201将典型的大型电站特征(诸如下面进一步描述的有功功率控制、电压调节和/或伏安无功(“VAR”)调节)提供给电站100。主控制器213能够提供对电站100的整体的电站级控制功能。
[0040]电站级控制系统201还例如通过监管用户接口 230(图5)、通过通信网络560或通过到变电所RTU210或主控制器213的另一安全连接与(下面进一步描述的)监管系统202接口连接。电站级控制系统201与监管系统202的接口连接允许电站级控制系统201将数据(例如，到监管系统202的警告信号、状态信息、计量、运作模式信息和监视信息)提供给监管系统202并从监管系统202接收用于电站级控制功能的命令。为了确保可靠的监管控制能力，主控制器213包括内部时钟，或者接收与监管用户接口 230 (图5)的时钟同步的外部时钟，优选地在±0.1秒内。
[0041]用于电站控制功能的命令(诸如从逆变器222 (图2)自动产生的命令)从监管系统202通过监管用户接口 230 (图5)、从变电所RTU210或自动地通过其他接口设备被提供给主控制器213。为了确保安全，对变电所RTU210和/或监管系统202的本地用户接口的访问被确保并被密码保护。控制系统的固件和软件更新优选地能够在本地通过变电所RTU210或远程地通过监管系统202执行。
[0042]主控制器213被配置为使用非私有通信方案(诸如DNP3、IEC61850或本领域中公知的其他公共协议)通过通信网络560将指令提供给电站装置。使用非私有通信方案配置主控制器213进行通信的操作通过利用针对高速保护方案而设计的商用硬件来最小化延迟，以监视电站100的组件之间的传输互连。例如，所描述的配置允许由第一 OEM制造的电站装置以直接的方式结合到由不同OEM制造的其他电站装置，从而提供快速且可靠的电站级控制。可选择地，如以上针对图2所讨论的，每个发电站103可包括用作针对不同电站装置传送和转化不同协议中的指令的媒介的逻辑元件(诸如监视和通信装置450内的逻辑元件 461)。
[0043]图4是示出可使用电站级控制系统201发布用于电站控制功能的命令以控制每个发电站103内的电站装置的一种方式的框图。应当理解的是，所描述的处理可应用于下面描述的各种电站控制功能以及本领域中公知的多个其他电站控制功能。
[0044]如图4中所示，用户(例如，电网运营商)可通过变电所远程终端单元(“RTU”)210将命令PU)(诸如用于电站控制功能的指令和/或参数)提供给主控制器213。用户可通过变电所RTU210或通过监管系统202提供命令P (X)。可选择地，监管系统202可将命令PU)直接提供给主控制器213。如果命令PU)源于监管系统202中，则其通过通信网络560被发送到主控制器213。
[0045]命令PU)可以是用于激活或去激活一个或更多个功率控制功能的指令和/或用于功率控制功能的参数，诸如功率设置点、交叉点(“Ρ0Ι”)的期望电压或用于功率控制功能的其他值。
[0046]主控制器213还从POI监视装置211接收在POI112的功率特征和/或其他条件的实时测量M(y，z)。如果在P0I112的测量M(y，z)偏离由命令P(x)指定的测量，则主控制器213被配置为确定适当的动作(例如，应当增大功率还是减小功率)，进行可能需要的任何计算(例如，针对增大或减小而计算设置点值)，并产生用于该动作的指令1(1，2，N)。然后，主控制器213通过通信网络560将产生的指令I (1，2，N)提供给发电站103中的一个或更多个。
[0047]主控制器213可被配置为根据通过变电所RTU210或监管系统202输入到主控制器213的控制算法进行确定并产生指令I (1，2，N)。指令I (1，2，N)可包括用于每个发电站103的具体化的指令或用于每个发电站103内的多个电站装置的具体化的指令。可选择地，指令1(1，2，N)可以相同并被共同发送到所有发电站103。
