实时光伏电厂控制系统的制作方法
【专利摘要】用于电厂输出、电压调节和/或功率因数调节的实时光伏电厂控制系统和控制方法。所述系统包括：电网接口控制器，被配置为从电网接收功率信息，并提供用于控制供应给电网的有功功率或无功功率中的至少一个的命令；电厂控制器，被配置为从电网接口控制器接收命令并实时地指导电厂的输出；多个局部控制器，连接到电厂控制器并由电厂控制器控制；多个逆变器，分别连接为将功率从至少一个光伏装置供应给电网，并被布置为使得每一局部控制器连接到并控制至少一个逆变器，所述逆变器实时地将状态信息报告给局部控制器，所述局部控制器实时地将状态信息报告给电厂控制器。
【专利说明】实时光伏电厂控制系统
【技术领域】
[0001]本发明的实施例涉及光伏电厂控制系统；具体地讲，涉及管理实用规模(utilityscale)光伏电厂的实时控制系统。
【背景技术】
[0002]实用规模的光伏电厂包含几十至几百个独立操作的逆变器，其将光伏发电的DC能转换为AC以供给电网。迄今为止，逆变器对功率因数和/或电压调节提供局部控制，电厂缺少能够在电厂的公共耦合点或与电网的交点处提供动态电压或功率因数调节的集中控制系统。
[0003]随着实用规模电厂的大小和数量继续增加，简单的逆变器级电压和功率因数调节不再胜任。需要更复杂的光伏电厂控制系统来提供集中的电压和功率因数调节。
[0004]另外，实用规模电厂并不总是配备相同类型或相同操作特性的逆变器(通常全部来自单一制造商)，系统必须能够随不同制造商供应的不同设备操作。
[0005]另外，如果需要适应有效且可靠的电网操作，则控制系统必须能够降低电厂的实际功率输出。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1示出根据本文所述的实施例的光伏电厂控制系统的部件之间的数据和消息流。
[0007]图2示出用于图1系统的示例性对象模型。
[0008]图3示出电网接口控制器(GIC)与电厂控制器(PPC)(包括在PPC中建模的对象)之间的通信，以及与图1系统的其他部件的通信。
[0009]图4示出电网接口控制器(GIC)与电厂控制器(PPC)之间的信息交换。
[0010]图5示出电厂控制器与局部控制器(PCS或逆变器)之间的信息交换。
[0011]图6示出智能电网接口与电厂控制器之间的示例性反馈回路。
【具体实施方式】
[0012]在下面参照附图的详细描述中，附图形成其一部分并示出本发明的具体实施例。充分详细地描述这些实施例以使本领域普通技术人员能够实现并使用它们。还应该理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可对本文所公开的具体实施例进行结构、逻辑或程序上的改变。
[0013]本文所描述的是适于用于实用规模电厂的实时光伏电厂控制系统。该系统以下述方式实时地控制连接的逆变器的输出，所述方式为使得电厂作为单个实体运行并且可满足电网交点处所需要的条件。在一个实施例中，控制系统包括电厂控制器、命令电厂控制器的操作的关联的电网接口控制器、以及连接到电厂控制器并由电厂控制器控制的多个局部控制器，每一局部控制器连接到并控制至少一个逆变器。电厂控制器还被布置为控制具有不同操作特性的逆变器。逆变器也可由电厂控制器直接控制，在这种情况下，省略局部控制器(因为直接使用逆变器控制器)。
[0014]图1示出这样的电厂控制系统100及其与电厂10中的其它装置的接口。具体地讲，包括电网接口控制器102和电厂控制器104的电厂控制系统100经由电厂网络110连接到多个局部控制器120a-n (示出120a、120b)，所述多个局部控制器各自连接到一个或多个逆变器121a-n(示出121a、121b和121c)。局部控制器120a_n通常是功率控制系统可编程逻辑控制器，其可以是各自具有处理器和存储器的单独的计算装置。逆变器121a-n可由电厂控制器104直接控制，但为了降低电厂控制器104上的总负载，使用局部控制器120a-n是可取的。
[0015]电厂10中可存在几十至几百(或更多)个逆变器121。电厂控制系统100经由可提供通信功能的电厂网络110将逆变器命令提供给每一逆变器121a-n。更具体地讲，逆变器121a-n的输出在输电路径122上被提供给电网200。也可连接在输电路径122中的电容器组150提供无功功率支持。监控和数据采集系统140将设定点提供给电厂控制系统100。
[0016]电厂10在交点160处连接到电网200。电厂控制系统100的元件可从交点功率计202和变电站实时上行链路204接收信息和命令，所述交点功率计202提供交点电压和电流的测量，所述变电站实时上行链路204可提供来自电网200的用于功率、电压、功率因数等的设定点命令。逆变器121a-n的功率输出连接到电网交点160。
