淺析電氣自控在分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目中的應(yīng)用

摘要：隨著國(guó)家新能源項(xiàng)目的推廣，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，光伏發(fā)電項(xiàng)目系統(tǒng)各方面技術(shù)趨近于成熟，但在發(fā)展過(guò)程中還是出現(xiàn)了一些需要完善的技術(shù)和功能，其中光電轉(zhuǎn)化率就是一個(gè)需要完善的技術(shù)難關(guān)，光電轉(zhuǎn)換控制、逆變控制、并網(wǎng)繼電保護(hù)、計(jì)算機(jī)信號(hào)集成、綜合安全性等方面越來(lái)越受到關(guān)注。光伏發(fā)電項(xiàng)目技術(shù)難度比較大，綜合性強(qiáng)，更是離不開(kāi)電氣自控在其中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電氣自控技術(shù)；分布式；集中式光伏發(fā)電

1、范圍的劃分與基本架構(gòu)

在光伏發(fā)電項(xiàng)目中，涉及到光電轉(zhuǎn)換匯流系統(tǒng)、逆變系統(tǒng)，升壓配網(wǎng)系統(tǒng)、接入系統(tǒng)等、而在這些系統(tǒng)組成中要通過(guò)電氣自控來(lái)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)在于光伏發(fā)電系統(tǒng)中繼電保護(hù)技術(shù)與逆變器并網(wǎng)的技術(shù)上，具體包括整個(gè)系統(tǒng)的短路、溫控報(bào)警、過(guò)流報(bào)警、直流匯流側(cè)母線過(guò)電壓、網(wǎng)絡(luò)電壓不穩(wěn)定，電網(wǎng)故障等保護(hù)；以及逆變器PWM控制技術(shù)與防孤島技術(shù)等核心技術(shù)上。而這一切關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用是通過(guò)測(cè)感器與操作開(kāi)關(guān)等信號(hào)通過(guò)電氣自控系統(tǒng)的對(duì)收集到的參數(shù)信號(hào)和整定值的邏輯判斷、得出結(jié)論，然后發(fā)出命令并執(zhí)行命令來(lái)完成的，而起電氣自控關(guān)鍵性作用的還是在于以計(jì)算機(jī)控制為中心的自動(dòng)控制軟件人機(jī)交互系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)算法的統(tǒng)籌下，交互系統(tǒng)是一個(gè)中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。檢測(cè)各關(guān)鍵設(shè)置點(diǎn)的參數(shù)信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)算法處理，輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備的信息傳輸，從而實(shí)現(xiàn)電氣自控的過(guò)程。這里的電氣自控技術(shù)是電氣二次部分的主要內(nèi)容，有些人認(rèn)為這是弱電的一個(gè)子目，由弱電專業(yè)負(fù)責(zé)，而往往弱電專業(yè)人員不會(huì)懂其在光伏發(fā)電主要功能里的作用，可是它的最終功能的滿足還是在電力發(fā)電配網(wǎng)工程這個(gè)大項(xiàng)。

2、電氣自控技術(shù)在各子系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1光電轉(zhuǎn)換匯流系統(tǒng)，即利用太陽(yáng)能電池板接收光能轉(zhuǎn)化為電能，再通過(guò)匯流箱匯流形成DC660～850V的直流電壓，單一組串電流10A左右，送至并網(wǎng)逆變器。具體電氣自控技術(shù)體現(xiàn)在：通過(guò)RS485通訊將每個(gè)光伏組串的電壓、電流、匯流箱的輸出電壓、電流、避雷器的狀態(tài)等數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)采集器。如果光伏組串支路短路或開(kāi)路、避雷器出現(xiàn)故障，能向數(shù)據(jù)采集器發(fā)送對(duì)應(yīng)的故障信號(hào)，再傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制保護(hù)操作。

2.2逆變系統(tǒng)，逆變器是光伏發(fā)電最主要的部分之一，即將匯流箱送來(lái)的直流電逆變?yōu)榻涣麟姷倪^(guò)程，（輸入電壓一般都是變化的，跟太陽(yáng)輻照度有關(guān)，輸出電壓基本恒定）。在此過(guò)程中電氣自控技術(shù)應(yīng)用在各種關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)上，具體體現(xiàn)在：

2.2.1在逆變器脈寬調(diào)制PWM控制技術(shù)上的應(yīng)用，PWM控制技術(shù)在電力電子技術(shù)中是最主要的技術(shù)之一，即對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變的主要技術(shù)，即計(jì)算機(jī)通過(guò)輸出信號(hào)控制PWM開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流脈沖寬度調(diào)制的過(guò)程，在此過(guò)程中信號(hào)檢測(cè)器同時(shí)檢測(cè)脈沖信號(hào)寬度，不斷修正其與計(jì)算機(jī)預(yù)設(shè)的波形匹配性，來(lái)最終實(shí)現(xiàn)直流波形轉(zhuǎn)交流波形。電氣自控技術(shù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變化，控制直交流的轉(zhuǎn)化情況。

