智能技术在光伏电站的应用

 1 我国智能光伏的研究现状

国内许多专家学者及工程技术人员对我国智能光伏电站的实现和发展做出了大量研究。

近几年, 随着投产光伏电站的增多, 工程技术人员在克服传统电站缺点的同时, 将智能技术融入工程及设备设计阶段, 同时将信息技术嵌入生产管理系统, 减少运维人员日常的巡检、报表、故障处理、两票管理等日常管理中, 达到少人值守, 自动诊断、修复的目的。

 2 项目概况

辽宁沈阳康平县三台子水库光伏发电项目 (以下简称康平光伏电站) 位于辽宁省沈阳市康平县三台子水库滩涂地域见图1。项目占地面积7649.7亩, 规划装机规模200 MWp, 其中一期容量126 MWp。场址所在地区的多年平均气温7.9℃, 极端最低气温-32.6℃, 极端最高气温37.5℃。当地的气候特点:寒冷期长、平原风大、东湿西干、雨量集中、日照充足、四季分明, 风沙、干旱、雷电、冰雹等灾害性天气发生概率较大。由此分析, 太阳能电池板浮尘、积雪覆盖的几率较大。

一期项目采用270 Wp多晶硅组件, 每20块组件组成一串, 每8串组件接入一台50 kW功率的组串式逆变器, 每48~50台逆变器通过24~25台2进1出交流开关盒汇流接入一台2 M W双绕组箱变, 组成一个2 MW发电子阵。一期项目共60个子阵, 安装2904台逆变器、464600多块组件, 实际装机容量达到120 MWp。

图1 项目站址范围示意图

注:红色多边形即为站址范围, 目前为滩涂。

3 康平智能光伏电站设计理念

康平光伏电站从设计阶段就将智能化列入设计基本原则, 力求达到自动化运维、智能化升级与演变, 实现环境友好, 有效规避PID效应。

自动化运维, 集中统一管理

通过建立一套自动运维系统实现智能化, 构建一体化云平台, 构建面向“能源互联网”的应用基础。具体体现在以下几个方面。

实现预防性维护

对于占地面积5.1×106 m2的康平光伏电站, 不仅要考虑如何维护, 更要考虑电站如何运营, 主动优化电站的运行状态, 比如通过年平均效率 (Performance Ratio, PR) 分析, 把每一段组件+线缆、逆变器、箱变、升压段的线损等所有的电站综合起来分析, 通过横向和纵向的分析, 把效率低的电站和阶段找出来, 进行优化。

通过大数据分析, 对所有的组串和设备做离散分析, 把异常但是没有出问题告警的组串、设备识别出来。比如一个热斑, 系统可能没有告警, 但是已经比其他组串落后, 就可以通过离散分析找出来, 进行预测性地维护, 这就是自动运维主动分析技术的应用。

此外, 通过分析设备故障频率、统计设备效率以及设备间的比较分析等方法来进行设备的评估, 为未来的设备选型和方案设计提供数据参考。

实现高效运维

康平光伏电站的管理系统包括电站生产管理系统和电站监控系统, 其中:生产管理系统主要提供电子化、移动化的生产运行管理和办公管理功能;监控系统主要提供光伏电站光伏发电侧设备和汇集站设备的实时监控和管理功能。光伏电站的管理系统在原有功能的基础上增加了以下三个方面:

(1) 报表管理及系统监控。生产管理系统自动化报表系统涵盖电站发电量、PR效率、等效小时数、辐照、温度;逆变器发电量、负载功率、转换效率、离散率、最大输入电流、告警指标等。电站监控系统对汇集站设备 (包括线路保护测控装置、母线保护装置、公用测控装置) 、子阵设备箱变、逆变器、环境监测仪、电表进行实时监控。

(2) 告警及运维管理。当电站出现问题时, 自动生成告警, 主动将告警推送值守人员, 告警自动设置转两票, 自动给出操作建议, 全部工作流程化、标准化、电子化。智能化电站管理系统支持运维的记录归档, 建立运维知识库, 支持专家与现场人员视频互动, 同步运维, 协同诊断、指导现场复杂故障排查。具体来说, 当问题发生后, 通过告警可自动转成电气第一种或电气第二种工作票, 由站长审批, 注明技术实施步骤、安全实施规范等, 通过无线网络转发给现场运维人员进行操作, 完成后将工作票返回站长审批, 并结束工作票, 从而高效完成运维。

