电气自动化在太阳能光伏发电中的应用

广东水电二局股份有限公司 杨永刚

1 相关简述

1.1 基本概述

同其他能源获取方式相比，太阳能光伏发电主要是利用太阳能资源自身所具有的光伏效应，实现对太阳光散射辐射，以及太阳光反射辐射等资源的科学收集和转化，再结合专业的设备，如放电控制器，蓄电池以及逆变器等设备，对这些资源进行科学转换，从而获得生产与生活所需的能源。利用太阳能光伏发电系统，能够将太阳能资源转变为电能资源，再借助逆变器实现能源转化目标，满足负载用户的相关需求[1]。

1.2 太阳能光伏发电的现状

太阳能属于一种清洁无污染的可再生能源，将太阳能光伏发电作为生产与生活所需电力资源的主要获取模式，是太阳能资源的主要利用方向，并且随着太阳能光伏发电规模与需求量的不断提升，为太阳能光伏发电的有序发展和完善提供了重要的促进作用。相比于西方发达国家的太阳能光伏发电，我国现阶段的太阳能光伏发电与其存在较大的差异性，但是随着国家政策的不断强化，我国光伏发电规模发展迅速。2017年，我国太阳能光伏发电装机容量达到了近几年的鼎盛，在光伏“531”政策的作用下，我国太阳能光伏发电量装机容量仅在2018年到2019年出现略微下降。但是从整体角度而言，我国从2013年至今，光伏发电量以直线式的趋势进行增长，我国现阶段已经成为光伏发电的全球最大市场，光伏发电产业也一度成为全球性的战略发展项目。

1.3 太阳能光伏发电的基本原理

光生伏特效应是太阳能光伏发电的基本原理，换而言之就是利用太阳能电池对不同形式的太阳辐射能量进行有效收集，如太阳散射辐射、太阳反射辐射以及太阳直接辐射，利用专业的设备将其转化为电能资源，从而满足人们工作与生活的电能需求[2]。在太阳能光伏发电系统中，主要由以下设备所组成，即太阳能电池组（太阳能电池方阵）、蓄电池、逆变器与控制器以及交流负载和直流负载等设备，其原理结构如图1所示。

图1 太阳能光伏发电的基本原理

2 太阳能光伏发电的应用优势

针对太阳能光伏发电而言，具有许多其他发电形式所没有的应用特点，所以在综合性能方面，太阳能光伏发电具有太阳能资源可再生、地域因素影响小、安全无污染、设备使用寿命长等显著的应用优势。

2.1 太阳能资源可再生

太阳能资源属于一种清洁型可再生的新能源。因为太阳能本身不会出现枯竭现象，那么市场能源波动因素则不会对太阳能光伏发电产生影响，能有效保障整个太阳能资源使用系统的稳定性[3]。

2.2 地域因素影响小

太阳能光伏发电主要是依托太阳能在地球自转作用的影响下，即便是在不同的地区，都可以接受阳光的照射，这便能直接避免地域因素对太阳能光伏发电的影响和制约。虽然在电能资源的输送环节会存在相应的损失，但是在发电过程中使用的燃料也能对其进行相应的补充处理。

2.3 安全无污染

同其他发电模式相比，太阳能光伏发电不仅仅安全无污染，而且无论是在发电过程方面，还是在使用环节，都具有较强的灵活性，且整个系统运转过程的安全性与稳定性更强。

2.4 设备使用寿命长

太阳能光伏发电整个发电过程中，太阳能是以一种静止的状态而存在，所以这个过程中并没有运动部件的存在，那么这必将确保各项发电设备的使用寿命得到合理的延长，同时还能明显降低后期设备使用时的维修成本投入。

