專利名稱：用于控制太陽能光伏系統(tǒng)爬坡速率的系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及光伏(PV)發(fā)電，并且特別涉及用于控制與單個(gè)或多個(gè)PV陣列關(guān)聯(lián)的單個(gè)或多個(gè)PV系統(tǒng)/逆變器的功率爬坡速率(ramp rate)。
背景技術(shù)：
光伏電池(photovoltaic cell)產(chǎn)生具有依賴于太陽能輻射的DC電流水平和依賴于溫度的DC電壓水平的直流(DC)電力。當(dāng)想要交流(AC)電力時(shí)，使用逆變器將該DC能量轉(zhuǎn)換為AC能量。典型的PV逆變器利用用于功率處理的兩個(gè)級(jí)，其中有配置用于才是供恒定DC電壓的第一級(jí)和配置用于將恒定DC電壓轉(zhuǎn)換為AC電流的第二級(jí)。通常，該第一級(jí)包括升壓轉(zhuǎn)換器，而第二級(jí)包括單相或者三相的逆變器系統(tǒng)。
單相和三相光伏逆變器通常需要兩級(jí)轉(zhuǎn)換功率電路以將PV陣列的變化DC電壓轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)的固定頻率恒定振幅AC電壓。傳統(tǒng)PV逆變器使用DC鏈作為中間能量?jī)?chǔ)存步驟，其意味著該轉(zhuǎn)換器首先將可變PV陣列電壓轉(zhuǎn)換為恒定DC電壓，并且隨后將該恒定電壓轉(zhuǎn)換成為可以注入到該電網(wǎng)中處于線路頻率(line frequency )和整功率因凄l(xiāng)的AC電流。
PV系統(tǒng)/逆變器可以4皮i殳計(jì)與單個(gè)或多個(gè)PV電池陣列一起工作。PV系統(tǒng)/逆變器的功率輸出受到與各個(gè)PV電池/陣列關(guān)聯(lián)的太陽能輻射狀況極大地影響。公用電業(yè)(utility)通常具有其它電力資源，例如熱電站，以平衡它們的電力負(fù)荷，因此適應(yīng)了在間斷的太陽能輻射狀況期間PV功率輸出的可變性。熱電站可以包括，例如，燃煤和燃?xì)庹?。由于突然的云層覆蓋或其它引起的PV系統(tǒng)的功率波動(dòng)通常通過調(diào)整其它熱電站的功率輸出來處理，以提供相對(duì)恒定的總功率匹配需 求。然而，足夠快地改變熱電站的功率輸出通常是困難的。功率輸出
的改變還可以被稱作爬坡(ramping)。熱發(fā)電設(shè)備期望要求一種爬坡 速率，其未強(qiáng)加過度熱應(yīng)力且適應(yīng)在加熱和冷卻熱傳遞部件中涉及的
自然滯后時(shí)間。作為示例，燃煤電站可以接管12小時(shí)以從冷開始， 并且甚至當(dāng)熱的時(shí)候可以花費(fèi)2至3小時(shí)以從它們額定功率的0-100% 爬坡。如此熱發(fā)電設(shè)備的下坡可以要求甚至更慢的速率以最小化損壞 電站部件的風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，太陽能的狀況可以在相對(duì)更短的時(shí)間跨 度中急劇地改變。因此，考慮到這樣其它電力資源的最大規(guī)定功率爬 坡速率，控制PV系統(tǒng)/逆變器的功率爬坡速率是期望的。
可以將單個(gè)或多個(gè)PV系統(tǒng)的功率爬坡速率限制在任4可高至取決 于當(dāng)前太陽能狀況的最大功率值的水平。這個(gè)通過削減功率輸出的一 部分而獲得，使得該功率爬坡速率未超過最大期望爬坡速率。然而， 這個(gè)限制了太陽能的俘獲量并增加了該P(yáng)V系統(tǒng)的能量有效成本。進(jìn) 一步地，盡管功率爬坡速率控制通過在單個(gè)產(chǎn)生器和風(fēng)電場(chǎng)的如此技 術(shù)已經(jīng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)到某種程度，但是該問題在光伏系統(tǒng)級(jí)別還沒有解 決。
因此，需要一種技術(shù)以將處于光伏系統(tǒng)/子系統(tǒng)級(jí)別的功率爬坡速 率控制在由輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)方(transmission system operator)頭見定的限 制內(nèi)且同時(shí)允許由各個(gè)PV陣列的最大太陽能俘獲量。

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)單地i兌，才艮據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，太陽能光伏(PV)控制系 統(tǒng)包括
PV系統(tǒng)功率傳感機(jī)構(gòu)，其被配置以監(jiān)測(cè)由多個(gè)PV子系統(tǒng)產(chǎn)生的 瞬時(shí)集合輸出功率(collective output power),并且由此在期望時(shí)間段 期間產(chǎn)生一序列的瞬時(shí)集合輸出功率信號(hào)；和
速率控制器，其中配置所述速率控制器以響應(yīng)于所述一序列的瞬時(shí)集合輸出功率信號(hào)而監(jiān)測(cè)由所述多個(gè)PV子系統(tǒng)產(chǎn)生的集合功率輸 出的變化速率，并且通過產(chǎn)生基于所監(jiān)測(cè)的由所述多個(gè)PV子系統(tǒng)產(chǎn)
生的集合功率輸出的變化速率的功率輸出率(output rate)控制信號(hào)和
對(duì)于所述多個(gè)PV子系統(tǒng)的期望集合功率變化速率并且傳送所述功率
輸出率控制信號(hào)至所述多個(gè)PV子系統(tǒng)，來控制由所述多個(gè)PV子系
統(tǒng)產(chǎn)生的集合功率輸出的變化速率。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，太陽能光伏(PV)控制系統(tǒng)包括
多個(gè)PV子系統(tǒng)，每個(gè)PV子系統(tǒng)包4舌 至少一個(gè)PV陣列；和
