200萬kW智能光伏電站的開發(fā)及運(yùn)維管理探析

新疆粵水電能源有限公司 高 飚

某地方城市的智能光伏電站項(xiàng)目充分利用區(qū)域內(nèi)的上千畝荒地，裝機(jī)容量達(dá)到200萬kW，項(xiàng)目投資大約在82億元，并配有35kV 匯集站、110kV 升壓站和220kV 升壓站，最終以220kV 電壓等級實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)送出。同時，為迎合信息化時代發(fā)展潮流，該電站進(jìn)一步融合了信息管理系統(tǒng)、生產(chǎn)管控系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)成本分析功能、優(yōu)化調(diào)度功能，用以提高電站的運(yùn)營管理水平。本文對其開發(fā)及運(yùn)維管理相關(guān)技術(shù)進(jìn)行探析。

1 200萬kW 智能光伏電站產(chǎn)品開發(fā)

為進(jìn)一步完善對電站信息的采集、管理與存儲，加快對電氣設(shè)備故障處理速度，本項(xiàng)目在建設(shè)過程中積極應(yīng)用多樣化的智能光伏產(chǎn)品，從根本上提高對電站事故的反應(yīng)能力，優(yōu)化能源管理流程。

首先，作為重要組成部分之一，智能組串式光伏逆變器可實(shí)現(xiàn)對整體運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控，并對設(shè)備電流電壓、輸出功率、日發(fā)電時間、二氧化碳減排量等信息能夠全面監(jiān)控。如光伏逆變器需搭載監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r掌握設(shè)備運(yùn)營狀況、輸出功率以及輸入電壓與電流，并依靠485接口，將相關(guān)信息傳送至通訊管理機(jī)；其次，智能SVG 設(shè)備具有高性能、高可靠性的優(yōu)勢，其主要采用瞬時無功理論控制等技術(shù)，在提供感性無功功率的基礎(chǔ)上良好實(shí)現(xiàn)控制模式的多樣化。在具體應(yīng)用中，不僅可以動態(tài)補(bǔ)償諧波還可實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)償無功目標(biāo)，為電力系統(tǒng)整體穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供保障。在開發(fā)時，要以多片DSP 為控制核心，結(jié)合瞬時無功理論，保證快速提供容性無功功率，能夠具備恒考核點(diǎn)電壓、綜合補(bǔ)償?shù)榷喾N控制模式。

再次，智能巡檢無人機(jī)作為光伏電站運(yùn)維管理的重要產(chǎn)品，需確保能全面支持光伏組件熱成像及多種功能，提供超長續(xù)航對影像進(jìn)行高清實(shí)時拍攝。

最后，單晶硅疊瓦光伏組件的應(yīng)用，與其他組件技術(shù)相比該產(chǎn)品可增加實(shí)際發(fā)電面積，優(yōu)化組件結(jié)構(gòu)，提高輸出功率的基礎(chǔ)上，一定程度上減輕內(nèi)部損耗。與傳統(tǒng)晶硅組件技術(shù)相比能夠融合多種電池片新技術(shù)，提升轉(zhuǎn)換效率。從可靠性角度出發(fā)，其采用疊片的連接方式可以降低隱裂現(xiàn)象，增強(qiáng)對機(jī)械載荷承受能力的同時良好適應(yīng)各種溫差環(huán)境，降低熱脹冷縮現(xiàn)象的影響，具有一定可靠性能。在本項(xiàng)目中采用的新型疊瓦電池組件融合了PERC 等電池片新技術(shù)，在電池片切片后，利用專用導(dǎo)電膠進(jìn)行串接，通過疊片鏈接，保持電池間無間隙，充分利用組件受光面積，保證輸出功率最大化。

2 200萬kW 智能光伏電站運(yùn)維管理技術(shù)

2.1 應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)

