分布式光伏發電站的設計及智能監控系統的應用

鄺堅文，黃永基

（廣州南洋電器有限公司，廣東廣州 510050）

0 前言

隨著全球能源短缺和環境污染等問題日益突出，太陽能光伏發電因其清潔、安全、便利、高效等特點，已成為世界各國關注和重點發展的新興產業[1]。

光伏發電的主要原理是半導體的光電效應，也即利用光生伏特效應原理，將太陽輻射能量直接轉換成電能的發電系統。主要由光伏電池板、匯流箱、并網逆變器、配電柜及其他設備組成[2]。

光伏發電系統分為獨立光伏系統和并網光伏系統，并網光伏發電又分為集中式大型并網光伏電站和分布式小型并網光伏電站，而分布式小型光伏發電由于投資小、建設快、占地面積小、政策支持力度大等優點，是并網光伏發電的主流。

1 分布式光伏發電系統的主要設備

（1）太陽能電池板：光伏組件是室外安裝的發電設備，是光伏電站的核心設備，具有非常的耐候性、能在室外嚴酷的環境下長期穩定可靠地運行，同時具有高轉換效率。其性能特點如下：①25年產品功率質保、安裝方便、抗風、抗冰雹能力強；②組件衰減少，十年內輸出功率的衰減小于10%，二十年內輸出功率的衰減20%，年平均衰減小于0.8%。

（2）直流匯流排箱：匯流箱最多可以連接24路直流輸入，并且為光伏組件提供保護和監測，可以優化電纜連接，縮短系統停機時間，方便維護。其功能要求如下：①采用光伏專用高壓直流保險絲，對正、負極同時保護；②滿足同時接入多路太陽電池組串，每個正、負極接線端子接一路光伏專用熔斷絲；③采用光伏專用防雷器，工作電壓達到直流1 000 V；④能夠接入最大太陽電池組串開路電壓（最大直流電壓）為1 000 V以上。

（3）并網逆變器：其功能要求如下：①逆變器應具有過載、短路、電網斷電、電網過欠壓、電網過欠頻保護和告警功能；②逆變器采用太陽電池組件最大功率跟蹤技術；③逆變器400 V/50 Hz輸出高效、節能、安全；④功率因數、有功和無功功率可調/可控，低電壓穿越，防孤島保護；⑤采用技術先進成熟的逆變技術，具有高轉換效率；⑥具備防雷保護措施；⑦擁有優良的冷卻通風系統。

（4）低壓開關柜：按用戶要求配置。

2 智能監控系統的硬件與軟件部分

監控系統包含光伏電站主要設備及光伏電站的數據采集、低壓開關柜保護測控裝置運行狀態監控、電能質量數據采集、數據上傳等功能。

2.1 智能監控系統的硬件部分

整個系統由中控室監控系統、通訊網絡、現場智能監測設備組成，系統網絡結構圖如圖1所示。監控系統安裝在中央控制室，包括一臺監控電腦及用于報表、曲線及報警打印的打印機；通訊網絡由以太網工業交換機、通訊管理機以及通訊電纜、光纖組成；現場智能數據采集器用于光伏電站中采集、監控逆變器的工作狀態及運作信息，以及開關柜、電表、匯流箱與環境檢測儀等設備數據，不僅可以實時傳輸所監測設備的數據至后臺上位機，還可以接收來自電網調度中心的開關量控制指令或者模擬量控制指令，實現對逆變器有功功率、無功功率、功率因數、開關機等遠程操作，實現遠程調度功能。通過光纖以太網與中控室監控電腦連接，使整個系統實現對光伏發、配電的監視、分析和管理[3]。

圖2 監控系統功能拓撲圖

圖1 監控系統網絡結構圖

2.2 系統軟件功能

系統功能拓撲圖如圖2所示。

（1）設備運行監測功能：系統自動采集匯流箱、逆變器、并網開關狀態、環境檢測儀、電表、開關柜、無功補償器等設備的各類實時數據，然后進行數據處理，以達到對設備的運行狀態進行監視、性能參數進行檢測、環境設備進行控制的功能。