(3) 站内日常管理及通讯。生产管理系统涵盖资产台账管理、备品备件管理、发电计划管理、待办事宜管理、人员管理和值班管理。资产台账管理、备品备件管理, 是通过智能终端录入设备物理、逻辑位置, 生成唯一身份识别码, 记录设备历史维护记录, 备品备件出入库记录, 设备资产编码与物理坐标、设备电气接线关系唯一对应, 为告警快速定位、快速解决奠定基础。站内通信参数设置, 包含点表导入、生产管理通讯参数设置、自动发电量控制/自动电压控制 (Automatic Generation Control/Automatic Voltage Control, AGC/AVC) 通讯参数设置、第三方监控参数设置。

减少误诊断率, 提高运维效率

电站监控系统提供完善的光伏电站汇集站和光伏发电侧设备实时监控和管理, 及时发现并精确定位故障, 从而提升电站运维效率。康平光伏电站智能光伏控制器的组串级高精度的监测, 可以及时发现故障, 另外通过数据库的分析, 能够精确定位是哪个设备发生故障, 并能根据预制和运维经验, 提出处理建议, 让运维人员有的放矢地进站, 一次性解决问题, 避免来回排查、取拿设备等, 从而减少现场人员的定位时间和分析工作。监控系统基于设备物理位置、逻辑拓扑和电气接线图的实时监测, 直观可视。

电站移动化运维, 全流程跟踪

康平光伏电站通过智能手持、手机APP结合, 实现移动巡检、新增及查看缺陷、派发工单、故障消缺、流程确认以及电站内数据分析、信息传递等全流程跟踪。生产管理人员可以通过手持、手机APP查看电站生产管理情况及运维信息。

采用智能控制器, 有效规避PID效应

电势诱导衰减 (Potential Induced Degradation, PID) 导致组件功率降低, 从而极大地影响投资收益。本项目利用智能控制器自动检测元件、调节系统工作电压等优势, 在电池板的负极不需要接地情况下, 不仅实现对正电压、有效避免了PID效应, 而且在逆变器内部残余电流监测电路的帮助下使得漏电电流大于30 mA的情况也可以被检测出来。

数据实时采集、分析、建议

通过数据实时采集、云存储和在线专家分析, 电站可自动体检, 给予基于收益最大化的维护建议, 如清洗建议、部件更换和维护建议等。另一方面, 通过积累长期运行数据, 综合自然条件、环境温度、辐照量等因素, 对智能控制单元在线调整或者升级, 使电站系统部件在不同环境下都能运行在最佳匹配状态, 实现收益最大化。

4 光伏电站方案优化

在康平光伏电站设计与设备选型阶段, 综合考虑传统光伏电站的优缺点及项目实际, 融入智能技术, 优化了方案。

引入电力载波通讯技术

在设计阶段, 对现有光伏发电部分进行智能化改造, 使传统的逆变器成为一个集电力变换、远程控制、数据采集、在线分析、环境自适应为一体的智能控制器, 成为电站神经末梢与区域控制中心;其次, 引入PLC电力载波通讯技术 (power line carrier communication, PLC) 替代RS485, 传输速率从RS485能达到的9.6 Kbps (最大也只能19.2 Kbps) 大大提升到200 Kbps, 其优势包括:

(1) 在施工方面, PLC技术借用交流线做通道, 不需额外布线, 节省通讯线缆和施工费用;而传输RS485方案施工复杂, 需挖沟埋线缆。

(2) PLC方案借用交流线做通道, 可靠性高, 若器件损坏, 仅更换故障单板即可, 可维护性好;而传输RS485方案工程接线易出错, 中间断链影响局部通信, 线缆断线后, 需挖沟更换, 可维护性差。

