以数字信息技术助力打造智能光伏电站

华为智能光伏电站解决方案 ■ 许映童

0 引言

作为全球领先的信息与通信解决方案供应商，华为进入光伏领域后，一直在思考将华为数字信息技术领域的深厚积累引入光伏领域，通过跨界融合和创新，为光伏产业持续健康发展贡献力量。华为在与广大客户的沟通交流中，基于对光伏产业和电站运营的深入理解，提出 “硅进铜退”的产品设计理念和“智能光伏电站”创新解决方案，获得规模应用，并于2014年4月发表了《华为，以技术创新助力光伏产业持续健康发展》的主题文章，系统性地阐述了华为的价值主张，得到业界高度认同和广泛共鸣。在5月中国上海SNEC展会及6月德国慕尼黑Intersolar展会上，华为智能光伏电站解决方案又掀起了新一轮应用高潮，和全球多家顶级电站投资运营商签署了合作协议。2014年上半年，华为智能光伏电站解决方案累计获得订单超过2 GW。

图1

在华为智能光伏电站解决方案规模应用过程中，客户给予了我们许多宝贵建议，启发我们进一步思考：数字信息技术与光伏技术的融合不仅在逆变器本身，而要把电站作为可交付的产品，在光伏电站系统层面进行创新；只有这样才能给客户创造更大价值，才能突破行业发展瓶颈，才能真正引领光伏技术革命。

同时，我们也深刻认识到光伏行业的持续健康发展需要全产业链的共同努力和参与。我们愿意分享智能光伏电站解决方案的理念和最新研究成果，和更多合作伙伴一起来共同完善智能光伏电站解决方案，将其打造成一个开放的平台，迅速扩大智能光伏电站应用规模，增强光伏行业竞争力，从而带动产业升级。

本文主要从以下3个方面对智能光伏电站解决方案进行阐述：光伏发电的机遇与挑战、智能光伏电站的定义和理念、智能光伏电站的关键技术和客户价值。

1 光伏发电的机遇与挑战

光伏发电作为可再生能源的重要组成部分，由于具备直接利用效率高、可持续发展、绿色无污染、可灵活部署等优点，在能源供给体系里占有越来越重要的位置，正持续向上快速发展。预计2014年全球光伏市场新增装机接近50 GW，中国、日本、美国和英国等国家将成为下半年光伏市场的主要推动力。

光伏行业存在巨大潜力和发展机遇的同时，也面临严峻挑战：

1)目前光伏发电成本相比化石能源等偏高，为保证收益，需要降低成本。当前单纯依靠部件降成本，导致产品质量下降的矛盾越来越突出，影响整个光伏行业的可持续发展，亟需技术突破和变革。

2)现有传统电站建设模式，无法应对场景多样性的要求。如防护等级低，不适应风沙、盐雾等恶劣环境；MPPT路数少，无法有效应对衰减、遮挡、朝向不一致等导致的组件不匹配，减少发电量；存在大量熔丝、风扇等易损部件，建设和维护工作量大，增加管理和维护成本。

3)光伏的存量规模越来越大，管理维护越来越困难。以管理1 GW电站来说，系统有4百万块组件，2万个汇流与逆变节点，分散在全国乃至全球不同区域。现有维护主要依靠人工巡查和手工报表等方式，运维人员和工作量将随电站规模呈几何级数增加，规模增加但没有带来规模效益。如果没有一套完整的管理解决方案，大规模部署和长期运营将难以为继。

要应对上述挑战，局限在光伏技术和电力电子领域是远远不够的。华为主张一是要从电站端到端全流程系统角度进行思考和创新，发挥系统组合的优势；二是要考虑跨界的技术融合和创新。传统的电力电子行业发展相对缓慢，更多地依赖硬件成本降低和单一产品性能提升，而ICT(信息通信技术)领域的发展遵循摩尔定律，每18个月同等价格的产品性能提升一倍，互联网的快速发展已经深刻地改变了人类生活及社会管理方式。将信息领域的最新成果引入光伏行业，通过两者的跨界融合，实现降低初始投资和运维成本，提高系统发电量，从而推动光伏行业的突破性发展和变革。

