分布式光伏发电站的设计及智能监控系统的应用

2014-03-26邝坚文黄永基

机电工程技术 2014年4期

关键词：汇流分布式报警

邝坚文，黄永基

（广州南洋电器有限公司，广东广州 510050）

0 前言

随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突出，太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高效等特点，已成为世界各国关注和重点发展的新兴产业[1]。

光伏发电的主要原理是半导体的光电效应，也即利用光生伏特效应原理，将太阳辐射能量直接转换成电能的发电系统。主要由光伏电池板、汇流箱、并网逆变器、配电柜及其他设备组成[2]。

光伏发电系统分为独立光伏系统和并网光伏系统，并网光伏发电又分为集中式大型并网光伏电站和分布式小型并网光伏电站，而分布式小型光伏发电由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。

1 分布式光伏发电系统的主要设备

（1）太阳能电池板：光伏组件是室外安装的发电设备，是光伏电站的核心设备，具有非常的耐候性、能在室外严酷的环境下长期稳定可靠地运行，同时具有高转换效率。其性能特点如下：①25年产品功率质保、安装方便、抗风、抗冰雹能力强；②组件衰减少，十年内输出功率的衰减小于10%，二十年内输出功率的衰减20%，年平均衰减小于0.8%。

（2）直流汇流排箱：汇流箱最多可以连接24路直流输入，并且为光伏组件提供保护和监测，可以优化电缆连接，缩短系统停机时间，方便维护。其功能要求如下：①采用光伏专用高压直流保险丝，对正、负极同时保护；②满足同时接入多路太阳电池组串，每个正、负极接线端子接一路光伏专用熔断丝；③采用光伏专用防雷器，工作电压达到直流1 000 V；④能够接入最大太阳电池组串开路电压（最大直流电压）为1 000 V以上。

（3）并网逆变器：其功能要求如下：①逆变器应具有过载、短路、电网断电、电网过欠压、电网过欠频保护和告警功能；②逆变器采用太阳电池组件最大功率跟踪技术；③逆变器400 V/50 Hz输出高效、节能、安全；④功率因数、有功和无功功率可调/可控，低电压穿越，防孤岛保护；⑤采用技术先进成熟的逆变技术，具有高转换效率；⑥具备防雷保护措施；⑦拥有优良的冷却通风系统。

（4）低压开关柜：按用户要求配置。

2 智能监控系统的硬件与软件部分

监控系统包含光伏电站主要设备及光伏电站的数据采集、低压开关柜保护测控装置运行状态监控、电能质量数据采集、数据上传等功能。

2.1 智能监控系统的硬件部分

整个系统由中控室监控系统、通讯网络、现场智能监测设备组成，系统网络结构图如图1所示。监控系统安装在中央控制室，包括一台监控电脑及用于报表、曲线及报警打印的打印机；通讯网络由以太网工业交换机、通讯管理机以及通讯电缆、光纤组成；现场智能数据采集器用于光伏电站中采集、监控逆变器的工作状态及运作信息，以及开关柜、电表、汇流箱与环境检测仪等设备数据，不仅可以实时传输所监测设备的数据至后台上位机，还可以接收来自电网调度中心的开关量控制指令或者模拟量控制指令，实现对逆变器有功功率、无功功率、功率因数、开关机等远程操作，实现远程调度功能。通过光纤以太网与中控室监控电脑连接，使整个系统实现对光伏发、配电的监视、分析和管理[3]。

图2 监控系统功能拓扑图

图1 监控系统网络结构图

2.2 系统软件功能

系统功能拓扑图如图2所示。

（1）设备运行监测功能：系统自动采集汇流箱、逆变器、并网开关状态、环境检测仪、电表、开关柜、无功补偿器等设备的各类实时数据，然后进行数据处理，以达到对设备的运行状态进行监视、性能参数进行检测、环境设备进行控制的功能。