[0048]然后，从主控制器213接收指令(或其分量)的每个发电站103可将适当的指令提供给相关联的电站装置。例如，如以上针对图2所述，发电站103可包括配备有用于解释通过通信网络560接收的指令的可编程逻辑元件461的监视和通信装置450。监视和通信装置450可随后将接收的指令(或其分量)传递到一个或更多个相关联的逆变器222 (图2)或在各个发电站103的其他电站装置。可选择地，发电站103可不包括监视和通信装置450，并且逆变器222或在发电站103的其他电站装置可通过通信网络560直接接收指令。
[0049]响应于各个指令，电站装置内的集成控制器可调节电站装置输出以改变发电站103的整体输出。例如，逆变器222(图2)可被配置为根据接收的指令调节电功率输出电平或电压电平。可选择地，逆变器222可包括如下集成电路，所述集成电路被配置为产生适当的指令并将产生的指令发送到发电站103的DC区域中的一个或更多个连接的电站装置(诸如组合器盒223、安装机构224和/或PV面板225 (图2))以调节它们各自的属性，并因此调节发电站103内的逆变器222的输出。
[0050]可由电站级控制系统201提供的控制功能的示例包括对在P0I112的功率输出的设置点控制、对输入到一个或更多个逆变器222的DC电流的设置点控制、对在P0I112的功率输出的增大和减小控制、对在POI112的电压的电压调节、对在POI112的功率因子的功率因子调节以及对在P0I112的频率的频率响应控制，仅列举出一些。下面进一步描述这些功倉泛。
[0051]在设置点控制中，电站级控制系统201调节如在P0I112测量的电站100的最大有功功率输出。电站级控制系统201根据例如通过变电所RTU210或通过经由监管用户接口230 (图5)的监管系统202从用户做出的有功功率指令来激活设置点控制。类似地，用户可提供设置点参数。当设置点控制被激活时，电站级控制系统201将基于提供的设置点参数来调节电站100在POI112产生的最大有功功率。
[0052]当设置点控制被激活时，如果设置点参数高于测量出的P0I112的功率输出，则设置点控制将对发电站103没有影响。如果设置点参数低于测量出的POI112的功率输出，则主控制器213产生用于例如通过减小在一个或更多个发电站103的电站装置的相应输出将电站100的输出减小到特定限制内的指令。例如，主控制器213可产生用于指示一个或更多个发电站103内的逆变器222 (图2)减小逆变器222的各个总AC功率输出的指令。可选择地，主控制器213可向一个或更多个DC电站装置(例如，组合器盒223或用于PV面板225的安装机构224)产生减小DC电站装置的输出的指令(诸如通过触发组合器盒223中的继电器或重新配置安装机构224以对PV面板225重定向)。电站级控制系统201通过POI监视装置211继续实时地监视测量出的P0I112的功率输出。如果需要另外的调节以响应于设置点参数减小P0I112的功率输出，则主控制器213将另外的指令提供给发电站103。
[0053]对一个或更多个个体逆变器222 (图2)的DC电流输入调节防止诸如从一个或更多个组合器盒223接收DC功率的过负载的逆变器222的损坏。电站级控制系统可被配置为统一地或根据特定逆变器参数调节电站100内的所有逆变器222的DC电流输入，或者可被配置为仅调节选择的逆变器222的DC电流输入。
[0054]电站级控制系统201根据例如通过变电所RTU210或通过经由监管用户接口 230(图5)的监管系统202从用户做出的有功功率指令来激活对一个或更多个逆变器222的DC电流输入调节。可选择地，电站级控制系统201可被配置为基于由逆变器222自动产生的命令激活DC电流输入调节。类似地，阈值DC电流输入参数可由用户提供，或者可由逆变器222自动提供。
