大型并網(wǎng)光伏電站運(yùn)行分析系統(tǒng)的設(shè)計

李愛國 郭軍軍

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，咸陽 712000；2.陜西郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院計算機(jī)系，咸陽 712000）

0 引言

隨著人們對能源需求的日益增長，對環(huán)境問題的日益重視，尋找可大規(guī)模使用的可再生能源成為各國著重考慮的問題，太陽能作為一種取之不盡、用之不竭、清潔無污染的綠色能源成為關(guān)注的焦點(diǎn)。與傳統(tǒng)火力發(fā)電相比，太陽能光伏電站運(yùn)行過程中，無污染、無原材料消耗，運(yùn)行成本極低[1]。因此，大型并網(wǎng)光伏電站在國內(nèi)已經(jīng)開始建設(shè)，但是還處于起步階段。我國已建設(shè)了甘肅敦煌、昆明石林、青海柴達(dá)木等MW級并網(wǎng)光伏電站[2]。

已運(yùn)行的光伏電站迫切需要盡快掌握電站的性能，合理制定生產(chǎn)計劃。針對光伏電站運(yùn)行數(shù)據(jù)分析的需要，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了大型并網(wǎng)光伏電站運(yùn)行分析系統(tǒng)。主要用于運(yùn)行數(shù)據(jù)對比顯示和性能計算分析。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)配置有兩臺服務(wù)器，一臺作為數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器，另一臺作為Web服務(wù)器。分析的數(shù)據(jù)來自現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備。比如，逆變器數(shù)據(jù)來自PLC，各方陣的電流信號等數(shù)據(jù)來自監(jiān)控系統(tǒng)廠家的OPC服務(wù)器，環(huán)境系統(tǒng)數(shù)據(jù)來自獨(dú)立的智能設(shè)備。硬件結(jié)構(gòu)如圖1：

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig 1. Hardware structure

系統(tǒng)以O(shè)racle數(shù)據(jù)庫為核心，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)軟件件結(jié)構(gòu)Fig 2. Software structure

軟件結(jié)構(gòu)主要由以下幾部分組成。

數(shù)據(jù)采集程序：通過Modbus、Sixnet等協(xié)議從光伏電站的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場設(shè)備取得數(shù)據(jù)[3]。由于方陣設(shè)備型號的差異，從設(shè)備采集到的部分?jǐn)?shù)據(jù)方陣之前不一致或缺失，為了便于分析，數(shù)據(jù)采集程序還負(fù)責(zé)這些缺失數(shù)據(jù)的計算和補(bǔ)充。

Oracle數(shù)據(jù)庫：設(shè)計有測點(diǎn)信息表，方陣數(shù)據(jù)表等各種表格，完成歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時分析計算結(jié)果的存儲。

數(shù)據(jù)分析程序：依據(jù)不同算法，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算。

Web發(fā)布服務(wù)器：從數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，發(fā)布計算結(jié)果到網(wǎng)絡(luò)，供電站操作人員使用。程序使用Java編寫，在Tomcat平臺發(fā)布。

IE瀏覽器：作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)布的客戶端。只要能連網(wǎng)的電腦均可以訪問分析結(jié)果。

2 功能設(shè)計

并網(wǎng)光伏電站主要由光伏組件陣列、具有最大功率跟蹤功能的逆變器及濾波電容器、濾波電感器、變壓器和控制系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)主要分析了太陽能組件、跟蹤系統(tǒng)和對光伏電站整體性能進(jìn)行了整體分析。

2.1 太陽能組件模塊

太陽能組件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中成本最高的部分。太陽能電池板的質(zhì)量將直接決定整個系統(tǒng)的質(zhì)量。因此對太陽能組件進(jìn)行分析十分重要。太陽能組件模塊主要包含以下幾個模塊。

(1)溫度趨勢分析

環(huán)境溫度對太陽能組件的效率有十分顯著的影響。此部分反映了電站平均環(huán)境溫度與電站平均組件溫度的變化。圖3顯示了某一天早晨到晚上的模塊溫度變化。

