智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法
2023-05-28 15:03:16 3
專利名稱：智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法
技術領域：
本發明涉及一種發電系統，具體涉及一種智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法，以及這種併網發電系統的操作方法。
背景技術：
太陽能光伏發電，主要有離網和併網兩種方式。其中離網太陽能光伏發電利用太陽能電池產生的電能，直接供用電器使用，也可以使用蓄電池進行儲能；併網太陽能光伏發電將太陽能電池產生的電能進行逆變之後，與公共電網連接實現併網，用於發電。現有的離網光伏發電系統一般容量較小，具有結構簡單、造價低的特點，缺點是為了保證在不同陽光條件下能夠提供足夠的電能，以及在陰雨霧天和夜間等無陽光條件下也能長時間發電，需要配備大大超過負載負荷的太陽能電池和蓄電池，成本大大提高，同時因為蓄電池的壽命較短，維護困難，而且廢棄的蓄電池會對環境造成二次汙染。根據電網安全穩定的要求，要求併網發電的系統必須具有完善可控的監控和管理手段，出於技術經濟性和管理的便利，現有併網的光伏發電系統一般容量很大，因此併網光伏發電系統的設計要求高，管理複雜，佔地面積極大，建設成本很高，這種模式無法在城市中進行推廣，而且大規模併網光伏電站與城市負荷中心距離很遠，按照當前電網運行水平，國內電網的綜合線損率在6%左右，因遠距離電能傳輸帶來的損耗很大，降低了光伏電站的技術經濟性。為了改善能源結構，發展清潔能源，國家對光伏發電給予了包括建設補貼和電價補貼等政策進行鼓勵，但只有大規模併網光伏電站才有資格獲得這些補貼。電網公司也出臺政策鼓勵小型光伏電站併網，但相關要求高，操作專業性強，並不適合普通用戶參與建設。利用居民、單位屋頂建設的太陽能光伏電站具有單體規模小、成本低、與負荷點重合等優勢，是國家政策扶持的建設模式，但當前的自動孤島檢測技術都無法達到100%的可靠，如果大量的微型電站接入電網併網運行，則會因可能發生的孤島效應帶來巨大的電網不穩定和人身設備安全問題，成為分布式微電網運行管理的難題。
發明內容
針對現有光伏發電系統存在的問題，本發明的目的是提供一種智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法，利用城市家庭屋頂建設太陽能光伏電站，充分利用城市空間；太陽能家庭屋頂併網電站可運行於併網和離網兩種模式，利用併網運行方式，在白天陽光充足時產生的光伏能源可以進入公共電網，在夜晚或陽光不足時從公共電網取得電能，雙向電能交換從而避免使用大量的蓄電池，離網運行模式時可作為家庭應急電源使用，組成家庭微電網；在用戶側具有明顯的斷開點，使用視頻監控進行遠程核查和管理；利用遠程管理的中控系統，實現對每一個太陽能家庭屋頂併網電站的實時監控，結合工作票人工操作與程序化操作，根據電網運行要求遠程控制電站的併網分、合操作，使光伏發電管理平臺納入電力系統集中管理，保證公共電網的安全穩定。完成上述發明目的的技術方案是:一種智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法，屋頂光伏組件的輸出端與逆變器連接，通過併網開關及雙向計量裝置將逆變後的光伏能源送入電網；其特徵在於，本智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法中設有智能測控主機和安防監控單元，所述屋頂光伏組件、逆變器、併網開關和安防監控單元分別與智能測控主機連接，進行信號傳輸和通信所述的智能測控主機通過遠程通信網絡與監控系統主站連接；太陽能家庭屋頂併網電站接入公共電網的監控系統主站處，設有由操作人員進行交互認證控制的手動控制器。所述的「由操作人員進行交互認證控制的手動控制器」，可以是設備硬體，也可以由軟體構成。本智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法中具有蓄電池接口，可設有或不設有蓄電池(即，蓄電池3作為可選件)；設有蓄電池時，該蓄電池與智能測控主機連接。