[0017]电厂控制系统100被设计为在需要时控制太阳能电厂的实际功率输出以使得它不超过给定的限制，并在交点160处提供电厂10的动态电压和/或功率因数调节。电厂控制系统100实现电厂级逻辑和闭环控制方案，以提供快速且可靠的输出级控制。其对逆变器121a-n使用实时命令以实现这些功能。
[0018]通常，每一电厂10有一个电厂控制系统100。如上所述，为了系统100的局部配置和故障排除，电厂控制系统100提供监控和数据采集系统140。监控和数据采集系统140通常在正常操作期间使用。对电厂控制系统100的命令可通过监控和数据采集系统140从本地运营商提供，或者通过诸如变电站实时上行链路204的电网接口设备从电网直接提供。
[0019]如图1所示，电厂控制系统100具有两个主要部件:电网接口控制器102和电厂控制器104。电网接口控制器102监测在电网接口 200处从(例如)交点功率计202获得的系统级测量值，并为电厂10计算电厂兆无功伏安(MVAR)目标。它可通过接口 140接受来自运营商的有功功率调节命令，并且在这种情况下，调节电厂有功功率输出(即，通过确定兆瓦(MW)输出级)以满足此目标。它还可通过变电站实时上行链路204从电网200接收命令。应该注意的是，电网接口控制器102和电厂控制器104可各自为具有处理器和存储器的单独的计算装置。
[0020]电网接口控制器102能够将电厂MVAR目标传送给电厂控制器104，电厂控制器104能够为连接到每一局部控制器120a-n的逆变器121a-n确定逆变器MVAR目标。电网接口控制器102将电厂MVAR目标传送给电厂控制器104，然后电厂控制器104继而经由电厂网络110和局部控制器120a-n命令逆变器121a_n到期望的操作设置以达到电厂MVAR目标。可具有爬坡速率限制的每一逆变器121a-n将接受逆变器级MVAR目标，并且将如其爬坡速率限制所允许地提升(或下降)至指定的输出级。
[0021]电网接口控制器102可与交点功率计202接口连接，以获得交点160处的交点条件(通常为电流和电压)。电流和电压数据用于电厂10的闭环反馈控制。电网接口控制器102还可利用标准变电站设备接口协议与变电站实时上行链路204接口连接，以从电网200获得命令。此上行链路204的目的在于为电网运营商等提供灵活性，以将电压、功率因数和/或功率设定点从远程位置直接提供给电网接口控制器102。
[0022]电厂控制器104的关键职责在于管理电厂中的所有逆变器。它从电网接口控制器102接受期望的MVAR所需目标，并确定其对逆变器121a-n的分配。它还从电网接口控制器102接受最大期望有功功率输出(MW)目标。例如，如果命令电厂输出为最大值的80%，则其为逆变器121a-n确定有功功率目标并将那些MW目标发送给逆变器121a_n以用于(通常经由有功功率调节命令)实现。由于逆变器121a-n中的每一个可仅降低至某一指定的级别而不会更低，因此电厂控制器104可根据需要管理逆变器121a-n的动态停止和开始。最后，电厂控制器104可聚集来自所有逆变器121a-n的状态信息，并将聚集的数据提供给电网接口控制器102。
[0023]每一局部控制器120a_n连接到至少一个(通常两个或更多个)逆变器121a_n (例如，图1中的局部控制器120a和逆变器121b、121c)。局部控制器120a_n用于与逆变器121a-n通信。在没有局部控制器120a_n的系统中，逆变器121a_n可具有与电厂网络110的直接接口。
[0024]下图2示出对象模型170，该对象模型170可被容纳于电厂控制器104的存储器中以实现上述实时电厂控制方法。电厂对象71是对物理PV电厂10建模的顶级对象。电厂对象71由一个或多个段对象72组成，以表示共享相同特性的逆变器121a-n (及其关联的局部控制器120a-n)的集合。段对象72被建模为包含一个或多个逆变器对象73。局部控制器对象74包含一个或多个逆变器121a-n对象。具有不同操作特性的不同逆变器将具有不同段对象72中的对象。这样，电厂对象71能够建模并控制具有不同操作特性的不同逆变器。因此，电厂控制器104能够通过不同的段对象72控制具有不同操作特性的各种逆变器 121a-n。
[0025]图3示出电厂10的部件之间的数据和消息流。在此示意图中，电网接口控制器102对电厂控制器104发起请求状态呼叫(或消息)。在电厂控制器104内部，由电厂对象71接收此呼叫并处理。电厂对象71继而呼叫其每一个段对象72在该级别处理消息。段对象72继而呼叫每一配置的逆变器对象73在该级别处理消息。
[0026]假设电厂通常可包含不具有相同操作特性的逆变器121a_n (例如，它们可来自不同的制造商)。另外，每一组逆变器121a-n可不同地配置以实现改善的性能。因此，逆变器121a-n的段72还可表示将被相似配置的相同特性的逆变器121a_n的集合。此分段概念在具有不同操作特性或不同性能需求的逆变器121a-n的控制中提供相当大的灵活性，同时额外复杂性度最小。
