CN107302230A - 一种光伏发电设备并网运行优化方法 - Google Patents

一种光伏发电设备并网运行优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光伏发电设备并网运行优化方法，该方法网采用了有功功率参考值快速计算方法，快速计算满足光伏并网要求的参考功率，能够有效地改善原始信号的波动性，达到平抑功率波动的目的，实现光伏平滑并网；该方法根据光伏设备的功率输出信息和网侧电压值信息，判断和确定光伏设备的工作模式，以实现并网运行的优化；此外，本发明的监控方法，采用无线加密通信实现监控数据的通信，使得监控装置对于光伏发电设备监控更为简单和可靠。

Description

一种光伏发电设备并网运行优化方法
技术领域
本发明涉及光电发电领域，具体涉及一种光伏发电设备并网运行优化方法。
背景技术
随着经济全球化的发展，传统能源在为我们带来优质生活的同时，也越来越严重地危害着我们的生存环境，越来越多的国家开始关注清洁能源的利用。传统能源将逐渐被可再生清洁能源所替代。人类对能源需求量不断增长，太阳能发电因其环保经济的特点受到各国的关注和青睐。
并网光伏发电***是指与交流电网联接的光伏发电***，目前，传统光伏发电领域，并网的方法是通过功率调节器将光伏方阵的直流电能装换为交流电实现并网。
目前，常见的计算光伏电站并网参考功率的方法，如低通滤波，具有一定的延时性，且跟踪精度不高，不能很好地反映原始信号特性。频谱补偿法过于理想化。常规的经验模态分解法由于计算速度问题难于应用与实时在线快速计算。
光伏电站运行的负荷多为感性负荷。大量存在的感性负荷，不仅造成***功率因数过低，生产效率降低，企业电能费用支出增加，还会引起电网电压波动，严重时影响带载设备的安全运行，给企业带来不必要的经济损失。根据《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》规定，大型和中型光伏电站的功率因数应该能够在0.98(超前)～0.98(滞后)范围内连续可调。因而，大型集中式和分布式光伏电站需要通过无功补偿的方式来提高功率因数，保证电能质量和电网安全。
光伏组件监控***中，监控装置负责监控***内的光伏组件(即数据采集装置)的工作状态；通信子***负责监控装置和数据采集装置间的数据传输。目前在光伏发电行业中，光伏组件监控***中的通信子***由传统的有线和无线两种方式组成。
发明内容
本发明提供一种光伏发电设备并网运行优化方法，该方法网采用了有功功率参考值快速计算方法，具有保持不失原光伏输出功率的特性的情况下，快速计算满足光伏并网要求的参考功率，经过改进经验模态分解法和新型小波去噪法后重组的光伏功率信号，能够有效地改善原始信号的波动性，达到平抑功率波动的目的，实现光伏平滑并网；根据光伏设备的功率输出信息和网侧电压值信息，判断和确定光伏设备的工作模式，当光伏设备处于有功功率输出模式时，判断光伏电池的输出状态信息是否满足第一切换条件，并在满足时使得光伏并网逆变器从有功功率输出模式切换到无功功率补偿模式；当光伏设备处于无功功率补偿模式时，判断光伏电池的输出状态信息是否满足第二切换条件，并在满足时，使得光伏设备从无功功率补偿模式切换到有功功率输出模式，以实现并网运行的优化；此外，本发明的监控方法，采用无线加密通信实现监控数据的通信，使得监控装置对于光伏发电设备监控更为简单和可靠。
为了实现上述目的，本发明提供一种光伏发电设备并网运行优化方法，该方法包括如下步骤：
S1.快速计算光伏发电设备的有功功率参考值，并实时检测光伏发电站网侧电压值；
S2.将上述有功功率参考值和光伏发电站网侧电压值通过无线通信的方式，发送给监控装置；
S3. 根据所述将有功功率参考值和网侧直流电压信息，确定光伏发电设备并网工作模式；
S4. 监控装置根据上述并网工作模式，控制光伏设备优化运行。
优选的，在所述步骤S1中，具体采用如下方法快速计算光伏发电设备的有功功率参考值：
S11. 对光伏电站的输出功率信号按时间进行分段，然后利用改进经验模态分解法对每段输出功率信号进行分解，得到IMF分量cj，对每段输出功率信号的边界值采用上一段输出功率信号的IMF均值，得到多个IMF分量；
S12. 采用新型小波去噪法对步骤S11得到的IMF分量进行小波去噪，得到降噪后的新IMF分量，其中，所述新型小波去噪法的阈值函数为：
其中，D为小波系数长度，σ为噪声方差，Wjk为小波系数，f为输入信号频率