參照圖1:本發明是由屋頂光伏組件1、逆變器2、蓄電池3、併網開關4、安防監控單元5和智能測控主機6組成太陽能家庭屋頂併網電站10，監控中心主站20為遠程部分，太陽能家庭屋頂併網電站10和監控中心主站20之間通過遠程通信網絡30連接。屋頂光伏組件I的輸出端與逆變器2連接，通過併網開關4及雙向計量裝置4將逆變後的光伏能源送入電網；蓄電池3作為可選件，與逆變器2連接；屋頂光伏組件1、逆變器2、蓄電池3、併網開關4和安防監控單元5分別與智能測控主機6連接，進行信號傳輸和通信。逆變器2包括光伏組件接口 21、蓄電池接口 22、功率逆變單元23、供電控制開關24、逆變器控制單元25、雙向計量單元26、交流併網接口 27和數據通信接口 28。光伏組件接口 21和蓄電池接口 22分別連接屋頂光伏組件I和蓄電池3，將直流電引入功率逆變電源並控制蓄電池的充放電。供電控制開關可以控制功率逆變單元輸出的交流電與家庭電網以及併網開關4所連接的公共電網之間的連接關係。逆變器控制單元25與功率逆變單元23、供電控制開關24和雙向計量單元26連接，檢測交直流電路和各單元的狀態，控制逆變器的運行。雙向計量單元26通過交流併網接口 27連接到公共電網，可以計算太陽能家庭屋頂併網電站10與公共電網之間交換的實時功率和電能量，其電流和功率具有方向，因此可以對流出和流入的電能量進行雙向計量。逆變器控制單元25通過數據通信接口 28實現與外界其他設備的數據交換。併網開關4包括欠壓檢測單元41、過流檢測單元42、過熱檢測單元43、併網開關控制器44、主開關狀態監測單元45、脫扣線圈46、數據通信接口 47和主開關48。欠壓檢測單元41、過流檢測單元42、過熱檢測單元43分別連接到併網開關控制器44，對通過主開關48的電壓、電流以及溫度進行檢測，當出現欠壓、過流或過熱情況時將信息發送到併網開關控制器44。併網開關控制器44接到欠壓、過流或過熱信號時，將啟動保護程序，向脫扣線圈46發送控制信號，使主開關48跳閘。主開關監測單元45可以將主開關48的位置狀態反饋給併網開關控制器44，用於相關的跳、合閘邏輯控制。脫扣線圈48用於推動主開關48的拉閘動作，並保證主開關48的狀態不能自行恢復。併網開關控制器44通過數據通信接口 47與智能測控主機6通信，傳輸狀態、動作數據，並在智能測控主機6的控制下，接收並執行監控系統主站20的操作命令，包括跳閘和合閘。安防監控單元5包括監控攝像機51、定位系統52、入侵檢測單元53、振動和傾角傳感器54、安防控制器55、時鐘單元56、報警器57和數據通信接口 58。監控攝像機51與安防控制器55連接，提供視頻信號，用於家庭安防監控，遠程確認併網開關位置，實時觀察電站設備的安全和狀態；定位系統52、入侵檢測單元53、振動和傾角傳感器54分別連接到安防控制器55，提供定位信息和入侵檢測信號，時鐘單元56為運算控制器55提供準確的實時鐘，實現數據和事件記錄具有可靠的時間戳，便於查詢和管理，安防控制器55根據布防要求經綜合判斷後利用報警器57發出報警，並通過數據通信接口 58上傳安防報警信息。智能測控主機6包括光伏組件監控單元61、逆變器監控單元62、併網開關監控單元63、安防監控單元64、運算控制器65、時鐘單元66、數據存儲單元67、電網監測單元68和遠程通信接口 69。其中光伏組件監控單元61連接屋頂光伏組件1，逆變器監控單元62連接逆變器2和蓄電池3，併網開關監控單元63連接併網開關4，安防監控接口 54連接安防監控單元5，並分別與運算控制器65連接，實現對太陽能家庭屋頂併網電站10各主要部件的實時狀態監測與運行控制。時鐘單元66為運算控制器65提供準確的實時鐘，實現數據和事件記錄具有可靠的時間戳，便於查詢和管理。數據存儲單元67與運算控制器65連接，提供設備配置參數和歷史數據的存儲。運算控制器65連接電網監測單元68獲取家庭電網和公共電網的電壓、頻率等參數，用於逆變和防孤島控制。運算控制器65通過遠程通信接口 69，利用遠程通信網絡30與監控系統主站進行通信，完成數據交換和控制指令的傳輸。遠程通信網絡30可採用乙太網、光纖等有線通信方式，或全球移動通訊系統、通用無線分組業務、碼分多址、第三代數字通信、全球微波互聯接入或無線保真的適用於遠程無線網絡連接的方式中的一種以及兩種或多種方式的組合。監控系統主站20包括通信前置機201、資料庫202、應用伺服器203、用戶終端204和手動控制器205，通信前置機201與資料庫202和應用伺服器203通過通信接口互連，應用伺服器203與用戶終端204互連，手動控制器205與用戶終端204互連。