智能技術在光伏電站的應用

李樹蔚，柴群峰，黃永強，艾志勇

（1.中國能源建設集團投資有限公司，北京 100022；2. 華為技術有限公司，廣東 深圳 518000）

“智能光伏”是光伏發電、信息技術兩大領域的跨界和創新，帶來的創新產物即為智能化光伏電站。所謂智能化即減少人的介入、實現全自動化無人運行，實現故障的自動發現、自動診斷和自動修復，從而提升發電量，減少維護成本，提高系統收益。

本文以遼寧康平光伏電站工程為例，從投資及生產運維角度出發，在設計、設備選型、方案優化等階段融入智能技術，研究智能技術在光伏電站中的研發與應用情況。

1 我國智能光伏的研究現狀

國內許多專家學者及工程技術人員對我國智能光伏電站的實現和發展做出了大量研究。

近幾年，隨著投產光伏電站的增多，工程技術人員在克服傳統電站缺點的同時，將智能技術融入工程及設備設計階段，同時將信息技術嵌入生產管理系統，減少運維人員日常的巡檢、報表、故障處理、兩票管理等日常管理中，達到少人值守，自動診斷、修復的目的。

2 項目概況

遼寧沈陽康平縣三臺子水庫光伏發電項目（以下簡稱康平光伏電站）位于遼寧省沈陽市康平縣三臺子水庫灘涂地域見圖1。項目占地面積7649.7畝，規劃裝機規模200 MWp，其中一期容量126 MWp。場址所在地區的多年平均氣溫7.9℃，極端最低氣溫－32.6℃，極端最高氣溫37.5℃。當地的氣候特點：寒冷期長、平原風大、東濕西干、雨量集中、日照充足、四季分明，風沙、干旱、雷電、冰雹等災害性天氣發生概率較大。由此分析，太陽能電池板浮塵、積雪覆蓋的幾率較大。

一期項目采用270 Wp多晶硅組件，每20塊組件組成一串，每8串組件接入一臺50 kW功率的組串式逆變器，每48～50臺逆變器通過24～25臺2進1出交流開關盒匯流接入一臺2 MW雙繞組箱變，組成一個2 MW發電子陣。一期項目共60個子陣，安裝2904臺逆變器、464600多塊組件，實際裝機容量達到120 MWp。

圖1 項目站址范圍示意圖

3 康平智能光伏電站設計理念

康平光伏電站從設計階段就將智能化列入設計基本原則，力求達到自動化運維、智能化升級與演變，實現環境友好，有效規避PID效應。

3.1 自動化運維，集中統一管理

通過建立一套自動運維系統實現智能化，構建一體化云平臺，構建面向“能源互聯網”的應用基礎。具體體現在以下幾個方面。

3.1.1 實現預防性維護

對于占地面積5.1×106m2的康平光伏電站，不僅要考慮如何維護，更要考慮電站如何運營，主動優化電站的運行狀態，比如通過年平均效率（Performance Ratio，PR）分析，把每一段組件+線纜、逆變器、箱變、升壓段的線損等所有的電站綜合起來分析，通過橫向和縱向的分析，把效率低的電站和階段找出來，進行優化。

通過大數據分析，對所有的組串和設備做離散分析，把異常但是沒有出問題告警的組串、設備識別出來。比如一個熱斑，系統可能沒有告警，但是已經比其他組串落后，就可以通過離散分析找出來，進行預測性地維護，這就是自動運維主動分析技術的應用。

此外，通過分析設備故障頻率、統計設備效率以及設備間的比較分析等方法來進行設備的評估，為未來的設備選型和方案設計提供數據參考。

3.1.2 實現高效運維

康平光伏電站的管理系統包括電站生產管理系統和電站監控系統，其中：生產管理系統主要提供電子化、移動化的生產運行管理和辦公管理功能；監控系統主要提供光伏電站光伏發電側設備和匯集站設備的實時監控和管理功能。光伏電站的管理系統在原有功能的基礎上增加了以下三個方面：

（1）報表管理及系統監控。生產管理系統自動化報表系統涵蓋電站發電量、PR效率、等效小時數、輻照、溫度；逆變器發電量、負載功率、轉換效率、離散率、最大輸入電流、告警指標等。電站監控系統對匯集站設備（包括線路保護測控裝置、母線保護裝置、公用測控裝置）、子陣設備箱變、逆變器、環境監測儀、電表進行實時監控。

