文 | 王海波 | 1.常州佳訊光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，2.江蘇省光伏發(fā)電系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心

　　摘　要：本文介紹了光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的組成部分及各部分功能，通過分析實(shí)測試驗(yàn)光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，描述了光伏電站電能的基本輸出特性，指出光伏電站運(yùn)行狀態(tài)對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，對了解掌握光伏電站的運(yùn)行狀況和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

　　關(guān)鍵詞：光伏電站監(jiān)控 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析 電能質(zhì)量

　　引　言：在能源短缺，環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，合理利用清潔的可再生能源是世界各國政府的能源戰(zhàn)略決策，其中太陽能光伏發(fā)電備受矚目，然而許多太陽能光伏電站建成以后疏于管理，各方人員對電站的運(yùn)行性能知之甚少。了解太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的即時和歷史運(yùn)行狀態(tài)(輸出電壓、輸出功率、頻率、日發(fā)電量等)，可以進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的技術(shù)評估，對光伏電站的設(shè)計(jì)具有極為重要的意義[1,2,3]。而且，并網(wǎng)光伏電站的電能質(zhì)量直接影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，因此有必要建立實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)，以保障光伏電站的良好運(yùn)行。

　　1. 光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)簡介

　　光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)主要分三大網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包括電站層、通信層、主站層。整個系統(tǒng)由四大模塊組成：數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)交換模塊。并網(wǎng)光伏電站檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

　　數(shù)據(jù)采集器由數(shù)據(jù)采集裝置和通信模塊組成，

　　數(shù)據(jù)采集器與下級的各個子系統(tǒng)之間采用RS485 通信協(xié)議，通信方式可以采用有線電話撥號網(wǎng)絡(luò)、光纖和無線GSM、CDMA、GPRE、VHF、北斗衛(wèi)星等多種方式。本實(shí)驗(yàn)中使用無線通信方式，無線數(shù)據(jù)采集器帶有GPRS 通訊模塊，內(nèi)置有SIM 卡。

　　理論上，GPRS 的帶寬可達(dá)171.2Kbps，在實(shí)際應(yīng)用中，帶寬大約在10~100Kbps，在此信道上提供TCP/IP 連接，本光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)所用GPRS 的聯(lián)接波特率為4800~19.2Kbps，數(shù)據(jù)采集間隔標(biāo)準(zhǔn)一般為5min。有線數(shù)據(jù)采集器中帶有以太網(wǎng)通訊模塊。數(shù)據(jù)采集器的終端模塊通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)中心，由此完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信部分。

圖1 并網(wǎng)光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　數(shù)據(jù)服務(wù)中心在接受到數(shù)據(jù)以后，可以先存入后臺數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析后，下發(fā)到客戶端。數(shù)據(jù)服務(wù)中心同時監(jiān)聽在線客戶端的查詢請求，執(zhí)行客戶端的控制命令，直至將命令傳達(dá)至光伏設(shè)備。

　　監(jiān)控客戶端將當(dāng)前的設(shè)備數(shù)據(jù)用實(shí)時曲線展現(xiàn)，也可生成數(shù)據(jù)報表，同時客戶端還具有用戶權(quán)限管理、報警和提醒、狀態(tài)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)存儲和調(diào)用、通訊設(shè)置等功能。

　　2. 光伏電站基本運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

　　以江蘇地區(qū)某10kW 并網(wǎng)光伏電站為例，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對此實(shí)驗(yàn)光伏電站的電能輸出特性進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)光伏電站的主要部件有太陽電池組件45 塊(標(biāo)稱功率235Wp，支架傾角26 度)、交直流匯流箱各一個、SMA逆變器(10Kw) 一臺、氣象站一個、電表一只，監(jiān)測儀器主要有數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、通信服務(wù)器、WEB 服務(wù)器、電能質(zhì)量在線分析儀等。本實(shí)驗(yàn)光伏電站使用的監(jiān)控系統(tǒng)具備獨(dú)立運(yùn)行能力，能夠?qū)崿F(xiàn)電氣系統(tǒng)的管理、控制、監(jiān)測、保護(hù)、通信、報警等功能，同時，考慮到本地監(jiān)控與監(jiān)控控制中心的互聯(lián)存在網(wǎng)絡(luò)安全問題，在電站現(xiàn)場添加了專用縱向加密技術(shù)和硬件防火墻技術(shù)。本次試驗(yàn)主要對逆變器和氣象站進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。

