智能技術(shù)在光伏電站的應(yīng)用

李樹(shù)蔚，柴群峰，黃永強(qiáng)，艾志勇

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)投資有限公司，北京 100022；2. 華為技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000）

“智能光伏”是光伏發(fā)電、信息技術(shù)兩大領(lǐng)域的跨界和創(chuàng)新，帶來(lái)的創(chuàng)新產(chǎn)物即為智能化光伏電站。所謂智能化即減少人的介入、實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化無(wú)人運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、自動(dòng)診斷和自動(dòng)修復(fù)，從而提升發(fā)電量，減少維護(hù)成本，提高系統(tǒng)收益。

本文以遼寧康平光伏電站工程為例，從投資及生產(chǎn)運(yùn)維角度出發(fā)，在設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、方案優(yōu)化等階段融入智能技術(shù)，研究智能技術(shù)在光伏電站中的研發(fā)與應(yīng)用情況。

1 我國(guó)智能光伏的研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)許多專家學(xué)者及工程技術(shù)人員對(duì)我國(guó)智能光伏電站的實(shí)現(xiàn)和發(fā)展做出了大量研究。

近幾年，隨著投產(chǎn)光伏電站的增多，工程技術(shù)人員在克服傳統(tǒng)電站缺點(diǎn)的同時(shí)，將智能技術(shù)融入工程及設(shè)備設(shè)計(jì)階段，同時(shí)將信息技術(shù)嵌入生產(chǎn)管理系統(tǒng)，減少運(yùn)維人員日常的巡檢、報(bào)表、故障處理、兩票管理等日常管理中，達(dá)到少人值守，自動(dòng)診斷、修復(fù)的目的。

2 項(xiàng)目概況

遼寧沈陽(yáng)康平縣三臺(tái)子水庫(kù)光伏發(fā)電項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱康平光伏電站）位于遼寧省沈陽(yáng)市康平縣三臺(tái)子水庫(kù)灘涂地域見(jiàn)圖1。項(xiàng)目占地面積7649.7畝，規(guī)劃裝機(jī)規(guī)模200 MWp，其中一期容量126 MWp。場(chǎng)址所在地區(qū)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(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)：寒冷期長(zhǎng)、平原風(fēng)大、東濕西干、雨量集中、日照充足、四季分明，風(fēng)沙、干旱、雷電、冰雹等災(zāi)害性天氣發(fā)生概率較大。由此分析，太陽(yáng)能電池板浮塵、積雪覆蓋的幾率較大。

一期項(xiàng)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(tái)50 kW功率的組串式逆變器，每48～50臺(tái)逆變器通過(guò)24～25臺(tái)2進(jìn)1出交流開(kāi)關(guān)盒匯流接入一臺(tái)2 MW雙繞組箱變，組成一個(gè)2 MW發(fā)電子陣。一期項(xiàng)目共60個(gè)子陣，安裝2904臺(tái)逆變器、464600多塊組件，實(shí)際裝機(jī)容量達(dá)到120 MWp。

圖1 項(xiàng)目站址范圍示意圖

3 康平智能光伏電站設(shè)計(jì)理念

康平光伏電站從設(shè)計(jì)階段就將智能化列入設(shè)計(jì)基本原則，力求達(dá)到自動(dòng)化運(yùn)維、智能化升級(jí)與演變，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好，有效規(guī)避PID效應(yīng)。

3.1 自動(dòng)化運(yùn)維，集中統(tǒng)一管理

通過(guò)建立一套自動(dòng)運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化，構(gòu)建一體化云平臺(tái)，構(gòu)建面向“能源互聯(lián)網(wǎng)”的應(yīng)用基礎(chǔ)。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1.1 實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)

對(duì)于占地面積5.1×106m2的康平光伏電站，不僅要考慮如何維護(hù)，更要考慮電站如何運(yùn)營(yíng)，主動(dòng)優(yōu)化電站的運(yùn)行狀態(tài)，比如通過(guò)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(lái)分析，通過(guò)橫向和縱向的分析，把效率低的電站和階段找出來(lái)，進(jìn)行優(yōu)化。

通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，對(duì)所有的組串和設(shè)備做離散分析，把異常但是沒(méi)有出問(wèn)題告警的組串、設(shè)備識(shí)別出來(lái)。比如一個(gè)熱斑，系統(tǒng)可能沒(méi)有告警，但是已經(jīng)比其他組串落后，就可以通過(guò)離散分析找出來(lái)，進(jìn)行預(yù)測(cè)性地維護(hù)，這就是自動(dòng)運(yùn)維主動(dòng)分析技術(shù)的應(yīng)用。