至少一個(gè)PV逆變器，其#1配置以響應(yīng)于可用的PV陣列功 率而產(chǎn)生AC功率至^^用電網(wǎng)(utility grid);和
PV控制系統(tǒng)，其被配置以產(chǎn)生基于所監(jiān)測(cè)的由所述多個(gè)PV子系 統(tǒng)產(chǎn)生的集合功率輸出的變化速率和對(duì)于所述多個(gè)PV子系統(tǒng)的期望 集合輸出功率變化速率的功率輸出率控制信號(hào)，并且傳送所述功率輸 出率控制信號(hào)至所述多個(gè)PV子系統(tǒng)以控制各個(gè)PV子系統(tǒng)的一個(gè)或 多個(gè)工作參數(shù)的變化速率。
還根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)實(shí)施例，太陽能光伏(PV)控制系統(tǒng)包括
至少一個(gè)能量?jī)?chǔ)存裝置；
PV子系統(tǒng)，其包括 PV陣列；和
PV逆變器，其^C配置以響應(yīng)于可用的PV陣列功率而產(chǎn)生單 相或多相AC功率中的至少一個(gè)至^^用電網(wǎng)；和
PV控制系統(tǒng)，其被配置以產(chǎn)生基于所監(jiān)測(cè)的由所述PV子系統(tǒng)產(chǎn) 生的功率輸出的變化速率和對(duì)于所述PV子系統(tǒng)的期望輸出功率變化 速率的功率輸出率控制信號(hào)，并且傳送所述功率輸出率控制信號(hào)至所
述PV子系統(tǒng)和所述至少一個(gè)能量?jī)?chǔ)存裝置以控制所述PV子系統(tǒng)的 一個(gè)或更多個(gè)工作參數(shù)的變化速率。


當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)說明時(shí)，本發(fā)明的這些和其他特征、方 面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，在其中所有附圖相似的符號(hào)表示相似的部 件，其中
圖1是示出在現(xiàn)有技術(shù)中已知的PV逆變器拓樸圖(topology); 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的PV控制系統(tǒng)的示意圖； 圖3是依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的PV逆變器級(jí)別爬坡速率控制 機(jī)構(gòu)的示意圖4是依照本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施例的監(jiān)督爬坡速率控制機(jī)構(gòu)的示意
圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的多方面的爬坡速率要求的隨時(shí)間變化和 實(shí)際集合PV子系統(tǒng)爬坡速率隨時(shí)間變化的圖形-說明。
圖6是依照本發(fā)明的另 一個(gè)實(shí)施例的監(jiān)督爬坡速率控制機(jī)構(gòu)的示 意圖7是依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的PV逆變器級(jí)爬坡速率控制 機(jī)構(gòu)的示意盡管以上確定的繪制的圖闡明備選的實(shí)施例，但是還考慮了本發(fā) 明的其它實(shí)施例，如在討論中被提及。在所有實(shí)例中，這個(gè)公開通過 表示但不限制的方式呈現(xiàn)了本發(fā)明已示出的實(shí)施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人 員可以設(shè)計(jì)出大量其它變化和實(shí)施例，它們落入了這個(gè)發(fā)明原理的范 圍和4青神以內(nèi)。
具體實(shí)施例方式
圖1是現(xiàn)有技術(shù)已知的光伏逆變器IO拓樸圖。光伏逆變器10利 用兩級(jí)功率電路以將PV陣列12的變化DC電壓轉(zhuǎn)換為用于電網(wǎng)14 的固定頻率AC電流。光伏逆變器10使用DC鏈電容器16以實(shí)現(xiàn)中 間能量?jī)?chǔ)存步驟。這個(gè)意味著該P(yáng)V逆變器10首先將可變的PV DC 電壓18通過升壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為大于該電網(wǎng)電壓的恒定DC電壓20，
7并且隨后將該恒定DC電壓20通過PWM電路24轉(zhuǎn)換為之后可以注 入該電網(wǎng)14中的電流22。光伏逆變器10的拓樸利用在高頻率時(shí)均接 通的五個(gè)開關(guān)器件(switching device) 26、 28、 30、 32、 34。
以下針對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例描述用于通過中央或監(jiān)督PV系統(tǒng) 控制器而控制具有多個(gè)PV子系統(tǒng)/逆變器的PV系統(tǒng)的集合功率爬坡 速率的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的其它實(shí)施例可以包括單個(gè)或多個(gè)PV陣 列，并且可以實(shí)現(xiàn)為配置成產(chǎn)生單相或多相功率的單個(gè)或多個(gè)PV系 統(tǒng)/逆變器。依照本發(fā)明的實(shí)施例，該監(jiān)督PV系統(tǒng)控制器可操作以將 該P(yáng)V系統(tǒng)的爬坡速率控制在由輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)方設(shè)定的最大爬坡速率 以內(nèi)。這個(gè)速率通常應(yīng)用于在固定持續(xù)時(shí)間(例如l分鐘)的時(shí)間窗 口期間的該P(yáng)V系統(tǒng)的平均集合功率爬坡速率。