[0055]当DC电流输入调节被激活时，如果阈值DC电流输入参数高于测量出的被输入到调节的逆变器222的DC电流，则该调节将对发电站103没有影响。如果阈值DC电流输入参数低于测量出的被输入到调节的逆变器222的DC电流，则主控制器213产生用于减小与调节的逆变器222相关联的一个或更多个DC电站装置的输出的指令。例如，主控制器213可产生将被提供给与逆变器222相关联的组合器盒223的指令，以触发组合器盒223内的一个或更多个受控的继电器，所述一个或更多个受控的继电器将使组合器盒停止从一个或更多个相关联的PV面板225或PV面板225的一串或更多串226接收并输出DC电流。来自主控制器213的指令可通过电站网络560、通过监视和通信装置450和/或通过逆变器222被直接提供给相关联的组合器盒223。[0056]可选择地，主控制器213可被配置为产生将被提供给安装机构224 (例如，跟踪器)的指令，以调节PV面板225的配置并减小产生的总DC功率，其中，安装机构224控制与被调节的逆变器222相关联的一个或更多个PV面板225的配置。例如，安装机构224可被受控为对PV面板225重定向，使得较少的光辐射到PV面板225上，从而使PV面板225产生较低的DC功率输出。来自主控制器213的指令可通过电站网络560、通过监视和通信装置450和/或通过逆变器222被直接提供给安装机构224。
[0057]电站级控制系统201通过监视和通信装置450继续实时地监视测量出的调节的逆变器222的DC输入电流。如果需要另外的调节以响应于阈值DC电流输入参数减小调节的逆变器222的DC电流输入，则主控制器213提供另外的指令。
[0058]增大和减小控制分别确保电站100 (图1)的输出不比增大比率参数和减小比率参数指定的输出增大或减小得更快。用于激活增大控制、减小控制或二者的指令以及增大比率参数和减小比率参数由用户通过变电所RTU210或通过经由监管用户接口 230 (图5)的监管系统202输入，并被提供给主控制器213。电站输出由POI监视装置211在POI112测量，并且这些测量被提供给主控制器213。主控制器213被配置为确定在P0I112的当前测量与在POI112的先前测量之间的改变。
[0059]如果增大控制被激活，则主控制器213确定在POI112的电功率是否以比增大比率参数指定的比率更大的比率增大(例如，由于图2中的PV面板225上的入射阳光的电平的较大变化)。如果在P0I112的功率以小于或等于由增大比率参数指定的比率的比率增大，则增大控制对电站100 (图1)没有影响。如果在P0I112的功率以大于由增大比率参数指定的比率的比率增大，则主控制器213产生用于例如通过减小从一个或更多个发电站103的相应输出来减小电站100的输出以对应于由增大比率参数指定的增大比率的指令。
[0060]类似地，如果减小控制被激活，则主控制器213确定在POI112的电功率是否以比减小比率参数指定的比率大的比率减小。如果在P0I112的功率以小于或等于由减小比率参数指定的比率的比率减小，则减小控制对电站100的运作没有影响。如果在P0I112的功率以大于由减小比率参数指定的比率的比率减小，则主控制器213产生用于例如通过增大来自一个或更多个发电站103的相应输出来增大电站100的输出以对应于由减小比率参数指定的减小比率的指令。因为当前环境条件(例如，PV电站的云量)可极大地减小多个PV面板225 (图2)产生电流的能力，并因此极大地影响来自电站100的可用的总功率，所以电站级控制系统201可被配置为利用诸如辅助功率存储的技术或其他公知方法以确保当减小控制被激活时，整体输出不比指定的减小参数减小得更快。这样的技术可通过变电所RTU210或通过经由监管用户接口 230的监管系统202控制。
[0061]电压调节将在P0I112的电站电压控制到特定电平。例如，当电压调节被激活时，期望的POI电压参数可由用户通过变电所RTU210或通过经由监管用户接口 230 (图5)的监管系统202输入。POI监视装置211确定在P0I112的电压，并将该电压提供给主控制器213。然后，主控制器213基于期望的POI电压参数确定适当的电压或伏安无功(“VAR”)设置点。VAR是通常用于测量AC电功率系统中的无功功率的值。主控制器213将包括设置点的指令发送到电站装置，以实现闭环电压反馈控制。应当理解的是，设置点可以是用于每个发电站103的统一设置点，或者可针对每个发电站103或针对每个发电站103中的电站装置而被个性化。[0062]发电站103接收设置点，并相应地调节它们各自的无功功率电平。POI监视装置211继续将在POI112的电压的测量提供给主控制器213。如果在POI112的电压仍被确定为偏离期望的POI电压参数，则主控制器213将另外的指令提供给在发电站103的电站装置(例如，逆变器222、组合器盒223或发电涉及的其他电站装置)。开关型电容器组(未示出)还可由主控制器213激活，以补偿因电压调节导致的可能在发电站103发生的净电感损耗。