此外，通過(guò)分析設(shè)備故障頻率、統(tǒng)計(jì)設(shè)備效率以及設(shè)備間的比較分析等方法來(lái)進(jìn)行設(shè)備的評(píng)估，為未來(lái)的設(shè)備選型和方案設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。

3.1.2 實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)維

康平光伏電站的管理系統(tǒng)包括電站生產(chǎn)管理系統(tǒng)和電站監(jiān)控系統(tǒng)，其中：生產(chǎn)管理系統(tǒng)主要提供電子化、移動(dòng)化的生產(chǎn)運(yùn)行管理和辦公管理功能；監(jiān)控系統(tǒng)主要提供光伏電站光伏發(fā)電側(cè)設(shè)備和匯集站設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理功能。光伏電站的管理系統(tǒng)在原有功能的基礎(chǔ)上增加了以下三個(gè)方面：

（1）報(bào)表管理及系統(tǒng)監(jiān)控。生產(chǎn)管理系統(tǒng)自動(dòng)化報(bào)表系統(tǒng)涵蓋電站發(fā)電量、PR效率、等效小時(shí)數(shù)、輻照、溫度；逆變器發(fā)電量、負(fù)載功率、轉(zhuǎn)換效率、離散率、最大輸入電流、告警指標(biāo)等。電站監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)匯集站設(shè)備（包括線路保護(hù)測(cè)控裝置、母線保護(hù)裝置、公用測(cè)控裝置）、子陣設(shè)備箱變、逆變器、環(huán)境監(jiān)測(cè)儀、電表進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（2）告警及運(yùn)維管理。當(dāng)電站出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，自動(dòng)生成告警，主動(dòng)將告警推送值守人員，告警自動(dòng)設(shè)置轉(zhuǎn)兩票，自動(dòng)給出操作建議，全部工作流程化、標(biāo)準(zhǔn)化、電子化。智能化電站管理系統(tǒng)支持運(yùn)維的記錄歸檔，建立運(yùn)維知識(shí)庫(kù)，支持專家與現(xiàn)場(chǎng)人員視頻互動(dòng)，同步運(yùn)維，協(xié)同診斷、指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜故障排查。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)問(wèn)題發(fā)生后，通過(guò)告警可自動(dòng)轉(zhuǎn)成電氣第一種或電氣第二種工作票，由站長(zhǎng)審批，注明技術(shù)實(shí)施步驟、安全實(shí)施規(guī)范等，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員進(jìn)行操作，完成后將工作票返回站長(zhǎng)審批，并結(jié)束工作票，從而高效完成運(yùn)維。

（3）站內(nèi)日常管理及通訊。生產(chǎn)管理系統(tǒng)涵蓋資產(chǎn)臺(tái)賬管理、備品備件管理、發(fā)電計(jì)劃管理、待辦事宜管理、人員管理和值班管理。資產(chǎn)臺(tái)賬管理、備品備件管理，是通過(guò)智能終端錄入設(shè)備物理、邏輯位置，生成唯一身份識(shí)別碼，記錄設(shè)備歷史維護(hù)記錄，備品備件出入庫(kù)記錄，設(shè)備資產(chǎn)編碼與物理坐標(biāo)、設(shè)備電氣接線關(guān)系唯一對(duì)應(yīng)，為告警快速定位、快速解決奠定基礎(chǔ)。站內(nèi)通信參數(shù)設(shè)置，包含點(diǎn)表導(dǎo)入、生產(chǎn)管理通訊參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)發(fā)電量控制/自動(dòng)電壓控制（Automatic Generation Control/Automatic Voltage Control，AGC/AVC）通訊參數(shù)設(shè)置、第三方監(jiān)控參數(shù)設(shè)置。

3.1.3 減少誤診斷率，提高運(yùn)維效率

電站監(jiān)控系統(tǒng)提供完善的光伏電站匯集站和光伏發(fā)電側(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并精確定位故障，從而提升電站運(yùn)維效率?？灯焦夥娬局悄芄夥刂破鞯慕M串級(jí)高精度的監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，另外通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的分析，能夠精確定位是哪個(gè)設(shè)備發(fā)生故障，并能根據(jù)預(yù)制和運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，提出處理建議，讓運(yùn)維人員有的放矢地進(jìn)站，一次性解決問(wèn)題，避免來(lái)回排查、取拿設(shè)備等，從而減少現(xiàn)場(chǎng)人員的定位時(shí)間和分析工作。監(jiān)控系統(tǒng)基于設(shè)備物理位置、邏輯拓?fù)浜碗姎饨泳€圖的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，直觀可視。