（2）告警及運維管理。當電站出現問題時，自動生成告警，主動將告警推送值守人員，告警自動設置轉兩票，自動給出操作建議，全部工作流程化、標準化、電子化。智能化電站管理系統支持運維的記錄歸檔，建立運維知識庫，支持專家與現場人員視頻互動，同步運維，協同診斷、指導現場復雜故障排查。具體來說，當問題發生后，通過告警可自動轉成電氣第一種或電氣第二種工作票，由站長審批，注明技術實施步驟、安全實施規范等，通過無線網絡轉發給現場運維人員進行操作，完成后將工作票返回站長審批，并結束工作票，從而高效完成運維。

（3）站內日常管理及通訊。生產管理系統涵蓋資產臺賬管理、備品備件管理、發電計劃管理、待辦事宜管理、人員管理和值班管理。資產臺賬管理、備品備件管理，是通過智能終端錄入設備物理、邏輯位置，生成唯一身份識別碼，記錄設備歷史維護記錄，備品備件出入庫記錄，設備資產編碼與物理坐標、設備電氣接線關系唯一對應，為告警快速定位、快速解決奠定基礎。站內通信參數設置，包含點表導入、生產管理通訊參數設置、自動發電量控制/自動電壓控制（Automatic Generation Control/Automatic Voltage Control，AGC/AVC）通訊參數設置、第三方監控參數設置。

3.1.3 減少誤診斷率，提高運維效率

電站監控系統提供完善的光伏電站匯集站和光伏發電側設備實時監控和管理，及時發現并精確定位故障，從而提升電站運維效率。康平光伏電站智能光伏控制器的組串級高精度的監測，可以及時發現故障，另外通過數據庫的分析，能夠精確定位是哪個設備發生故障，并能根據預制和運維經驗，提出處理建議，讓運維人員有的放矢地進站，一次性解決問題，避免來回排查、取拿設備等，從而減少現場人員的定位時間和分析工作。監控系統基于設備物理位置、邏輯拓撲和電氣接線圖的實時監測，直觀可視。

3.1.4 電站移動化運維，全流程跟蹤

康平光伏電站通過智能手持、手機APP結合，實現移動巡檢、新增及查看缺陷、派發工單、故障消缺、流程確認以及電站內數據分析、信息傳遞等全流程跟蹤。生產管理人員可以通過手持、手機APP查看電站生產管理情況及運維信息。

3.2 采用智能控制器，有效規避PID效應

電勢誘導衰 減（Potential Induced Degradation，PID）導致組件功率降低，從而極大地影響投資收益。本項目利用智能控制器自動檢測元件、調節系統工作電壓等優勢，在電池板的負極不需要接地情況下，不僅實現對正電壓、有效避免了PID效應，而且在逆變器內部殘余電流監測電路的幫助下使得漏電電流大于30 mA的情況也可以被檢測出來。

3.3 數據實時采集、分析、建議

通過數據實時采集、云存儲和在線專家分析，電站可自動體檢，給予基于收益最大化的維護建議，如清洗建議、部件更換和維護建議等。另一方面，通過積累長期運行數據，綜合自然條件、環境溫度、輻照量等因素，對智能控制單元在線調整或者升級，使電站系統部件在不同環境下都能運行在最佳匹配狀態，實現收益最大化。

4 光伏電站方案優化

在康平光伏電站設計與設備選型階段，綜合考慮傳統光伏電站的優缺點及項目實際，融入智能技術，優化了方案。

4.1 引入電力載波通訊技術

在設計階段，對現有光伏發電部分進行智能化改造，使傳統的逆變器成為一個集電力變換、遠程控制、數據采集、在線分析、環境自適應為一體的智能控制器，成為電站神經末梢與區域控制中心；其次，引入PLC電力載波通訊技術 （power line carrier communication，PLC）替代RS485，傳輸速率從RS485能達到的 9.6 Kbps（最大也只能19.2 Kbps）大大提升到200 Kbps，其優勢包括：

（1）在施工方面，PLC技術借用交流線做通道，不需額外布線，節省通訊線纜和施工費用；而傳輸RS485方案施工復雜，需挖溝埋線纜。

（2） PLC方案借用交流線做通道，可靠性高，若器件損壞，僅更換故障單板即可，可維護性好；而傳輸RS485方案工程接線易出錯，中間斷鏈影響局部通信，線纜斷線后，需挖溝更換，可維護性差。