在某些實(shí)施例中，第 二 (通常較低)爬坡速率約束可以應(yīng)用于在相對(duì)較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間(例 如10至15分鐘)的第二時(shí)間窗口期間的該P(yáng)V系統(tǒng)的平均集合功率 爬坡速率。這些集合爬坡速率可應(yīng)用于包括啟動(dòng)、i常操作和切斷的 各種工作范圍。該集合功率爬坡速率的控制通過由監(jiān)督PV系統(tǒng)控制 器傳送到各個(gè)PV子系統(tǒng)/逆變器的爬坡速率變化限制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。在 一個(gè)實(shí)施例中，該爬坡速率變化限制信號(hào)包括爬坡速率指令。在不同 的實(shí)施例中，該爬坡速率變化限制信號(hào)可以包括功率設(shè)定點(diǎn)指令。以 下將大體上根據(jù)圖2-7更詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例。
現(xiàn)在看圖2,才艮據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例示出了 PV控制系統(tǒng)40。 配置該P(yáng)V控制系統(tǒng)40以監(jiān)測(cè)和控制多個(gè)PV子系統(tǒng)42的集合功率 輸出的變化速率，每個(gè)子系統(tǒng)具有至少一個(gè)PV陣列12和可操作以給 公用電網(wǎng)14提供電力的PV逆變器10。進(jìn)一步地，公用電網(wǎng)14可 以從其它電力資源25接收電力，以適應(yīng)由于變化的太陽狀況而引起 的PV子系統(tǒng)42的集合功率輸出的可變性。這些其它電力資源52除 了其它以外，可以包^",例如，熱電站，水力發(fā)電站或者核電站。
該P(yáng)V控制系統(tǒng)40包括PV系統(tǒng)中央控制器44。該中央控制器 44被配置以監(jiān)測(cè)和控制PV子系統(tǒng)42的集合功率輸出的變化速率。集合功率輸出的變化速率在這個(gè)討論中還被稱為"集合功率爬坡速
率"。該P(yáng)V系統(tǒng)中央控制器44進(jìn)一步包括功率傳感器54,例如電壓 和電流傳感器，其被配置以感測(cè)這些PV子系統(tǒng)42的集合功率輸出。 該中央控制器44被配置以通過通信鏈^各56與各個(gè)PV子系統(tǒng)42 通信，通信鏈路56可以以硬件和/或軟件來實(shí)現(xiàn)。在特定實(shí)施例中， 通信鏈路56可以配置以根據(jù)無線通信領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員已知的任何 有線或無線通信協(xié)議來遠(yuǎn)程傳送數(shù)據(jù)信號(hào)至中央控制器44和從中央 控制器44傳送數(shù)據(jù)信號(hào)。這樣的數(shù)據(jù)信號(hào)可以包括，例如傳輸?shù)皆?中央控制器44的表明各個(gè)PV子系統(tǒng)42的工作條件的信號(hào)和由該中 央控制器44傳送到各個(gè)PV子系統(tǒng)42的各種指令信號(hào)。該中央控制 器44可以進(jìn)一步與該公用電網(wǎng)14通信，且可以可操作以控制該P(yáng)V 控制系統(tǒng)40中的各種開關(guān)裝置，例如電容和電抗器(未示出)以便 將這些PV子系統(tǒng)42的集合功率輸出控制在由輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)方規(guī)定的 規(guī)范內(nèi)。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，這些PV子系統(tǒng)42的集合功率爬^^速率的控制 可以劃分為在PV子系統(tǒng)42級(jí)別的功率爬坡速率限制控制和在該P(yáng)V 控制系統(tǒng)40級(jí)別的監(jiān)督控制。每個(gè)PV子系統(tǒng)42可以包括，例如自 適應(yīng)(adaptive)控制器，其可操作以實(shí)施被配置以確定其對(duì)應(yīng)的PV 逆變器10的功率水平指令的控制算法。對(duì)于該對(duì)應(yīng)的PV逆變器10 的功率水平指令可以是，例如逆變器輸出電流的函數(shù)，且可以適合于 在給定溫度和/或工作條件下優(yōu)化PV子系統(tǒng)性能。以下將參考圖3進(jìn) 一步詳細(xì)討論在該P(yáng)V子系統(tǒng)42級(jí)別的功率爬;皮速率限制控制。
圖3示出了才艮據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的PV子系統(tǒng)功率輸出水平 爬坡速率控制機(jī)構(gòu)60。 PV子系統(tǒng)級(jí)別的輸出功率爬坡速率的控制可 以通過諸如上述討-淪的用于各個(gè)PV子系統(tǒng)42的自適應(yīng)控制器的PV 子系統(tǒng)控制器而以硬件和/或軟件來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該P(yáng)V子 系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)60的功能塊在由PV子系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)60產(chǎn)生功率水平 指令信號(hào)62以后并且在由PV子系統(tǒng)逆變器10接收實(shí)際功率水平指
9令信號(hào)68之前來實(shí)施。如下討論，配置該P(yáng)V子系統(tǒng)功率輸出水平控