2.2.3在逆變器系統(tǒng)的防孤島技術(shù)技術(shù)上的應(yīng)用，所謂孤島效應(yīng)即當(dāng)電網(wǎng)停電時(shí)，分布式電站未切離市電網(wǎng)路，而形成的一個(gè)自給供電孤島。電氣自控技術(shù)在防孤島效應(yīng)過(guò)程應(yīng)用時(shí)，通過(guò)逆變器定時(shí)發(fā)出擾動(dòng)信號(hào)檢測(cè)電網(wǎng)狀態(tài)來(lái)判斷是否出現(xiàn)孤島，在出現(xiàn)孤島時(shí)，切斷逆變器的逆變供電功能。在此過(guò)程中電氣自控技術(shù)通過(guò)主動(dòng)檢測(cè)或被動(dòng)檢測(cè)電網(wǎng)技術(shù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輔助實(shí)現(xiàn)對(duì)電力一次主線的自動(dòng)化開(kāi)關(guān)控制功能。

2.2.3在獨(dú)立無(wú)功補(bǔ)償上的應(yīng)用，根據(jù)電網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)則，無(wú)功功率補(bǔ)償點(diǎn)設(shè)在近需要無(wú)功功率的位置。逆變器實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償是依靠調(diào)節(jié)IGBT模塊的觸發(fā)角度實(shí)現(xiàn)的。具體對(duì)可控硅的調(diào)節(jié)的電氣自控原理類似于PWM調(diào)節(jié)過(guò)程。

2.2.4在夜間SVG功能上的應(yīng)用，逆變器夜間不輸出有功功率時(shí)，可以作為SVG使用，通過(guò)調(diào)節(jié)交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，產(chǎn)生無(wú)功電流的調(diào)節(jié)的作用，實(shí)現(xiàn)SVG的夜間無(wú)功補(bǔ)償功能。其調(diào)節(jié)過(guò)程電氣自控技術(shù)類似于PWM調(diào)節(jié)過(guò)程。

2.2.5在自動(dòng)電壓控制上的應(yīng)用，逆變器自動(dòng)調(diào)節(jié)無(wú)功功率將并網(wǎng)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定在逆變器的額定工作電壓下。其對(duì)電壓的電氣自控技術(shù)類似于PWM調(diào)節(jié)過(guò)程。

2.2.6在實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰功能上的應(yīng)用，電網(wǎng)用電負(fù)荷是波動(dòng)的，用電高峰時(shí)，電網(wǎng)超負(fù)荷，此時(shí)被充發(fā)電來(lái)源以滿足需求。頻率的穩(wěn)定是電網(wǎng)設(shè)備安全運(yùn)行的保障。調(diào)峰與調(diào)頻的功能主要是切換光伏發(fā)電站對(duì)電網(wǎng)的補(bǔ)給作用，即利用電氣自控技術(shù)，與電網(wǎng)聯(lián)動(dòng)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用軟件分析后執(zhí)行操作，實(shí)時(shí)切入，起到對(duì)電網(wǎng)高負(fù)荷下的補(bǔ)充與頻率不穩(wěn)定時(shí)的調(diào)節(jié)作用。

2.2.7在直流側(cè)電容器壽命預(yù)測(cè)功能上應(yīng)用，并網(wǎng)逆變器可以通過(guò)測(cè)量直流側(cè)電容器實(shí)時(shí)容量情況，預(yù)測(cè)直流側(cè)電容器的有效壽命。電氣自控技術(shù)的應(yīng)用原理就是利用測(cè)量原件測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行軟件分析，得出運(yùn)算結(jié)果，輸出執(zhí)行信號(hào)到相關(guān)的狀態(tài)顯示單元，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

2.3升壓配網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)于35KV高壓系統(tǒng)，每一臺(tái)或者多臺(tái)逆變器對(duì)應(yīng)一臺(tái)35KV升壓變壓器，開(kāi)閉所電氣柜由集電柜，無(wú)功補(bǔ)償柜，PT柜，計(jì)量柜等組成。對(duì)于高壓系統(tǒng)一般有繼電保護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力配電的穩(wěn)定、安全性監(jiān)控的作用。具體是電氣繼電保護(hù)技術(shù)是通過(guò)綜合繼保作末端管理，每臺(tái)的綜合繼電保護(hù)器通過(guò)電壓互感器檢測(cè)線路電壓，能過(guò)電流互感器檢測(cè)線路電流，通過(guò)RS485通信與計(jì)算機(jī)中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。其中綜合電氣繼電保護(hù)器本身具有計(jì)算管理功能，當(dāng)配電柜出現(xiàn)電壓超限，電流過(guò)流，接地故障，漏電等情況，能迅速動(dòng)作，斷開(kāi)斷路器，切斷電路。具體的保護(hù)功能如35KV饋線保護(hù)、35kV所用變壓器保護(hù)，35kV SVG 保護(hù)、安全自動(dòng)裝置等等，同時(shí)所有信號(hào)參數(shù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)管理中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。