（2）数据传输功能：系统能上传实时采集到的数据，并能够对数据缓存，当网络中断和恢复时，自动补传数据，保证数据的完整性和可靠性。

（3）设备控制功能：系统能接收现场智能监控设备的控制指令，并及时将命令下发到现场设备，在现场设备执行命令后，及时将运行结果上报到监测中心。

（4）自动化配置功能：系统能根据当前监测点的信息，进行基本参数的自动化配置，使布署和维护更加方便。

（5）数据加密功能：为了保证数据可靠性，系统能够对传输的数据自动加密和解密，并能根据传输的数据自动识别密码。

（6）报警管理功能：

①实时报警功能：系统能实时反映当前的故障信息，并对故障信息自动归类、分级，并提供声、光、电等提醒方式；

②历史报警信息功能：系统能对历史报警信息进行综合分析统计，为提高产品质量提供运行数据支撑。

（7）工单管理和日志管理功能：系统能够记录用户所有操作并定时进行操作审计工作。

（8）用户管理功能：系统能够对用户增加、删除、锁定、解锁、用户组管理、缺省配置等进行管理。

（9）统计报表模块功能：系统能为管理人员提供需要的功能报表，有日、月、季、年等不同方式，以及电站的分时段发电量报表。

（10）数据存储和数据挖掘功能：

①系统能存储25年的配置数据，并能够追溯历次修改原因，能随时调阅存储的数据；

②系统能从年运行的海量数据中挖掘出效果好的设备，并能对这些数据进行长期存储20年以上。

（11）发电量预测和诊断功能：系统能对发电站上空的云层情况，未来的相应时间段的发电量进行预测。对恶劣天气情况能够预警，提前对设备采取适当的保护措施。

（12）视频监控功能：系统可以监视到每个模块，从而实现“遥视”。

（13）微网监控功能：监控系统需能够监视微网系统光伏逆变器、负载、独立逆变器、上位机、数据采集器等设备的工作状态，能够对光伏逆变器进行限功率控制，亦能够对光伏并网逆变器、光伏模拟器、智能电表等进行遥测和遥信。主要实现削峰平谷、峰谷电价差以及调压调频的基本功能。

（14）金太阳住建部接口功能：给金太阳和住建部提供数据接口。

3 工程实例

某大型设备加工厂，利用其现有的可有效利用的10 000 m2的屋顶，根据用户的实际情况，按以上的设计方案，建设了一个发电量为1 MW的光伏项目。

3.1 系统组成

系统组成见表1。

表1 系统参数

3.2 光伏发电系统的主要设备

（1）太阳能电池板：多晶硅250WP，4 000块，其性能要求如下：①高效率的晶体硅太阳能电池；②抗老化EVA胶膜及优良耐候性TPT背板；③阳极氧化处理铝合金边框及防水接线盒；④高透光率，采用高透光率低碳绒面钢化玻璃封装。

（2）直流汇流排箱：采用防护等级达到IP54/65，能满足室外安装要求的密封型机柜，并行连接16路直流输入汇流箱12个，同时具有以下功能：①组串电流异常报警；②组串电压异常报警；③防火灾报警功能；④防雷器失效报警；⑤开关状态监测；⑥分析电流量，对有故障的光伏阵列报警；⑦能接收本地监控装置的参数下载，进行分析处理的汇流箱。

（3）并网逆变器：①能够清晰显示实时各项运行参数，实时故障数据，历史故障数据，总发电量数据，历史发电量数据；②多种通讯接口，接受MODBUS RTU和MODBUS TCP/IP通讯协议，与后台监控软件具有良好的兼容性的逆变器1套/2台。

（4）现场智能数据采集仪：选用可监测环境监测仪、并网逆变器、光伏汇流箱、电表、配电设备的实时运行状况，还具备接收和执行网络调度指令的功能的现场数据采集仪4台。

（5）监控系统：可对太阳能光伏电站里的电池阵列、汇流箱、逆变器、交直流配电柜、电表、太阳跟踪控制系统等设备进行实时监测，为上层数据中心提供丰富的数据接口。

（6）低压配电柜：满足用户的用电要求。