[0027]将电厂10组织成段72还允许电厂控制器104基于(例如)监控和数据采集天气、位置或性能特性选择一个段72以加强无功功率输出并选择另一段以加强有功功率输出，所述天气、位置或性能特性可经由监控和数据采集系统140接收。数据本身可在监控和数据采集系统140上从外部源获得(如，经由互联网获得的天气数据)。在一个示例中，利用从监控和数据采集系统140获得的实时云量数据，可通过电厂控制器104管理与具有被确定为在云量下的太阳能板的逆变器121a-n对应的段72，以使无功功率输出最大化。此确定不必须通过天气数据来进行；还可通过监测逆变器121a-n的输出中的波动来观测云量。在一个示例中，通过电厂控制器104管理太阳能板在云量下的逆变器121a-n (通过例如减小的输出观测到的)，以使无功功率输出的最大化超过有功功率输出，因为云量趋向于削弱功率输出的可预测性。
[0028]通常，对每一局部控制器对象74进行呼叫，以获得操作逆变器121a_n的实际状态。局部控制器对象74将状态数据从操作逆变器121a-n转发给对应逆变器对象73。一旦每一逆变器对象73接收到最新状态数据(例如，逆变器121a-n的有功功率输出和无功功率输出)，其计算诸如最大可用电容和电感VAR的项。然后，信息流回段组72级，信息在段组72级针对每一段适当聚集。然后，段级数据传递回电厂对象71级，电厂对象71聚集数据以提供电厂级数据。电厂对象71将所需数据打包，并将消息发送给电网接口控制器102。状态信息的实时聚集允许电网接口控制器102和电厂控制器104精确地管理电厂和逆变器MVAR目标二者。
[0029]从每一逆变器121a_n获得的状态信息包括至少逆变器状态(即，逆变器121a_n是处于独立模式还是在电厂控制系统100的控制下)、有功功率输出(MW)和无功功率输出(MVAR)。逆变器121a-n状态信息还可包括由连接的局部控制器120a_n计算的最大可用电容无功伏安(VAR)和最大可用电感VAR的估计。电厂控制器104聚集接收的状态信息，继而将此状态信息报告给电网接口控制器102，电网接口控制器102可包括电厂10的以下信息中的一个或多个:当前有功功率百分比限制、当前无功功率目标(以MVAR为单位，最近请求的MVAR目标)、应用的无功功率(以MVAR为单位，应用于所有逆变器的当前MVAR值)、最大可用电容VAR、最大可用电感VAR ;报告的有功功率输出(所有逆变器聚集的当前丽输出)；报告的无功状态(所有逆变器聚集的当前MVAR输出)。
[0030]通常，每一逆变器121a_n可用的输出能力取决于逆变器121a_n的操作特性。可基于逆变器121a-n的操作特性和优势条件实时地计算每一逆变器121a_n的最大可用电容和电感VAR。此信息可针对每一段72和整个电厂10被聚集并被提供给电厂控制器102。
[0031]电网接口控制器102和电厂控制器104 二者还将与监控和数据采集系统140接口连接，以(a)将数据提供给监控和数据采集系统140并且(b)接受来自监控和数据采集系统140的电厂控制器命令。提供给监控和数据采集系统140的数据可包括警报、状态、计量、操作模式和设定点监测。监控和数据采集系统140还能够提供完整电厂控制器能力的可视化，该可视化包括电厂模型70的可见性。它还可控制电厂控制器104执行控制器104的正常操作启动和关断，命令局部控制器120a-n和逆变器121a-n进入服务和离开服务，并且为整个电厂10的输出调节MVAR目标。
[0032]图4示出电网接口控制器102和电厂控制器104之间的信息交换的一个示例。通过来自电网接口控制器102的对电厂控制器104的状态的命令请求发起动作(步骤41)。电厂控制器104用如上所述的当前状态信息(包括诸如有功功率百分比限制、当前无功功率目标和当前应用的无功功率的多个数据点)来响应(步骤42)。电网接口控制器102使用该状态信息来制订下一请求，并将该请求发送给电厂控制器104以用于动作(步骤43)。如将在下面更详细描述的，步骤43中的命令请求可包括控制请求(其告诉电厂控制器接受电网接口控制器102控制或在独立模式下操作)、有功功率百分比限制(请求电厂控制器104限制电厂10的输出与总容量的百分比)和/或无功功率目标(请求电厂控制器104使得电厂10按照某一 MVAR级输出)。
[0033]作为示意性示例，如果电网接口控制器102需要关闭(如，为了执行固件更新)，则电网接口控制器102经由GCI命令(图4中的步骤43)告知电厂控制器104，它应该切换到独立模式，在该独立模式下，(例如)电厂控制器104命令逆变器121a-n保持固定的功率因数。一旦启用独立模式，电网接口控制器102可安全地关闭、更新和重启。电网接口控制器102可通过发送控制请求来恢复对电厂的控制。如果电厂控制器104处于独立模式，则它将监测对电厂控制器控制标志的命令，该标志将由电厂控制器104使用以决定是应该实现(电厂控制器控制标志存在)还是忽略消息的剩余内容。