[0063]功率因子调节根据特定的功率因子参数来控制在P0I112的功率因子。AC电系统的“功率因子”是有效功率(即，流入到负载的实际功率)与视在功率(即，电流乘以电压)的比率。以与电压调节相似的方式提供功率因子调节。当用户(例如，通过变电所RTU210或通过经由监管用户接口 230 (图5)的监管系统202)提供用于激活功率因子调节的指令和功率因子参数时，POI监视装置211在POI112检测有效功率与视在功率的比率，并将该比率提供给主控制器213。主控制器213被配置为确定测量出的比率是否在由用户提供的功率因子参数的容许极限(tolerable limit)内。如果测量出的比率在由用户提供的功率因子参数的容许极限内，则功率因子调节对电站100没有影响。如果测量出的比率不在由用户提供的功率因子参数的容许极限内，则主控制器213将适当的指令提供给在发电站103的电站装置(例如，逆变器222、组合器盒223或发电涉及的其他电站装置)，以实现功率因子调节。
[0064]电站级控制系统201还可提供对电站100的频率调节，包括对在P0I112的频率功率下垂(frequency power droop)的调节。例如，电站级控制系统201可激活一个或更多个逆变器222中的功率降低调节，以在P0I112的输出频率被确定为高于标称时进行补偿。类似地，电站级控制系统201可激活一个或更多个逆变器222中的功率上升调节，以在P0I112的输出频率低于标称时进行补偿。用于激活频率调节的指令或者用于定义何时应当自动激活频率调节的参数可由用户例如通过变电所RTU210或通过经由监管用户接口 230 (图5)的监管系统202提供。
[0065]当电站级控制系统201还可被配置为(使用通过变电所RTU210或通过经由监管用户接口 230 (图5)的监管系统202提供的命令和/或参数)提供低电压“穿越”能力和高电压“穿越”能力时，这些能力优选地由各个电站装置自身提供。低电压穿越(“LVRT”)表示电站保持在线并“穿越”逆变器之一的低电压条件的能力，这可例如由系统的意外接地或由大负载的突然连接而导致。类似地，高电压穿越(“HVRT”)表示电站处理逆变器之一的高电压条件的能力。LVRT能力和HVRT能力都需要电站的非常快的响应。因此，优选地，诸如通过在每个逆变器222 (图2)中集成的电路而非通过电站级控制系统201在各个电站装置提供这种能力。
[0066]应当理解的是，电站级控制系统201以与上述方式相似的方式提供其他电站控制功能。所提供的电站控制功能可包括对电站100的启动/关闭的控制、静态电容器/电抗器协调、对用于抵消可能对电站100造成严重压力的非期望条件的系统保护方案的实现或者对本领域中公知的其他发电系统和电站的其他控制功能。
[0067]图5示出监管系统202的框图。监管系统202提供其他功能中的对电站100的实时监视、警告处理、历史数据存档和监管控制。如以上所讨论的，监管系统202的元件可被实现在电站100 (图1)的运作和维护站102内，或者与运作和维护站102分离。监管系统202包括足以完全实现电站100的自动监管控制和数据获取的硬件和软件，如下面进一步所述。
[0068]监管系统202至少通过通信网络560连接到电站级控制系统201 (图3)。另外，如下面进一步所述，监管系统202还可诸如通过电站100 (图1)的网络运作中心105和/或远程中心106 (可用作站外消费控制中心)被远程访问。
[0069]监管系统202包括监管用户接口 230。监管用户接口 230是自给式的基于网络的用户接口，其可被(例如，在变电所RTU210或在图1中的运作和维护站102的)站内人员以及通过(下面进一步讨论的)远程连接被(诸如在远程中心106的)站外消费控制人员和(诸如在网络运作中心105的)监督人员使用。监管用户接口 230提供对电站100 (图1)的元件在本地和远程地监视，包括电站100的关键运作和性能指示器、各个组件(包括各个电站装置)的状态和运作条件、系统运作(例如，逆变器222 (图2)的开始和停止)以及整个系统和各个组件的故障排除和诊断能力。监管用户接口 230还提供对电站100的组件所产生的所有警告的管理。