3.1.4 電站移動(dòng)化運(yùn)維，全流程跟蹤

康平光伏電站通過(guò)智能手持、手機(jī)APP結(jié)合，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)巡檢、新增及查看缺陷、派發(fā)工單、故障消缺、流程確認(rèn)以及電站內(nèi)數(shù)據(jù)分析、信息傳遞等全流程跟蹤。生產(chǎn)管理人員可以通過(guò)手持、手機(jī)APP查看電站生產(chǎn)管理情況及運(yùn)維信息。

3.2 采用智能控制器，有效規(guī)避PID效應(yīng)

電勢(shì)誘導(dǎo)衰 減（Potential Induced Degradation，PID）導(dǎo)致組件功率降低，從而極大地影響投資收益。本項(xiàng)目利用智能控制器自動(dòng)檢測(cè)元件、調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作電壓等優(yōu)勢(shì)，在電池板的負(fù)極不需要接地情況下，不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)正電壓、有效避免了PID效應(yīng)，而且在逆變器內(nèi)部殘余電流監(jiān)測(cè)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(cè)出來(lái)。

3.3 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、分析、建議

通過(guò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、云存儲(chǔ)和在線專家分析，電站可自動(dòng)體檢，給予基于收益最大化的維護(hù)建議，如清洗建議、部件更換和維護(hù)建議等。另一方面，通過(guò)積累長(zhǎng)期運(yùn)行數(shù)據(jù)，綜合自然條件、環(huán)境溫度、輻照量等因素，對(duì)智能控制單元在線調(diào)整或者升級(jí)，使電站系統(tǒng)部件在不同環(huán)境下都能運(yùn)行在最佳匹配狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)收益最大化。

4 光伏電站方案優(yōu)化

在康平光伏電站設(shè)計(jì)與設(shè)備選型階段，綜合考慮傳統(tǒng)光伏電站的優(yōu)缺點(diǎn)及項(xiàng)目實(shí)際，融入智能技術(shù)，優(yōu)化了方案。

4.1 引入電力載波通訊技術(shù)

在設(shè)計(jì)階段，對(duì)現(xiàn)有光伏發(fā)電部分進(jìn)行智能化改造，使傳統(tǒng)的逆變器成為一個(gè)集電力變換、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采集、在線分析、環(huán)境自適應(yīng)為一體的智能控制器，成為電站神經(jīng)末梢與區(qū)域控制中心；其次，引入PLC電力載波通訊技術(shù) （power line carrier communication，PLC）替代RS485，傳輸速率從RS485能達(dá)到的 9.6 Kbps（最大也只能19.2 Kbps）大大提升到200 Kbps，其優(yōu)勢(shì)包括：

（1）在施工方面，PLC技術(shù)借用交流線做通道，不需額外布線，節(jié)省通訊線纜和施工費(fèi)用；而傳輸RS485方案施工復(fù)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(hù)性好；而傳輸RS485方案工程接線易出錯(cuò)，中間斷鏈影響局部通信，線纜斷線后，需挖溝更換，可維護(hù)性差。

（3） PLC技術(shù)使整個(gè)電站形成融合語(yǔ)音與視頻通信、便于快速靈活部署、免維護(hù)的高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，鋪設(shè)電站信息流通的“高速公路”。

（4）為利用大數(shù)據(jù)分析與挖掘引智等技術(shù)對(duì)上傳至云端數(shù)據(jù)庫(kù)完整的電站信息進(jìn)行智能化管理提供了通訊保障，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電站性能的優(yōu)化。

4.2 簡(jiǎn)化系統(tǒng)組網(wǎng)，把復(fù)雜功能融進(jìn)智能控制器

與傳統(tǒng)光伏電站相比，康平光伏電站采用智能光伏控制器系統(tǒng)組網(wǎng)更簡(jiǎn)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(tǒng)設(shè)施以及組串檢測(cè)、逆變功能、通風(fēng)散熱、防塵防水等功能于一體，無(wú)熔絲、風(fēng)扇燈等易損部件，體積小、功能全，模塊化、簡(jiǎn)潔化、標(biāo)準(zhǔn)化交付安裝使用，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)與采購(gòu)，縮短了建設(shè)周期，簡(jiǎn)化了備品備件管理；電站所有部件能適應(yīng)當(dāng)?shù)仫L(fēng)沙、鹽霧、低溫高濕等各種復(fù)雜環(huán)境，實(shí)現(xiàn)25 a免維護(hù)、可靠運(yùn)行的質(zhì)量要求，使工程建設(shè)與生產(chǎn)運(yùn)維更加簡(jiǎn)單。