[0034]如果运营商希望对电厂控制系统100强加有功功率调节，则运营商可在监控和数据采集系统140中限定具体功率输出级，以允许功率调节。基于从监控和数据采集系统140接收的信息，电网接口控制器102将监测电厂10的有功功率产量并对有功功率输出运行增量闭环控制算法(参见如图6)以确保它不超过期望的设置。
[0035]现在将描述图1系统的操作的附加示例。考虑这样的电厂，其额定对电网的功率输出为290MW，但产生240丽，其中运营商还请求将电厂输出限制为200丽。由于输出低于电厂额定的290MW，因此清楚的是一些光伏太阳能板低于100%额定功率输出，而其它太阳能板可能输出或者可能没有输出额定功率。电网接口控制器102可将有功功率百分比限制从100%降低至(比方说)99%，并监测系统输出。从该增量收集的数据向电厂控制器104提供电厂10的当前状态。为了实现增量，可经由来自电厂控制器104的有功功率调节命令告知逆变器121a-n将其总产量限制为额定容量的百分比。因此，如果任何逆变器121a_n满负荷生产，则它们将其产量限制为额定容量的99%。如果任何逆变器121a-n产出低于额定的99%，则它们将继续如之前一样操作。如果电厂仍产出多于200MW，则电网接口控制器102将进一步降低有功功率百分比限制。最终将限制足够多的逆变器的输出，以将系统输出降低至200MW。随着条件变化(如，云量改变、时辰等)，电网接口控制器102将继续监测电厂10输出。如果功率产量下降至低于200MW输出，则电网接口控制器102将缓慢地增加有功功率百分比限制，以再次尝试实现200MW输出。如果条件是使得电厂10无法达到200MW输出，则电网接口控制器102将最终返回到请求100%，即，请求所有逆变器121a-n以其最大能力运行。通常，设置有功功率百分比限制的控制回路将相对慢地(几秒至几分钟)操作，以避免输出的快速波动。
[0036]对有功功率产量，逆变器121a_n可具有其自己的爬坡速率限制。电网接口控制器102和电厂控制器104必须考虑此因素，并且必须为逆变器121a-n选择有功功率目标以匹配此附加约束。例如，假定电厂控制器104强加额定功率的50%的限制，但存在当前在独立模式下(即，未在电网接口控制器102和电厂控制器104的控制下)操作的逆变器121a-n。另外，假定逆变器121a-n产出100%额定输出。现在考虑假如告知该逆变器随电厂控制器104控制开始。将立即看到，其有功功率输出为100%，但电厂控制器104请求50%。如果逆变器121a-n具有爬坡速率限制，则逆变器121a_n将不会突然降低其输出；相反，逆变器121a-n将按照该速率降低其输出，直至其匹配电网接口控制器102所请求的值。
[0037]基于由电厂控制器104聚集的状态信息，电网接口控制器102还可基于电厂控制器104认为逆变器121a-n正在输出的当前输出向电厂控制器104发送期望的电厂MVAR目标。图6示出这样的交换。考虑具有三个太阳能逆变器121a、121b和121c (B卩，如图1所示)的电厂，每一逆变器能够产生1.0MVAR。如果电网接口控制器102确定需要0.9MVAR来满足请求的电压目标，则其将此值作为电厂MVAR目标发送给电厂控制器104(步骤61)。通常，电厂控制器104将在逆变器121a、121b和121c之间均匀地划分此请求，使得每一逆变器产出0.3MVAR (步骤62)。
[0038]现在考虑电厂控制器104失去与逆变器之一 121a_n a的通信的情况。这可能是因为两个一般原因之一:(a)逆变器121a_n由于故障而离线并且不再工作，或者(b)通信链路(经由电厂网络110)断开，但逆变器121a-n a正常工作。在任一情况下，发生这种情况时与电厂控制器104注意到此单元不再通信时之间将存在时间上的滞后。
[0039]在情况(a)中，逆变器121a由于故障而离线并且不再工作。尽管电厂控制器104仍认为它正在产生0.9MVAR，而实际的系统输出将从0.9MVAR下降至0.6MVAR (步骤63)。电网接口控制器102将观测到在电网互连106处的输出电压中所反映出的下降，并因此向电厂控制器104请求更高的MVAR目标输出以进行补偿。电网接口控制器102使其请求的输出增加这一失去的量，从而达到例如?1.2MVAR。由于电厂控制器104仍认为它具有一起工作的三个逆变器121a、121b和121c，所以将向每一逆变器发送0.4MVAR的命令。由于逆变器121a-n a发生故障，仅121b和121c输出，结果产生0.8MVAR。电网接口控制器102将仍在电网互连106处看到低于期望的输出电压，并且将命令进一步提高至(比如说)?
