廣東水電二局股份有限公司 楊永剛

1 相關(guān)簡述

1.1 基本概述

同其他能源獲取方式相比，太陽能光伏發(fā)電主要是利用太陽能資源自身所具有的光伏效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光散射輻射，以及太陽光反射輻射等資源的科學(xué)收集和轉(zhuǎn)化，再結(jié)合專業(yè)的設(shè)備，如放電控制器，蓄電池以及逆變器等設(shè)備，對(duì)這些資源進(jìn)行科學(xué)轉(zhuǎn)換，從而獲得生產(chǎn)與生活所需的能源。利用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，能夠?qū)⑻柲苜Y源轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苜Y源，再借助逆變器實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)化目標(biāo)，滿足負(fù)載用戶的相關(guān)需求[1]。

1.2 太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀

太陽能屬于一種清潔無污染的可再生能源，將太陽能光伏發(fā)電作為生產(chǎn)與生活所需電力資源的主要獲取模式，是太陽能資源的主要利用方向，并且隨著太陽能光伏發(fā)電規(guī)模與需求量的不斷提升，為太陽能光伏發(fā)電的有序發(fā)展和完善提供了重要的促進(jìn)作用。相比于西方發(fā)達(dá)國家的太陽能光伏發(fā)電，我國現(xiàn)階段的太陽能光伏發(fā)電與其存在較大的差異性，但是隨著國家政策的不斷強(qiáng)化，我國光伏發(fā)電規(guī)模發(fā)展迅速。2017年，我國太陽能光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到了近幾年的鼎盛，在光伏“531”政策的作用下，我國太陽能光伏發(fā)電量裝機(jī)容量僅在2018年到2019年出現(xiàn)略微下降。但是從整體角度而言，我國從2013年至今，光伏發(fā)電量以直線式的趨勢進(jìn)行增長，我國現(xiàn)階段已經(jīng)成為光伏發(fā)電的全球最大市場，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)也一度成為全球性的戰(zhàn)略發(fā)展項(xiàng)目。

1.3 太陽能光伏發(fā)電的基本原理

光生伏特效應(yīng)是太陽能光伏發(fā)電的基本原理，換而言之就是利用太陽能電池對(duì)不同形式的太陽輻射能量進(jìn)行有效收集，如太陽散射輻射、太陽反射輻射以及太陽直接輻射，利用專業(yè)的設(shè)備將其轉(zhuǎn)化為電能資源，從而滿足人們工作與生活的電能需求[2]。在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，主要由以下設(shè)備所組成，即太陽能電池組（太陽能電池方陣）、蓄電池、逆變器與控制器以及交流負(fù)載和直流負(fù)載等設(shè)備，其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 太陽能光伏發(fā)電的基本原理

2 太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用優(yōu)勢

針對(duì)太陽能光伏發(fā)電而言，具有許多其他發(fā)電形式所沒有的應(yīng)用特點(diǎn)，所以在綜合性能方面，太陽能光伏發(fā)電具有太陽能資源可再生、地域因素影響小、安全無污染、設(shè)備使用壽命長等顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。

2.1 太陽能資源可再生

太陽能資源屬于一種清潔型可再生的新能源。因?yàn)樘柲鼙旧聿粫?huì)出現(xiàn)枯竭現(xiàn)象，那么市場能源波動(dòng)因素則不會(huì)對(duì)太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)生影響，能有效保障整個(gè)太陽能資源使用系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。

2.2 地域因素影響小

太陽能光伏發(fā)電主要是依托太陽能在地球自轉(zhuǎn)作用的影響下，即便是在不同的地區(qū)，都可以接受陽光的照射，這便能直接避免地域因素對(duì)太陽能光伏發(fā)電的影響和制約。雖然在電能資源的輸送環(huán)節(jié)會(huì)存在相應(yīng)的損失，但是在發(fā)電過程中使用的燃料也能對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)充處理。