圖2 晴天時光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率隨時間的變化

圖3 陰天時光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率隨時間的變化

　　一天中太陽輻照度的變化具有幅度大、隨機(jī)等特性，這就決定了光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率隨時間的變化非常顯著，典型趨勢見圖2—圖3。

　　從上圖可以看出，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率受太陽輻照度的影響非常明顯。在陰雨天時，有時變化速率可超過10% 額定功率/ 秒。光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入能量取決于太陽輻照度，故光伏電站的有功功率具有不完全可控的特性。光伏電站不能有效地進(jìn)行電網(wǎng)的電壓和頻率的調(diào)整任務(wù)，而且由于光伏電站輸出功率的快速波動，電網(wǎng)中需要有足夠的旋轉(zhuǎn)備用容量來快速補(bǔ)償光伏發(fā)電輸出功率的波動。當(dāng)大容量的光伏電站接入電網(wǎng)后，對電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生一定的影響。

圖4 光伏電站的輸出功率與太陽輻照度的關(guān)系

　　下面以實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(圖4—圖8)。圖4 是實(shí)驗(yàn)光伏系統(tǒng)輸出功率與太陽輻射量的關(guān)系圖。

　　從圖中可以看出，光伏電站的交流發(fā)電功率和太陽輻照度具有很好的一致性[4]，即光伏電站輸出電能的主要影響因素是太陽輻照度。太陽輻照度的最大值出現(xiàn)在12:58，數(shù)值為933W/m2，此時逆變器輸出功率為9.48kW，接近但不是最大輸出功率，電站最大輸出功率出現(xiàn)在12:27，數(shù)值為9.51kW。

圖5 組件溫度變化圖

　　這是由于12:58 時太陽輻照度最大，但組件的溫度也相對較高，達(dá)到23.13℃(見圖5)，而12:27 時的太陽輻照度雖不是最高，但此時溫度為19.43℃，組件的電壓隨溫度的升高而下降較為明顯，故光伏電站的最大輸出功率并不一定出現(xiàn)在太陽輻照度最大時。

圖6 逆變器效率(晴天)

圖7 逆變器效率(陰天)

圖8 逆變器的效率與光伏電站輸出功率的關(guān)系

　　逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備之一，逆變器的性能直接影響光伏電站輸出電能的大小和質(zhì)量。圖6 是晴天時一天中逆變器效率的變化趨勢，從圖中可以看出，在逆變器啟動階段，逆變器效率在86% 左右，遠(yuǎn)低于正常工作時的轉(zhuǎn)換效率。隨著太陽輻照度的增加，逆變器效率急劇增大，在上午8:時左右，逆變器進(jìn)入正常工作狀態(tài)，逆變效率保持相對的穩(wěn)定值。在下午17 時左右，逆變器效率急劇下降，當(dāng)逆變效率降至75% 左右逆變器停止工作。

　　在陰天時的起始階段，由于天氣的影響，逆變器可能時斷時續(xù)的啟動，逆變效率總體趨勢和晴天時類似，也有相對穩(wěn)定的效率區(qū)間，但逆變效率的波動性明顯加大，在早上逆變器啟動階段和下午表現(xiàn)最為顯著(見圖7)。

　　圖8 顯示出某一晴天時逆變器的效率與光伏電站輸出功率的關(guān)系。數(shù)據(jù)顯示在上午8:35 左右，逆變器已達(dá)到最高效率97.9%，而光伏電站的輸出功率在下午13:01 才達(dá)到峰值。在光伏電站的輸出功率小于180W 時，逆變器的效率隨輸出功率上升較快，當(dāng)光伏電站的輸出功率達(dá)到180W 左右時，逆變器的效率已超過92%。當(dāng)光伏電站的輸出功率在180W~1.2 kW 時，逆變器效率增加不明顯。當(dāng)光伏電站的輸出功率超過1.2kW 時，光伏電站輸出功率的增加，效率基本無變化，符合逆變器供應(yīng)商的效率說明。

　　電能質(zhì)量是衡量光伏電站所產(chǎn)出電能優(yōu)劣的重要標(biāo)尺，主要包括電壓偏差、頻率偏差、電壓波動和閃變、諧波、三相不平衡度等。限于實(shí)驗(yàn)條件，下面僅對實(shí)驗(yàn)光伏電站發(fā)電能的電壓偏差和頻率偏差作出分析。