本發明所述的家庭屋頂，是廣泛意義上的屋頂，不僅包括住宅樓頂、別墅屋頂、遮陽篷和陽臺等，還包括商業樓宇、企業廠房、山坡灘涂空地等可安裝太陽能光伏電站的空間，均屬於本發明所述的「家庭屋頂」。太陽能家庭屋頂併網電站10可安裝居民樓、別墅等建築物的屋頂或遮陽篷之上，也可以安裝在商業樓宇、企業廠房、山坡灘涂空地等位置，智能測控主機6採集和記錄太陽能家庭屋頂併網電站10的運行數據，通過遠程通信網絡30，發送至監控系統主站20 ;監控系統主站20安裝於用戶處，監控系統主站20通過遠程通信網絡30，將命令發送至太陽能家庭屋頂併網電站10的智能測控主機6，智能測控主機6在解析命令後，根據命令向監控系統主站20返回所需要的數據，並控制太陽能家庭屋頂併網電站10的工作模式。太陽能家庭屋頂併網電站10接入公共電網的操作，需要通過監控系統主站由操作人員進行交互認證控制，具有工作票人工操作和程序化操作結合的特點，參照圖8，操作方法的步驟為:
步驟1，對於需要併網的太陽能家庭屋頂併網電站10，用戶需通過監控系統主站20申請並生成併網操作工作票，由操作人員按照工作票步驟進行操作；
步驟2，操作者首先要利用太陽能家庭屋頂併網電站10中安防監控單元5提供的視頻確定併網開關4中的主開關48處於離網位置，如主開關48位置不正確則記錄操作失敗並停止併網操作；
步驟3，在視頻確認太陽能家庭屋頂併網電站10已處在離網狀態後，監控系統主站20下發併網命令,相關太陽能家庭屋頂併網電站10中的智能測控主機接收並解析併網命令後，根據預留的安全密鑰進行驗證，如果驗證失敗，則返回失敗信息並停止併網操作；
步驟4，如果併網命令驗證成功，則智能監測主機6根據併網動作規範，檢測併網技術條件，如條件不滿足則返回失敗原因並停止併網操作；
步驟5，如果併網技術條件滿足併網要求，智能監測主機6向監控系統主站20發送併網確認請求，由操作員人工再次確認併網操作,此時操作員還可取消併網並停止併網操作；步驟6，當操作員人工確認併網操作後，智能監測主機6啟動並控制逆變器2的運行，將併網開關4切換到併網位置，完成併網操作，如果併網操作失敗，則向監控系統主站20發送失敗條件並停止併網操作；
步驟7，如果併網操作成功，操作員通過太陽能家庭屋頂併網電站10中安防監控單元5提供的視頻確定併網開關4處於併網位置，至此完成併網操作。有益效果:本發明通過在屋頂安裝太陽能光伏電站，適於小規模應用，使清潔能源能夠深入千家萬戶，就地發電就地用電，避免電能的遠距離傳輸，按照當前國內電網6%的綜合線損率，以IOkV線路約8%，400V線路約10%的線損率計算，通過本發明就地發電就地用電即可減少5 12%的電力傳輸損耗，清潔能源可替代傳統能源減少排放，減少損耗可以進一步減少傳統能源消耗，充分實現節能減排，這一優勢所產生的經濟效益和環境效益在當前國內年用電量增長率超過5.5%的形勢下顯得更加顯著；本發明採用太陽能光伏發電，白天有光照的時間產生電能，此時正是廠礦、企業、機關等單位的工作時間和用電尖峰時段，也恰恰是家庭成員外出上班而減少用電的低谷；夜晚單位下班社會用電進入低谷，但家庭成員回家使家庭用電進入尖峰時段；因此本發明採用併網方式使白天家庭用電低谷時產生的光伏電能輸送到公共電網，可以降低電廠發電量和電網傳輸電量，減少能源消耗和傳輸損耗，夜晚家庭用電高峰時再從公共電網取回電能，通過家庭用電彌補社會用電減少帶來的發電量需求降低，維持發電廠出力穩定和電網負荷均衡，這樣一方面實現了家庭電能消耗的節約，另一方面為公共電網削峰填谷做出了貢獻；本發明中作為選配的蓄電池是為少數供電不穩定場合作為應急電源使用的，在併網運行條件下完全可以不使用現有離網光電方式中必需的蓄電池，不需要巨大的放置空間和保溫防護措施維持蓄電池儲存環境的穩定，也避免因蓄電池壽命只有三到五年造成在整個壽命周期內需更換若干次，更減少了廢舊蓄電池中鉛等重金屬和酸液對環境造成的二次汙染；當前的自動化孤島檢測手段都無法達到100%的可靠，一旦防孤島措施失靈或拒動，將對電網安全特別是人身安全帶來巨大危害，本發明採用專門的併網開關，一方面作為光伏家庭屋頂光伏併網電站與公共電網之間的明顯斷開點，用於現場和遠程確認電站併網、離網運行的標誌和開關，另一方面併網開關的操作，特別是併網操作必須在管理人員的幹預下由中控系統完成，確保分布式的電站不會因為孤島效應保持錯誤的併網狀態；本發明採用遠程管理的中控系統，將分散的太陽能家庭屋頂併網電站納入監控，化零為整，不僅可以利用大量的家庭屋頂，如住宅樓頂、別墅屋頂、遮陽篷和陽臺等，安裝太陽能屋頂電站，還可以安裝在商業樓宇、企業廠房、山坡灘涂空地等位置，充分利用空間，一方面可以利用整體運營的分布式併網光伏電站對接國家政策，爭取對清潔能源的補貼，另一方面通過中控系統的運營管理有序可控地接入公共電網，與公共電網的管理協調一致，易於實現，便於推廣。