3 电气自动化在太阳能光伏发电中的应用体现

3.1 在电力行业中的应用体现

利用科学的方式应用电气自动化技术，是电气工程的基础所在，更是其根本目标。强化电气自动化的应用效果，能够为工程发展创造更加有力保障和促进作用，而在电力行业中应用电气自动化，一方面能增强电力系统的运转效率，另一方面还能提升电力系统运转的安全性与稳定性[4]。同时，在电气自动化技术的保障下，工作人员的工作难度与工作强度都能够得到明显降低，并且还能降低因人为因素引发故障问题的概率，由此从本质上提升发电工程的综合效益。

3.2 在并网系统方面的应用体现

信息化技术与计算机技术的不断发展，使得太阳能光伏发电系统的智能化程度越来越高，但是受太阳能光伏发电使用需求的差异性影响，使得太阳能光伏发电的模式较多，例如独立式光伏发电模式、分布式光伏发电模式以及并网式光伏发电模式，等等。其中，以并网式光伏发电模式的应用范围最广，主要是因为并网式光伏发电模式不仅安全稳定，且成本投入低，资源消耗量小，同时在建设周期方面要明显短于其他类型的发电模式。

并网式光伏发电，主要是利用并网逆变器对太阳能组件所产生的直流电进行科学的转换处理，从而获得电网要求的交流电，最后将正弦交流电接入公共电网之中，由此满足各行各业的电力需求[5]。白天阳光充足，并网系统中的逆变器设备能够对直流电进行转化，从而获得正弦交流电，此时产生的电流则能满足交流负载的需求，且剩余的电能则会被输送到电网系统之中。如果在无阳光的时段，电网会自动满足负载用电的需求，而电气自动化技术通过综合太阳能发电的总体情况，开展电网电量数据的精准分析，并根据分析结果有效判断电量情况，在必要时给予供应支持。

通常情况下，光伏发电并网系统的运作融合了不同类型的发电模式，主要目的是提升电力资源输送的安全性与稳定性，从而增强电力资源的利用率。但是要确保光伏发电并网对电网系统带来的冲击得到有效规避，需要以电气自动化技术为引导，开展同期点两边电气量的检查，根据检查结果和逻辑判断对同期并列要求数据进行全面捕捉，一方面确保数据传输的时间差得到科学弥补，另一方面对同期合闸命令进行提前发送，确保整个发电系统同期合闸的频率偏差与电压偏差均在标准范围之内。另外，在光伏并网发电系统中应用电气自动化技术，能够保障整个并网过程中光伏发电系统对电网的冲击得到最大限度的减小和控制，从而降低电网的整体负荷与耗损，增强并网发电过程的安全性与稳定性。

3.3 在光伏建筑与光伏水泵系统方面的应用体现

由于太阳能光伏发电的不断推广和普及，使得太阳能光伏系统的规模越来越大，太阳能光伏发电的装机容量飞速提升，那么太阳能光伏发电系统的管理工作则面临巨大的挑战和压力，稍有不慎，系统运转故障或隐患无法得到及时发现，这对整个太阳能光伏发电系统的稳定运转必将带来直接性的影响。随着科学技术的逐步发展与完善，电气自动化技术在光伏建筑与光伏水泵系统方面也得到了广泛应用，其中自动化监控系统的应用频率最高。利用自动化技术中的自动监控系统，能够实时监测光伏建筑和光伏水泵系统中的各项运转参数，如电池板的电压、电流、逆变器的运转情况等，由此引导系统运转参数的记录分析。此外，警报装置还能对系统中的故障或隐患进行报警提示，引导技术人员的排查和处理，增强太阳能光伏发电系统的整体运转效果。

由于光伏发电站或光伏水泵系统中的太阳能电池板较多，要确保成千上万个太阳能电池板发电系统运转的稳定性与安全性，则要科学落实监控工作，并保障监控效果。在现阶段的发电系统监控工作中，常用的监控方式主要具有串口方式、以太网以及GPRS/北斗无通信三种，通过科学精准的监控，提升发电系统运转的整体稳定性。