S13. 利用主成分分析法将步骤S12得到的新IMF分量进行排序，对排序后的新IMF分量进行组合，得到光伏电站并网的参考功率值。
优选的，在所述步骤S11中，改进经验模态分解法包括以下步骤：
S111.将白噪声信号加入到输出功率信号中，得到两组含白噪声信号集合[M1,M2]，其中，M1＝S+N；M2＝S-N，S为输出功率信号，N为白噪声信号；
S112. 对M1和M2分别进行经验模态分解，得到两组IMF集合c1j和c2j；
S113. 对步骤二得到的两组IMF集合c1j和c2j进行组合，得到IMF分量cj，其中
优选的，在步骤S13中，包括如下步骤：
S131.设IMF分量集合X＝[x1,x2,...xi...,xM]T，令yi＝xi-E(xi)，其中，E(xi)为xi的期望值，矩阵Y＝[y1,y2,...,yM]T，X的协方差为C；
S132.利用下式对步骤S131的协方差C进行分解，C＝UM×NΛM×NUT M×N，其中，Λ为C的特征值对角矩阵，U为特征向量组成的正交矩阵；
S133.根据步骤S131得到的Y和步骤S132得到的U，得到P＝UT M×NY，根据P中贡献率从大到小对IMF分量进行排序。
优选的，在所述步骤S2中，具体采用如下步骤实现无线加密通信：
S21监控装置向基站发送下行数据包，所述数据包包括光伏设备光伏设备终端身份和查询数据类型；
S22.基站根据基站和监控装置的通信协议对数据包进行数据解析，识别光伏设备终端身份和查询数据类型；根据基站和光伏设备终端的通信协议对光伏设备终端身份和查询数据类型进行组装，得到组装好的数据报文；对组装好的数据报文进行加密，得到加密数据报文；通过射频信道将加密数据报文发送到光伏设备终端；
S23.光伏设备终端对加密数据报文进行解密，得到光伏设备数据；根据串口协议将光伏设备数据组装成格式报文；通过串口将格式报文发送到数据采集装置；
S24.数据采集装置校验格式报文；在格式报文校验通过后，从格式报文中得到光伏设备数据部分；按照串口协议解析光伏设备数据部分，得到光伏设备数据；
S25.数据采集装置在得到光伏设备数据后，采集目标数据；将目标数据按串口协议打包，得到串口数据；将串口数据通过串口发送到光伏设备终端；
S26.光伏设备终端对串口数据进行校验；在串口数据校验通过后，从串口数据中获取光伏设备数据部分，并将光伏设备数据部分按照光伏设备终端和基站的通信协议进行组装，得到组装好的数据报文，该数据报文中携带光伏设备终端身份；将组装好的数据报文加密，得到加密数据；通过射频信道发送加密数据到基站；
S27.基站对加密数据进行解密，得到解密后的数据报文；对解密后的数据报文进行解析，识别所携带的光伏设备终端身份；从解析后的数据报文中提取光伏设备数据，并根据基站和监控装置的通信协议对光伏设备数据进行打包，得到打包数据，该打包数据包括光伏设备终端身份和响应数据类型；将打包数据发送到监控装置。
优选的，在所述步骤S3中，采用如下方式确定光伏设备运行模式：
当有功功率参考值大于输出功率第一阈值P1，网侧电压值波动小于电压波动第一阈值V1时，光伏设备进入有功输出模式；
当有功参考值小于输出功率第二阈值P2，网侧电压值波动值大于电压波动第二阈值V2时，光虎设备进入无功补偿模式。
优选的，在步骤S4中，当光伏设备进入有功输出模式运行时，控制光伏设备如下运行：
持续获取光伏设备的有功参考值；
判断所述有功参考值是否满足第一切换条件；
当所述有功参考值满足所述第一切换条件时，将所述光伏并网逆变器从所述有功功率输出模式切换到无功功率补偿模式。
优选的，在步骤S4中，当光伏设备进入无功补偿模式时，控制光伏设备如下运行：
持续获取光伏设备的网侧电压的波动值；
判断所述网侧电压波动值是否满足第二切换条件；
当所网侧电压波动值满足所述第二切换条件时，将所述光伏设备从所述无功功率补偿模式切换到所述有功功率输出模式。
优选的，所述判断所述有功参考值是否满足第一切换条件的步骤，包括：
当所述光伏设备的有功参考值小于第一功率阈值P1时，判断所述光伏设备的输出功率小于所述第一功率阈值P1所持续的第一时长是否达到第一时间阈值T1，若所述第一时长达到所述第一时间阈值T1，则所述第一输出状态信息满足所述第一切换条件。
优选的，所述判断所述网侧电压波动值是否满足第二切换条件是否满足第二切换条件的步骤，包括：
当所述网侧电压波动值大于或等于电压波动第二阈值V2时，判断所述网侧电压波动值大于或等于所述第二电压波动阈值V2所持续的第二时长是否达到第二时间阈值T2，若所述第二时长达到所述第二时间阈值T2，则所述网侧电压波动值满足所述第二切换条件。