圖1是本發明所述智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法的原理框圖。圖2是本發明所述智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法的逆變器的原理框圖。圖3是本發明所述智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法的併網開關的原理框圖。圖4是本發明所述智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法的安防監控單元的原理框圖。圖5是本發明所述智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法的智能測控主機的原理框圖。圖6是本發明所述智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法的監控系統主站的原理框圖。圖7是本發明所述智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法安裝和運行的實施方式示意圖。圖8是本發明所述智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法遠程控制併網操作的流程框圖。
具體實施例方式實施例1，智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法，如圖1所示，本發明由屋頂光伏組件1、逆變器2、蓄電池3、併網開關4、安防監控單元5和智能測控主機6組成太陽能家庭屋頂併網電站10，監控中心主站20為遠程部分。屋頂光伏組件I的輸出端與逆變器2連接，通過併網開關4及雙向計量裝置4將逆變後的光伏能源送入電網；蓄電池3作為可選件，與逆變器2連接；屋頂光伏組件1、逆變器2、蓄電池3、併網開關4和安防監控單元5分別與智能測控主機6連接，進行信號傳輸和通信。屋頂光伏組件I是進行太陽能光伏轉換的部件，將太陽能轉換成直流電輸送到逆變器2 ;逆變器2將直流電逆變為交流電，可以為家庭電網供電，並通過併網開關4與公共電網連接，逆變器2具有雙向計量功能可實現太陽能家庭屋頂併網電站10與公共電網之間電能量交換的記錄用於結算；併網開關4可作為太陽能家庭屋頂併網電站10與公共電網之間的明顯斷開點，保證併網、離網操作的可靠安全；智能測控主機6實現對太陽能家庭屋頂併網電站10各主要部件的實時狀態監測與運行控制。太陽能家庭屋頂併網電站10和監控中心主站20之間通過遠程通信網絡30連接，實現太陽能家庭屋頂併網電站10實時運行數據的上傳，並根據監控中心主站20的命令控制各部件的運行，從而改變太陽能家庭屋頂併網電站10的運行模式。遠程通信網絡30可米用乙太網、光纖等有線通信方式,或GSM(Global System forMobile Communications,全球移動通訊系統)，GPRS(General Packet Radio Service,通用無線分組業務)、CDMA (Code-Division Multiple Access,碼分多址)、3G (3rd Generation,第三代數字通信)、WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access,全球微波互聯接入)以及WIFI (Wireless Fidelity，無線保真)的適用於遠程無線網絡連接的方式中的一種以及兩種或多種方式的組合。太陽能家庭屋頂併網電站10可運行在併網和離網兩種模式，具體為:
併網模式:太陽能家庭屋頂併網電站10的各組成部分均正常工作，併網開關4工作於併網狀態，太陽能家庭屋頂併網電站10可能處於發電狀態也可能處於用電狀態，逆變器2內置的雙向計量單元26採集記錄發電或用電的功率與電能，智能測控主機6與監控系統主站20建立固定的通信連接，太陽能家庭屋頂併網電站10可隨時接收監控系統主站20的命令並及時反饋。離網模式:太陽能家庭屋頂併網電站10的併網開關4工作於離網狀態，太陽能家庭屋頂併網電站10為家庭電網供電，智能測控主機6與監控系統主站20建立固定的通信連接，只有接收到監控系統主站20發出的併網命令才控制逆變器2和併網開關4動作，使太陽能家庭屋頂併網電站10切換到併網模式。如圖2所示，控制開關可以控制功率逆變單元輸出的交流電與家庭電網以及併網開關4所連接的公共電網之間的連接關係。逆變器控制單元25與功率逆變單元23、供電控制開關24和雙向計量單元26連接，檢測交直流電路和各單元的狀態，控制逆變器的運行。雙向計量單元26通過交流併網接口 27連接到公共電網，可以計算太陽能家庭屋頂併網電站10與公共電網之間交換的實時功率和電能量，其電流和功率具有方向，因此可以對流出和流入的電能量進行雙向計量。逆變器控制單元25通過數據通信接口 28實現與外界其他設備的數據交換。如圖3所示，併網開關4可實現對通過主開關48的電壓、電流以及溫度進行檢測，當出現欠壓、過流或過熱情況時將信息發送到併網開關控制器44。併網開關控制器44接到欠壓、過流或過熱信號時，將啟動保護程序，向脫扣線圈46發送控制信號，使主開關48跳閘。主開關監測單元45可以將主開關48的位置狀態反饋給併網開關控制器44，用於相關的跳、合閘邏輯控制。脫扣線圈48用於推動主開關48的拉閘動作，並保證主開關48的狀態不能自行恢復。併網開關控制器44通過數據通信接口 47與智能測控主機6通信，傳輸狀態、動作數據，並在智能測控主機6的控制下，接收並執行監控系統主站20的操作命令。併網開關4的動作需要通過智能測控主機6，利用遠程通信網絡30與監控系統主站20交互後方可動作，特別是併網操作。當出現故障或檢測到公共電網斷電後，併網開關控制器44向脫扣線圈48發送控制信號使主開關48跳閘，並採集主開關監測單元45的信號得到主開關48的離網位置狀態信息，利用數據通信接口 47發送給智能測控主機6，智能測控主機6利用遠程通信網絡30將相關跳閘信息發送到監控系統主站20。當公共電網復電後，併網開關控制器44並不會自動進行併網操作，而是等待監控系統主站20下發併網命令經智能測控主機6轉發後，在各檢測單元狀態正常的條件下，控制主開關48合閘，進入併網狀態，並採集主開關監測單元45的信號經智能測控主機6向監控系統主站20發送確認信息。如圖4所示，安防監控單元5包括監控攝像機51、定位系統52、入侵檢測單元53、振動和傾角傳感器54、安防控制器55、時鐘單元56、報警器57和數據通信接口 59。監控攝像機51可為用戶提供視頻信號，監視併網開關4的位置狀態以供遠程確認是否併網，實時觀察屋頂光伏組件上的積灰和遮蔽情況，並可對家庭周邊環境進行視頻採集用於安防監控，包括電站設備的安全狀態；定位系統52可採用GPS (Global Position System,全球定位系統)或移動基站定位方式，確定太陽能家庭屋頂併網電站10的位置，防止未授權的移動；入侵檢測單元53可探測防區內的人員進入和活動；振動和傾角傳感器54用於探測對太陽能家庭屋頂併網電站10的觸動和移動。以上部件分別連接到安防控制器55，提供視頻信號、定位信息和入侵檢測信號，時鐘單元56為運算控制器55提供準確的實時鐘，實現數據和事件記錄具有可靠的時間戳，便於查詢和管理，安防控制器55根據布防要求經綜合判斷後利用報警器57發出報警，並通過數據通信接口 58上傳安防報警信息。如圖5所示，智能測控主機6包括光伏組件監控單元61、逆變器監控單元62、併網開關監控單元63、安防監控單元64、運算控制器65、時鐘單元66、數據存儲單元67、電網監測單元68和遠程通信接口 69。其中光伏組件監控單元61連接屋頂光伏組件1，逆變器監控單元62連接逆變器2和蓄電池3，併網開關監控單元63連接併網開關4，安防監控接口 54連接安防監控單元5，並分別與運算控制器65連接，實現對太陽能家庭屋頂併網電站10各主要部件的實時狀態監測與運行控制。時鐘單元66為運算控制器65提供準確的實時鐘，實現數據和事件記錄具有可靠的時間戳，便於查詢和管理。