[0070]监管用户接口 230还提供对电站级控制系统201 (图3)的各个方面的基于网络的运作控制。例如，监管用户接口 230可被配置为接收外部命令，并因此通过通信网络560提供对由主控制器213 (图3)执行的电站级控制功能的远程运作控制。监管用户接口 230还通过通信网络560提供主控制器213的配置。另外，监管用户接口 230通过通信网络560提供对主控制器213和/或各个电站装置的操作，诸如对各个逆变器222 (图2)的控制和/或启动和关闭定序。
[0071]监管用户接口 230通过网络浏览器客户端向授权用户提供对图形用户界面的本地和/或远程访问。监管用户接口 230向用户提供监视电站100(图1)的关键组件的能力，包括在P0I112的电站输出、每个发电站103的输出和状态、通信网络560的连接以及各个电站装置(诸如逆变器222、组合器盒223、安装机制224、PV面板225和传感器452 (图2))的状态和输出。
[0072]监管用户接口 230可以是用于与电站级控制系统201通信并将命令提供给电站级控制系统201的基本装置，并且优选地能够提供对电站100 (图1)的当前能力的完全可视化，诸如在P0I112测量的电站100的电压、功率因子和功率电平。监管用户接口 230还优选地被配置为将电站级控制系统201设置为不同的运作模式(包括正常运作启动、关闭、月艮务中和停止服务)以及能够调节电站级控制功能的参数。
[0073]监管用户接口 230还被配置为在变电所101 (图1)或运作和维护站102本地以及远程地(诸如在网络运作中心105或远程中心106)提供对保存在(下面进一步描述的)历史数据服务器232上的历史数据和从历史数据产生的报告的访问。另外，监管用户接口 230可在本地或远程地提供对电站100的一个或更多个关键性能指示器(诸如总电功率输出和可用性)的实时或历史访问。
[0074]监管系统202还包括实时数据服务器231。实时数据服务器231被配置为通过通信网络560从电站100 (图1)内的一些或全部电站装置聚合实时数据，诸如运作数据和其他数据。存储在实时数据服务器231上的数据可被用户通过监管用户接口 230访问。实时数据服务器231通过通信网络560与每个电站装置通信，并按规则间隔(例如，每秒一次)更新数据。实时数据服务器还可通过通信网络560从POI监视装置211和/或主控制器213(图3)聚合实时数据。[0075]将数据提供给实时数据服务器231的电站装置优选地包括一个或更多个存储元件，诸如直连式存储(“DAS”)元件。如以上针对图2所讨论的，每个发电站103中的监视和控制元件450可包括用于从发电站103内的电站装置存储数据的存储元件460。可选择地，各个电站装置(诸如PV面板225、逆变器222、传感器452等)可包括它们自己的存储元件。
[0076]实时数据服务器231被配置为处理并提供对不同类型和不同数量的数据的监视。例如，实时数据服务器231还可被配置为处理通过通信网络560接收的警告信号，并将这些警告信号提供给(下面进一步描述的)警告管理器235。
[0077]监管系统202还包括历史数据服务器232。历史数据服务器232可以是被配置为从电站100 (图1)捕获并存储所有运作数据的结构化查询语言(“SQL”)服务器或类似服务器。历史数据服务器232还可被配置为存储不同类型和不同数量的数据，诸如来自电站100或电站装置的各种警告和状态消息。
[0078]历史数据服务器232运行如下数据收集例程，所述数据收集例程用于从实时数据服务器231积累数据并按可配置的频率以可易于稍后使用的方式(诸如以SQL格式)将数据存储在历史数据服务器232中。可使用监管用户接口 230定义和修改这些数据收集例程。数据收集例程还可被配置为获得统计量(诸如电站100通过特定间隔的平均功率输出)。这些统计量可被保存在历史数据服务器232上，并且在导出期望的统计量之后，来自实时数据服务器231的相应实时数据可被压缩或被删除，而非存储在历史数据服务器232上。优选地，在电站活动处于最小且因此服务器处理负载最小的时间段期间(诸如太阳能电站在夜间)规则地执行数据收集例程。