本发明的技术方案具有如下优点：
（1）该方法网采用了有功功率参考值快速计算方法，具有保持不失原光伏输出功率的特性的情况下，快速计算满足光伏并网要求的参考功率，经过改进经验模态分解法和新型小波去噪法后重组的光伏功率信号，能够有效地改善原始信号的波动性，达到平抑功率波动的目的，实现光伏平滑并网。
（2）根据光伏设备的功率输出信息和网侧电压值信息，判断和确定光伏设备的工作模式，当光伏设备处于有功功率输出模式时，判断光伏电池的输出状态信息是否满足第一切换条件，并在满足时使得光伏并网逆变器从有功功率输出模式切换到无功功率补偿模式；当光伏设备处于无功功率补偿模式时，判断光伏电池的输出状态信息是否满足第二切换条件，并在满足时，使得光伏设备从无功功率补偿模式切换到有功功率输出模式，以实现并网运行的优化。
（3）本发明的监控方法，采用无线加密通信实现监控数据的通信，使得监控装置对于光伏发电设备监控更为简单和可靠。
附图说明
图1示出了一种光伏发电设备并网运行优化方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了一种光伏发电设备并网运行优化方法的流程图，该方法包括如下步骤：S1.快速计算光伏发电设备的有功功率参考值，并实时检测光伏发电站网侧电压值；S2.将上述有功功率参考值和光伏发电站网侧电压值通过无线通信的方式，发送给监控装置；S3.根据所述将有功功率参考值和网侧直流电压信息，确定光伏发电设备并网工作模式；S4.监控装置根据上述并网工作模式，控制光伏设备优化运行。
在所述步骤S1中，具体采用如下方法快速计算光伏发电设备的有功功率参考值：
S11. 对光伏电站的输出功率信号按时间进行分段，然后利用改进经验模态分解法对每段输出功率信号进行分解，得到IMF分量cj，对每段输出功率信号的边界值采用上一段输出功率信号的IMF均值，得到多个IMF分量；
S12. 采用新型小波去噪法对步骤S11得到的IMF分量进行小波去噪，得到降噪后的新IMF分量，其中，所述新型小波去噪法的阈值函数为：
其中，D为小波系数长度，σ为噪声方差，Wjk为小波系数，f为输入信号频率；
S13. 利用主成分分析法将步骤S12得到的新IMF分量进行排序，对排序后的新IMF分量进行组合，得到光伏电站并网的参考功率值。
在所述步骤S11中，改进经验模态分解法包括以下步骤：
S111.将白噪声信号加入到输出功率信号中，得到两组含白噪声信号集合[M1,M2]，其中，M1＝S+N；M2＝S-N，S为输出功率信号，N为白噪声信号；
S112. 对M1和M2分别进行经验模态分解，得到两组IMF集合c1j和c2j；
S113. 对步骤二得到的两组IMF集合c1j和c2j进行组合，得到IMF分量cj，其中。
在步骤S13中，包括如下步骤：
S131.设IMF分量集合X＝[x1,x2,...xi...,xM]T，令yi＝xi-E(xi)，其中，E(xi)为xi的期望值，矩阵Y＝[y1,y2,...,yM]T，X的协方差为C；
S132.利用下式对步骤S131的协方差C进行分解，C＝UM×NΛM×NUT M×N，其中，Λ为C的特征值对角矩阵，U为特征向量组成的正交矩阵；
S133.根据步骤S131得到的Y和步骤S132得到的U，得到P＝UT M×NY，根据P中贡献率从大到小对IMF分量进行排序。
在所述步骤S2中，具体采用如下步骤实现无线加密通信：
S21监控装置向基站发送下行数据包，所述数据包包括光伏设备光伏设备终端身份和查询数据类型；
S22.基站根据基站和监控装置的通信协议对数据包进行数据解析，识别光伏设备终端身份和查询数据类型；根据基站和光伏设备终端的通信协议对光伏设备终端身份和查询数据类型进行组装，得到组装好的数据报文；对组装好的数据报文进行加密，得到加密数据报文；通过射频信道将加密数据报文发送到光伏设备终端；
S23.光伏设备终端对加密数据报文进行解密，得到光伏设备数据；根据串口协议将光伏设备数据组装成格式报文；通过串口将格式报文发送到数据采集装置；
S24.数据采集装置校验格式报文；在格式报文校验通过后，从格式报文中得到光伏设备数据部分；按照串口协议解析光伏设备数据部分，得到光伏设备数据；
S25.数据采集装置在得到光伏设备数据后，采集目标数据；将目标数据按串口协议打包，得到串口数据；将串口数据通过串口发送到光伏设备终端；
