浅谈电气自动化在光伏发电产业的应用

刘海燕

国能蚌埠发电有限公司 安徽 蚌埠 233000

引言

当今世界正面临着一个世纪以来前所未有的巨大变化，全球发展也面临着新的形势和挑战。“力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和”重大战略决策的提出，为国家能源发展指明了方向。同时，国家对今年推进碳达峰、碳中和进行了全面动员和系统部署，明确指出要建设以新能源为主体的新型电力系统。太阳能作为地球上最丰富的能源，同时清洁无污染，因此其势必在能源发展的道路上成为焦点。光伏组件作为一种可以直接将太阳能转化为电能的装置，同时其可以集中式也可分布式，因此光伏发电成为太阳能利用方法中的佼佼者。

1 光伏工程建设必要性

1.1 可持续发展的需要

我国能源供应格局以煤炭为主体，促进国民经济和社会发展的同时带来了日益突出的环境问题。煤炭的开采会导致环境破坏问题，而煤炭的燃烧会释放大量的温室气体。光伏发电产业的发展完全符合国家可持续发展的需要，符合国家大力推广利用太阳能光伏的决心和建设节能低碳社会的发展战略。

1.2 发展太阳能资源的需要

我国太阳能资源丰富、电网容量大的区位优势是世界罕见的。大力开展大型光伏电站建设，对于充分利用国内丰富的太阳能资源，减少温室气体排放，建设绿色电力，带动新能源建设、推广和利用具有重要意义。

1.3 经济发展的需要

光伏发电产业的发展和壮大对促进新能源的利用，提高单位工业GDP能耗，减少温室气体排放具有重要意义。同时，每年的光伏发电量也为各地带来了较为可观的财政收入[1]。

2 光伏发电系统组成

2.1 电池方阵

电池方阵是光伏发电系统的重要部件之一。它是能够将光能转换成电能的器件。光伏发电系统的容量和电池方阵串联的数量息息相关。电池方阵安装的倾角也对电池方阵的利用有直接影响，比如在北半球的国家，电池方阵的采光面应面向南方布置，并与太阳光线垂直。在日常生产维护时，检修人员也应定期巡检，保持电池方阵表面清洁，防止由此造成的转换效率降低。

2.2 蓄电池组

蓄电池组同样是光伏发电系统的重要部件。太阳能虽是无限存在的，但是难免碰到阴雨天，而蓄电池组的作用在此时便体现了出来。太阳能电池组件的作用是将太阳能转化为电能，供给电网的同时可以给蓄电池组充电，当夜晚或阴雨天来临时，便由蓄电池组进行放电，维持负载工作。由此可知，太阳能蓄电池应该具备以下特性：价格低廉；使用寿命长，特殊的工艺设计和胶体电解质保证的长寿命电池；少维护或免维护；过充和过放能力强；深放电能力强；自放电率低；充电效率高；工作温度范围宽。

2.3 充放电控制器

充放电控制器是光伏发电系统的核心控制部分。它的主要功能就是防止蓄电池的过充电和过放电。当蓄电池过充电时，会使电池中的电解液汽化，引发电池故障。而当蓄电池过放电时，则会严重影响蓄电池的容量，导致蓄电池寿命大大降低。充放电控制器的目的就是对蓄电池的充放电加以控制，同时能够根据负载实时需求调配电能的输出。

2.4 逆变器

逆变器是光伏系统必不可少的一部分。由于太阳能电池和蓄电池输出都是直流电源，而上网及负载消耗的都是交流电源，因此能将直流电转化为交流电的逆变器是不可或缺的一环。逆变器的核心就是逆变电路，该电路是通过电力电子开关的导通与关断，来完成逆变的功能。同时逆变器在光伏电站另外一个作用便是可以提供一定量的无功输出，但当逆变器的无功容量无法满足系统需求时，光伏电站还应配置无功补偿装置[2]。

3 电气自动化在太阳能光伏发电中的应用

3.1 根据远动信息的传输必须满足电网调度自动化的实时性要求

根据调度管理关系及调度对光伏项目的要求，远动信息应采用调度数据网双平面方式传输到调度，通道须具备一定的传输质量，远动通道的具体设计可由通信专业统一组织。

3.2 电力监控系统安全防护工作

遵循“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证、综合防护”的基本原则，在建设规划时应与主体工程同步规划、同步建设、同步运行。光伏电站电力监控系统主要防护范围包括：控制区光伏电站运行监控系统、无功电压控制、发电功率控制、升压站监控系统、继电保护等；非控制区光伏功率预测系统、电能量采集装置、故障录波等。如图1所示。

