光伏電站智能運維及功率預(yù)測技術(shù)要點探討

甄凡奇，孔祥輝，羅方圓，杜傳軍，范永生

三峽新能源微山發(fā)電有限公司，山東 濟寧 272000

0 引言

隨著全球信息工業(yè)的不斷崛起，光伏產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，截至2017年年底，中國光伏累計裝機并網(wǎng)量達130.25 GW。隨著國家出臺政策的不斷完善，光伏發(fā)電普及光伏平價上網(wǎng)的步伐在逐步加快[1]。相對于風力發(fā)電與核力發(fā)電，光伏電站有著很強的優(yōu)勢，其基本沒有地域等局限性條件，只要有陽光能照射的地方都可以安裝。不僅如此，光伏發(fā)電操作便捷，易于安裝，且無污染，能源供應(yīng)具有可持續(xù)性[2-3]。由此可見，在新能源產(chǎn)業(yè)中，光伏電廠的應(yīng)用前景廣闊。

1 光伏電站智能運維現(xiàn)狀

光伏電站是與電網(wǎng)相連并向電網(wǎng)輸送電力的光伏發(fā)電系統(tǒng)，屬于國家支持的綠色能源項目。光伏電站可以分為帶儲能的和不帶儲能的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。太陽能發(fā)電分為光熱發(fā)電和光伏發(fā)電，通常說的太陽能發(fā)電指的是太陽能光伏發(fā)電。光伏發(fā)電產(chǎn)品主要用于三大方面：為無電場合提供電源；太陽能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽能充電器、太陽能路燈和太陽能草地各種燈具等；并網(wǎng)發(fā)電，這在發(fā)達國家已經(jīng)大面積推廣實施。目前，國家大力倡導(dǎo)環(huán)境保護，作為最有能力代表新能源的光伏電站，迅速大規(guī)模崛起，這就對光伏電站的運營、維護和管理提出了更高的要求，需要大量的人力資源。為了應(yīng)對這一問題，智能運營進入光伏電站市場中，推動企業(yè)的不斷擴大和快速發(fā)展。

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由三個部分組成：輸入部分（包括光伏陣列和直流匯流箱）、逆變部分（主要是逆變器）、輸出部分（主要是交流配電箱，如果是工頻隔離型逆變器，輸出部分就是隔離變壓器）。此外，還有一些配套系統(tǒng)，如監(jiān)控系統(tǒng)、氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。光伏電站作為持續(xù)輸出電能的重要原產(chǎn)地，需要不斷地預(yù)測和對各個環(huán)節(jié)進行檢修，包括對光伏陣列、匯流箱、逆變器、變壓器、電纜等部件運行工況的檢測與診斷。這是整個光伏電站能正常運行的基礎(chǔ)。智能運維方式的融入是工業(yè)時代與信息時代急速發(fā)展碰撞的產(chǎn)物。

目前，我國光伏運維故障診斷主要有三種方式。

（1）根據(jù)紅外圖像進行故障診斷。基于太陽能電池內(nèi)存在的溫度差異，可以采用紅外熱像儀獲取光伏列陣的紅外圖像，這是一種非接觸式的故障診斷方法。紅外圖像診斷不會影響電站本身的結(jié)構(gòu)，但是在光伏列陣比較復(fù)雜或者不容易產(chǎn)生很強烈的溫度差異時，很難準確地發(fā)現(xiàn)故障的類型。

（2）以數(shù)學(xué)計算的方式判斷各物理量是否在正確的區(qū)間內(nèi)波動，如果發(fā)現(xiàn)異常波動，就能發(fā)現(xiàn)故障類型。

（3）用智能的方式來判斷光伏列陣的狀況，它的診斷結(jié)果源于多個因素計算之下的結(jié)果，只要有足夠大的數(shù)據(jù)作對比，就不會出現(xiàn)差錯。智能診斷往往要比前兩種故障診斷方式更加有效，并且診斷速度也在大幅提升。

2 光伏電站智能運維技術(shù)

在光伏電站中融入智能運維技術(shù)，可以實現(xiàn)對各個電站企業(yè)的全方位把控，不僅能使企業(yè)的投資方和各員工深入了解電力設(shè)備和系統(tǒng)維護技術(shù)，更有利于其直觀地發(fā)現(xiàn)當下運維電站技術(shù)存在的缺陷和不足，并且第一時間去解決這些缺陷和不足。

智能化電站運營分析并不是靠人為來判斷故障問題，而是通過計算機軟件技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動檢測與遠程檢測技術(shù)、通用信息和其他相關(guān)的專業(yè)技術(shù)等一系列計算機模型架構(gòu)起來的運維系統(tǒng)來實現(xiàn)，進而為新能源電站的高效運行提供可靠的技術(shù)支持。不僅要求有計算機水平，還要通過云數(shù)據(jù)管控，基于光伏運維云平臺的光伏電站運維管庫系統(tǒng)，將云儲存和大數(shù)據(jù)相互結(jié)合，引入電站的終端管理中。

智能運維管理技術(shù)需要結(jié)合實際按需設(shè)計對應(yīng)的程序，使系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)自身的故障和隱患，及時上報，分析并確定故障的類型和位置。同時，還要結(jié)合光伏電廠周邊的信息與當?shù)貧庀箢A(yù)報數(shù)據(jù)，再通過互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的云計算與大數(shù)據(jù)判定，進而準確地預(yù)測出未來某時間段內(nèi)的固定發(fā)電量，使能量調(diào)度更加精細化。這樣可以給運行人員、檢修人員、管理人員等提供十分快捷的信息服務(wù)，確保故障發(fā)現(xiàn)及信息傳輸?shù)臅r效性。