2 智能光伏电站的定义和理念

智能光伏电站是以光伏电力变换与电力传输网络为基础，将现代先进的数字信息技术、通信技术、互联网技术、云计算技术、大数据挖掘技术与光伏技术高度融合而形成的新型电站。它以充分满足客户对光伏电站的高发电量、低初始投资、低运维成本、高可靠性和安全性等需求为目的，在25年生命周期内，实现高收益、可运营、可管理、可演进。

智能光伏电站有两大核心理念：一是全数字化电站，二是让电站更简单。

2.1 全数字化光伏电站

首先是对现有光伏发电部分进行智能化改造，使传统的逆变器不仅是发电部件，而是一个集电力变换、远程控制、数据采集、在线分析、环境自适应等于一体的智能控制单元，成为电站的神经末梢与区域控制的中心；其次，通过对现有RS485等低速传输通道的升级，使整个电站形成融合语音与视频通信、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；最后，收集到的电站完整信息统一上传到云端存储，利用大数据分析与挖掘引擎，实现对电站的智能化管理及电站性能的持续优化。

图2是智能光伏电站的整体架构图，橙色部分是光伏电站智能化改造的重点。

图2

2.2 让电站更简单

无逆变器房、直流汇流箱等系统多余设施，无熔丝、风扇等易损部件，实现电站的简洁化、标准化交付；电站所有部件能满足风沙、盐雾、高温高湿、高海拔等各种复杂环境下25年免维护、可靠运行的质量要求，建设与运维更加简单，最大程度保护客户投资。

通过全数字化电站、让电站更简单等创新理念，最终打造“智能、高效、安全、可靠”的智能光伏电站整体解决方案，实现客户价值最大化。

3 华为智能光伏电站的关键技术与客户价值

3.1 智能

1)全数字化光伏电站，使电站真正实现“可信、可视、可管、可控”。智能控制器实现对每一路电池组串电流电压等信息的高精度采集(检测精度达到0.5%以上)，通过高速互联网络，传送到光伏电站控制中心进行进一步处理，实现“可信”与“可视”；由于传送带宽的增加和传输时延的减少(达到ms级)，大大提高电站的控制速度，实现“可控”；通过华为打造的开放的电站管理系统及大数据分析引擎，实现电站的“可管”。光伏电站数字化后，为未来业务和商业模式创新奠定了基础。如通过移动互联网，用户可认购指定位置的电池板或组串，并通过手机App实时获取收益情况。

2)大数据分析引擎和专家运维系统的引入，及时发现潜在缺陷，挖掘收益提升空间。通过数据实时采集、云存储和在线专家分析系统，电站可自动体检，给出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，实现预防性维护；积累长期运营数据，综合分析自然环境、辐照量等环境因素，通过对智能控制单元算法在线调整或软件升级，使电站在不同环境下系统部件运行处于最佳匹配状态，实现收益最大化。

3)创新组网方案，打破现有设计束缚，从简化建设、最佳系统性能匹配、简化维护等角度，重新对组件、线缆、逆变器、升压变、监控与数据采集单元等系统部件进行组合优化；同时，减少部件种类，更加标准化，更利于自动化生产；通过工厂预装和接插件安装，减少现场施工成本，提高施工质量。

4)打造“可升级、可扩容、可演进”的光伏电站。当组件技术进步、运行环境发生变化时，利用智能控制器的软件可远程在线升级。后向兼容设计等特性，无需更换网上运行设备，通过算法升级就能享受最新的技术成果，最大化重用现有设备。