本項(xiàng)目建立位置處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，且裝機(jī)規(guī)模較大，具有較大運(yùn)維管理難度，導(dǎo)致人工巡檢效果大大降低。為此，應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對光伏電站運(yùn)行情況的檢測。通過搭載紅外成像相機(jī)，可以對電站表面灰塵全面檢測。針對組織構(gòu)成而言，主要包括支撐、動力以及控制模塊，具有一定應(yīng)用優(yōu)勢。具體操作時，通過在其系統(tǒng)內(nèi)劃定作業(yè)區(qū)域，明確各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)之后即可展開檢測工作，例如飛行起始點(diǎn)、障礙物、任務(wù)高度等參數(shù)。智能無人機(jī)技術(shù)具有靈活性的特點(diǎn)，在飛行期間可以有效躲避障礙物，實(shí)際荷載水平較低。

2.2 應(yīng)用自動清洗技術(shù)

在光伏電站運(yùn)轉(zhuǎn)期間，要想實(shí)現(xiàn)正常穩(wěn)定運(yùn)行，離不開光伏組件的合理運(yùn)維。受光伏電站所處環(huán)境的影響，在運(yùn)行期間往往會在組件表面產(chǎn)生污垢，積累大量灰塵導(dǎo)致光伏組件受到遮蓋影響，無法繼續(xù)發(fā)揮實(shí)際性能，降低光伏電站發(fā)電效率。為良好解決該問題，本項(xiàng)目積極應(yīng)用光伏組件自動清洗技術(shù)，對光伏組件安裝清洗裝置，采用清洗機(jī)器人配合水霧噴頭的模式，提高光伏組件清洗與運(yùn)維的自動化水平。在具體操作中，若是較為頑固的污垢則可利用高壓水槍的沖力，高質(zhì)量完成自動清洗工作。

從光伏組件結(jié)構(gòu)及材料角度出發(fā)，為全面提升整體發(fā)電效率，本項(xiàng)目積極選用自清潔性材料，在組件結(jié)構(gòu)表面敷設(shè)超親水性材料，提高材料清潔能力。本項(xiàng)目位于干旱偏遠(yuǎn)地區(qū)，在運(yùn)維期間檢測人員發(fā)現(xiàn)光伏發(fā)電站產(chǎn)生大量灰塵堆積，其中鳥糞堆積現(xiàn)象造成局部陰影，發(fā)電效率下降到2%～10%。為防止擴(kuò)大影響面積，在綜合考量污垢頑固、外部環(huán)境等因素之后，決定采用無人機(jī)清洗技術(shù)。深入調(diào)查當(dāng)?shù)貧夂蜃兓?guī)律之后，選擇了風(fēng)力較小且溫度較低的時段進(jìn)行清洗作業(yè)，合理設(shè)計(jì)航線方案，有效解決光伏面板斜率較大的問題。

2.3 應(yīng)用光伏組件功率預(yù)測技術(shù)

為提升光伏電站的運(yùn)維效果，本項(xiàng)目積極應(yīng)用光伏組件功率預(yù)測技術(shù)，結(jié)合具體情況合理分配系統(tǒng)模塊。具體包括數(shù)值天氣預(yù)報預(yù)測、數(shù)據(jù)庫以及發(fā)電功率預(yù)測等系統(tǒng)模塊。其中，天氣預(yù)報系統(tǒng)模塊主要是利用計(jì)算機(jī)科學(xué)以及氣象學(xué)等知識，采取一定范圍內(nèi)的天氣情況實(shí)時預(yù)測。通過建立數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)維管理的有效支持[1]。對氣象信息實(shí)時采集的過程中，為充分反映光伏電站周圍一定范圍內(nèi)的氣象條件，應(yīng)用氣象信息采集系統(tǒng)，運(yùn)用環(huán)境信息觀測儀器充分對電站元件進(jìn)行檢測，確保沒有障礙物的基礎(chǔ)上實(shí)施測量工作，其中需嚴(yán)格落實(shí)測量設(shè)備要求，如表1所示。

表1 測量設(shè)備主要參數(shù)要求

預(yù)測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模塊則是需要將光伏發(fā)電站整體數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理，如實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等。充分發(fā)揮數(shù)據(jù)庫技術(shù)優(yōu)勢，便于查詢數(shù)據(jù)。光伏發(fā)電功率預(yù)測模塊的應(yīng)用主要是以數(shù)學(xué)建模為基礎(chǔ)，積極應(yīng)用相關(guān)的預(yù)測算法，實(shí)現(xiàn)對發(fā)電功率的整體估算。