图1 光伏电站安全防护分区示意图

而安全防护的重点就是保证光伏电站自动化系统和调度数据网络的安全，典型安全防护方案应满足如下条件：第一，在数据网安全Ⅱ区的设备接入电力调度数据网前应加装纵向加密装置。比如电能量计量系统、光伏发电功率预测系统等。第二，在数据网安全Ⅰ区与安全Ⅱ区的各业务应通过防火墙进行隔离。第三，在数据网安全Ⅰ区的设备接入电力调度数据网前应加装纵向加密认证装置，比如NCS设备、远动RTU设备、有功功率控制AGC设备、无功功率控制AVC设备、相量测量PMU设备以实现远程通信实体间的认证和加密保护。第四，在数据网安全Ⅰ区的设备应接入调度数据网实时逻辑子网，而在数据网安全Ⅱ区的设备应接入调度数据网的非实时逻辑子网。第五，因网调1084号文要求，应配置网络安全监控装置和入侵检测装置。

3.3 电能量远方终端设备的配置及对电能表的要求

3.3.1 电能量远方终端的配置。由于光伏电站建成后的电能量结算主要由相关电力交易中心负责，故光伏电站内应配置电能量远方终端设备，该设备需符合相关电能计量系统的要求，以便方便地接入相关电量计费主站系统。

3.3.2 计量关口点（配置主、副双表）设置。根据接入系统方案和产权划分原则，应在资产分界点设置计量关口点，对侧设置校核点。

3.4 时间同步系统

为保证站内所有设备时间同步性，确保相关联动设备实时协调性，光伏电站升压站内应配置公用的时间同步系统。主时钟源应采用双重化的配置，同时支持北斗系统信号和GPS信号，并优先采用北斗系统。时间同步系统的全面投入，也会在现场事故发生后历史追溯和事故分析中提供特别大的帮助。

3.5 相量测量装置

光伏电站升压站内应配置同步相量测量（PMU）系统（相量集中器双重化配置），通过采集并网线路、集电线路、SVG 线路、主变各侧的电流、电压幅值及相角、有功功率、无功功率和频率，处理后送往相关调度源网动态性能在线监测系统。

3.6 光伏发电功率预测系统

第一，短期功率预测一般是通过气象部门发布的天气预报信息，对光伏电站未来3天的发电功率进行预测，然后上报调度主站。第二，超短期功率预测是对光伏电站未来4小时的发电功率进行预测后上报调度主站。

3.7 无功电压控制系统（AVC）

考虑到光伏电站为电网系统提供一定的无功储备，在建设时会要求电站配置无功补偿装置。那么同火电一样，电站也应配置无功电压控制系统，该系统是从全局对无功功率进行整体协调控制，合理分布电网无功，从而提高电能质量，保障电网安全稳定运行。

3.8 有功功率控制系统（AGC）

考虑到调度主站对电网电源的整体把控，更好地掌握电网潮流分布及控制，光伏电站应配置有功功率控制系统。该系统应能在接收到调度主站下发的有功控制指令或调度计划曲线后，实时调整光伏电站总出力，且精度不超过范围。对于异常指令，系统应设置合理地调节上下限进行约束，防止欠调或超调[3]。

3.9 一次调频系统

频率作为电力系统中最重要的运行参数之一，其对电力系统的稳定性作用不言而喻。系统频率无论是过高或过低，都会对电能质量产生极大影响，都会对用电设备产生不好的影响。严重时甚至会导致电网崩溃，因此保障电网频率的稳定显得尤为重要。华东电监会关于“两个细则”的通知，就为新能源电厂一次调频提供了性能指标要求。

4 结束言

根据相关预测到2030年太阳能发电总量约10.25亿千瓦，占比全国电源装机总量27%，到2060年太阳能发电总量约38亿千瓦，占比全国电源装机总量47.4%。由此可见，太阳能光伏发电必定大有可为。本文以华东某省光伏发电站建设为例，系统分析了电气自动化在太阳能光伏发电中的应用，并对存在的相关要求进行了提示，文中对于有关电气自动化在光伏发电产业发展中所起的作用分析可能尚不彻底，还需要在以后的发展中多关注，新形势下国家标准、调度规范的修订完善，使电气自动化在光伏发电产业发展中更好赋能。