(3) PLC技术使整个电站形成融合语音与视频通信、便于快速灵活部署、免维护的高速互联网络, 铺设电站信息流通的“高速公路”。

(4) 为利用大数据分析与挖掘引智等技术对上传至云端数据库完整的电站信息进行智能化管理提供了通讯保障, 以实现对电站性能的优化。

简化系统组网, 把复杂功能融进智能控制器

与传统光伏电站相比, 康平光伏电站采用智能光伏控制器系统组网更简化。智能控制器集逆变器房、直流汇流箱、直流配电柜、房子和土建等系统设施以及组串检测、逆变功能、通风散热、防尘防水等功能于一体, 无熔丝、风扇灯等易损部件, 体积小、功能全, 模块化、简洁化、标准化交付安装使用, 简化了设计与采购, 缩短了建设周期, 简化了备品备件管理;电站所有部件能适应当地风沙、盐雾、低温高湿等各种复杂环境, 实现25 a免维护、可靠运行的质量要求, 使工程建设与生产运维更加简单。

图2 系统组网 (智能控制器) 图

康平场址所在地区的多年极端最低气温为-32.6℃, 这就对设备的低温运行能力提出了很高要求, 目前业内多家逆变器在-25℃就会出现低温告警, 影响设备正常运行。项目所在地有风沙, 雨季时潮湿, 传统方案逆变器采用外置风扇强制风冷散热, 沙尘等微粒物质会伴随空气和热量流动进入逆变器内部, 导致逆变器内部沉积大量的灰尘。灰尘沉积过多可引起电路板电路失效或导致内部接触器接触不良, 严重时逆变器会控制失效、内部异常短路等现象。

康平项目占地面积大, 雨季运维巡检困难, 传统集中式逆变器方案采用大量的熔丝和风扇, 年故障率高达10%以上, 增加项目的运维成本。集中式逆变器方案直流汇流箱的RS485通讯线与直流线缆共线槽走线, 由于通讯线缆长度比地面电站更长, 接地不好, 端子连接不良等情况综合起来导致通讯中断, 但由于检修排查困难, 笔者调研的几个电站都一直无法修复, 电站故障及安全风险无法监控。

以组串为基本单元, 使电站全量数据可视、可管。逆变器无熔丝设计, 无风扇自然散热, 免维护, 提升后期运维效率。智能光伏控制器与数据采集通讯采用PLC通讯, 完全解决了共线槽干扰、端子连接不良、通讯接地不好等问题。

图3 智能光伏方案与传统集中式方案对比图

5 应用效果

不增加初始投资

康平光伏电站在可行性研究阶段就力求设计简洁, 因此, 在设备选型时采用智能光伏控制器, 无直流汇流箱和直流配电柜, 减少了砖混结构的机房, 初始投资成本不高于传统光伏电站。

装机容量利用率提高

传统的光伏电站从本质上讲是一个串联系统, 系统包括支流汇流箱、支流配电箱、辅助源供电设备等。任意部件故障都会对部分或者全部光伏电站的发电造成损失, 并且修复时间长、成本高。而康平光伏电站是一个分布式的并联系统, 具有系统结构简单、设备体积小、重量轻等特性, 使得设备易安装维护, 并且单台设备故障不会影响系统整体运行, 从而大大提升装机容量利用率。

提高内部收益率

智能光伏控制器采用多路MPPT、多峰跟踪等技术, 集成跟踪器功能, 实现对支架的独立跟踪, 间接降低了组件衰减、阴影遮挡、沙尘、直流压降、组串失配等阵列损失方面的影响, 相比传统方案, 年平均发电量提升5%以上, 内部收益率提升3%以上。

6 结语

通过智能技术的应用, 康平光伏电站在成本投入、生产运维、巡检、投资回报等方面有显著提升。目前, 中国能源建设集团投资有限公司的新能源项目装机容量达到522 MW, 其中已投产481 MW, 未来3年内装机规模将达到2242 MW。随着公司投产电站的增多、互联网基础设施的完善和相关技术的成熟, 公司规划设置区域控制中心和全国控制中心, 充分利用新一代信息技术推动光伏电站向智能化升级。光伏电站智能化在降低运维成本、提高光伏电站收益方面更具优势, 是我国光伏能源产业发展的趋势。

来源：电力勘测设计

作者：李树蔚; 柴群峰; 黄永强; 艾志勇

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