2.4 應(yīng)用環(huán)境監(jiān)測技術(shù)

結(jié)合實(shí)際需求具體分析，由于光伏電站位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，在實(shí)際監(jiān)測期間，采用人工管理方式無法實(shí)現(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)的全面收集，影響工作效果。為實(shí)現(xiàn)對光伏電站整體運(yùn)行情況的合理調(diào)度，提高運(yùn)行效率，本項(xiàng)目積極應(yīng)用環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，結(jié)合具體情況完善光伏電站環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)。

全面收集運(yùn)行期間的溫度以及濕度等信息，便于及時開展遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測活動。例如，光伏電站火災(zāi)隱患的監(jiān)控。在本項(xiàng)目運(yùn)行期間，由于會受到多種因素的影響，火災(zāi)概率較高。為強(qiáng)化對光伏電站環(huán)境趨勢的預(yù)測，可運(yùn)用Gauss 煙流模型合理預(yù)測PM2.5趨勢，以此實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)隱患的實(shí)時監(jiān)測[2]。在發(fā)生火災(zāi)現(xiàn)象時，受燃燒現(xiàn)象的影響，在區(qū)域內(nèi)PM2.5會產(chǎn)生異?，F(xiàn)象，針對煙霧擴(kuò)散計(jì)算公式為：Q=K×A×exp（-α×h）。

其中：Q代表煙霧流量，K代表擴(kuò)散系數(shù)，A代表截面積，h代表高度，α代表與空氣混合物成分、溫度和壓力等因素有關(guān)的常數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，此公式描述了煙霧在空氣中的擴(kuò)散過程，其中K、A和h是已知的常數(shù)，α是取決于各種因素的常數(shù)。根據(jù)煙霧濃度隨時間和空間的分布情況，可以使用這個公式來計(jì)算煙的流量。

2.5 建設(shè)集中監(jiān)控中心

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)出發(fā)，本項(xiàng)目運(yùn)用光伏發(fā)電站集中監(jiān)控技術(shù)合理建設(shè)集中監(jiān)控中心，從多方面出發(fā)實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)控與管理。在這一過程中，借助云端大數(shù)據(jù)、預(yù)警機(jī)制、傳感器網(wǎng)絡(luò)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控等各項(xiàng)技術(shù)，有效提高整體監(jiān)控效果。在運(yùn)用監(jiān)控期間，通過運(yùn)用光伏電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，可以對光伏電站運(yùn)行情況實(shí)施診斷分析，借助互聯(lián)網(wǎng)平臺優(yōu)勢，對各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理。在此基礎(chǔ)上，通過將接收并處理過的信號向調(diào)度中心發(fā)送，使其在接受的基礎(chǔ)上順利執(zhí)行所下達(dá)的命令。同時，結(jié)合實(shí)際需求，可建立跨地域數(shù)據(jù)平臺，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營數(shù)據(jù)的高效傳輸。

針對遠(yuǎn)程監(jiān)控中心而言，其能夠通過監(jiān)控數(shù)據(jù)的變化做出相應(yīng)措施，一旦數(shù)據(jù)產(chǎn)生異常情況則可立即對其實(shí)施處理，有效降低風(fēng)險影響，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的維護(hù)以及故障快速響應(yīng)。集中監(jiān)控中心的建設(shè)并應(yīng)用可有效滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的需求，通過對其進(jìn)行集中監(jiān)視控制，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)化的信息交換。從根本上來說，可以實(shí)現(xiàn)光伏電站“少人值守”甚至“無人值守”目標(biāo)，良好適應(yīng)企業(yè)減員增效發(fā)需求，進(jìn)而為整體經(jīng)濟(jì)效益提供保障。