1.35MVAR，此时电厂控制器104将向每一逆变器121a_c请求0.45MVAR，实际的输出将回到0.9MVAR。
[0040]尽管如此，假设电厂控制器104没有识别出损失了逆变器121a，所以电厂控制器104仍报告它在产出满?1.35MVAR。电网接口控制器102计算出它不需要附加MVAR输出，因此它继续将1.35MVAR目标回送给电厂控制器104作为下一请求。然而最终，电厂控制器104可确定逆变器121a发生故障，这是因为(例如)它没有从逆变器121a-n接收到最新状态信息。一旦电厂控制器104确定逆变器121a发生故障，电厂控制器104将向电网接口控制器102报告它仅从三个逆变器中的两个获得输出一即，从电厂控制器104报告的输出将突然从1.35MVAR下降至0.90MVAR。然而，电网接口控制器102已经计算出电厂10输出处于正确水平，不需要附加改变，因此它也将同时回送下一请求以停留在0.90MVAR。由于电厂控制器104将看到它当前正在这样做，因此将不发生改变。因此，突然检测到损失逆变器看起来会导致无功目标功率的阶跃变化，但实际上，这精确地补偿检测到的逆变器损失，从而不会导致实际系统输出的意外升高。当然，在逆变器一开始跳闸时输出电压中会存在瞬时升高，但这是无法避免的。
[0041]在情况(b)中，通信链路(即，经由电厂网络110)断开，但逆变器121a正常工作，电网接口控制器102请求相同的输出(如上，0.9MVAR)。在这种情况下，当逆变器121a —开始未能通信时，电厂控制器104还没有认识到这种情况，所以电厂控制器104报告其输出处于0.90MVAR,电网接口控制器102看到实现了目标，所以电网接口控制器102仅将此值(0.90MVAR)送回以作为下一目标。在某一时刻，电厂控制器104将检测到逆变器121a不再通信(因为(例如)电厂控制器104没有接收到最新状态信息)，此时，电厂控制器104必须确定逆变器121a是否仍在线。出于一致性原因，电厂控制器104必须假设逆变器121a损失，并将当前“应用的无功功率”值从(3个单元上的)0.90MVAR改变为(2个单元上的)
0.60MVAR。一旦电厂控制器104将这一改变报告给电网接口控制器102，考虑到电厂10正在产生比报告的多0.30MVAR的事实，电网接口控制器102可将电厂MVAR请求改变为相同的值0.60MVAR。需要注意的是如果存在在独立模式下操作的逆变器121a-n，则可应用相似的方法，这是因为控制将相似地进行。
[0042]假设每次电厂控制器104从电网接口控制器102接收到状态请求之后，它尽可能快速地以状态响应应答。如果电网接口控制器102未能听到状态应答，则它将在内部将其输出固定在最后的值，并将此命令重发给电厂控制器104。在没有从电厂控制器104接收到有效状态消息的特定数量的连续命令循环之后，电网接口控制器102可(经由监控和数据采集系统)向运营商声明内部通信错误。这将向运营商指示可能已经失去了中央控制。此时，电网接口控制器102将继续命令电厂控制器104以在独立模式下操作。然而，电网接口控制器102可保持在线，并通过控制电容器组150来提供对电厂10输出的一些调节。
[0043]为了使电网接口控制器102知道它应该将电厂控制器104处的有功功率百分比限制调节多少，有必要使其知道电厂控制器104正使用的当前有功功率目标。因此，来自电厂控制器104的状态应答消息可包含它从电网接口控制器102听到的最后命令的回送。这仅作为一致性检查进行，以确保一切均如预期那样操作，这是因为电网接口控制器102报告设置有功功率百分比限制的任何问题是重要的，尤其是在它检测到电厂控制器104正在限制功率而其不应该如此的情况下。
[0044]还应该认识到，电厂控制器104可能能够或者可能不能立即将逆变器121a_n提升至电网接口控制器102所请求的总MVAR0考虑电厂控制器104使用与逆变器121a_n的TCP/IP点对点通信，并且大型电厂10中有几百个这样的逆变器121a-n的情况。在这种情况下，电厂控制器104将自然需要一些时间来将新的要求传送给所有逆变器121a-n。原则上，这花费的时间多于单个命令循环(假设为100ms)，在这种情况下电厂控制器104尝试实现的当前MVAR目标水平实际上不同于其发出的当前实际功率输出命令。这是维持无功目标作为数据点以表示电厂控制器104尝试命令的目标输出的明确值的一个原因所在，尽管其无法将该要求快速地发送给所有逆变器121a-n。
