淺談電氣自動化在光伏發電產業的應用

劉海燕

國能蚌埠發電有限公司 安徽 蚌埠 233000

引言

當今世界正面臨著一個世紀以來前所未有的巨大變化，全球發展也面臨著新的形勢和挑戰?！傲?030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和”重大戰略決策的提出，為國家能源發展指明了方向。同時，國家對今年推進碳達峰、碳中和進行了全面動員和系統部署，明確指出要建設以新能源為主體的新型電力系統。太陽能作為地球上最豐富的能源，同時清潔無污染，因此其勢必在能源發展的道路上成為焦點。光伏組件作為一種可以直接將太陽能轉化為電能的裝置，同時其可以集中式也可分布式，因此光伏發電成為太陽能利用方法中的佼佼者。

1 光伏工程建設必要性

1.1 可持續發展的需要

我國能源供應格局以煤炭為主體，促進國民經濟和社會發展的同時帶來了日益突出的環境問題。煤炭的開采會導致環境破壞問題，而煤炭的燃燒會釋放大量的溫室氣體。光伏發電產業的發展完全符合國家可持續發展的需要，符合國家大力推廣利用太陽能光伏的決心和建設節能低碳社會的發展戰略。

1.2 發展太陽能資源的需要

我國太陽能資源豐富、電網容量大的區位優勢是世界罕見的。大力開展大型光伏電站建設，對于充分利用國內豐富的太陽能資源，減少溫室氣體排放，建設綠色電力，帶動新能源建設、推廣和利用具有重要意義。

1.3 經濟發展的需要

光伏發電產業的發展和壯大對促進新能源的利用，提高單位工業GDP能耗，減少溫室氣體排放具有重要意義。同時，每年的光伏發電量也為各地帶來了較為可觀的財政收入[1]。

2 光伏發電系統組成

2.1 電池方陣

電池方陣是光伏發電系統的重要部件之一。它是能夠將光能轉換成電能的器件。光伏發電系統的容量和電池方陣串聯的數量息息相關。電池方陣安裝的傾角也對電池方陣的利用有直接影響，比如在北半球的國家，電池方陣的采光面應面向南方布置，并與太陽光線垂直。在日常生產維護時，檢修人員也應定期巡檢，保持電池方陣表面清潔，防止由此造成的轉換效率降低。

2.2 蓄電池組

蓄電池組同樣是光伏發電系統的重要部件。太陽能雖是無限存在的，但是難免碰到陰雨天，而蓄電池組的作用在此時便體現了出來。太陽能電池組件的作用是將太陽能轉化為電能，供給電網的同時可以給蓄電池組充電，當夜晚或陰雨天來臨時，便由蓄電池組進行放電，維持負載工作。由此可知，太陽能蓄電池應該具備以下特性：價格低廉；使用壽命長，特殊的工藝設計和膠體電解質保證的長壽命電池；少維護或免維護；過充和過放能力強；深放電能力強；自放電率低；充電效率高；工作溫度范圍寬。

2.3 充放電控制器

充放電控制器是光伏發電系統的核心控制部分。它的主要功能就是防止蓄電池的過充電和過放電。當蓄電池過充電時，會使電池中的電解液汽化，引發電池故障。而當蓄電池過放電時，則會嚴重影響蓄電池的容量，導致蓄電池壽命大大降低。充放電控制器的目的就是對蓄電池的充放電加以控制，同時能夠根據負載實時需求調配電能的輸出。

2.4 逆變器

逆變器是光伏系統必不可少的一部分。由于太陽能電池和蓄電池輸出都是直流電源，而上網及負載消耗的都是交流電源，因此能將直流電轉化為交流電的逆變器是不可或缺的一環。逆變器的核心就是逆變電路，該電路是通過電力電子開關的導通與關斷，來完成逆變的功能。同時逆變器在光伏電站另外一個作用便是可以提供一定量的無功輸出，但當逆變器的無功容量無法滿足系統需求時，光伏電站還應配置無功補償裝置[2]。

3 電氣自動化在太陽能光伏發電中的應用

3.1 根據遠動信息的傳輸必須滿足電網調度自動化的實時性要求

根據調度管理關系及調度對光伏項目的要求，遠動信息應采用調度數據網雙平面方式傳輸到調度，通道須具備一定的傳輸質量，遠動通道的具體設計可由通信專業統一組織。

3.2 電力監控系統安全防護工作

遵循“安全分區、網絡專用、橫向隔離、縱向認證、綜合防護”的基本原則，在建設規劃時應與主體工程同步規劃、同步建設、同步運行。光伏電站電力監控系統主要防護范圍包括：控制區光伏電站運行監控系統、無功電壓控制、發電功率控制、升壓站監控系統、繼電保護等；非控制區光伏功率預測系統、電能量采集裝置、故障錄波等。如圖1所示。