數據存儲單元67與運算控制器65連接，提供設備配置參數和歷史數據的存儲。運算控制器65連接電網監測單元68獲取家庭電網和公共電網的電壓、頻率等參數，用於逆變和防孤島控制。運算控制器65通過遠程通信接口 69，利用遠程通信網絡30與監控系統主站20進行通信，完成數據交換和控制指令的傳輸。當電網監測單元68檢測到公共電網斷電時，運算控制器65會向併網開關4發出跳閘命令，使系統進入離網狀態，必要時可命令逆變器2停機。在離網狀態時，當電網監測單元68檢測到公共電網恢復供電時，運算控制器65將復電信息通過遠程通信接口 69，利用遠程通信網絡30通知監控系統主站20，但不會啟動逆變器2和命令併網開關4合閘，需要等待監控系統主站20下發併網命令，在監控系統主站20和操作人員的參與下，按照併網條件啟動逆變器2並控制併網開關4合閘，進入併網狀態，之後通過監控攝像機51視頻和主開關監測單元45的信號獲取主開關48的狀態，通過遠程通信接口 69，利用遠程通信網絡30，向監控系統主站20發送確認信息。如圖6所示，監控系統主站20包括通信前置機201、資料庫202、應用伺服器203、用戶終端204和手動控制器205，通信前置機201與資料庫202和應用伺服器203通過通信接口互連，應用伺服器203與用戶終端204互連，手動控制器205與用戶終端204互連。通信前置機201可以根據計劃任務，向太陽能家庭屋頂併網電站10發送命令，設置其工作模式，並收取太陽能家庭屋頂併網電站10發送的數據信息，提取、解釋相關資料並保存於資料庫202。資料庫202用來保存太陽能家庭屋頂併網電站10的配置信息、工作狀態及其控制參量。應用伺服器203通過讀取資料庫202中的內容，藉助用戶終端204與使用者進行交互，根據使用者的要求將太陽能家庭屋頂併網電站10的工作狀態進行顯示；使用者還可以提出立即執行命令，應用伺服器203直接通過通信前置機201向太陽能家庭屋頂併網電站10發送命令並即時獲取現場數據，也可向太陽能家庭屋頂併網電站10發送離網或併網命令並即時獲取現場動作反饋，並通過用戶終端204顯示。手動控制器205用於在用戶遠程控制太陽能家庭屋頂併網電站10的併網時，防止非授權操作和誤操作。當用戶通過用戶終端204進行併網操作時，手動控制器205的功能被激活，用戶按照用戶終端204的提示在手動控制器205上進行操作，確保併網動作是在操作人員的有效控制下按步驟實現的。太陽能家庭屋頂併網電站10安裝居民樓、別墅等建築物的屋頂或遮陽篷之上，智能測控主機6採集和記錄太陽能家庭屋頂併網電站10的運行數據，通過遠程通信網絡30，發送至監控系統主站20 ;監控系統主站20安裝於用戶處，監控系統主站20通過遠程通信網絡30，將命令發送至太陽能家庭屋頂併網電站10的智能測控主機6，智能測控主機6在解析命令後，根據命令向監控系統主站20返回所需要的數據，並控制太陽能家庭屋頂併網電站10的工作模式。如圖7所示，對於本發明的現場實施，可在若干住宅樓、別墅的屋頂或遮陽篷上安裝多組太陽能家庭屋頂併網電站10，通過一臺監控系統主站20對這多組太陽能家庭屋頂併網電站10進行管理和通信，使用者即可利用這多點分布的監測數據，隨時獲得多組太陽能家庭屋頂併網電站10運行的實時信息，並可根據公用電網安全穩定運行的要求，隨時控制一組或多組太陽能家庭屋頂併網電站10併網或離網。在正常運行時，每組太陽能家庭屋頂併網電站10中的智能測控主機6收集屋頂光伏組件I的太陽能發電數據、逆變器2的運行數據、蓄電池3的電壓和充放電狀態、併網開關4的位置狀態數據以及智能測控主機6自身的運行狀態數據，通過遠程通信網絡30傳送至監控系統主站20進行處理、分析和顯示，實現對多組太陽能家庭屋頂併網電站10運行狀態的持續監測。當某組太陽能家庭屋頂併網電站10中的部件發生異常和故障，以及線路發生短路、斷路、接地故障時，智能測控主機6根據採集的數據進行分析，發現故障現象的發生，記錄並通過遠程通信網絡30向監控系統主站20發送故障報警信息，實現對太陽能家庭屋頂併網電站10故障和異常運行狀態的監測。當需要某組太陽能家庭屋頂併網電站10脫離公共電網進入離網模式時，用戶可通過監控系統主站20向太陽能家庭屋頂併網電站10發出離網命令，相關太陽能家庭屋頂併網電站10中的智能測控主機接收並解析離網命令後，根據離網動作規範，將併網開關4切換到離網位置，並控制逆變器2停機或工作在自用電狀態，完成離網操作。