制機(jī)構(gòu)60以限制功率水平指令信號(hào)的變化速率，由此控制例如該P(yáng)V 子系統(tǒng)逆變器IO輸出電流的變化速率。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該P(yáng)V子系統(tǒng)功率輸出水平爬坡速率控制機(jī)構(gòu) 60通過限制由PV子系統(tǒng)逆變器IO接收的實(shí)際功率水平指令信號(hào)68 的變化速率，和通過采用閉環(huán)反^t控制系統(tǒng)，例如積分控制系統(tǒng)，來 工作以最小化所產(chǎn)生的功率水平指令信號(hào)62和由PV子系統(tǒng)逆變器 IO接收的實(shí)際功率水平指令信號(hào)68之間的誤差。正如所示，該誤差 (e)在差分結(jié)點(diǎn)(difference junction) 63處獲得。該誤差(e)在塊 64處以已知增益(K)被放大，然后其在塊66處關(guān)于時(shí)間被積分而 產(chǎn)生一個(gè)爬坡的信號(hào)68,其作為實(shí)際功率水平指令信號(hào)68被傳送至 PV子系統(tǒng)逆變器10。
積分器66的輸入70代表由該P(yáng)V子系統(tǒng)逆變器10接收到的實(shí)際 功率水平指令信號(hào)68的變化速率，且因此還代表了 PV子系統(tǒng)逆變器 IO的輸出功率爬坡速率。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，每個(gè)PV子系統(tǒng)逆變器IO 的輸出功率爬坡速率通過經(jīng)由速率限制器80限制對(duì)其對(duì)應(yīng)的自適應(yīng) 控制器積分器66的輸入來控制。配置該速率限制器80以使速率限制 器80的輸出被速率限制器80的上限限定的最大值所限制。即，速率 限制器80的輸出70等于對(duì)速率限制器80的輸入82,直到輸入82超 過上限，在該情況下，速率限制器的輸出70基本上為常數(shù)且等于上 限值。在一個(gè)實(shí)施例中，速率限制器80的上限由基于在下面進(jìn)一步 詳細(xì)解釋的PV中央控制器44產(chǎn)生的爬坡速率指令信號(hào)(86)的速率 限制信號(hào)(84)來限定。該爬坡速率指令信號(hào)(86)基于由輸電系統(tǒng) 運(yùn)營(yíng)方設(shè)定的預(yù)期長(zhǎng)期和短期PV子系統(tǒng)42的集合輸出功率爬坡速 率。因此通過由PV控制器44調(diào)節(jié)爬坡速率指令信號(hào)(86)而控制各 個(gè)PV子系統(tǒng)42的最大輸出功率爬坡速率是可能的。通過經(jīng)由速率限 制信號(hào)(84)設(shè)定限制器80的上限，每個(gè)PV子系統(tǒng)42的功率輸出 變化速率可以以使得PV子系統(tǒng)功率輸出的變化速率不超過PV控制器44設(shè)定的爬坡速率限制的方式來控制。在特定實(shí)施例中，速率限
制器80還可以包括下限88,其表明每個(gè)PV子系統(tǒng)42的最大指定負(fù) 功率爬坡速率。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，反饋控制系統(tǒng)60適合于最小化隨時(shí)間的誤差 (e)，使得實(shí)際功率水平指令68接近產(chǎn)生的功率水平指令62。在穩(wěn) 態(tài)，該誤差(e)接近零，導(dǎo)致該P(yáng)V子系統(tǒng)42接收基本上恒定的輸 出功率水平指令信號(hào)68。誤差(e)接近零時(shí)所在的速率取決于增益 K值。因此，增益K選擇為具有足夠大的值以提供對(duì)輸出功率指令信 號(hào)的變動(dòng)的預(yù)期快速的閉環(huán)響應(yīng)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，輸出功率爬坡速 率的子系統(tǒng)級(jí)別控制可以通過由速率限制信號(hào)限制功率指令來獲得。 然后輸出電流設(shè)定點(diǎn)基于輸出功率水平設(shè)定值(settings)被計(jì)算，并 且應(yīng)用于各自PV子系統(tǒng)42。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，配置該P(yáng)V控制器44以通過在圖4中所示的監(jiān) 督爬坡速率控制機(jī)構(gòu)90而將PV子系統(tǒng)42的集合功率輸出的變化速 率控制在PV中央控制系統(tǒng)功率水平。監(jiān)督爬坡速率控制機(jī)構(gòu)90的功 能塊通過該中央控制器44來實(shí)施。該監(jiān)督爬坡速率控制機(jī)構(gòu)90包括 慢爬坡速率控制機(jī)構(gòu)92和快爬坡速率控制才幾構(gòu)94。該慢爬坡速率控 制機(jī)構(gòu)92可操作以產(chǎn)生功率輸出爬坡速率要求信號(hào)76,其被提供以 最大化這些PV子系統(tǒng)42的集合能量產(chǎn)出而同時(shí)保持這些PV子系統(tǒng) 42的平均輸出功率爬坡速率在輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)方所指定的限制內(nèi)。該快 爬坡速率控制機(jī)構(gòu)94通過以下工作將測(cè)量的集合PV子系統(tǒng)輸出功 率爬坡速率對(duì)照輸出功率爬坡速率要求信號(hào)76進(jìn)行比較以及調(diào)節(jié)在 各個(gè)PV子系統(tǒng)級(jí)別的輸出功率爬坡速率以保持所要求的水平操作。 在下面將更詳細(xì)的描述慢爬坡速率控制^4勾92和快爬^^速率控制才幾 構(gòu)94。
該慢爬坡速率控制機(jī)構(gòu)92包括爬坡速率算法98，配置其以監(jiān)測(cè) 集合子系統(tǒng)功率輸出(由功率傳感器54感測(cè))，并基于對(duì)于第一時(shí)間 窗口的第一指定平均輸出功率爬:t皮速率72以及對(duì)于第二時(shí)間窗口的第二指定平均輸出功率爬坡速率74來計(jì)算輸出功率爬坡速率要求76。 在一個(gè)實(shí)施例中，該第一及第二時(shí)間窗口分別具有大約1分鐘和10-15 分鐘的持續(xù)時(shí)間。該第一指定平均輸出功率爬坡速率72通常大于第 二指定平均輸出功率爬坡速率74。因此，第一及第二指定平均輸出功 率爬i皮速率在這次討論中還分別一皮稱為快爬i皮速率和慢爬坡速率。該 快爬i皮速率72和慢爬i皮速率74通常由輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)方來指定。