5)智能主动电网自适应技术。利用智能控制器的高速处理能力、高采样和控制频率、控制算法等优势，主动适应电网的变化，实现更好的多机并联控制，更佳的并网谐波质量，更好地满足电网接入要求，提高在恶劣电网环境下的适应能力。

3.2 高效

1) 高效发电。

简洁化的组网方案降低系统损耗；多路MPPT技术，降低遮挡、灰尘、组串失配的影响，平坦地形下发电量提升5%以上；在屋顶、山地电站中降低不同朝向、阴影遮挡的影响，发电量提升8%～10%；与跟踪系统的配合使用，跟踪控制与控制器集成，能实现对支架的独立跟踪，提升发电量，智能控制器和跟踪支架成为最佳伴侣。

2) 高效运维。

管理大师德鲁克说过：“没有度量就没有管理”。全球化、分层部署的电站管理与运维系统，使部署在不同位置的电站在逻辑上当做一个电站进行管理。总部能全局掌握各个电站的运行情况和收益对比，为考核及管理改进奠定基础。分布在各地的电站，可通过无人机实施大范围巡检；一线人员通过定制化的运维智能终端，实现与总部专家运维团的视频、语音、位置与故障信息的实时互动，实现前后方远程协同运维，降低一线运维人员的技能要求，最大化的重用总部专家资源，实现人员的最优化配置，提高系统的维护效率。

3.3 安全

1) 安全规避PID效应。

PID导致的组件功率衰减会极大地影响投资收益。通过智能控制器自动检测组件电势，主动调整系统工作电压，使电池板负极在无需接地的情况下，实现对地正压，有效规避PID效应。由于电池板负极无需接地，加上逆变器内部的残余电流监测电路，能在检测到漏电流大于30 mA的情况下，150 ms内切断电路，实现了主动安全。

2) 智能光伏电站对环境友好。

智能控制器无风扇设计，实现了29 dB的低环境噪声；无需土建机房，减少对植被及土壤等环境破坏；电磁辐射小，保护人体健康。智能光伏电站实现了人与环境的和谐共处，大幅增加了光伏电站的适用范围，为光伏入户创造了条件。

3) 降低直流传输距离，实现主动安全。

直流的安全传输与防护是重点，也是难点。智能光伏电站采用无直流汇流设计，组串输出的直流电直接进入逆变器变为交流电，进行远距离传输，主动规避直流传输带来的安全和防护问题，降低直流拉弧带来的安全隐患，使电站更加安全。

3.4 可靠

IP65防护等级，实现内外部的环境隔离，使器件保持在稳定的运行环境中，降低温度、风沙、盐雾等外部环境对器件寿命的影响；减少易损件使用，无熔丝、风扇等需定期更换器件，实现系统免维护；借鉴华为通信基站产品全球海量发货及部署的设计和质量管理经验，从器件到系统实现25年可靠性设计及寿命仿真，加上严格的验证测试，保证系统部件在整个生命周期内无需更换，可靠经济运行。

4 总结

“智能、高效、安全、可靠”的智能光伏电站解决方案已经得到越来越广泛的部署和应用。在不增加客户投资的情况下，提升系统发电量、提高维护效率、增强系统安全性、实现25年可靠运行等优点，获得越来越多客户的认可。我们相信，融合了数字信息技术、互联网技术与光伏技术的智能光伏电站解决方案，能帮助客户更好地解决光伏电站面临的问题和挑战，顺应能源发展大势，成为业界主流，推动产业升级。

正如杰里米·里夫金在《第三次工业革命》一书中向世人描绘的美好未来：在新时代，数以亿计的人们将在自己家里、办公室里、工厂里生产出自己的绿色能源，并通过“能源互联网”进行分享。新时代的序幕刚刚开启，而机会将更多的眷顾那些锐意进取、勇于创新，积极拥抱变化的人们。华为希望在智能光伏电站的开放平台上，与合作伙伴一起共同分享与成长，引领绿色能源技术革命，开创绿色能源的美好未来！