圖3 溫度曲線Fig 3. Temperature curve

由于太陽能電池組件工作時的發(fā)熱，組件模塊溫度會比環(huán)境溫度高，并且會隨著負(fù)荷波動。

(2)IV、PV曲線擬合；

為了驗證太陽能電池組件的實(shí)際運(yùn)行效果，需要對IV、PV曲線進(jìn)行測試。測試的步驟是：從監(jiān)控系統(tǒng)中提取太陽能光伏陣列的I、V的實(shí)時數(shù)據(jù);

將實(shí)時數(shù)據(jù)I、V轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)條件下的I、V值;

太陽能電池組件采用單指數(shù)模型;

經(jīng)分析，選擇3次樣條函數(shù)插值法進(jìn)行曲線擬合，3次樣條函數(shù)插值是利用3次樣條函數(shù)的原理在樣本間進(jìn)行插值，其插值函數(shù)可以表達(dá)為：yi=interp1(x,y,spline)。通過插值可以得到太陽能光伏陣列的IV曲線; IV曲線如圖4所示。

PV曲線由IV曲線可以求得。PV曲線如圖5所示。

圖4 IV曲線Fig 4. IV Curve

圖5 PV曲線Fig 5. PV Curve

(3)太陽能電池組件的溫度補(bǔ)償系數(shù)

太陽能電池的開路電壓隨溫度的升高而降低，太陽能電池短路電流隨溫度的升高而升高，太陽能電池的峰值功率隨溫度的升高而降低。例如：工作在20℃的硅太陽能電池,其輸出功率要比工作在70℃的高20 %。光伏組件的溫度補(bǔ)償系數(shù)需要采用實(shí)驗的手段，并與監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)相結(jié)合。

在得到相關(guān)數(shù)據(jù)后，溫度補(bǔ)償系數(shù)可采用以下公式解析電壓修正系數(shù)α和電流修正系數(shù)β。

式中：Vnew、Inew修正后的電壓電流；V、I修正前的電壓電流；T：當(dāng)前測試條件下的溫度；Tstd：標(biāo)準(zhǔn)條件下的模塊溫度；S：當(dāng)前測試條件下的輻照強(qiáng)度；Sstd：標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻照強(qiáng)度。

隨機(jī)選取方陣中某個太陽能組件進(jìn)行測試。測試過程使用太陽模擬器，并用標(biāo)準(zhǔn)電池校準(zhǔn)輻照度。溫度傳感器附著在太陽電池上，盡量靠近PN結(jié)。每升高溫度10℃，測量開路電壓和短路電壓。當(dāng)溫度低于環(huán)境溫度，為防止水珠凝結(jié)，可用干燥的氮?dú)獗Ｗo(hù)[4]。

測試結(jié)果如下：

表1 組件溫度系數(shù)

2.2 跟蹤系統(tǒng)分析模塊

出于研究的需要，試驗的光伏電站的某個方陣采用了4種跟蹤方式。分別是固定支架式，平單軸跟蹤式，斜單軸跟蹤式，雙軸跟蹤式。此方陣共有5個單元，前2個是固定支架式，3為平單軸跟蹤式,4為斜單軸跟蹤式,5為雙軸跟蹤式。這里主要比較2，3，4，5單元的功耗和發(fā)電量。

(1)各類跟蹤系統(tǒng)發(fā)電量分析。各跟蹤方陣設(shè)計功率相同，布置在同一個區(qū)域內(nèi)，距離不遠(yuǎn)，受到的輻照強(qiáng)度相差不大。比較了各方陣的發(fā)電量。雙軸跟蹤效果明顯，發(fā)電量最多。