[0079]如图5中所示,监管系统202还包括功能元件,诸如包括报告处理元件234的报告系统233、警告管理器235、提供对路由器或调制解调器250的访问的远程访问安全元件236、数据传送接口 237、外部系统数据服务器238、移动接口 239和跟踪器系统监视元件240。可经由用户接口 230中的一个或更多个处理器或经由监管系统202中的其他地方(例如，运作和维护站102 (图1))的一个或更多个处理器提供这些功能元件。
[0080]报告系统233是基于网络的用于提供由数据收集例程从实时数据服务器231和/或历史数据服务器232收集的数据所产生的报告的系统。报告系统233包括报告处理元件234，报告处理元件234可以是被配置为产生标准报告或接收用户说明以按照用户的特定需要配置报告的处理器系统。例如，如果历史数据服务器232是SQL服务器，则可使用本领域中公知的且广泛可用的第三方软件工具来配置报告处理元件234产生根据用户的需要专门配置的报告。
[0081]警告管理器235通过通信网络560或通过实时数据服务器231或通过以上二者从各种电站装置直接收集警告、告警和/或诊断消息的示例。警告管理器235 (例如，通过监管用户接口 230)将这些消息提供给监管系统202的本地用户和远程用户二者，以帮助故障排除和执行诊断。警告管理器235可被配置为将每个警告分类为预先指定的可配置的优先级类别。例如，一些警告可被分类为需要用户确认。作为另一示例，一些警告可被配置为触发其他动作，诸如通过电子邮件或自动拨出的远程通知。
[0082]远程访问安全元件236通过网络路由器或调制解调器连接250向远程用户(诸如网络运作中心105或远程中心106的用户)提供对监管系统202和/或监管用户接口 230的安全访问。远程访问安全元件236包括防火墙能力，并提供对希望访问通信网络560的电站100外部的用户的代理和/或认证服务。远程访问安全元件236还可被配置为保持认证用户的审计跟踪、它们在访问监管系统202时的活动以及对访问监管系统202的不成功的尝试。
[0083]数据传送接口 237提供将数据的子集从历史数据服务器232到远程数据库或系统(诸如到网络运作中心105或远程中心106 (图1))的传送。数据传送接口 237优选地包括用于配置和定义将被传送的数据的期望子集并且用于指定这种传送的时间间隔的能力。例如，数据传送接口 237可被配置为基于周期自动创建预定义格式的数据的文件，所述文件可被传送到其他集中位置以进行进一步处理。数据传送接口 237还可被配置为将数据从实时数据服务器231提供给监管数据库或系统。
[0084]外部系统数据服务器238可以是被配置为针对处理控制(“0PC”)服务器链接并嵌入的对象的服务器。OPC是在不同制造商的控制装置之间进行实时电站数据的通信的行业标准。因此，外部系统数据服务器238允许外部系统访问被监管系统202准许的特定电站数据。
[0085]移动接口 239通过移动装置提供对特定电站数据的访问。例如，用户可经由移动接口 239被准许在移动装置上通过监管用户接口 230查看关键性能指示器和/或警告。移动接口 239优选地被配置为使得其不提供完全电站控制或监管控制功能。另外，移动接口239优选地包括适当的安全性以确保仅授权用户访问电站数据。
[0086]跟踪器监视元件240收集并产生与在发电站103的安装机构224 (图2)的配置相关的可用信息。如以上针对图2所讨论的，安装机构224 (诸如跟踪器)用于对发电站的PV面板单元进行定向。跟踪器监视元件240向监管用户接口 230的用户提供对各个安装机构224的方位数据和诊断的访问，其中，所述方位数据和诊断可由实时数据服务器231通过通信网络560收集。