該快爬坡速率輸出功率控制機(jī)構(gòu)94可操作以傳送該爬i皮速率要 求76，其從而作為爬坡速率指令信號(hào)(Arr) 86被建立到各個(gè)PV子 系統(tǒng)42。這是通過反饋控制回路118和校正環(huán)120來實(shí)現(xiàn)的。該反饋 控制回路118被配置以提供用于減少爬坡速率要求76與集合PV子系 統(tǒng)的實(shí)際輸出功率爬坡速率之間誤差的閉環(huán)響應(yīng)。該集合PV子系統(tǒng) 42的實(shí)際輸出功率爬坡速率142由爬坡速率估計(jì)才莫塊122建立。在一 個(gè)實(shí)施例中，爬坡速率估計(jì)模塊122可以包括適用于確定被感測(cè)的集 合PV子系統(tǒng)功率輸出的繼動(dòng)平均(rolling average )變化速率的算法。 在結(jié)點(diǎn)124,信號(hào)126基于爬坡速率要求62與塊122估計(jì)的實(shí)際集合 PV子系統(tǒng)爬坡速率142之間差而產(chǎn)生。閉環(huán)響應(yīng)通過積分控制器130 來實(shí)現(xiàn)，該積分控制器130以已知增益(Kr)放大信號(hào)126，并對(duì)所 得信號(hào)關(guān)于時(shí)間進(jìn)行積分。該增益(Kr)被調(diào)整以提供對(duì)集合PV子 系統(tǒng)42中的爬i皮速率擾動(dòng)的足夠快的閉環(huán)響應(yīng)。
-由PV子系統(tǒng)42設(shè)定的最大和最小瞬時(shí)爬坡速率在圖3和圖4中 分別被看作 和rrmin。通常， 訂mn >訂min。
根據(jù)一個(gè)實(shí)
施例，積分控制器130的輸出信號(hào)132被等于如圖4中所示的這些最 大值與最小值之間的差的上限值所限制。這個(gè)輸出信號(hào)132接著作為 輸出功率爬坡速率指令信號(hào)(Arr) 86播送到集合PV子系統(tǒng)42。在 一個(gè)實(shí)施例中，該爬坡速率指令信號(hào)(△ rr) 86由中央控制器44經(jīng)由 圖2所示的通信鏈路56傳送到各個(gè)PV子系統(tǒng)42,該通信鏈路56可 以包括如上所述的有線或無線遠(yuǎn)程通信鏈路。
如圖3中所示，該爬坡速率指令信號(hào)(Arr) 86與最小指定爬坡速率(rrmin) 88在結(jié)點(diǎn)96處求和以產(chǎn)生對(duì)于各個(gè)PV子系統(tǒng)42的自 適應(yīng)控制器的爬坡速率限制信號(hào)(rr**) 84。因此，該爬坡速率限制 信號(hào)(rr**) 84因此設(shè)計(jì)為大于或等于由(rrmin) 88限定的最小值。 因此，當(dāng)爬坡速率指令(Arr) 86接近0時(shí)，對(duì)應(yīng)的PV子系統(tǒng)42可 達(dá)到的最大輸出功率爬坡速率等于集合PV子系統(tǒng)的最小瞬時(shí)輸出功 率爬坡速率(rrmin) 88。從本技術(shù)的各方面來看，在正常操作期間， 當(dāng)Arr>0時(shí)，某些PV子系統(tǒng)42可以以大于最小指定速率(rrmin) 88 的速率來使它們的功率輸出爬坡，然而，某些其它PV子系統(tǒng)42以當(dāng) 地太陽能狀況對(duì)于這些PV子系統(tǒng)所支配的相對(duì)較慢的(或負(fù)的)爬 坡速率來工作，使得集合PV子系統(tǒng)的平均輸出功率爬坡速率未超過 輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)方所設(shè)定的快或慢的平均爬坡速率。以上特征允許各個(gè) PV子系統(tǒng)42的最大太陽能俘獲量而同時(shí)在PV控制系統(tǒng)級(jí)別保持輸 電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)方所指定的輸出功率爬坡速率。在大型PV系統(tǒng)中這個(gè)是 特別有利的，其中太陽能狀況在各個(gè)PV子系統(tǒng)42之中變化明顯。
當(dāng)實(shí)際臬合PV子系統(tǒng)功率爬坡速率142超過爬坡速率要求76 時(shí)，在結(jié)點(diǎn)124獲得的輸出126變成負(fù)值。閉環(huán)控制機(jī)構(gòu)118相應(yīng)地 減小該爬坡速率要求(rr*) 76，以使集合PV子系統(tǒng)功率輸出142接 近爬坡速率(rr*) 76。然而，在這種情況下，在一分鐘的較小時(shí)間窗 口期間而平均的集合PV子系統(tǒng)爬坡速率趨向于大于輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)方 規(guī)定的快爬坡速率(nw) 72。該校正環(huán)120可操:作以調(diào)整爬坡速率 要求(rr*) 76以提供對(duì)于在一分鐘時(shí)間窗口期間的平均集合PV子系 統(tǒng)輸出功率爬坡速率的校正值。在一個(gè)實(shí)施例中，在結(jié)點(diǎn)134,信號(hào) 136基于爬坡速率要求(rr* ) 76與實(shí)際集合PV子系統(tǒng)爬坡速率142 之間的差產(chǎn)生。信號(hào)136以增益(Ka)被放大并通過積分控制器138 被積分。配置該積分控制器138以僅當(dāng)信號(hào)136包括負(fù)值時(shí)產(chǎn)生輸出 140。這個(gè)可以通過將積分控制器138的上限值設(shè)為0來實(shí)現(xiàn)。因此， 當(dāng)該實(shí)際集合PV子系統(tǒng)輸出功率爬坡速率142超過該爬坡速率要求 (rr*) 76時(shí)，包括負(fù)值的信號(hào)140與爬坡速率要求(rr* ) 76和實(shí)際