2.3 安全無污染

同其他發(fā)電模式相比，太陽能光伏發(fā)電不僅僅安全無污染，而且無論是在發(fā)電過程方面，還是在使用環(huán)節(jié)，都具有較強(qiáng)的靈活性，且整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程的安全性與穩(wěn)定性更強(qiáng)。

2.4 設(shè)備使用壽命長

太陽能光伏發(fā)電整個(gè)發(fā)電過程中，太陽能是以一種靜止的狀態(tài)而存在，所以這個(gè)過程中并沒有運(yùn)動(dòng)部件的存在，那么這必將確保各項(xiàng)發(fā)電設(shè)備的使用壽命得到合理的延長，同時(shí)還能明顯降低后期設(shè)備使用時(shí)的維修成本投入。

3 電氣自動(dòng)化在太陽能光伏發(fā)電中的應(yīng)用體現(xiàn)

3.1 在電力行業(yè)中的應(yīng)用體現(xiàn)

利用科學(xué)的方式應(yīng)用電氣自動(dòng)化技術(shù)，是電氣工程的基礎(chǔ)所在，更是其根本目標(biāo)。強(qiáng)化電氣自動(dòng)化的應(yīng)用效果，能夠?yàn)楣こ贪l(fā)展創(chuàng)造更加有力保障和促進(jìn)作用，而在電力行業(yè)中應(yīng)用電氣自動(dòng)化，一方面能增強(qiáng)電力系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，另一方面還能提升電力系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性與穩(wěn)定性[4]。同時(shí)，在電氣自動(dòng)化技術(shù)的保障下，工作人員的工作難度與工作強(qiáng)度都能夠得到明顯降低，并且還能降低因人為因素引發(fā)故障問題的概率，由此從本質(zhì)上提升發(fā)電工程的綜合效益。

3.2 在并網(wǎng)系統(tǒng)方面的應(yīng)用體現(xiàn)

信息化技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的智能化程度越來越高，但是受太陽能光伏發(fā)電使用需求的差異性影響，使得太陽能光伏發(fā)電的模式較多，例如獨(dú)立式光伏發(fā)電模式、分布式光伏發(fā)電模式以及并網(wǎng)式光伏發(fā)電模式，等等。其中，以并網(wǎng)式光伏發(fā)電模式的應(yīng)用范圍最廣，主要是因?yàn)椴⒕W(wǎng)式光伏發(fā)電模式不僅安全穩(wěn)定，且成本投入低，資源消耗量小，同時(shí)在建設(shè)周期方面要明顯短于其他類型的發(fā)電模式。

并網(wǎng)式光伏發(fā)電，主要是利用并網(wǎng)逆變器對(duì)太陽能組件所產(chǎn)生的直流電進(jìn)行科學(xué)的轉(zhuǎn)換處理，從而獲得電網(wǎng)要求的交流電，最后將正弦交流電接入公共電網(wǎng)之中，由此滿足各行各業(yè)的電力需求[5]。白天陽光充足，并網(wǎng)系統(tǒng)中的逆變器設(shè)備能夠?qū)χ绷麟娺M(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而獲得正弦交流電，此時(shí)產(chǎn)生的電流則能滿足交流負(fù)載的需求，且剩余的電能則會(huì)被輸送到電網(wǎng)系統(tǒng)之中。如果在無陽光的時(shí)段，電網(wǎng)會(huì)自動(dòng)滿足負(fù)載用電的需求，而電氣自動(dòng)化技術(shù)通過綜合太陽能發(fā)電的總體情況，開展電網(wǎng)電量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)分析，并根據(jù)分析結(jié)果有效判斷電量情況，在必要時(shí)給予供應(yīng)支持。