[0087]以上描述和附图仅应被视为实现本文中所描述的特征和优点的特定实施例的示例。可做出对特定处理、架构、系统和结构的修改和替代。例如，应当理解的是，可使用除了结合以上实施例专门描述的组件和配置之外的适当的组件和配置，并且可按照与以上描述的处理步骤被描述的特定顺序不同的顺序执行这些处理步骤。所描述的构思容易地应用于本领域中公知的其他类型的电站装置、电站控制功能、电站和发电系统。因此，本发明的实施例不应被视为受前述描述和附图的限制，而是受权利要求的范围的限制。
【权利要求】
1.一种用于光伏PV电站的控制系统，所述PV电站包括多个发电站，所述多个发电站包含用于将电功率提供给电网的电站装置，所述控制系统包括: 电站级控制系统，用于通过将指令提供给所述多个发电站来控制所述PV电站的电站控制功能； 监管系统，被配置为执行与所述电站装置相关的监视和数据获取功能并将用于电站控制功能的命令提供给所述电站级控制系统； 通信网络，提供所述电站装置、所述电站级控制系统和所述监管系统之间的通信；以及 监视和通信装置，位于所述多个发电站中的相应的发电站中并与位于该发电站的所述电站装置接口连接，其中，所述监视和通信装置被配置为: 收集电站装置的直流DC功率特征以及所述相应的发电站的DC区域中的互连； 收集电站装置的交流AC功率特征以及所述相应的发电站的AC区域中的互连。
2.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述PV电站还包括:交叉点，用于接收从所述多个发电站产生的电功率并将所述电功率提供给所述电网。
3.如权利要求2所述的控制系统，其中: 所述DC (直流)区域包括: 多个PV面板，用于从辐射光产生DC电信号；以及 至少一个组合器盒，被配置为接收由所述多个PV面板产生的所述DC电信号并进行组八I=I， 所述AC (交流)区域包括: 至少一个逆变器，被配置为从所述至少一个组合器盒接收所述组合的DC电信号，其中，所述至少一个逆变器将所述组合的DC电信号转化为AC信号，并将所述AC信号提供给所述PV电站的所述交叉点。
4.如权利要求3所述的控制系统，其中，所述发电站中的每个发电站的所述至少一个组合器盒包括均从多个相关联的PV面板接收DC电信号的多个组合器盒，并且其中，所述至少一个逆变器被配置为从所述多个组合器盒接收组合的DC电信号，所述多个组合器盒中的每个组合器盒还包括: 继电器开关，被配置为使所述组合器盒停止从所述相关联的PV面板中的至少一个PV面板接收DC功率。
5.如权利要求4所述的控制系统，其中，所述多个组合器盒中的每个组合器盒被配置为根据从所述至少一个逆变器接收的指令触发所述继电器开关。
6.如权利要求5所述的控制系统，其中，所述至少一个逆变器被配置为当由所述逆变器接收的DC电流的总量超过阈值时，指示所述多个相关联的组合器盒中的至少一个组合器盒触发所述相应的继电器开关。
7.如权利要求4所述的控制系统，其中，所述多个组合器盒中的每个组合器盒被配置为根据从所述电站级控制系统接收的指令触发所述继电器开关。
8.如权利要求2所述的控制系统，所述电站级控制系统还包括: 至少一个装置，用于监视在所述交叉点的功率特征；以及 主控制器，被配置为: 从所述至少一个监视装置接收所述功率特征；根据所述接收的功率特征产生用于所述电站控制功能的所述指令； 通过所述通信网络将所述指令提供给所述一个或更多个电站装置。
9.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述监管系统包括:监管用户接口，将用于所述电站控制功能的命令提供给所述电站级控制系统。
10.如权利要求9所述的控制系统，其中，所述监管系统还包括: 第一数据服务器，被配置为从所述电站装置聚合实时数据；以及 第二数据服务器，被配置为根据至少一个数据收集例程从所述第一数据服务器积累历史数据， 其中，用于提供所述监管控制指令的所述用户接口被配置为访问所述第一数据服务器和所述第二数据服务器。