（2）數據傳輸功能：系統能上傳實時采集到的數據，并能夠對數據緩存，當網絡中斷和恢復時，自動補傳數據，保證數據的完整性和可靠性。

（3）設備控制功能：系統能接收現場智能監控設備的控制指令，并及時將命令下發到現場設備，在現場設備執行命令后，及時將運行結果上報到監測中心。

（4）自動化配置功能：系統能根據當前監測點的信息，進行基本參數的自動化配置，使布署和維護更加方便。

（5）數據加密功能：為了保證數據可靠性，系統能夠對傳輸的數據自動加密和解密，并能根據傳輸的數據自動識別密碼。

（6）報警管理功能：

①實時報警功能：系統能實時反映當前的故障信息，并對故障信息自動歸類、分級，并提供聲、光、電等提醒方式；

②歷史報警信息功能：系統能對歷史報警信息進行綜合分析統計，為提高產品質量提供運行數據支撐。

（7）工單管理和日志管理功能：系統能夠記錄用戶所有操作并定時進行操作審計工作。

（8）用戶管理功能：系統能夠對用戶增加、刪除、鎖定、解鎖、用戶組管理、缺省配置等進行管理。

（9）統計報表模塊功能：系統能為管理人員提供需要的功能報表，有日、月、季、年等不同方式，以及電站的分時段發電量報表。

（10）數據存儲和數據挖掘功能：

①系統能存儲25年的配置數據，并能夠追溯歷次修改原因，能隨時調閱存儲的數據；

②系統能從年運行的海量數據中挖掘出效果好的設備，并能對這些數據進行長期存儲20年以上。

（11）發電量預測和診斷功能：系統能對發電站上空的云層情況，未來的相應時間段的發電量進行預測。對惡劣天氣情況能夠預警，提前對設備采取適當的保護措施。

（12）視頻監控功能：系統可以監視到每個模塊，從而實現“遙視”。

（13）微網監控功能：監控系統需能夠監視微網系統光伏逆變器、負載、獨立逆變器、上位機、數據采集器等設備的工作狀態，能夠對光伏逆變器進行限功率控制，亦能夠對光伏并網逆變器、光伏模擬器、智能電表等進行遙測和遙信。主要實現削峰平谷、峰谷電價差以及調壓調頻的基本功能。

（14）金太陽住建部接口功能：給金太陽和住建部提供數據接口。

3 工程實例

某大型設備加工廠，利用其現有的可有效利用的10 000 m2的屋頂，根據用戶的實際情況，按以上的設計方案，建設了一個發電量為1 MW的光伏項目。

3.1 系統組成

系統組成見表1。

表1 系統參數

3.2 光伏發電系統的主要設備

（1）太陽能電池板：多晶硅250WP，4 000塊，其性能要求如下：①高效率的晶體硅太陽能電池；②抗老化EVA膠膜及優良耐候性TPT背板；③陽極氧化處理鋁合金邊框及防水接線盒；④高透光率，采用高透光率低碳絨面鋼化玻璃封裝。

（2）直流匯流排箱：采用防護等級達到IP54/65，能滿足室外安裝要求的密封型機柜，并行連接16路直流輸入匯流箱12個，同時具有以下功能：①組串電流異常報警；②組串電壓異常報警；③防火災報警功能；④防雷器失效報警；⑤開關狀態監測；⑥分析電流量，對有故障的光伏陣列報警；⑦能接收本地監控裝置的參數下載，進行分析處理的匯流箱。

（3）并網逆變器：①能夠清晰顯示實時各項運行參數，實時故障數據，歷史故障數據，總發電量數據，歷史發電量數據；②多種通訊接口，接受MODBUS RTU和MODBUS TCP/IP通訊協議，與后臺監控軟件具有良好的兼容性的逆變器1套/2臺。

（4）現場智能數據采集儀：選用可監測環境監測儀、并網逆變器、光伏匯流箱、電表、配電設備的實時運行狀況，還具備接收和執行網絡調度指令的功能的現場數據采集儀4臺。

（5）監控系統：可對太陽能光伏電站里的電池陣列、匯流箱、逆變器、交直流配電柜、電表、太陽跟蹤控制系統等設備進行實時監測，為上層數據中心提供豐富的數據接口。

（6）低壓配電柜：滿足用戶的用電要求。

3.3 發電量及投資收益分析

（1）項目基本條件：見表2。

表2 項目基本條件表

（2）靜態經濟分析：見表3。

表3 靜態經濟分析表

（3）動態預測性經濟分析（收益增長部分）：見表4。

（4）節能減排量分析：從表2、表3、表4、表5看到，分布式光伏電站的項目建設投資小、建設快、政策支持力度大、減少污染氣體排放，環保效益顯著，尤其廣東省碳排放交易市場已啟動，動態預測性經濟收益將會更大。

4 項目實施效果

此系統運行使用兩年多，證明該系統技術先進、可靠性高；污染小、環保效益突出；能夠在一定程度上緩解局地的用電緊張狀況；發電抗災能力強；調峰性能好，操作簡單，便于靈活調度；可以發電用電并存[4]。

表4 動態經濟分析表

表5 節能減排分析表

隨著我國金太陽項目從2009年開始，截止到2013年6月，分布發電項目共525 MW納入到補助范圍。此后，國家能源局、財務部、國家電網公司對“分布式光伏發電項目”出臺了一系列的利好政策，分布式光伏發電項目的建設，符合我國21世紀可持續發展能源戰略規劃，為企業可持續發展提供長期的動力保障。

［1］中華人民共和國工業和信息化部.太陽能光伏產業“十二五”發展規劃［Z］.2012.

［2］中國新能源網.太陽能光伏發電基本原理［EB/OL］.www.china-nengyuan.com/tech/16645.html.

［3］陽光電源股份有限公司.光伏監控軟件［Z］.2012.

［4］國家電網.分布式光伏發電現狀及走勢［N］.和訊新聞，2012-11-13.