通常情況下，光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)作融合了不同類型的發(fā)電模式，主要目的是提升電力資源輸送的安全性與穩(wěn)定性，從而增強(qiáng)電力資源的利用率。但是要確保光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)帶來的沖擊得到有效規(guī)避，需要以電氣自動(dòng)化技術(shù)為引導(dǎo)，開展同期點(diǎn)兩邊電氣量的檢查，根據(jù)檢查結(jié)果和邏輯判斷對(duì)同期并列要求數(shù)據(jù)進(jìn)行全面捕捉，一方面確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間差得到科學(xué)彌補(bǔ)，另一方面對(duì)同期合閘命令進(jìn)行提前發(fā)送，確保整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)同期合閘的頻率偏差與電壓偏差均在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。另外，在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用電氣自動(dòng)化技術(shù)，能夠保障整個(gè)并網(wǎng)過程中光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊得到最大限度的減小和控制，從而降低電網(wǎng)的整體負(fù)荷與耗損，增強(qiáng)并網(wǎng)發(fā)電過程的安全性與穩(wěn)定性。

3.3 在光伏建筑與光伏水泵系統(tǒng)方面的應(yīng)用體現(xiàn)

由于太陽能光伏發(fā)電的不斷推廣和普及，使得太陽能光伏系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，太陽能光伏發(fā)電的裝機(jī)容量飛速提升，那么太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的管理工作則面臨巨大的挑戰(zhàn)和壓力，稍有不慎，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)故障或隱患無法得到及時(shí)發(fā)現(xiàn)，這對(duì)整個(gè)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)必將帶來直接性的影響。隨著科學(xué)技術(shù)的逐步發(fā)展與完善，電氣自動(dòng)化技術(shù)在光伏建筑與光伏水泵系統(tǒng)方面也得到了廣泛應(yīng)用，其中自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用頻率最高。利用自動(dòng)化技術(shù)中的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測光伏建筑和光伏水泵系統(tǒng)中的各項(xiàng)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，如電池板的電壓、電流、逆變器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況等，由此引導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的記錄分析。此外，警報(bào)裝置還能對(duì)系統(tǒng)中的故障或隱患進(jìn)行報(bào)警提示，引導(dǎo)技術(shù)人員的排查和處理，增強(qiáng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體運(yùn)轉(zhuǎn)效果。

由于光伏發(fā)電站或光伏水泵系統(tǒng)中的太陽能電池板較多，要確保成千上萬個(gè)太陽能電池板發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性與安全性，則要科學(xué)落實(shí)監(jiān)控工作，并保障監(jiān)控效果。在現(xiàn)階段的發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控工作中，常用的監(jiān)控方式主要具有串口方式、以太網(wǎng)以及GPRS/北斗無通信三種，通過科學(xué)精準(zhǔn)的監(jiān)控，提升發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的整體穩(wěn)定性。

3.4 在光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備生命周期控制方面的應(yīng)用體現(xiàn)

同發(fā)達(dá)國家相比，我國在太陽能光伏發(fā)電方面的研究相對(duì)較晚，因此無論是在技術(shù)方面還是在管理方面，均有明顯的落后。針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的各項(xiàng)問題，需要技術(shù)人員依托專業(yè)的知識(shí)與豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)問題進(jìn)行檢查分析，從而提升光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性與穩(wěn)定性，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備的全生命周期得到有效延長。在太陽能光伏發(fā)電設(shè)備生命周期的控制方面科學(xué)應(yīng)用電氣自動(dòng)化技術(shù)，能夠依托信息化技術(shù)降低技術(shù)人員的工作強(qiáng)度與工作難度，僅僅依靠電氣自動(dòng)化技術(shù)就能對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行全天性的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，技術(shù)人員根據(jù)監(jiān)測結(jié)果便能精準(zhǔn)掌握光伏發(fā)電系統(tǒng)中各項(xiàng)設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用情況。如果設(shè)備出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，例如溫度升高、振動(dòng)偏差等現(xiàn)象，電氣自動(dòng)化技術(shù)能夠?qū)⑵浞答伣o技術(shù)人員，為技術(shù)人員的檢修工作提供參考和依據(jù)。此外，技術(shù)人員能夠通過分析電氣自動(dòng)化技術(shù)反饋的數(shù)據(jù)信息，精準(zhǔn)掌握太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行薄弱點(diǎn)與局限問題，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行及時(shí)的維護(hù)處理，由此實(shí)現(xiàn)延長太陽能光伏發(fā)電設(shè)備安全使用期限的根本目標(biāo)。