13風(fēng)電場(chǎng)功率輸出142之間的差在結(jié)點(diǎn)124處相加。這個(gè)引起對(duì)反饋控 制機(jī)構(gòu)118的輸入126以具有額外的負(fù)分量，其趨向于進(jìn)一步減小實(shí) 際集合PV子系統(tǒng)功率輸出142至爬;皮速率要求(rr*) 76以下，以使 得當(dāng)在一分鐘持續(xù)時(shí)間期間而平均時(shí)，該平均集合PV子系統(tǒng)爬坡速 率遵從在一分鐘時(shí)間窗口期間的指定的快爬坡速率。該校正環(huán)120的 操作將參考圖5作進(jìn)一步說明。
圖5示出了爬坡速率要求和實(shí)際集合PV子系統(tǒng)輸出功率爬坡速 率隨時(shí)間的示范性變化。期望輸出功率爬坡速率(對(duì)應(yīng)于r^76)大體 用跡線152表示，并在實(shí)際集合PV子系統(tǒng)功率輸出的對(duì)應(yīng)變化大體 用跡線154來表示。如圖所示，當(dāng)該實(shí)際集合PV子系統(tǒng)輸出功率爬 坡速率增加至爬坡速率要求以上時(shí)(用正區(qū)域156表示)，該校正環(huán) 120通過校正信號(hào)140來調(diào)節(jié)集合PV子系統(tǒng)爬坡速率，從而引起實(shí) 際功率輸出落到該爬坡速率要求以下(由負(fù)區(qū)域158表示)，以致于 在一分鐘的持續(xù)時(shí)間期間區(qū)域156和區(qū)域158的算術(shù)和為零。因此， 該校正環(huán)120被配置以調(diào)整集合PV子系統(tǒng)功率爬坡速率，使服從在 一分鐘的窗口內(nèi)的快速爬坡速率。
圖6是根據(jù)本發(fā)明另 一個(gè)實(shí)施例的監(jiān)督爬坡速率控制機(jī)構(gòu)200的 示意說明。監(jiān)督爬坡速率控制機(jī)構(gòu)200包括數(shù)字選擇器202,其功能 是用以確定是將使用 一分鐘爬坡速率限制204還是使用十分鐘爬坡速 率極限206來控制每個(gè)PV逆變器IO的爬坡速率。在一個(gè)實(shí)施例中， 爬坡速率指令信號(hào)(AP) 208通過中央控制器44經(jīng)由圖2中所示的 通信鏈路56傳送到各個(gè)PV子系統(tǒng)42，其可以包括上面所述的有線 或無線的遠(yuǎn)程通信鏈路。
該速率限制器202和204被配置以使該輸出被由上限限定的最大 值來限制。每個(gè)速率限制器202, 206的輸出將等于它對(duì)應(yīng)的輸入， 直到該輸入超過上限，在該情況下，速率限制器204的輸出大體上是 常數(shù)，且等于上限值。在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)速率限制器204， 206 的上限由運(yùn)營(yíng)方指定的速率限制信號(hào)210來限定。因此，通過由PV控制器44調(diào)節(jié)爬坡速率指令信號(hào)來控制各個(gè)PV子系統(tǒng)的最大輸出功
率爬坡速率是可能的。通過由速率限制信號(hào)208設(shè)定限制器204， 206 的上限，每個(gè)PV子系統(tǒng)42的功率輸出的變化速率可以以使得PV子 系統(tǒng)功率輸出的變化速率不超過PV控制器44所設(shè)定的爬坡速率限制 的方式來控制。
在某些實(shí)施例中，比率限制器204, 206還可包括表明每個(gè)PV子 系統(tǒng)42的最大指定負(fù)功率爬坡速率的下限。例如，如果一個(gè)或多個(gè) 非活動(dòng)的PV子系統(tǒng)42因?yàn)檎诠鈼l件的變化而突然變?yōu)榛顒?dòng)狀態(tài)，更 多的PV子系統(tǒng)那么將會(huì)變?yōu)榭捎糜谔峁╇娏o電網(wǎng)14。當(dāng)這種狀況 發(fā)生時(shí)，在遮光條件變化前提供電力給電網(wǎng)14的PV子系統(tǒng)42將不 得不以相似的方式通過響應(yīng)于指定負(fù)功率爬坡速率的負(fù)坡度斜坡來 降低它們的輸出功率，以為了適應(yīng)新活動(dòng)的PV子系統(tǒng)提供的額外功 率。
在一個(gè)示范性的方案中，僅這些PV系統(tǒng)42中的部分處于工作中 而同時(shí)功率爬坡速率^皮控制，并且原先未處于工作中的單元變?yōu)榛顒?dòng) 的。在這個(gè)情況下，該控制器應(yīng)該命令已處于活動(dòng)的單元以預(yù)定速率 降低它們的功率指令，且在同時(shí)增加發(fā)出到開始工作的單元的功率指 令。所得的總的功率指令斜坡應(yīng)該以這種方式保持在或^f氐于期望的變 化速率。
才艮據(jù)一個(gè)實(shí)施例，當(dāng)不多于一個(gè)PV子系統(tǒng)42可用于向電網(wǎng)14 提供電源時(shí)，包括但不限于諸如圖2中描述的電池組11的能量?jī)?chǔ)存 裝置可以在陰暗條件期間提供必要的額外功率，以適應(yīng)PV子系統(tǒng)42 功率的下坡。
圖7是對(duì)本發(fā)明另一實(shí)施例的PV子系統(tǒng)逆變器功率水平爬坡速 率控制機(jī)構(gòu)250的示意說明。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該P(yáng)V子系統(tǒng)逆變器 功率水平爬i皮速率控制機(jī)構(gòu)250的功能塊在PV子系統(tǒng)逆變器功率水 平爬坡速率控制機(jī)構(gòu)250響應(yīng)于中央控制器44產(chǎn)生的爬坡速率限制 信號(hào)208而產(chǎn)生功率水平指令信號(hào)252之后，并且在PV子系統(tǒng)逆變器10接收實(shí)際功率水平指令信號(hào)254之前被執(zhí)行。如下面進(jìn)一步所 討論的，該P(yáng)V子系統(tǒng)逆變器功率水平爬坡速率控制才幾構(gòu)250被配置 以限制該功率水平指令信號(hào)254的變化速率，由此控制例如該P(yáng)V子 系統(tǒng)逆變器IO輸出電流的變化速率。
