探討分布式控制在光伏發(fā)電技術(shù)中的應(yīng)用

楊 博

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣東 廣州 510700）

0 引 言

分布式控制主要是利用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)在光伏發(fā)電過程中對其工作進(jìn)行管理與控制，以此來達(dá)到對光伏發(fā)電工作的嚴(yán)格管理。由于光伏發(fā)電技術(shù)在應(yīng)用的過程中并不是十分安全的，因此需要利用分布式控制嚴(yán)格管理光伏發(fā)電過程，以此來規(guī)范光伏發(fā)電過程并減少發(fā)生危險(xiǎn)的可能性。除此之外，在光伏發(fā)電過程中開展分布式控制工作還能夠改善發(fā)電工作的質(zhì)量。本文通過分析分布式控制在光伏發(fā)電中的各種作用來推動發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，從而推動我國早日完成2035年在環(huán)境方面的工作任務(wù)。

1 光伏發(fā)電技術(shù)對控制工作的要求

1.1 實(shí)時(shí)化

光伏發(fā)電的過程需要借助半導(dǎo)體來完成整個(gè)發(fā)電過程，從而將光能轉(zhuǎn)化成電能[1]。在發(fā)電過程中不僅需要半導(dǎo)體，還要借助太陽能板和控制器等電子設(shè)備。因?yàn)楣夥l(fā)電工作實(shí)施過程中是光照與發(fā)電同時(shí)進(jìn)行的，所以控制工作也應(yīng)該與發(fā)電過程相適應(yīng)，從而做到實(shí)時(shí)控制，這樣才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)電設(shè)備在工作過程中出現(xiàn)的問題及狀況。例如，在2016年某光伏發(fā)電系統(tǒng)在工作的過程中出現(xiàn)了問題，但是該廠的控制工作并沒有做到位，從而導(dǎo)致發(fā)電廠損失慘重。因此，在光伏發(fā)電過程中開展實(shí)時(shí)控制工作對于發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)利益及發(fā)電設(shè)備的安全都具有十分積極的作用。

1.2 綜合化

光伏發(fā)電工作的原理需要將多個(gè)大型太陽能板串聯(lián)在一起，并且串聯(lián)好的太陽能板需要在外層進(jìn)行封存保護(hù)，再配上不同功率的控制器及逆變器等設(shè)備，這樣就形成了一個(gè)完整的光伏發(fā)電系統(tǒng)[2]。在發(fā)電過程中需要上述設(shè)備同時(shí)發(fā)揮作用才能完成發(fā)電過程，所以控制工作的開展需要具有綜合性，不能僅針對某一個(gè)設(shè)備開展工作。如果串聯(lián)的太陽能板出現(xiàn)問題則會給發(fā)電工作的順利開展帶來阻礙，在光伏發(fā)電系統(tǒng)工作的時(shí)候需要對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合控制，從而杜絕出現(xiàn)因某一設(shè)備出錯(cuò)而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行不暢的問題。在實(shí)際工作中，控制工作的開展需要借助計(jì)算機(jī)技術(shù)及其他設(shè)備才能完成對整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的控制與管理工作，在預(yù)見或發(fā)現(xiàn)問題時(shí)可以及時(shí)進(jìn)行處理，從而保證發(fā)電系統(tǒng)能夠順利運(yùn)行。