如圖8所示，當需要某組太陽能家庭屋頂併網電站10進入併網模式時，併網操作具有工作票人工操作和程序化操作結合的特點，具體步驟如下:對於需要併網的太陽能家庭屋頂併網電站10，用戶需通過監控系統主站20申請並生成併網操作工作票，由操作人員按照工作票步驟進行操作；操作者首先要利用太陽能家庭屋頂併網電站10中安防監控單元5提供的視頻確定併網開關4中的主開關48處於離網位置，如主開關48位置不正確則記錄操作失敗並停止併網操作；在視頻確認太陽能家庭屋頂併網電站10已處在離網狀態後，監控系統主站20下發併網命令，相關太陽能家庭屋頂併網電站10中的智能測控主機接收並解析併網命令後，根據預留的安全密鑰進行驗證，如果驗證失敗，則返回失敗信息並停止併網操作；如果併網命令驗證成功，則智能監測主機6根據併網動作規範，檢測併網技術條件，如條件不滿足則返回失敗原因並停止併網操作；如果併網技術條件滿足併網要求，智能監測主機6向監控系統主站20發送併網確認請求，由操作員人工再次確認併網操作，此時操作員還可取消併網並停止併網操作；當操作員人工確認併網操作後，智能監測主機6啟動並控制逆變器2的運行，將併網開關4切換到併網位置，完成併網操作，如果併網操作失敗，則向監控系統主站20發送失敗條件並停止併網操作；如果併網操作成功，操作員通過太陽能家庭屋頂併網電站10中安防監控單元5提供的視頻確定併網開關4處於併網位置，至此完成併網操作。
權利要求
1.一種智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法，屋頂光伏組件的輸出端與逆變器連接，通過併網開關及雙向計量裝置將逆變後的光伏能源送入電網；其特徵在於，本智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法中設有智能測控主機和安防監控單元，所述屋頂光伏組件、逆變器、併網開關和安防監控單元分別與智能測控主機連接，進行信號傳輸和通信；所述的智能測控主機通過遠程通信網絡與監控系統主站連接；太陽能家庭屋頂併網電站接入公共電網的監控系統主站處，設有由操作人員進行交互認證控制的手動控制器。
2.根據權利要求1所述的智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法，其特徵在於，所述的逆變器上設有光伏組件接口、蓄電池接口、功率逆變單元、供電控制開關、逆變器控制單元、雙向計量單元、交流併網接口和數據通信接口。
3.根據權利要求2所述的智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法，其特徵在於，所述的逆變器控制單元與功率逆變單元、供電控制開關和雙向計量單元連接，檢測交直流電路和各單元的狀態，控制逆變器的運行，並連接雙向計量單元通過交流併網接口連接到公共電網。
4.根據權利要求2所述的智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法，其特徵在於，所述的逆變器控制單元通過數據通信接口實現與外界其他設備的數據交換。
5.根據權利要求2所述的智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法，其特徵在於，所述的併網開關包括欠壓檢測單元、過流檢測單元、過熱檢測單元、併網開關控制器、主開關狀態監測單元、脫扣線圈、數據通信接口和主開關；其中欠壓檢測單元、過流檢測單元、過熱檢測單元、主開關監測單元分別連接到併網開關控制器，提供欠壓、過流或過熱情況和主開關的位置狀態，用於控制脫扣線圈使主開關跳閘，併網開關控制器通過數據通信接口與智能測控主機通信，反饋狀態信息，接收並執行操作命令。
6.根據權利要求1 所述的智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法，其特徵在於，所述的安防監控單元中設有監控攝像機、定位系統、入侵檢測單元、振動和傾角傳感器、安防控制器、時鐘單元、報警器和數據通信接口 ；其中，監控攝像機可提供視頻信號，用於家庭安防監控，遠程確認併網開關位置，實時觀察電站設備的安全和狀態；定位系統、入侵檢測單元、振動和傾角傳感器分別連接到安防控制器，提供視頻信號、定位信息和入侵檢測信號，時鐘單元為運算控制器提供準確的實時鐘，實現數據和事件記錄具有可靠的時間戳；安防控制器根據布防要求經綜合判斷後利用報警器發出報警，並通過數據通信接口上傳安防報警信息。