S26.光伏设备终端对串口数据进行校验；在串口数据校验通过后，从串口数据中获取光伏设备数据部分，并将光伏设备数据部分按照光伏设备终端和基站的通信协议进行组装，得到组装好的数据报文，该数据报文中携带光伏设备终端身份；将组装好的数据报文加密，得到加密数据；通过射频信道发送加密数据到基站；
S27.基站对加密数据进行解密，得到解密后的数据报文；对解密后的数据报文进行解析，识别所携带的光伏设备终端身份；从解析后的数据报文中提取光伏设备数据，并根据基站和监控装置的通信协议对光伏设备数据进行打包，得到打包数据，该打包数据包括光伏设备终端身份和响应数据类型；将打包数据发送到监控装置。
优选的，在所述步骤S3中，采用如下方式确定光伏设备运行模式：
当有功功率参考值大于输出功率第一阈值P1，网侧电压值波动小于电压波动第一阈值V1时，光伏设备进入有功输出模式；
当有功参考值小于输出功率第二阈值P2，网侧电压值波动值大于电压波动第二阈值V2时，光虎设备进入无功补偿模式。
优选的，在步骤S4中，当光伏设备进入有功输出模式运行时，控制光伏设备如下运行：
持续获取光伏设备的有功参考值；
判断所述有功参考值是否满足第一切换条件；
当所述有功参考值满足所述第一切换条件时，将所述光伏并网逆变器从所述有功功率输出模式切换到无功功率补偿模式。
优选的，在步骤S4中，当光伏设备进入无功补偿模式时，控制光伏设备如下运行：
持续获取光伏设备的网侧电压的波动值；
判断所述网侧电压波动值是否满足第二切换条件；
当所网侧电压波动值满足所述第二切换条件时，将所述光伏设备从所述无功功率补偿模式切换到所述有功功率输出模式。
优选的，所述判断所述有功参考值是否满足第一切换条件的步骤，包括：
当所述光伏设备的有功参考值小于第一功率阈值P1时，判断所述光伏设备的输出功率小于所述第一功率阈值P1所持续的第一时长是否达到第一时间阈值T1，若所述第一时长达到所述第一时间阈值T1，则所述第一输出状态信息满足所述第一切换条件。
优选的，所述判断所述网侧电压波动值是否满足第二切换条件是否满足第二切换条件的步骤，包括：
当所述网侧电压波动值大于或等于电压波动第二阈值V2时，判断所述网侧电压波动值大于或等于所述第二电压波动阈值V2所持续的第二时长是否达到第二时间阈值T2，若所述第二时长达到所述第二时间阈值T2，则所述网侧电压波动值满足所述第二切换条件。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光伏发电设备并网运行优化方法，该方法包括如下步骤：
S1.快速计算光伏发电设备的有功功率参考值，并实时检测光伏发电站网侧电压值；
S2.将上述有功功率参考值和光伏发电站网侧电压值通过无线通信的方式，发送给监控装置；
S3. 根据所述将有功功率参考值和网侧直流电压信息，确定光伏发电设备并网工作模式；
S4. 监控装置根据上述并网工作模式，控制光伏设备优化运行。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1中，具体采用如下方法快速计算光伏发电设备的有功功率参考值：
S11. 对光伏电站的输出功率信号按时间进行分段，然后利用改进经验模态分解法对每段输出功率信号进行分解，得到IMF分量cj，对每段输出功率信号的边界值采用上一段输出功率信号的IMF均值，得到多个IMF分量；
S12. 采用新型小波去噪法对步骤S11得到的IMF分量进行小波去噪，得到降噪后的新IMF分量，其中，所述新型小波去噪法的阈值函数为：
其中，D为小波系数长度，σ为噪声方差，Wjk为小波系数，f为输入信号频率
S13. 利用主成分分析法将步骤S12得到的新IMF分量进行排序，对排序后的新IMF分量进行组合，得到光伏电站并网的参考功率值。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步骤S11中，改进经验模态分解法包括以下步骤：
S111.将白噪声信号加入到输出功率信号中，得到两组含白噪声信号集合[M1,M2]，其中，M1＝S+N；M2＝S-N，S为输出功率信号，N为白噪声信号；
S112. 对M1和M2分别进行经验模态分解，得到两组IMF集合c1j和c2j；
S113. 对步骤二得到的两组IMF集合c1j和c2j进行组合，得到IMF分量cj，其中。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤S13中，包括如下步骤：
S131.设IMF分量集合X＝[x1,x2,...xi...,xM]T，令yi＝xi-E(xi)，其中，E(xi)为xi的期望值，矩阵Y＝[y1,y2,...,yM]T，X的协方差为C；