2 分布式控制在光伏發(fā)電技術(shù)中的應(yīng)用思路

2.1 基本方案和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

分布式控制工作的開展并不是單一的，在光伏發(fā)電技術(shù)中分布式控制工作的開展方式多種多樣。本文通過研究整個(gè)發(fā)電過程，在此過程中利用發(fā)電遞進(jìn)步驟的技術(shù)來控制整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)[3]。對整個(gè)發(fā)電過程進(jìn)行控制的基本方案是利用物理傳感器來收集整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，然后再全面分析計(jì)算收集的數(shù)據(jù)以此來為后續(xù)工作的開展提供信息支持。在整個(gè)控制過程中需要進(jìn)行聯(lián)系的時(shí)候全部借助有線設(shè)備，整個(gè)方案的重點(diǎn)內(nèi)容是借助計(jì)算機(jī)技術(shù)對收集的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷等工作。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及時(shí)利用監(jiān)控設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備以及通信設(shè)備等將整個(gè)發(fā)電過程進(jìn)行監(jiān)督控制。監(jiān)控設(shè)備的具體工作是借助物理傳感器對光電發(fā)電系統(tǒng)中的各設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，以此來得到分布式控制實(shí)時(shí)性的標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算機(jī)設(shè)備需要對整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行信息收集和分析工作并且需要保存比較重要的數(shù)據(jù)，這樣才能保證發(fā)電系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的安全。其他設(shè)備發(fā)揮的主要作用便是輔助光伏發(fā)電過程順利進(jìn)行，如果出現(xiàn)問題將會停止并發(fā)出報(bào)警信號，這對于整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的安全具有十分重要的作用。

2.2 工作流程

在上述方案中，分布式控制工作的開展需要經(jīng)過數(shù)據(jù)收集、信號傳輸、數(shù)據(jù)識別、下達(dá)指令以及處理幾個(gè)步驟[4]。工作流程如圖1所示，如果在光伏發(fā)電系統(tǒng)工作的過程中出現(xiàn)問題將需要通過數(shù)據(jù)識別及處理過程來修復(fù)系統(tǒng)以保證其正常工作。如果系統(tǒng)能夠正常工作并沒有發(fā)現(xiàn)問題則只需要經(jīng)過數(shù)據(jù)識別過程即可。例如，在某地市光伏發(fā)電廠中，為了保證光能能夠被最大限度利用起來，需要根據(jù)光照角度進(jìn)行太陽板的調(diào)整工作，而調(diào)整的時(shí)間及角度則需要通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，這樣才能達(dá)到最好的效果。通常情況下，需要在8:00將太陽能板的傾斜角度調(diào)整為45°，中午11:30的時(shí)候?qū)A斜角度調(diào)整為35°，下午14:30的時(shí)候?qū)A斜角度調(diào)整為30°。發(fā)電系統(tǒng)在工作的過程中會根據(jù)時(shí)間與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，計(jì)算機(jī)會檢測太陽能板的傾斜角度在不同的時(shí)間是否達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)的傾斜角角度。如果出現(xiàn)誤差，計(jì)算機(jī)將直接發(fā)出指令，太陽能板會自發(fā)進(jìn)行調(diào)整以保證能夠?qū)⒐饽艹浞掷谩Ｉ鲜鲞^程也就是分布式控制工作的基本流程，該流程不僅適用于太陽能板傾斜角度的調(diào)整，還能將其運(yùn)用到問題檢測及修復(fù)的過程中。

圖1 工作流程圖

3 分布式控制在光伏發(fā)電技術(shù)中的應(yīng)用方法

3.1 分布控制和實(shí)時(shí)處理

將分布式控制引入到光伏發(fā)電的過程中，其核心控制標(biāo)準(zhǔn)即為分布控制與實(shí)時(shí)處理。因此，在對光伏發(fā)電過程進(jìn)行控制時(shí)需要將其視為一個(gè)整體過程，根據(jù)不同的工作階段進(jìn)行分布控制，這樣才能夠保證整個(gè)發(fā)電過程的監(jiān)督控制[5]。光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要設(shè)備為太陽能板、控制器、逆變器、變壓設(shè)備以及儲能設(shè)備等，這些設(shè)備的安全順利運(yùn)行對于整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的順利運(yùn)行至關(guān)重要。在實(shí)施控制的過程中需要對上述的每個(gè)設(shè)備安裝監(jiān)控器，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行的目的。串聯(lián)的設(shè)備共用一個(gè)監(jiān)控設(shè)備，從而保證串聯(lián)的設(shè)備能夠正常運(yùn)行。在整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)中安裝的監(jiān)控設(shè)備需要通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行整體控制。如果設(shè)備出現(xiàn)問題，進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的前提條件是對不同的設(shè)備進(jìn)行分布控制，無論哪個(gè)過程中的哪個(gè)設(shè)備出現(xiàn)問題，相應(yīng)的計(jì)算機(jī)在出現(xiàn)問題的那一刻便能檢測到并及時(shí)采取措施進(jìn)行修復(fù)。出現(xiàn)問題進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的要點(diǎn)在于數(shù)據(jù)能夠精確反映設(shè)備的情況，因此在開展分布式控制工作的時(shí)候需要對機(jī)器進(jìn)行嚴(yán)格訓(xùn)練。