7.根據權利要求1所述的智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法，其特徵在於，所述的智能測控主機中設有光伏組件監控單元、逆變器監控單元、併網開關監控單元、安防監控單元、運算控制器、時鐘單元、數據存儲單元、電網監測單元和遠程通信接口 ；其中光伏組件監控單元連接屋頂光伏組件，逆變器監控單元連接逆變器和蓄電池，併網開關監控單元連接併網開關，安防監控接口連接安防監控單元，並分別與運算控制器連接；數據存儲單元與運算控制器連接，提供設備配置參數和歷史數據的存儲；運算控制器連接電網監測單元獲取家庭電網和公共電網的電壓、頻率等參數，用於逆變和防孤島控制；運算控制器通過遠程通信接口，利用遠程通信網絡與監控系統主站進行通信，完成數據交換和控制指令的傳輸。
8.根據權利要求1所述的智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法，其特徵在於，所述的遠程通信網絡採用乙太網有線通信方式、光纖有線通信方式；或採用全球移動通訊系統、通用無線分組業務、碼分多址、第三代數字通信、全球微波互聯接入或無線保真的適用於遠程無線網絡連接的方式中的一種以及兩種或多種方式的組合。
9.根據權利要求1-8之一所述的智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法，其特徵在於，所述的監控系統主站中設有通信前置機、資料庫、應用伺服器、用戶終端和手動控制器；其中，通信前置機與資料庫和應用伺服器通過通信接口互連，應用伺服器與用戶終端互連，手動控制器與用戶終端互連。
10.權利要求1所述的智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統的操作方法，其特徵在於，步驟如下: 步驟1，對於需要併網的太陽能家庭屋頂併網電站，用戶需通過監控系統主站申請並生成併網操作工作票，由操作人員按照工作票步驟進行操作； 步驟2，操作者首先要利用太陽能家庭屋頂併網電站中安防監控單元提供的視頻確定併網開關中的主開關處於離網位置，如主開關位置不正確則記錄操作失敗並停止併網操作； 步驟3，在視頻確認太陽能家 庭屋頂併網電站已處在離網狀態後，監控系統主站下發併網命令，相關太陽能家庭屋頂併網電站中的智能測控主機接收並解析併網命令後，根據預留的安全密鑰進行驗證，如果驗證失敗，則返回失敗信息並停止併網操作； 步驟4，如果併網命令驗證成功，則智能監測主機根據併網動作規範，檢測併網技術條件，如條件不滿足則返回失敗原因並停止併網操作； 步驟5，如果併網技術條件滿足併網要求，智能監測主機向監控系統主站發送併網確認請求，由操作員人工再次確認併網操作,此時操作員還可取消併網並停止併網操作； 步驟6，當操作員人工確認併網操作後，智能監測主機啟動並控制逆變器的運行，將併網開關切換到併網位置，完成併網操作，如果併網操作失敗，則向監控系統主站發送失敗條件並停止併網操作； 步驟7，如果併網操作成功，操作員通過太陽能家庭屋頂併網電站10中安防監控單元提供的視頻確定併網開關處於併網位置，至此完成併網操作。
全文摘要
智能中控式太陽能家庭屋頂併網發電系統及其操作方法，屋頂光伏組件輸出端與逆變器連接，通過併網開關及雙向計量裝置將光伏能源送入電網；特徵是系統中設有智能測控主機和安防監控單元，屋頂光伏組件、逆變器、併網開關和安防監控單元分別與智能測控主機連接，進行信號傳輸和通信；智能測控主機通過遠程通信網絡與監控系統主站連接。本發明可運行於併網和離網兩種模式，實現了家庭電能消耗的節約，也為公共電網削峰填谷做出貢獻；本發明接入公共電網需要通過監控系統主站由操作人員進行交互認證控制，可確保分布式的電站不因孤島效應保持併網狀態；可通過安防監控單元遠程確認併網開關位置，監控電站設備的安全和狀態；易於實現，便於推廣。
文檔編號H02J3/38GK103199559SQ20131007752
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月11日 優先權日2013年2月25日
發明者孟紹良, 楊祈偉, 李元藝 申請人:孟紹良