3.4 在光伏发电系统设备生命周期控制方面的应用体现

同发达国家相比，我国在太阳能光伏发电方面的研究相对较晚，因此无论是在技术方面还是在管理方面，均有明显的落后。针对光伏发电系统中的各项问题，需要技术人员依托专业的知识与丰富的实践经验对问题进行检查分析，从而提升光伏发电系统运转的安全性与稳定性，确保光伏发电系统设备的全生命周期得到有效延长。在太阳能光伏发电设备生命周期的控制方面科学应用电气自动化技术，能够依托信息化技术降低技术人员的工作强度与工作难度，仅仅依靠电气自动化技术就能对光伏发电系统进行全天性的实时监测和控制，技术人员根据监测结果便能精准掌握光伏发电系统中各项设备的实际应用情况。如果设备出现异常现象，例如温度升高、振动偏差等现象，电气自动化技术能够将其反馈给技术人员，为技术人员的检修工作提供参考和依据。此外，技术人员能够通过分析电气自动化技术反馈的数据信息，精准掌握太阳能光伏发电系统的运行薄弱点与局限问题，并结合实际情况进行及时的维护处理，由此实现延长太阳能光伏发电设备安全使用期限的根本目标。

3.5 在光伏发电系统直流变频控制方面的应用体现

我国目前大部分的太阳能光伏发电系统都是应用的直流电结构，所以在资源转换时，成本投入低，结构系统简单便捷，但是系统每次所使用的负载电压都具有一定的差异，使得光伏发电系统的运行标准制定工作难度较大，同时还要满足在并网条件下实现直流电转为交流电的目标。在交流电力输出的光伏发电系统中，主要由以下设备所构成，即光伏阵列、充电与放电控制器、逆变器和蓄电池等。

其中，逆变器较为重要，因为逆变器的性能会直接影响到光伏发电系统的运转情况，而电气自动化则能够对这些零件进行针对性的控制，由此实现将光伏直流发电转变为交流电的目标。依托电气自动化技术，能对太阳能光伏发电站中一次配电网络和二次配电网络的状态进行监管控制，帮助技术人员实时掌握发电站内的运行现状与潜在风险，尤其是对蓄电池、充电放电控制器，以及光伏阵列的设备进行全面监管，确保整个发电过程稳定有序。

3.6 在无功补偿控制方面的应用体现

同其他类型的发电结构相比，光伏发电系统的结构具有较强的复杂性，并且启用系统中元器件时，必定会产生谐波与无功损耗，而谐波与无功损耗则会对电力系统运转的稳定性产生严重的影响，甚至有可能因此而引发电压超负荷或电压不足的情况。依托电气自动化控制系统，能够以实际需求为引导，开展光伏发电系统功率的合理调节，降低谐波与无功损耗对整个发电系统的负面影响，保障发电系统的安全性与稳定性得到提升。将电气自动化应用在无功补偿控制中，光伏发电无功补偿控制系统的综合性能都将得到提升，具体体现在以下方几面：

首先，功能方面。光伏发电无功补偿控制系统具有相对完善的功能，所以在运转时对太阳能发电系统的保护方案与控制策略也就更加科学系统。

其次，稳定性方面。光伏发电无功补偿控制系统运行环节的稳定性更高，且产品软件结构更具科学合理性，无论是产品硬件结构的布局方面，还是电磁兼容性方面，都在相关标准的范围之内，即便是设备长期运行，可靠性和稳定性都不会受到影响。

再次，拓展性方面。光伏发电无功补偿控制系统的拓展性较强，主要是因为光伏无功补偿控制系统的设计形式为模块化的方式，并且各个插件模块的市场拓展性和市场通用性都较强，在后期维护时也相对简单，这样便能增强太阳能发电系统的运转效果，从而提高对太阳能资源的利用率。

最后，通信功能方面。太阳能光伏发电无功补偿控制系统的通信功能强大，并且通信规约丰富多样，所以能够以太阳能发电需要为基础开展规约扩展，顺利实现预期控制目标。