[0045]如上所述，基于电厂控制器104与所有逆变器121a_n之间的电厂网络110的限制，电厂控制器104可能需要一些时间来将给定MVAR改变请求传送给太阳能逆变器121a-n。在这种情况下，在任何给定时间，电厂控制器104可维持两个数:电厂控制器104尝试实现的无功目标以及它认为是当前输出的当前值(应用的无功功率)。考虑200个逆变器121a-n并且请求将MVAR输出增加20MVAR的情况。还假设电厂控制器104每毫秒仅可与I个太阳能逆变器121a-n通信。因此，在100毫秒之后，它仅能够将有功功率调节命令发送给一半的太阳能逆变器121a-n。因此，假设那些逆变器121a_n相对快速地实现该请求，电厂控制器104知道此时其目标是增加20MVAR，但它仅能够将该20MVAR分配给系统的一半，因此实际增加仅为10MVAR。两个维持的图形(无功目标和应用的无功功率)允许电厂控制器104将两者的这些量分别报告给电网接口控制器102。如果电厂控制器104被配置为将公共MVAR目标足够快地广播给所有逆变器121a-n，使得接收延迟忽略不计，并且无功目标和应用的无功功率之差极小，则也可仅使用单个数据点进行输出。
[0046]另外，由于从逆变器121a_n接收状态更新的固有延迟，因此电厂控制器104也可针对应用的无功功率和从所有逆变器121a-n实际报告的状态维持单独的图形。这可用作一致性检查，这是因为电厂控制器104也可向电网接口控制器102报告所有响应逆变器121a-n的总输出。
[0047]为了防止电网接口控制器102遭受积分饱卷(integral wind-up)(其中，在电网接口控制器102将输出提高至该水平的同时输出目标发生大的改变并且系统累积显著误差，因此过冲并随着累积的误差被解开而继续增加)，有必要使其知道逆变器121a-n何时达到最大可用产量。为此，电厂控制器104还可报告电网接口控制器102可请求的最大可用电容VAR和最大可用电感VAR。当请求的电厂MVAR目标达到这两个限制中的任一个时，电网接口控制器102将在内部截断任何进一步的请求，以防止积分饱卷。
[0048]还应该认识到，用于应用的无功功率和报告的无功状态的图形反映逆变器121a_n的局部MVAR输出；即，在逆变器121a-n的物理点处的输出。电网接口控制器102可知道并正确地考虑这样的事实:预期此值不等于交点处测量的VAR注入，因为这两个点之间存在附加损失和无功元件(线缆、变压器等)。此误差(无论是固定的还是可变的)不影响电网接口控制器102的控制能力，因为电厂控制器104还可报告对局部逆变器121a-n处的近似累积输出的合理猜测。
[0049]接下来，更详细地描述电厂控制器104 (电厂控制器104)与逆变器121a_n之间经电厂网络110的接口。如上所述，尽管电厂控制器103与逆变器121a-n之间可直接连接，但通常在电厂控制器104与逆变器121a-n之间没有直接链路。命令可通过适当的局部控制器120a-n来路由。此信息交换示出于图5中。该控制接口允许在电厂控制器模式下设置逆变器121a-n、调节逆变器121a_n的实际和无功功率输出、以及根据需要关闭/启动逆变器121a-n (尤其是为了有功功率调节)。
[0050]预期逆变器121a_n在独立模式下或在电厂控制器104的控制下工作。当逆变器121a-n处于控制模式时，它将遵循电厂控制器104的命令。独立模式通常被配置为功率因数控制模式，即，逆变器121a-n输出与实现逆变器终端处配置的功率因数一致的无功功率的模式。在从控制模式转变为独立模式的情况下，逆变器121a-n可逐渐移到电厂控制器104的命令中所表达的新条件。因此例如，如果其处于有功功率百分比限制下并且这样的限制被撤回，则逆变器121a-n将观测其自身的爬坡速率限制而逐渐增加其有功功率输出。在电厂控制器104命令转变(通过发送控制请求，参见步骤51 )、失去与电厂控制器104的通信(在特定时限内未接收到命令)或者电厂控制器104不再正确工作(如，检测到不正确的命令格式)的情况下，可发生模式转变。
[0051]逆变器121a_n还响应于停止逆变器121a_n命令(步骤52)，该命令停止逆变器121a-n使其不产生任何电力。这样做主要是为了满足整个电厂的调节限制。该命令不被当作紧急停止，而是被当作将其功率降低至零并处于待机条件的信号，并且一接收到恢复功率输出的命令，就恢复正常有功功率操作。逆变器121a-n可遵循爬坡速率限制(如果这样配置的话)。停止逆变器121a-n的动作将由电厂控制器104行使，以不使逆变器121a_n的有功功率降低至低水平限制，这是因为在低水平限制处或以下操作可能导致逆变器121a-n中的不利的DC电压情形。
[0052]有功功率控制命令(步骤53)将逆变器121a_n设置在控制模式。在此模式启用的情况下，逆变器121a-n将其最大输出限制为给定有功功率百分比限制。逆变器121a_n可遵循爬坡速率限制(如果这样配置的话)，以达到输出级。需要注意的是，如果逆变器121a-n已经产生更少的有功功率限制或者逆变器121a-n已经由于其它原因而关闭，则不需要动作。当此模式关闭时，逆变器121a-n将恢复到独立模式，即，没有此约束的正常操作。
[0053]功率因数控制命令(步骤54)将逆变器121a_n设置在VAR控制模式或功率因数控制模式(通常为默认)。在VAR控制模式下，向逆变器121a-n提供无功功率产量的目标。逆变器121a-n只要能够这样做并且在其正常操作限制内，就将产生该无功功率。在功率因数控制模式下，逆变器121a-n被提供有目标功率因数。