才艮據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該P(yáng)V子系統(tǒng)逆變器功率水平爬;皮速率控制才幾 構(gòu)250通過以下工作限制PV子系統(tǒng)逆變器IO接收的實(shí)際功率水平 指令信號(hào)254的變化速率，以及采用閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)以最小化產(chǎn)生 的PV子系統(tǒng)電流256和實(shí)際電網(wǎng)電流258之間的誤差。相應(yīng)誤差(e) 信號(hào)通過PI控制器260進(jìn)行處理以產(chǎn)生傳送至該P(yáng)V子系統(tǒng)逆變器10 的功率水平指令信號(hào)254。
上述描述的技術(shù)提供了 PV系統(tǒng)輸出功率爬坡速率的協(xié)調(diào)式控 制，其相對(duì)于輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)方指定的短期和長(zhǎng)期爬坡速率來管理PV 子系統(tǒng)的綜合行為。描述的特征通過允許各個(gè)PV子系統(tǒng)在對(duì)于該P(yáng)V 系統(tǒng)期望的集合爬坡速率以上或以下工作，進(jìn)一步4是供用于該P(yáng)V系 統(tǒng)獲取的最大太陽能。
上述描述的原理還可以-故同樣優(yōu)越地應(yīng)用于適應(yīng)單相或多相配 電系統(tǒng)的實(shí)施例中。進(jìn)一步地，爬坡速率控制特征可以被無限制地配 置以響應(yīng)于公用電網(wǎng)頻率偏差、通過相應(yīng)PV子系統(tǒng)注入公用電網(wǎng)的 諧波(harmonics )、不同相中與不同PV子系統(tǒng)相關(guān)耳關(guān)的7>用電網(wǎng)平 衡要求、公用電網(wǎng)電壓變化補(bǔ)償要求、或公用電網(wǎng)穩(wěn)定化要求而動(dòng)態(tài) 地提高太陽能PV系統(tǒng)功率。
可以理解，上述描述的技術(shù)可以采用計(jì)算機(jī)或控制器執(zhí)行的過程 和實(shí)施這些過程的設(shè)備的形式。上述技術(shù)的各方面還可以具體表現(xiàn)為 包括指令的電腦程序代碼的形式，其具體表現(xiàn)在有形i某體，如軟盤、 CD-ROM、硬盤或任何其它計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)i某體，其中，當(dāng)通過計(jì)算 機(jī)或控制器載入并執(zhí)行該計(jì)算機(jī)程序代碼時(shí)，該計(jì)算機(jī)成為用于實(shí)施 本發(fā)明的設(shè)備。所描述的技術(shù)還可以具體表現(xiàn)為以電腦程序代碼或信 號(hào)的方式，例如，不管是被保存在存儲(chǔ)介質(zhì)中、通過電腦或控制器載入和/或執(zhí)行，或是在一些傳輸介質(zhì)上(例如在電線或者電纜上、通過 光纖或經(jīng)由電磁輻射等)傳輸，其中，當(dāng)通過計(jì)算機(jī)載入和執(zhí)行該計(jì) 算機(jī)程序代碼時(shí)，該計(jì)算機(jī)成為用于實(shí)施本發(fā)明的設(shè)備。當(dāng)在通用微 處理器上執(zhí)行時(shí)，該計(jì)算機(jī)程序代碼片斷配置孩i處理器以形成專用的 邏輯電路。
盡管這里僅僅圖示和說明了本發(fā)明的某些特征，但是對(duì)于本領(lǐng)域 技術(shù)人員將會(huì)做出許多修改和改變。因此，應(yīng)當(dāng)理解所附權(quán)利要求將 要覆蓋落在本發(fā)明的真正精神中的所有這些修改和改變。
部件列表
10光伏(PV)逆變器34開關(guān)器件
11電池組40PV控制系統(tǒng)
12PV陣列44中央控制器
14電網(wǎng)52電源
16DC鏈電容器54功率傳感器
18可變PVDC電壓56通信鏈路
20恒定DC電壓62功率水平指令信號(hào)
22電流63差分結(jié)點(diǎn)
24PWM電路64誤差放大器
26開關(guān)器件66積分器
28開關(guān)器件260PI控制器
32開關(guān)器件258實(shí)際電網(wǎng)電滬u
70積分器輸入76功率輸出爬坡速率要求信號(hào)
80速率限制器82速率限制器輸入
84速率限制信號(hào)86爬坡速率指令信號(hào)
88速率限制器設(shè)定的下限90監(jiān)督爬坡速率控制機(jī)構(gòu)
92慢爬坡速率控制機(jī)構(gòu)94快爬坡速率控制機(jī)構(gòu)
96結(jié)點(diǎn)98爬坡速率算法118反饋控制回路120校正環(huán)
122爬坡速率估計(jì)模塊124結(jié)點(diǎn)
126在結(jié)點(diǎn)124處的差分信號(hào)130積分控制器
132積分控制器的輸出信號(hào)134結(jié)點(diǎn)
136在結(jié)點(diǎn)134的差分信號(hào)138積分控制器
140積分控制器138輸出156PV子系統(tǒng)的正集合輸出功率
152期望輸出功率爬坡速率158PV子系統(tǒng)的負(fù)集合輸出功率
200監(jiān)督爬坡速率控制機(jī)構(gòu)204一分鐘爬坡速率限制
206十分鐘爬坡速率限制208爬坡速率指令信號(hào)
210運(yùn)營(yíng)方指定速率限制信號(hào)256產(chǎn)生的PV子系統(tǒng)電流
252功率水平指令信號(hào)42PV子系統(tǒng)
202數(shù)字選擇器258實(shí)際電網(wǎng)電，危
60 PV子系統(tǒng)功率輸出水平爬坡速率控制機(jī)構(gòu)
68 PV子系統(tǒng)逆變器接收的實(shí)際功率水平指令信號(hào)
142集合PS子系統(tǒng)的實(shí)際輸出功率爬坡速率