(2)各類跟蹤系統(tǒng)的功耗對比、分析。

表2 跟蹤系統(tǒng)功耗

綜合考慮發(fā)電量、成本、維護(hù)、功耗等因素，認(rèn)為平單軸較為合適。

2.3 光伏電站分析對比

這個模塊對光伏電站整體性能進(jìn)行了分析。由于大型光伏電站在國內(nèi)剛開始建設(shè)，運(yùn)行經(jīng)驗相對缺乏。光伏電站的電源結(jié)構(gòu)不同于一般的火電廠，核電廠和水電站，更接近風(fēng)電廠，是由多個電源點(diǎn)經(jīng)過并聯(lián)串聯(lián)組成。這樣的結(jié)構(gòu)使得局部故障不影響整個電站的穩(wěn)定運(yùn)行，但是太陽輻照和環(huán)境溫度會對電站運(yùn)行產(chǎn)生一定程度的影響[5]。

(1)光伏電站出力與太陽輻照度的關(guān)系曲線

圖6顯示了某一天早到晚輻照強(qiáng)度與電站功率的變化趨勢。

圖6 輻照強(qiáng)度與功率曲線Fig 6. Illumination intensity and power curve

(2)實(shí)時輻照隨時間的變化曲線和實(shí)時功率隨時間的變化曲線

電池板溫度在25度左右范圍內(nèi)時，光伏電站出力和輻照強(qiáng)度的關(guān)系曲線?？紤]了電池的正常工作溫度，20度-30度之間。這樣才去掉了電池溫度的影響。

（3)光伏電站發(fā)電量預(yù)測

光伏電站的發(fā)電量預(yù)測較為困難，主要與天氣，云量有極大的關(guān)系。系統(tǒng)使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來預(yù)測發(fā)電量，取得了一定的效果[6]。輸入數(shù)據(jù)為日照幅度和環(huán)境溫度，輸出數(shù)據(jù)為光伏電站出力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初次使用需要用戶進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。訓(xùn)練好之后，可以直接用以前的訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。

（4）功率和光照的分布區(qū)間統(tǒng)計

用于記錄一年中功率和光照的分布區(qū)間，用以指導(dǎo)光伏發(fā)電的運(yùn)行，合理安排檢修計劃。程序?qū)崿F(xiàn)時主要記錄日峰值功率點(diǎn)，找一天中最大的功率值和輻照值，每天記錄一次，每天22點(diǎn)存儲，0點(diǎn)清零。

（5）日出日落時間計算

提供當(dāng)?shù)氐娜粘鋈章鋾r間查詢功能。有助于安排電站運(yùn)行人員的工作計劃。

圖7 日出日落時間Fig 7. Sunset and sunrise time display

此外，還進(jìn)行了光伏電站逐日、逐月、逐年發(fā)電量分析和各方陣CO2減排量對比。

3 發(fā)布圖形界面的設(shè)計

為了提供便于分析的界面，使用了線形，柱狀，餅圖等顯示方式，供用戶選擇。這部分采用jasperreport編程實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)同時采用了多種動態(tài)顯示方式。顯示歷史數(shù)據(jù)時，時間長度和起止時間可調(diào)。實(shí)現(xiàn)時每個圖的默認(rèn)值不一樣，根據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能不同而有差異。若當(dāng)天數(shù)據(jù)不完整，只畫截止到刷新時刻采集到的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

從長遠(yuǎn)看，太陽能光伏發(fā)電在不遠(yuǎn)的將來會占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要地位。本文利用多種計算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的光伏電站運(yùn)行分析系統(tǒng)是研究大型太陽能電站運(yùn)行狀態(tài)的有效數(shù)據(jù)分析平臺[7]。

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［2］ 陳衛(wèi)民, 陳國呈, 崔開涌等. 分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在孤島時的運(yùn)行控制[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2008, (9) : 89-91.

［3］ 張筱文; 鄭建勇. 光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 電工電氣,2010,(9):12-20.

［4］ 李晶, 許洪華, 趙海翔等. 并網(wǎng)光伏電站動態(tài)建模及仿真分析[J].電力系統(tǒng)自動化, 2008, (24) : 83-87.

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