[0054]通过调节每一逆变器121a_n的有功功率产量和/或通过打开和关闭逆变器121a-n来实现有功功率调节(当需要时)。降低逆变器121a_n中的有功功率输出可能提高有效DC/AC比并且可导致更高的电压条件，从而使得逆变器121a-n跳闸。因此，对于每一逆变器121a-n类型，存在其容量可降低至的限制。对于超过给定下限的进一步降低，最好关闭逆变器121a-n直至不再需要降低。总的策略是使关闭逆变器121a_n的需要尽可能最小化。因此，第一调节方法是降低激活逆变器121a-n的功率输出。如果这样没有满足目标降低，则策略是确定应该关闭多少逆变器121a-n。将剩余的激活逆变器121a_n最多调节回至其最小设置。电厂控制器104还必须考虑关闭了哪些逆变器121a-n，以使得当减少或移除调节时，逆变器121a-n可重启。还可确保逆变器121a_n按照“停用”被相等地分配给所有逆变器121a-n的方式而关闭。
[0055]总之，本文所描述的电厂控制系统100很先进，并在不知道由不同制造商供应的不同设备的情况下允许构建大规模光伏电厂。通过对电厂10及其逆变器121a-n建模，并且方便逆变器121a-n与电厂控制系统100之间的状态信息的传输和聚集，可以以最低的复杂性实现实时控制。
[0056]尽管已详细描述了若干实施例，但是应该容易理解，本发明不限于所公开的实施例。相反，实施例可被修改为包含此前未描述的任何数量的变化、更改、替代或等同布置。尽管已通过载体的一些实施例描述了某些特征，这样的特征也可用在载体的其它实施例中。因此，本发明不由以上描述限制，而是仅由权利要求的范围限制。
【权利要求】
1.一种实时光伏电厂控制系统，所述系统包括: 电网接口控制器，被配置为从电网接收功率信息，并提供用于控制供应给电网的有功功率或无功功率中的至少一个的命令； 电厂控制器，被配置为从电网接口控制器接收命令并实时地指导电厂的有功功率或无功功率输出； 多个局部控制器，连接到电厂控制器并由电厂控制器控制； 多个逆变器，分别连接为将功率从至少一个光伏装置供应给电网，并被布置为使得每一局部控制器连接到并控制至少一个逆变器，所述逆变器实时地将状态信息报告给局部控制器，所述局部控制器实时地将状态信息报告给电厂控制器。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，连接到所述多个局部控制器中的一个的至少一个逆变器具有与连接到所述多个局部控制器中的另一个的至少一个逆变器不同的操作特性。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电网接口控制器能够监测连接的电网处的功率条件，并基于在连接的电网处所监测到的功率条件确定电厂输出目标。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述电网接口控制器从提供交点电压和电流的至少一个交点功率计确定所述条件。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述电网接口控制器被配置为从与电网关联的通信装置接收命令。
6.根据权利要求1 所述的系统，其中，所述电网接口控制器能够接收将供应给所述电网的目标功率并命令所述电厂控制器满足该目标。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电网接口控制器能够操作电容器组以补充光伏电厂在连接的电网处的功率输出。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述电网接口控制器能够将目标功率传送给电厂控制器，所述电厂控制器能够为连接到每一局部控制器的逆变器确定逆变器输出目标。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述电厂控制器能够将目标功率命令分配给连接到每一局部控制器的逆变器。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述电厂控制器能够启动和停止连接到每一局部控制器的一个或多个逆变器以实现目标功率。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电厂控制器能够聚集来自连接到每一局部控制器的逆变器的状态信息，并将聚集的状态信息提供给电网接口控制器。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，从每一逆变器获得的状态信息包括逆变器状态、有功功率输出和无功功率输出中的至少一个。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，从每一逆变器获得的状态信息还包括最大可用电容输出和最大可用电感输出中的至少一个。