2.6 建立光伏運(yùn)維平臺

近年來，光伏電站建設(shè)數(shù)量在逐年上升，隨需求不斷增長的情況，實(shí)際運(yùn)維工作難度較高，且具有一定安全隱患，在運(yùn)維過程中各項(xiàng)隱患類事件具有不易察覺的特點(diǎn)，并且設(shè)備數(shù)量基數(shù)較大。本項(xiàng)目通過建立光伏運(yùn)維平臺，積極利用相關(guān)軟件技術(shù)及云服務(wù)功能，采用GPRS 無線通信，從根本上優(yōu)化功能模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的全面解析與處理[3]。

針對光伏運(yùn)維平臺總體架構(gòu)而言，其主要包括應(yīng)用層、傳輸層等。通過利用傳感器優(yōu)勢，全面采樣各項(xiàng)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對其實(shí)施有效處理并傳送至云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總以及存儲等功能，進(jìn)而對光伏發(fā)電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制以及智能調(diào)度。從根本上來說，光伏運(yùn)維平臺作為監(jiān)控系統(tǒng)的重要部分，在具體應(yīng)用期間，主要工作職能是定時發(fā)送查詢命令。將查詢數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲之后，便于管理人員進(jìn)行查看，以便了解光伏電站運(yùn)行情況。其中，實(shí)時通信技術(shù)作為至關(guān)重要的內(nèi)容可采用Ajax 技術(shù)，充分發(fā)揮該項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢，使其與服務(wù)器進(jìn)行高質(zhì)量通信，在有效交換數(shù)據(jù)的同時確保后續(xù)查看時的流暢性以及準(zhǔn)確性[4]。

2.7 實(shí)施混合儲能配置策略

為增強(qiáng)光伏能源的利用效率，優(yōu)化光伏發(fā)電站供給方式，提升光伏發(fā)電站整體運(yùn)維與管理效率，本項(xiàng)目基于大數(shù)據(jù)、分析等技術(shù)出發(fā)，開展混合儲能優(yōu)化配置策略，有效增強(qiáng)電網(wǎng)安全性能。光伏發(fā)電具有隨機(jī)性，發(fā)電期間實(shí)際出力波動性較大，會對電網(wǎng)造成一定影響，導(dǎo)致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。在傳統(tǒng)運(yùn)維技術(shù)中主要是采用限電上網(wǎng)等方式，減緩沖擊影響。但是該種方式具有一定缺點(diǎn)，會造成資源浪費(fèi)的同時降低發(fā)電利用率。在此背景下，項(xiàng)目運(yùn)用儲能系統(tǒng)，平穩(wěn)輸出電力的同時解決光伏缺額的問題，實(shí)現(xiàn)能源利用最大化目標(biāo)[5]。

從根本上來說，光伏發(fā)電具有間歇性特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)儲能、經(jīng)濟(jì)性以及穩(wěn)定性的協(xié)同發(fā)展，可建立混合儲能充放電模型，采用蓄電池以飛輪為核心，從能量型以及功率型兩方面出發(fā)，實(shí)現(xiàn)儲能目標(biāo)。在充分考慮光伏并網(wǎng)功率平抑性與經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，可以建立混合儲能優(yōu)化配置模型，以投資、運(yùn)行、維護(hù)以及懲罰成本為指標(biāo)。

其中，維護(hù)成本主要是指定期維修所造成的成本支出；而運(yùn)行成本則是指儲能裝置在長時間持續(xù)運(yùn)行中產(chǎn)生的損耗。在這期間，其深度放電、過度放電等行為對儲能裝置的使用壽命具有一定影響，需嚴(yán)格控制使用次數(shù)，一旦達(dá)到峰值則需對其實(shí)施更換。綜合考量方面成本支出的基礎(chǔ)上，可強(qiáng)化對充放電功率的控制，最大限度上發(fā)揮儲能電池的實(shí)際優(yōu)勢，避免產(chǎn)生頻繁放電的現(xiàn)象，以此提高發(fā)電站的運(yùn)行效果[6]。有鑒于此，本項(xiàng)目針對性地建設(shè)了混合儲能設(shè)施，取得了良好的社會與經(jīng)濟(jì)效益。