（3） PLC技術使整個電站形成融合語音與視頻通信、便于快速靈活部署、免維護的高速互聯網絡，鋪設電站信息流通的“高速公路”。

（4）為利用大數據分析與挖掘引智等技術對上傳至云端數據庫完整的電站信息進行智能化管理提供了通訊保障，以實現對電站性能的優化。

4.2 簡化系統組網，把復雜功能融進智能控制器

與傳統光伏電站相比，康平光伏電站采用智能光伏控制器系統組網更簡化。智能控制器集逆變器房、直流匯流箱、直流配電柜、房子和土建等系統設施以及組串檢測、逆變功能、通風散熱、防塵防水等功能于一體，無熔絲、風扇燈等易損部件，體積小、功能全，模塊化、簡潔化、標準化交付安裝使用，簡化了設計與采購，縮短了建設周期，簡化了備品備件管理；電站所有部件能適應當地風沙、鹽霧、低溫高濕等各種復雜環境，實現25 a免維護、可靠運行的質量要求，使工程建設與生產運維更加簡單。

圖2 系統組網（智能控制器）圖

康平場址所在地區的多年極端最低氣溫為－32.6℃，這就對設備的低溫運行能力提出了很高要求，目前業內多家逆變器在－25℃就會出現低溫告警，影響設備正常運行。項目所在地有風沙，雨季時潮濕，傳統方案逆變器采用外置風扇強制風冷散熱，沙塵等微粒物質會伴隨空氣和熱量流動進入逆變器內部，導致逆變器內部沉積大量的灰塵。灰塵沉積過多可引起電路板電路失效或導致內部接觸器接觸不良，嚴重時逆變器會控制失效、內部異常短路等現象。

康平項目占地面積大，雨季運維巡檢困難，傳統集中式逆變器方案采用大量的熔絲和風扇，年故障率高達10%以上，增加項目的運維成本。集中式逆變器方案直流匯流箱的RS485通訊線與直流線纜共線槽走線，由于通訊線纜長度比地面電站更長，接地不好，端子連接不良等情況綜合起來導致通訊中斷，但由于檢修排查困難，筆者調研的幾個電站都一直無法修復，電站故障及安全風險無法監控。

以組串為基本單元，使電站全量數據可視、可管。逆變器無熔絲設計，無風扇自然散熱，免維護，提升后期運維效率。智能光伏控制器與數據采集通訊采用PLC通訊，完全解決了共線槽干擾、端子連接不良、通訊接地不好等問題。

圖3 智能光伏方案與傳統集中式方案對比圖

5 應用效果

5.1 不增加初始投資

康平光伏電站在可行性研究階段就力求設計簡潔，因此，在設備選型時采用智能光伏控制器，無直流匯流箱和直流配電柜，減少了磚混結構的機房，初始投資成本不高于傳統光伏電站。

5.2 裝機容量利用率提高

傳統的光伏電站從本質上講是一個串聯系統，系統包括支流匯流箱、支流配電箱、輔助源供電設備等。任意部件故障都會對部分或者全部光伏電站的發電造成損失，并且修復時間長、成本高。而康平光伏電站是一個分布式的并聯系統，具有系統結構簡單、設備體積小、重量輕等特性，使得設備易安裝維護，并且單臺設備故障不會影響系統整體運行，從而大大提升裝機容量利用率。

5.3 提高內部收益率

智能光伏控制器采用多路MPPT、多峰跟蹤等技術，集成跟蹤器功能，實現對支架的獨立跟蹤，間接降低了組件衰減、陰影遮擋、沙塵、直流壓降、組串失配等陣列損失方面的影響，相比傳統方案，年平均發電量提升5%以上，內部收益率提升3%以上。

6 結語

通過智能技術的應用，康平光伏電站在成本投入、生產運維、巡檢、投資回報等方面有顯著提升。目前，中國能源建設集團投資有限公司的新能源項目裝機容量達到522 MW，其中已投產481 MW，未來3年內裝機規模將達到2242 MW。隨著公司投產電站的增多、互聯網基礎設施的完善和相關技術的成熟，公司規劃設置區域控制中心和全國控制中心，充分利用新一代信息技術推動光伏電站向智能化升級。光伏電站智能化在降低運維成本、提高光伏電站收益方面更具優勢，是我國光伏能源產業發展的趨勢。