3.2 機(jī)器訓(xùn)練

開展機(jī)器訓(xùn)練工作對于分布式控制工作的開展具有十分重要的作用。例如，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)問題的時(shí)候，系統(tǒng)內(nèi)部的電流和溫度等指標(biāo)會出現(xiàn)較大的波動，收集這些波動的數(shù)據(jù)可以為訓(xùn)練機(jī)器提供數(shù)據(jù)支持[6]。以電流值為例，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)正常工作的時(shí)候電流值肯定在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)波動。假設(shè)在中午12:00光照十分充足情況下的電流值為T，如果設(shè)備出現(xiàn)問題，那么設(shè)備內(nèi)部的電流值會發(fā)生較大變化，通常情況下會展示出一個(gè)數(shù)集的形式，可以表示為T=[T1,T2,T3,T4,T5,…,Tn]。設(shè)備在正常情況下進(jìn)行工作的時(shí)候會呈現(xiàn)出另一個(gè)數(shù)集的形式，即S=[S1,S2,S3,S4,S5,…,Sn]。其中，S1表示設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)電流能夠達(dá)到的最小值，Sn則表示電流能夠達(dá)到的最大值，當(dāng)監(jiān)控設(shè)備捕捉到的電流最下值小于S1，或者最大值大于Sn時(shí)則代表這個(gè)時(shí)候的設(shè)備出現(xiàn)了問題，根據(jù)系統(tǒng)默認(rèn)的情況出現(xiàn)問題時(shí)會第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)，這樣可以減輕事故發(fā)生的概率，從而減少企業(yè)的損失。

3.3 核心技術(shù)

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中引入分布式控制的核心技術(shù)是監(jiān)控技術(shù)、通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)對于數(shù)據(jù)的收集與分析技術(shù)等[7]。通常情況下，通信技術(shù)會被分為有線通信與無線通信，在發(fā)電系統(tǒng)的控制過程中運(yùn)用更多的是有線通信，因?yàn)橛芯€通信可以減少發(fā)電過程中電磁波對于通信系統(tǒng)的干擾。

4 仿真模擬

4.1 對象和指標(biāo)

以某地的光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，設(shè)置常規(guī)組與改良組開展實(shí)驗(yàn)，以研究分布式控制與常規(guī)工作之間的區(qū)別[8]。在此實(shí)驗(yàn)過程中，選取電流、溫度以及角度3個(gè)變量研究系統(tǒng)的反應(yīng)次數(shù)、反應(yīng)準(zhǔn)確率以及反應(yīng)時(shí)間。

4.2 過程和結(jié)果

每組實(shí)驗(yàn)都進(jìn)行90次，將90次實(shí)驗(yàn)過程平均分成3組，每組只設(shè)定一個(gè)變量。例如，第一組設(shè)定角度為變量，第二組設(shè)定溫度為變量，第三組設(shè)定電流為變量，從而得出如表1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)施分布式控制可以更好地監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀況，改良組在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)一次失誤的原因是數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題，所以在今后的分布式控制過程中要加強(qiáng)對數(shù)據(jù)的管理工作[9,10]。

5 結(jié) 論

光伏發(fā)電技術(shù)是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物，該技術(shù)的運(yùn)用可以更好地減輕火力發(fā)電造成的污染情況，因此在該項(xiàng)技術(shù)中引入分布式控制對于電力行業(yè)的發(fā)展具有十分重要的作用。