圖1 光伏電站安全防護分區示意圖

而安全防護的重點就是保證光伏電站自動化系統和調度數據網絡的安全，典型安全防護方案應滿足如下條件：第一，在數據網安全Ⅱ區的設備接入電力調度數據網前應加裝縱向加密裝置。比如電能量計量系統、光伏發電功率預測系統等。第二，在數據網安全Ⅰ區與安全Ⅱ區的各業務應通過防火墻進行隔離。第三，在數據網安全Ⅰ區的設備接入電力調度數據網前應加裝縱向加密認證裝置，比如NCS設備、遠動RTU設備、有功功率控制AGC設備、無功功率控制AVC設備、相量測量PMU設備以實現遠程通信實體間的認證和加密保護。第四，在數據網安全Ⅰ區的設備應接入調度數據網實時邏輯子網，而在數據網安全Ⅱ區的設備應接入調度數據網的非實時邏輯子網。第五，因網調1084號文要求，應配置網絡安全監控裝置和入侵檢測裝置。

3.3 電能量遠方終端設備的配置及對電能表的要求

3.3.1 電能量遠方終端的配置。由于光伏電站建成后的電能量結算主要由相關電力交易中心負責，故光伏電站內應配置電能量遠方終端設備，該設備需符合相關電能計量系統的要求，以便方便地接入相關電量計費主站系統。

3.3.2 計量關口點（配置主、副雙表）設置。根據接入系統方案和產權劃分原則，應在資產分界點設置計量關口點，對側設置校核點。

3.4 時間同步系統

為保證站內所有設備時間同步性，確保相關聯動設備實時協調性，光伏電站升壓站內應配置公用的時間同步系統。主時鐘源應采用雙重化的配置，同時支持北斗系統信號和GPS信號，并優先采用北斗系統。時間同步系統的全面投入，也會在現場事故發生后歷史追溯和事故分析中提供特別大的幫助。

3.5 相量測量裝置

光伏電站升壓站內應配置同步相量測量（PMU）系統（相量集中器雙重化配置），通過采集并網線路、集電線路、SVG 線路、主變各側的電流、電壓幅值及相角、有功功率、無功功率和頻率，處理后送往相關調度源網動態性能在線監測系統。

3.6 光伏發電功率預測系統

第一，短期功率預測一般是通過氣象部門發布的天氣預報信息，對光伏電站未來3天的發電功率進行預測，然后上報調度主站。第二，超短期功率預測是對光伏電站未來4小時的發電功率進行預測后上報調度主站。

3.7 無功電壓控制系統（AVC）

考慮到光伏電站為電網系統提供一定的無功儲備，在建設時會要求電站配置無功補償裝置。那么同火電一樣，電站也應配置無功電壓控制系統，該系統是從全局對無功功率進行整體協調控制，合理分布電網無功，從而提高電能質量，保障電網安全穩定運行。

3.8 有功功率控制系統（AGC）

考慮到調度主站對電網電源的整體把控，更好地掌握電網潮流分布及控制，光伏電站應配置有功功率控制系統。該系統應能在接收到調度主站下發的有功控制指令或調度計劃曲線后，實時調整光伏電站總出力，且精度不超過范圍。對于異常指令，系統應設置合理地調節上下限進行約束，防止欠調或超調[3]。

3.9 一次調頻系統

頻率作為電力系統中最重要的運行參數之一，其對電力系統的穩定性作用不言而喻。系統頻率無論是過高或過低，都會對電能質量產生極大影響，都會對用電設備產生不好的影響。嚴重時甚至會導致電網崩潰，因此保障電網頻率的穩定顯得尤為重要。華東電監會關于“兩個細則”的通知，就為新能源電廠一次調頻提供了性能指標要求。

4 結束言

根據相關預測到2030年太陽能發電總量約10.25億千瓦，占比全國電源裝機總量27%，到2060年太陽能發電總量約38億千瓦，占比全國電源裝機總量47.4%。由此可見，太陽能光伏發電必定大有可為。本文以華東某省光伏發電站建設為例，系統分析了電氣自動化在太陽能光伏發電中的應用，并對存在的相關要求進行了提示，文中對于有關電氣自動化在光伏發電產業發展中所起的作用分析可能尚不徹底，還需要在以后的發展中多關注，新形勢下國家標準、調度規范的修訂完善，使電氣自動化在光伏發電產業發展中更好賦能。