2.4接入系統(tǒng)，光伏發(fā)電站以一回35kV架空線路接至110kV變電站的35kV側(cè)。電氣自控技術(shù)主要應(yīng)用在防雷監(jiān)測(cè)，與110KV變電站對(duì)側(cè)對(duì)應(yīng)操作的聯(lián)動(dòng)上。

2.5控制電源系統(tǒng)，控制電源主要由直流電源與UPS電源組成，控制電源是實(shí)現(xiàn)電氣自控的電源，一般電壓等級(jí)較低，光伏電站操作直流系統(tǒng)采用DC220V。光伏電站直流系統(tǒng)采用直流系統(tǒng)屏的供電方式。UPS電源負(fù)荷包括計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、光功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)視及安全警衛(wèi)系統(tǒng)、功率自動(dòng)控制系統(tǒng)、電能量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等。因此控制電源系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電氣自控的基礎(chǔ)。

2.6計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏開(kāi)關(guān)站全部控制作用。主要是各設(shè)備數(shù)據(jù)的采集與處理，數(shù)據(jù)庫(kù)的更新，調(diào)節(jié)各系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，歷史記錄，組態(tài)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，邏輯運(yùn)算，與其他設(shè)備接口功能等。電氣自控的自動(dòng)化處理就是依賴于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件功能實(shí)現(xiàn)。

3、電氣自控設(shè)備

電氣自控由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備及測(cè)控設(shè)備構(gòu)成，主要有計(jì)算機(jī)監(jiān)控信號(hào)柜，計(jì)算機(jī)，通信設(shè)備，GPS對(duì)時(shí)設(shè)備，頻率電壓應(yīng)急設(shè)備，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備，公用測(cè)控設(shè)備，線路保護(hù)設(shè)備，SVG保護(hù)設(shè)備，廠用變保護(hù)設(shè)備，防孤島保護(hù)設(shè)備，AGC，AVC控制裝置，母線保護(hù)裝置，計(jì)量裝置，儀器儀表，電源設(shè)備等。

3.1電氣自控在太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用

為避免光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，通過(guò)電氣自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)同期點(diǎn)兩側(cè)的電氣量，通過(guò)邏輯判斷捕捉滿足同期并列要求的數(shù)據(jù)，并結(jié)合彌補(bǔ)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間差，提前（即導(dǎo)前時(shí)間）發(fā)送同期合閘命令，使得同期合閘時(shí)頻率偏差、電壓偏差等數(shù)據(jù)均滿足要求。

3.2在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償控制的應(yīng)用

由于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的元器件大多為電子元器件，會(huì)產(chǎn)生無(wú)功損耗及諧波，使得電壓質(zhì)量不合格，通過(guò)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可檢測(cè)無(wú)功需要量，通過(guò)無(wú)功自動(dòng)控制使無(wú)功調(diào)節(jié)范圍按光伏發(fā)電無(wú)功電壓控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)要求進(jìn)行無(wú)功電壓控制。

3.3在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備全壽命周期控制中的應(yīng)用

以往電氣設(shè)備都是有問(wèn)題時(shí)事故檢修，計(jì)劃?rùn)z修時(shí)設(shè)備無(wú)問(wèn)題，這樣大大影響了供電的可靠性，無(wú)形中縮短了電氣設(shè)備的全壽命周期運(yùn)行。通過(guò)電氣自動(dòng)化技術(shù)，可通過(guò)檢查設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)量（如設(shè)備的振動(dòng)偏差、允許溫升等），判斷設(shè)備是否存在“帶病”運(yùn)行，為設(shè)備檢修制定合理的計(jì)劃安排，使設(shè)備始終處于健康狀態(tài)運(yùn)行，大大提高了設(shè)備的全壽命周期運(yùn)行。

結(jié)語(yǔ)：光伏發(fā)電站是電氣保護(hù)技術(shù)應(yīng)用的全面性、典型性案例。全方位自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制，既能保證生產(chǎn)的正常連續(xù)運(yùn)行和產(chǎn)品的優(yōu)良性質(zhì)，為安全生產(chǎn)提供了保障還可以提升安全性和自動(dòng)化系數(shù)，既能取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益又能是環(huán)境不受破壞。本文并歸納了詳細(xì)介紹了當(dāng)前光伏發(fā)電項(xiàng)目電氣自控技術(shù)在各個(gè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用原理與效果。電氣自控系統(tǒng)是一種很有實(shí)用的高科技的技術(shù)，系統(tǒng)的平臺(tái)、結(jié)構(gòu)在不斷的完善和發(fā)展，必將在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范JGJ 16-2008

[2] 華中工學(xué)院編， 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理與運(yùn)行，北京，電力工業(yè)出版社，1981年

[3] 呂繼紹主編，繼電保護(hù)整定計(jì)算與實(shí)驗(yàn)，武漢，華中工學(xué)院出版社，1983年

[4] 張軍軍，商振，吳福保. 太陽(yáng)能光伏發(fā)電的并網(wǎng)技術(shù). 電力與能源，第32卷第4期， 2011