14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述电网接口控制器使用聚集的状态信息来确定电厂是否能够满足电网所请求的目标功率。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，至少一个局部控制器连接到并控制多个逆变器，每一局部控制器能够接受来自电厂控制器的逆变器输出目标，并将其分配给适当的逆变器。
16.根据权利要求1所述的系统，还包括监控和数据采集系统，该监控和数据采集系统连接到电厂控制器以用于向电厂控制器提供至少输出级命令。
17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个局部控制器以及关联的逆变器按照段布置，其中，每一段中的局部控制器所连接的逆变器具有相似的操作特性。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述电厂控制器能够协调各个段控制以满足所期望对电网的目标功率输出。
19.根据权利要求17所述的系统，其中，所述电厂控制器能够选择给定段以加强对连接的电网的无功功率输出，并选择另一段以加强对电网的有功功率输出。
20.根据权利要求16所述的系统，其中，所述电厂控制器基于天气、连接的逆变器的位置或性能特性来管理来自段的功率输出。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，包含连接到功率输出由于天气条件而降低的光伏装置的逆变器的段由电厂控制器控制以加强无功功率输出。
22.根据权利要求1所述的系统，还包括存储在电厂控制器的存储器中的对象模型，所述对象模型包含从逆变器接收的状态信息。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述对象模型包括一个或多个段对象，每一段对象与一个或多个逆变器对象关联并表示共享相同操作特性的逆变器的集合。
24.根据权利要求8所述的系统，其中，每一逆变器输出目标包括将逆变器输出设置在额定输出的百分比的有功功率百分比限制。
25.—种光伏电厂的实时控制方法,所述方法包括: 接收光伏电厂功率输出目标； 为多个连接的段计算段功率输出目标，每一段包括具有相似操作特性的多个逆变器； 将段功率输出目标分配给相应的段。
26.根据权利要求25所述的方法，其中至少一个段中的逆变器具有与另一段中的逆变器不同的操作特性。
27.根据权利要求25所述的方法，还包括:独立地确定段的功率输出目标，但是协调电厂的总输出以满足电厂输出目标。
28.根据权利要求25所述的方法，其中，控制一个段以加强有功功率输出，同时控制另一段以加强无功功率输出。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，选择被控制以加强无功功率输出的段，这是因为连接到与该段关联的逆变器的板具有由于天气条件而降低的功率输出，或者总功率损失降低。
30.根据权利要求25所述的方法，其中，从电网接口控制器将功率输出目标传送给电厂控制器，电厂控制器计算段功率输出目标。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述电厂控制器将其当前状态提供给电网接口控制器，所述当前状态包括电厂的有功功率百分比限制、无功功率目标、应用的无功功率、最大可用电容VAR、最大可用电感VAR、报告的有功状态和报告的无功状态中的一个或多个。
32.根据权利要求30所述的方法，其中，功率输出目标包括有功功率百分比限制和无功功率目标。
33.根据权利要求30所述的方法，其中，所述电厂控制器基于相应的段功率输出目标为每一段中的每一个逆变器计算逆变器功率输出目标。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，通过局部控制器将所述逆变器功率输出目标传送给逆变器。
35.根据权利要求35所述的方法，还包括:基于逆变器功率输出目标调节逆变器的功率输出。
36.根据权利要求33所述的方法，其中，每一段中的逆变器将状态信息报告给电厂控制器，所述状态信息包括逆变器的有功功率百分比限制、无功功率目标、无功功率输出、有功功率输出、运行状态和逆变器控制模式状态中的一个或多个。
37.根据权利要求33所述的方法，其中，所述电厂控制器向逆变器发出控制命令，以指导逆变器启动 、停止或满足期望的目标输出。
【文档编号】H02J3/38GK103828170SQ201280045109
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年7月12日 优先权日:2011年7月15日
【发明者】西蒙·慈, 约翰·贝勒西科, 哈里·索叶尔, 马赫什·马乔里 申请人:第一太阳能有限公司