圖2 系統(tǒng)組網(wǎng)（智能控制器）圖

康平場(chǎng)址所在地區(qū)的多年極端最低氣溫為－32.6℃，這就對(duì)設(shè)備的低溫運(yùn)行能力提出了很高要求，目前業(yè)內(nèi)多家逆變器在－25℃就會(huì)出現(xiàn)低溫告警，影響設(shè)備正常運(yùn)行。項(xiàng)目所在地有風(fēng)沙，雨季時(shí)潮濕，傳統(tǒng)方案逆變器采用外置風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷散熱，沙塵等微粒物質(zhì)會(huì)伴隨空氣和熱量流動(dòng)進(jìn)入逆變器內(nèi)部，導(dǎo)致逆變器內(nèi)部沉積大量的灰塵。灰塵沉積過(guò)多可引起電路板電路失效或?qū)е聝?nèi)部接觸器接觸不良，嚴(yán)重時(shí)逆變器會(huì)控制失效、內(nèi)部異常短路等現(xiàn)象。

康平項(xiàng)目占地面積大，雨季運(yùn)維巡檢困難，傳統(tǒng)集中式逆變器方案采用大量的熔絲和風(fēng)扇，年故障率高達(dá)10%以上，增加項(xiàng)目的運(yùn)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(zhǎng)度比地面電站更長(zhǎng)，接地不好，端子連接不良等情況綜合起來(lái)導(dǎo)致通訊中斷，但由于檢修排查困難，筆者調(diào)研的幾個(gè)電站都一直無(wú)法修復(fù)，電站故障及安全風(fēng)險(xiǎn)無(wú)法監(jiān)控。

以組串為基本單元，使電站全量數(shù)據(jù)可視、可管。逆變器無(wú)熔絲設(shè)計(jì)，無(wú)風(fēng)扇自然散熱，免維護(hù)，提升后期運(yùn)維效率。智能光伏控制器與數(shù)據(jù)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(wèn)題。

圖3 智能光伏方案與傳統(tǒng)集中式方案對(duì)比圖

5 應(yīng)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，因此，在設(shè)備選型時(shí)采用智能光伏控制器，無(wú)直流匯流箱和直流配電柜，減少了磚混結(jié)構(gòu)的機(jī)房，初始投資成本不高于傳統(tǒng)光伏電站。

5.2 裝機(jī)容量利用率提高

傳統(tǒng)的光伏電站從本質(zhì)上講是一個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括支流匯流箱、支流配電箱、輔助源供電設(shè)備等。任意部件故障都會(huì)對(duì)部分或者全部光伏電站的發(fā)電造成損失，并且修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)、成本高。而康平光伏電站是一個(gè)分布式的并聯(lián)系統(tǒng)，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備體積小、重量輕等特性，使得設(shè)備易安裝維護(hù)，并且單臺(tái)設(shè)備故障不會(huì)影響系統(tǒng)整體運(yùn)行，從而大大提升裝機(jī)容量利用率。

5.3 提高內(nèi)部收益率

智能光伏控制器采用多路MPPT、多峰跟蹤等技術(shù)，集成跟蹤器功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)支架的獨(dú)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(tǒng)方案，年平均發(fā)電量提升5%以上，內(nèi)部收益率提升3%以上。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)智能技術(shù)的應(yīng)用，康平光伏電站在成本投入、生產(chǎn)運(yùn)維、巡檢、投資回報(bào)等方面有顯著提升。目前，中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)投資有限公司的新能源項(xiàng)目裝機(jī)容量達(dá)到522 MW，其中已投產(chǎn)481 MW，未來(lái)3年內(nèi)裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到2242 MW。隨著公司投產(chǎn)電站的增多、互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的完善和相關(guān)技術(shù)的成熟，公司規(guī)劃設(shè)置區(qū)域控制中心和全國(guó)控制中心，充分利用新一代信息技術(shù)推動(dòng)光伏電站向智能化升級(jí)。光伏電站智能化在降低運(yùn)維成本、提高光伏電站收益方面更具優(yōu)勢(shì)，是我國(guó)光伏能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。