　　電壓偏差屬于電壓變動的范疇，但與過電壓和欠電壓又有區(qū)別，電壓偏差強(qiáng)調(diào)的是實(shí)際電壓偏離系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的數(shù)值，而與偏差持續(xù)的時間無關(guān)，而過電壓和欠電壓則強(qiáng)調(diào)持續(xù)一定的時間。電力系統(tǒng)中負(fù)荷的改變，光伏電站輸出功率的變化，供配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不合理，系統(tǒng)故障都能引起電壓偏差。電壓偏差過大對照明設(shè)備、電動機(jī)、帶鐵芯的設(shè)備、家用電器、電力系統(tǒng)的運(yùn)行都會產(chǎn)生極大的危害。改善電壓偏差的主要措施有配置充足的無功功率電源、改變變壓器變比和改變線路參數(shù)調(diào)壓。經(jīng)過實(shí)測(數(shù)據(jù)經(jīng)過處理)，實(shí)驗(yàn)光伏電站的交流輸出電壓波動最大為240.9V，最小為232.6V，波動在5.73%~9.5% 之間(見圖9)，根據(jù)光伏電站并網(wǎng)的一般要求，光伏電站逆變器出口電壓偏差應(yīng)控制在-10%~10% 范圍以內(nèi)，可見逆變器在電壓偏差方面可以滿足電能質(zhì)量的要求，但已接近規(guī)定范圍的最大值，應(yīng)考察光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和檢查設(shè)備運(yùn)行情況以使電壓偏差降至更合適的范圍。

圖9 光伏電站發(fā)電電壓偏差

圖10 光伏電站發(fā)電頻率偏差

圖11 2012 年2 月份發(fā)電量

　　頻率是電能質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一，系統(tǒng)負(fù)荷對頻率要求非常嚴(yán)格。系統(tǒng)有功功率不平衡是產(chǎn)生頻率偏差的重要原因。系統(tǒng)頻率偏差過大引起的危害很多，主要有(1)產(chǎn)品質(zhì)量無保障;(2)降低勞動生產(chǎn)率;(3)電子設(shè)備不能正常工作，甚至停止運(yùn)行;(4)變壓器的主磁通增加，勵磁電流增大;(5)感應(yīng)式電能表的計(jì)量誤差加大等。控制頻率的措施主要有調(diào)整逆變器的電路設(shè)計(jì)、具有足夠的負(fù)荷備用和裝設(shè)直接控制用戶負(fù)荷的裝置。實(shí)驗(yàn)光伏電站的交流頻率波動控制在49.95Hz 和50.03Hz 之間，即-0.05Hz~0.03Hz，按照GB/T 15945-2008《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》的規(guī)定，電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為±0.2Hz，故實(shí)驗(yàn)電站用逆變器完全達(dá)到頻率的標(biāo)準(zhǔn)要求，所用逆變器控制頻率的性能良好，如圖10 所示。

　　圖11 為2012 年2 月份實(shí)驗(yàn)光伏電站的發(fā)電量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，晴天和陰天的發(fā)電量可相差近25 倍。由于2012 年2 月份陰雨天較多，日發(fā)電量10kWh 以下占45%，日發(fā)電量小于年平均日發(fā)電量10% 的天數(shù)占13.79%，日發(fā)電量超過年平均日發(fā)電量僅占21%，月平均日發(fā)電量僅占年平均發(fā)電量的52.46%。2 月份光伏電站的輸出功率在全年中所占比例偏低，加之陰雨天較多，故出現(xiàn)2 月份發(fā)電量總體較低的情況。在2 月份的晴時，實(shí)驗(yàn)光伏電站的最大日發(fā)電量比年平均日發(fā)電量增加40%，故實(shí)驗(yàn)光伏電站的輸出功率較為正常。

　　3. 結(jié)語

　　數(shù)據(jù)表明，實(shí)驗(yàn)光伏電站的基本電能質(zhì)量指標(biāo)滿足國標(biāo)的要求， 日發(fā)電量和月平均發(fā)電量和天氣狀況吻合。光伏發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的標(biāo)稱參數(shù)與實(shí)際測試結(jié)果有一定的差距，有必要加強(qiáng)專業(yè)認(rèn)證測試， 促進(jìn)各關(guān)鍵設(shè)備性能的不斷完善， 為光伏電站的健康發(fā)展提供有力的保障。

　　參考文獻(xiàn)：

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