3.5 在光伏發(fā)電系統(tǒng)直流變頻控制方面的應(yīng)用體現(xiàn)

我國目前大部分的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)都是應(yīng)用的直流電結(jié)構(gòu)，所以在資源轉(zhuǎn)換時(shí)，成本投入低，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)簡單便捷，但是系統(tǒng)每次所使用的負(fù)載電壓都具有一定的差異，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)制定工作難度較大，同時(shí)還要滿足在并網(wǎng)條件下實(shí)現(xiàn)直流電轉(zhuǎn)為交流電的目標(biāo)。在交流電力輸出的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，主要由以下設(shè)備所構(gòu)成，即光伏陣列、充電與放電控制器、逆變器和蓄電池等。

其中，逆變器較為重要，因?yàn)槟孀兤鞯男阅軙?huì)直接影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，而電氣自動(dòng)化則能夠?qū)@些零件進(jìn)行針對(duì)性的控制，由此實(shí)現(xiàn)將光伏直流發(fā)電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷哪繕?biāo)。依托電氣自動(dòng)化技術(shù)，能對(duì)太陽能光伏發(fā)電站中一次配電網(wǎng)絡(luò)和二次配電網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)管控制，幫助技術(shù)人員實(shí)時(shí)掌握發(fā)電站內(nèi)的運(yùn)行現(xiàn)狀與潛在風(fēng)險(xiǎn)，尤其是對(duì)蓄電池、充電放電控制器，以及光伏陣列的設(shè)備進(jìn)行全面監(jiān)管，確保整個(gè)發(fā)電過程穩(wěn)定有序。

3.6 在無功補(bǔ)償控制方面的應(yīng)用體現(xiàn)

同其他類型的發(fā)電結(jié)構(gòu)相比，光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的復(fù)雜性，并且啟用系統(tǒng)中元器件時(shí)，必定會(huì)產(chǎn)生諧波與無功損耗，而諧波與無功損耗則會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，甚至有可能因此而引發(fā)電壓超負(fù)荷或電壓不足的情況。依托電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)，能夠以實(shí)際需求為引導(dǎo)，開展光伏發(fā)電系統(tǒng)功率的合理調(diào)節(jié)，降低諧波與無功損耗對(duì)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)面影響，保障發(fā)電系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性得到提升。將電氣自動(dòng)化應(yīng)用在無功補(bǔ)償控制中，光伏發(fā)電無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)的綜合性能都將得到提升，具體體現(xiàn)在以下方幾面：

首先，功能方面。光伏發(fā)電無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)具有相對(duì)完善的功能，所以在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的保護(hù)方案與控制策略也就更加科學(xué)系統(tǒng)。

其次，穩(wěn)定性方面。光伏發(fā)電無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性更高，且產(chǎn)品軟件結(jié)構(gòu)更具科學(xué)合理性，無論是產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)的布局方面，還是電磁兼容性方面，都在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的范圍之內(nèi)，即便是設(shè)備長期運(yùn)行，可靠性和穩(wěn)定性都不會(huì)受到影響。

再次，拓展性方面。光伏發(fā)電無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)的拓展性較強(qiáng)，主要是因?yàn)楣夥鼰o功補(bǔ)償控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)形式為模塊化的方式，并且各個(gè)插件模塊的市場拓展性和市場通用性都較強(qiáng)，在后期維護(hù)時(shí)也相對(duì)簡單，這樣便能增強(qiáng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)效果，從而提高對(duì)太陽能資源的利用率。

最后，通信功能方面。太陽能光伏發(fā)電無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)的通信功能強(qiáng)大，并且通信規(guī)約豐富多樣，所以能夠以太陽能發(fā)電需要為基礎(chǔ)開展規(guī)約擴(kuò)展，順利實(shí)現(xiàn)預(yù)期控制目標(biāo)。