利用下式对步骤S131的协方差C进行分解，C＝UM×NΛM×NUT M×N，其中，Λ为C的特征值对角矩阵，U为特征向量组成的正交矩阵；
根据步骤S131得到的Y和步骤S132得到的U，得到P＝UT M×NY，根据P中贡献率从大到小对IMF分量进行排序。
5.如权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，具体采用如下步骤实现无线加密通信：
S21监控装置向基站发送下行数据包，所述数据包包括光伏设备光伏设备终端身份和查询数据类型；
S22.基站根据基站和监控装置的通信协议对数据包进行数据解析，识别光伏设备终端身份和查询数据类型；根据基站和光伏设备终端的通信协议对光伏设备终端身份和查询数据类型进行组装，得到组装好的数据报文；对组装好的数据报文进行加密，得到加密数据报文；通过射频信道将加密数据报文发送到光伏设备终端；
S23.光伏设备终端对加密数据报文进行解密，得到光伏设备数据；根据串口协议将光伏设备数据组装成格式报文；通过串口将格式报文发送到数据采集装置；
S24.数据采集装置校验格式报文；在格式报文校验通过后，从格式报文中得到光伏设备数据部分；按照串口协议解析光伏设备数据部分，得到光伏设备数据；
S25.数据采集装置在得到光伏设备数据后，采集目标数据；将目标数据按串口协议打包，得到串口数据；将串口数据通过串口发送到光伏设备终端；
S26.光伏设备终端对串口数据进行校验；在串口数据校验通过后，从串口数据中获取光伏设备数据部分，并将光伏设备数据部分按照光伏设备终端和基站的通信协议进行组装，得到组装好的数据报文，该数据报文中携带光伏设备终端身份；将组装好的数据报文加密，得到加密数据；通过射频信道发送加密数据到基站；
S27.基站对加密数据进行解密，得到解密后的数据报文；对解密后的数据报文进行解析，识别所携带的光伏设备终端身份；从解析后的数据报文中提取光伏设备数据，并根据基站和监控装置的通信协议对光伏设备数据进行打包，得到打包数据，该打包数据包括光伏设备终端身份和响应数据类型；将打包数据发送到监控装置。
6.如权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，采用如下方式确定光伏设备运行模式：
当有功功率参考值大于输出功率第一阈值P1，网侧电压值波动小于电压波动第一阈值V1时，光伏设备进入有功输出模式；
当有功参考值小于输出功率第二阈值P2，网侧电压值波动值大于电压波动第二阈值V2时，光虎设备进入无功补偿模式。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤S4中，当光伏设备进入有功输出模式运行时，控制光伏设备如下运行：
持续获取光伏设备的有功参考值；
判断所述有功参考值是否满足第一切换条件；
当所述有功参考值满足所述第一切换条件时，将所述光伏并网逆变器从所述有功功率输出模式切换到无功功率补偿模式。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤S4中，当光伏设备进入无功补偿模式时，控制光伏设备如下运行：
持续获取光伏设备的网侧电压的波动值；
判断所述网侧电压波动值是否满足第二切换条件；
当所网侧电压波动值满足所述第二切换条件时，将所述光伏设备从所述无功功率补偿模式切换到所述有功功率输出模式。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述判断所述有功参考值是否满足第一切换条件的步骤，包括：
当所述光伏设备的有功参考值小于第一功率阈值P1时，判断所述光伏设备的输出功率小于所述第一功率阈值P1所持续的第一时长是否达到第一时间阈值T1，若所述第一时长达到所述第一时间阈值T1，则所述第一输出状态信息满足所述第一切换条件。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述判断所述网侧电压波动值是否满足第二切换条件是否满足第二切换条件的步骤，包括：
当所述网侧电压波动值大于或等于电压波动第二阈值V2时，判断所述网侧电压波动值大于或等于所述第二电压波动阈值V2所持续的第二时长是否达到第二时间阈值T2，若所述第二时长达到所述第二时间阈值T2，则所述网侧电压波动值满足所述第二切换条件。
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