11.一种在光伏PV电站中控制电站级控制功能的方法，所述PV电站包括多个发电站，每个发电站包括多个电站装置，所述方法包括: 配置所述PV电站的电站级控制系统的主控制器以确定用于在所述多个发电站中的至少一个发电站中针对所述多个电站装置中的至少一个电站装置执行所述电站级控制功能的指令，其中，所述主控制器被配置为根据所述PV电站的一个或更多个提供的参数和一个或更多个监视的功率特征来确定所述指令； 将用于电站级控制功能的参数提供给所述主控制器； 监视在所述多个发电站产生的电功率的交叉点处的功率特征； 将关于所述监视的功率特征的信息提供给所述主控制器； 使用所述主控制器的处理器确定用于所述至少一个电站装置的指令； 使用通信网络将所述指令提供给所述至少一个电站装置。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述多个发电站中的每个发电站包括直流DC区域和交流AC区域，其中，所述DC区域包括: 多个PV面板，用于产生DC电信号；以及 至少一个组合器盒，被配置为从所述多个PV面板接收所述DC电信号并进行组合， 其中，所述AC区域包括: 至少一个逆变器，被配置为从所述至少一个组合器盒接收所述组合的DC电信号，并将所述组合的DC电信号转化为AC电信号；以及 输出站，用于将所述AC电信号输出到所述交叉点。
13.如权利要求12所述的方法，还包括:在所述DC区域中监视电站装置的DC功率特征。
14.如权利要求11所述的方法，其中，所述提供参数的步骤还包括:从远程地连接到所述PV电站的电站级控制系统的监管系统的用户接口提供所述参数。
15.如权利要求11所述的方法，其中，所述电站级控制功能包括对所述PV电站的最大有功功率输出的调节，所述方法包括: 将指示期望的最大有功功率输出的设置点提供给所述主控制器； 监视所述交叉点处的功率电平； 确定所述交叉点处的所述功率电平是否大于所述期望的最大有功功率输出； 如果所述交叉点处的所述功率电平大于所述期望的最大有功功率输出，则使用所述处理器产生用于从所述发电站中的至少一个发电站减小输出功率电平的指令。
16.—种光伏PV电站,包括: 多个发电站，所述多个发电站中的每个发电站包括: 直流DC区域，包括: 多个PV面板，用于产生DC电信号；以及 至少一个组合器盒，被配置为从所述多个PV面板中的相关联的PV面板接收所述DC电信号并进行组合， 交流AC区域，包括 至少一个逆变器，被配置为从所述至少一个组合器盒接收所述组合的DC电信号，并将所述组合的DC电信号转化为AC电信号；以及输出站，用于输出所述AC电信号， 交叉点，用于从所述多个发电站接收所述AC电信号，并将所述AC电信号提供给电力网； 控制系统，用于提供对所述PV电站的控制功能和监管功能，所述控制系统包括: 电站级控制系统，用于通过将指令提供给在所述多个发电站的所述电站装置来控制所述PV电站的电站控制功能； 监管系统，被配置为执行对在所述多个发电站的所述电站装置的监视和数据获取功能，并将用于电站控制功能的命令提供给所述电站级控制系统； 通信网络，提供所述电站装置、所述电站级控制系统和所述监管系统之间的通信； 监视和通信装置，位于所述发电站中的相应的发电站中并与在所述发电站的所述电站装置接口连接，其中，所述监视和通信装置被配置为: 收集电站装置的DC功率特征以及所述各个发电站的所述DC区域中的互连； 收集电站装置的AC功率特征以及所述各个发电站的所述AC区域中的互连。
17.如权利要求16所述的PV电站，所述至少一个组合器盒还包括:继电器开关，用于根据所述检测到的DC功率特征停止从所述相关联的PV面板中的至少一个PV面板接收DC功率。
18.如权利要求17所述的PV电站，所述电站级控制系统还包括: 至少一个装置，用于监视所述交叉点处的功率特征； 主控制器，被配置为: 从所述至少一个监视装置接收所述功率特征； 根据所述接收的功率特征产生用于所述电站装置的所述指令； 通过所述通信网络将所述指令提供给所述电站装置。
【文档编号】H02J3/38GK103703645SQ201280034438
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年5月10日 优先权日:2011年5月10日
【发明者】哈利·索伊尔, 西蒙·彻, 托德·沃特, 托德·克莱恩, 约翰·贝拉希克 申请人:第一太阳能有限公司