3 光伏電站功率預(yù)測

光伏電站功率預(yù)測是以天氣預(yù)報數(shù)據(jù)或者實際數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，根據(jù)光伏電站的地理環(huán)境和當?shù)氐牡赜蛱攸c、氣候環(huán)境等，通過固定的算法建立模型，實現(xiàn)對未來一段時間內(nèi)光伏電站輸出功率的預(yù)測。

3.1 光伏功率預(yù)測的影響因素

光伏功率預(yù)測的影響因素有很多，具體包括如下方面。

（1）自然因素。在太陽能的傳遞和太陽能的轉(zhuǎn)化過程中，接收器會受到氣候、天氣、云層、地理條件、地域環(huán)境等各方面自然因素的影響。地理條件的影響通常有限，但是為了企業(yè)的發(fā)展還是應(yīng)該選用更加適合企業(yè)運行的地域設(shè)置發(fā)電廠。這就需要考慮電站所占地的地形、周邊環(huán)境等，尤其需要考慮日均峰值和日照數(shù)。最好是選擇空曠無遮擋、太陽能資源豐富、全年日照時間長、無災(zāi)害性天氣的地區(qū)設(shè)廠。這就需要結(jié)合大數(shù)據(jù)的天氣預(yù)測，通過固定的應(yīng)對算法來預(yù)測。

（2）人為管控因素。光伏電池的光轉(zhuǎn)化效率主要取決于電池，而電池自身的轉(zhuǎn)化能力一方面與環(huán)境有關(guān)，另一方面和電池本身的抗老化能力有關(guān)。電池的散熱性易受到風速、環(huán)境空氣壓強、環(huán)境溫度及濕度等一系列因素的影響。而且長久使用的電池極易老化，應(yīng)注意及時檢測及維修，必要時更換。

3.2 具體的預(yù)測方法

目前，行業(yè)內(nèi)光伏電站效率評估的技術(shù)方案大多是利用能效比來判斷光伏電廠的運行效率。

式中：PR為電廠光伏系統(tǒng)的效率；E為測試時間內(nèi)光伏電站的實際發(fā)電量；Pe為光伏電站組件裝機的標稱容量；ht為測試時間內(nèi)的等效峰值日照時數(shù)。

光伏功率預(yù)測的方法可分為直接預(yù)測法和間接預(yù)測法兩種。直接預(yù)測法是通過氣象數(shù)據(jù)、輻射數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)等直接預(yù)測出數(shù)據(jù)模型；間接預(yù)測法不僅要預(yù)測輻射模型，還要通過光轉(zhuǎn)電模型來預(yù)測評估光伏電站的功率。直接預(yù)測法的建模難度很大，在不同的時間段內(nèi)要有不同的應(yīng)對算法，但實際預(yù)測時很難做到全面兼顧、有效應(yīng)用，因此導(dǎo)致模型不能很好地計算出光伏電站的準確功率。間接預(yù)測法雖然有著多個模型內(nèi)的轉(zhuǎn)換，計算起來十分復(fù)雜，但其預(yù)測結(jié)果要比直接預(yù)測法準確很多。為了更好地預(yù)測輸出功率，相關(guān)人員要研究輻照度、光伏功率等影響功率預(yù)測的基本物理量，研習(xí)輻照度、光伏功率等的歷史規(guī)律，在結(jié)合物理學(xué)與統(tǒng)計學(xué)的研究方法后，得到準確的研究模型，以此達到準確預(yù)測光伏電站的輸出功率的目的，不斷推動光伏電站產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和運營。

在大量研究成果的積累下，目前，光伏電站的功率預(yù)測方法也在不斷地改變。例如，白天與夜晚的天氣數(shù)據(jù)差別很大，尤其是溫差較大的地區(qū)，單一對溫度數(shù)據(jù)進行分類并不能很好地結(jié)合實際情況，因此針對不同的數(shù)據(jù)應(yīng)該建立不同的預(yù)測模型，用來分析天氣數(shù)據(jù)中常常出現(xiàn)的一些聚類性質(zhì)。同時，結(jié)合經(jīng)濟條件，盡可能多地安裝傳感器，搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并建立相應(yīng)的算法模型，按照相應(yīng)的樣本采集技術(shù)分類。采集到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，選擇均方根誤差作為損失函數(shù)，用梯度下降對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行訓(xùn)練，直至參數(shù)不再發(fā)生變化。

總之，為了準確預(yù)測光伏電廠未來一段時間內(nèi)的輸出功率，需要運用智能化手段，結(jié)合固定算法，在各項不確定性因素中合理使用直接或者間接的預(yù)測方法，以更好地維護光伏電廠安全、穩(wěn)定地運行。

4 結(jié)束語

在大數(shù)據(jù)時代的各種挑戰(zhàn)與機遇下，只有不斷完善科技手段，不斷完善企業(yè)自身的能力，依靠智能化解決各種問題，加強對數(shù)據(jù)質(zhì)量的把控、對自身環(huán)境現(xiàn)狀的把握、對數(shù)據(jù)的傳輸和對各項數(shù)據(jù)的處理運算，才可以實現(xiàn)高效且快速的計算和數(shù)據(jù)處理，助力電站運營，助推企業(yè)發(fā)展。當下，我國已基本實現(xiàn)了光伏電站智能化運維，在時代迅速發(fā)展的大環(huán)境下，各個企業(yè)方要把握好機遇，運用科技造福人類，推動社會進步，推進民族產(chǎn)業(yè)發(fā)展?，F(xiàn)代科技不斷造福人類生產(chǎn)生活，在智能化科技的幫助下，中國光伏電廠企業(yè)一定會日漸增長、不斷進步。