154實(shí)際集合PV子系統(tǒng)輸出功率變化
250 PV子系統(tǒng)逆變器功率水平爬坡速率控制機(jī)構(gòu)
254 PV子系統(tǒng)逆變器接收的實(shí)際功率水平指令信號(hào)
260 PI控制器
18
權(quán)利要求
1.一種太陽能光伏(PV)系統(tǒng)(40)，其包括多個(gè)PV子系統(tǒng)(42)，每個(gè)PV子系統(tǒng)(42)包括至少一個(gè)PV陣列(12)；和至少一個(gè)PV逆變器(10)，其被配置以響應(yīng)于可用的PV陣列有效功率而產(chǎn)生單相或多相AC有效功率中的至少一個(gè)；和PV控制系統(tǒng)(44)，其被配置以基于監(jiān)測(cè)的通過所述多個(gè)PV子系統(tǒng)(42)產(chǎn)生的集合有效功率輸出的變化速率和對(duì)于所述多個(gè)PV子系統(tǒng)(42)的期望集合輸出有效功率變化速率而產(chǎn)生有效功率輸出率控制信號(hào)，并且傳送所述有效功率輸出率控制信號(hào)至所述多個(gè)PV子系統(tǒng)(42)以控制各個(gè)PV子系統(tǒng)(42)的一個(gè)或多個(gè)工作參數(shù)的變化速率。
2. 如權(quán)利要求1所述的太陽能PV系統(tǒng)(40)，其中，所述工作 參數(shù)包括至少PV逆變器輸出電流。
3. 如權(quán)利要求1所述的太陽能PV系統(tǒng)(40),其中，所述有效 功率輸出率控制信號(hào)進(jìn)一步基于在第一時(shí)間段期間的集合PV子系統(tǒng) 輸出有效功率爬坡速率和在大于所述第一時(shí)間段的第二時(shí)間段期間 的集合PV子系統(tǒng)輸出有效功率爬坡速率。
4. 如權(quán)利要求l所述的太陽能PV系統(tǒng)(40)，其中，對(duì)于所述 多個(gè)PV子系統(tǒng)(42)的所述期望集合輸出有效功率變化速率對(duì)應(yīng)于 正爬坡速率。
5. 如權(quán)利要求1所述的太陽能PV系統(tǒng)(40),其中，對(duì)于所述 多個(gè)PV子系統(tǒng)(42)的所述期望集合輸出有效功率變化速率對(duì)應(yīng)于 負(fù)爬坡速率。
6. 如權(quán)利要求1所述的太陽能PV系統(tǒng)(40),其中，所述有效 功率輸出率控制信號(hào)進(jìn)一步基于公用電網(wǎng)頻率偏差、經(jīng)由相應(yīng)的PV 子系統(tǒng)(42)注入^^用電網(wǎng)的諧波、在不同相中與不同PV子系統(tǒng)(42)相關(guān)聯(lián)的公用電網(wǎng)平衡要求、公用電網(wǎng)電壓變動(dòng)補(bǔ)償要求、或公用電 網(wǎng)穩(wěn)定化要求中的至少 一個(gè)。
7. —種太陽能光伏(PV)系統(tǒng)(40),其包括 至少一個(gè)能量?jī)?chǔ)存裝置(11);PV子系統(tǒng)(42)，其包括 PV陣列(12);和PV逆變器(10 )，其^C配置以響應(yīng)于可用的PV陣列有效功 率而產(chǎn)生單相或多相AC有效功率中的至少一個(gè)；和PV控制系統(tǒng)(44)，其被配置以基于監(jiān)測(cè)的通過所述PV子系統(tǒng) (42)產(chǎn)生的有效功率輸出的變化速率和對(duì)于所述PV子系統(tǒng)(42) 的期望輸出有效功率變化速率而產(chǎn)生有效功率輸出率控制信號(hào)，并且 傳送所述有效功率輸出率控制信號(hào)至所述PV子系統(tǒng)(42)和所述至 少一個(gè)能量?jī)?chǔ)存裝置(11)以控制所述PV子系統(tǒng)(42)的一個(gè)或多 個(gè)工作參數(shù)的變化速率。
8. 如權(quán)利要求7所述的太陽能PV系統(tǒng)(40)，其中，對(duì)于所述 PV子系統(tǒng)(42)的所述期望輸出有效功率變化速率對(duì)應(yīng)于正爬坡速 率。
9. 如權(quán)利要求7所述的太陽能PV系統(tǒng)(40),其中，對(duì)于所述 PV子系統(tǒng)(42)的所述期望輸出有效功率變化速率對(duì)應(yīng)于負(fù)爬坡速 率。
10. 如權(quán)利要求7所述的太陽能PV系統(tǒng)(40),其中，所述有 效功率輸出率控制信號(hào)進(jìn)一步基于公用電網(wǎng)頻率偏差、經(jīng)由相應(yīng)的PV 子系統(tǒng)(42)注入公用電網(wǎng)的諧波、在不同相中與不同PV子系統(tǒng)(42) 相關(guān)聯(lián)的公用電網(wǎng)平衡要求、或公用電網(wǎng)穩(wěn)定化要求中的至少一個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于控制太陽能光伏系統(tǒng)爬坡速率的系統(tǒng)及其方法。一種光伏(PV)控制系統(tǒng)(40)基于所監(jiān)測(cè)的由多個(gè)PV子系統(tǒng)(42)產(chǎn)生的集合功率輸出的變化速率和對(duì)于所述多個(gè)PV子系統(tǒng)(42)的期望集合輸出功率變化速率而產(chǎn)生功率輸出率控制信號(hào)，并且傳送所述功率輸出率控制信號(hào)至所述多個(gè)PV子系統(tǒng)(42)以控制各個(gè)PV子系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)工作參數(shù)的變化速率以為了控制所述多個(gè)太陽能PV子系統(tǒng)(42)的集合輸出功率的變化速率。
文檔編號(hào)H02N6/00GK101677222SQ20091017285
公開日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2009年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月27日
發(fā)明者L·J·加爾塞斯, S·波斯, 艷 劉 申請(qǐng)人:通用電氣公司