以數(shù)字信息技術(shù)助力打造智能光伏電站

華為智能光伏電站解決方案 ■ 許映童

0 引言

作為全球領(lǐng)先的信息與通信解決方案供應(yīng)商，華為進(jìn)入光伏領(lǐng)域后，一直在思考將華為數(shù)字信息技術(shù)領(lǐng)域的深厚積累引入光伏領(lǐng)域，通過跨界融合和創(chuàng)新，為光伏產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展貢獻(xiàn)力量。華為在與廣大客戶的溝通交流中，基于對光伏產(chǎn)業(yè)和電站運(yùn)營的深入理解，提出 “硅進(jìn)銅退”的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念和“智能光伏電站”創(chuàng)新解決方案，獲得規(guī)模應(yīng)用，并于2014年4月發(fā)表了《華為，以技術(shù)創(chuàng)新助力光伏產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展》的主題文章，系統(tǒng)性地闡述了華為的價(jià)值主張，得到業(yè)界高度認(rèn)同和廣泛共鳴。在5月中國上海SNEC展會(huì)及6月德國慕尼黑Intersolar展會(huì)上，華為智能光伏電站解決方案又掀起了新一輪應(yīng)用高潮，和全球多家頂級電站投資運(yùn)營商簽署了合作協(xié)議。2014年上半年，華為智能光伏電站解決方案累計(jì)獲得訂單超過2 GW。

圖1

在華為智能光伏電站解決方案規(guī)模應(yīng)用過程中，客戶給予了我們許多寶貴建議，啟發(fā)我們進(jìn)一步思考：數(shù)字信息技術(shù)與光伏技術(shù)的融合不僅在逆變器本身，而要把電站作為可交付的產(chǎn)品，在光伏電站系統(tǒng)層面進(jìn)行創(chuàng)新；只有這樣才能給客戶創(chuàng)造更大價(jià)值，才能突破行業(yè)發(fā)展瓶頸，才能真正引領(lǐng)光伏技術(shù)革命。

同時(shí)，我們也深刻認(rèn)識(shí)到光伏行業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展需要全產(chǎn)業(yè)鏈的共同努力和參與。我們愿意分享智能光伏電站解決方案的理念和最新研究成果，和更多合作伙伴一起來共同完善智能光伏電站解決方案，將其打造成一個(gè)開放的平臺(tái)，迅速擴(kuò)大智能光伏電站應(yīng)用規(guī)模，增強(qiáng)光伏行業(yè)競爭力，從而帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級。

本文主要從以下3個(gè)方面對智能光伏電站解決方案進(jìn)行闡述：光伏發(fā)電的機(jī)遇與挑戰(zhàn)、智能光伏電站的定義和理念、智能光伏電站的關(guān)鍵技術(shù)和客戶價(jià)值。

1 光伏發(fā)電的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

光伏發(fā)電作為可再生能源的重要組成部分，由于具備直接利用效率高、可持續(xù)發(fā)展、綠色無污染、可靈活部署等優(yōu)點(diǎn)，在能源供給體系里占有越來越重要的位置，正持續(xù)向上快速發(fā)展。預(yù)計(jì)2014年全球光伏市場新增裝機(jī)接近50 GW，中國、日本、美國和英國等國家將成為下半年光伏市場的主要推動(dòng)力。

光伏行業(yè)存在巨大潛力和發(fā)展機(jī)遇的同時(shí)，也面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：

1)目前光伏發(fā)電成本相比化石能源等偏高，為保證收益，需要降低成本。當(dāng)前單純依靠部件降成本，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降的矛盾越來越突出，影響整個(gè)光伏行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，亟需技術(shù)突破和變革。

2)現(xiàn)有傳統(tǒng)電站建設(shè)模式，無法應(yīng)對場景多樣性的要求。如防護(hù)等級低，不適應(yīng)風(fēng)沙、鹽霧等惡劣環(huán)境；MPPT路數(shù)少，無法有效應(yīng)對衰減、遮擋、朝向不一致等導(dǎo)致的組件不匹配，減少發(fā)電量；存在大量熔絲、風(fēng)扇等易損部件，建設(shè)和維護(hù)工作量大，增加管理和維護(hù)成本。

3)光伏的存量規(guī)模越來越大，管理維護(hù)越來越困難。以管理1 GW電站來說，系統(tǒng)有4百萬塊組件，2萬個(gè)匯流與逆變節(jié)點(diǎn)，分散在全國乃至全球不同區(qū)域?，F(xiàn)有維護(hù)主要依靠人工巡查和手工報(bào)表等方式，運(yùn)維人員和工作量將隨電站規(guī)模呈幾何級數(shù)增加，規(guī)模增加但沒有帶來規(guī)模效益。如果沒有一套完整的管理解決方案，大規(guī)模部署和長期運(yùn)營將難以為繼。

要應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，局限在光伏技術(shù)和電力電子領(lǐng)域是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。華為主張一是要從電站端到端全流程系統(tǒng)角度進(jìn)行思考和創(chuàng)新，發(fā)揮系統(tǒng)組合的優(yōu)勢；二是要考慮跨界的技術(shù)融合和創(chuàng)新。傳統(tǒng)的電力電子行業(yè)發(fā)展相對緩慢，更多地依賴硬件成本降低和單一產(chǎn)品性能提升，而ICT(信息通信技術(shù))領(lǐng)域的發(fā)展遵循摩爾定律，每18個(gè)月同等價(jià)格的產(chǎn)品性能提升一倍，互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展已經(jīng)深刻地改變了人類生活及社會(huì)管理方式。將信息領(lǐng)域的最新成果引入光伏行業(yè)，通過兩者的跨界融合，實(shí)現(xiàn)降低初始投資和運(yùn)維成本，提高系統(tǒng)發(fā)電量，從而推動(dòng)光伏行業(yè)的突破性發(fā)展和變革。

2 智能光伏電站的定義和理念

智能光伏電站是以光伏電力變換與電力傳輸網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，將現(xiàn)代先進(jìn)的數(shù)字信息技術(shù)、通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與光伏技術(shù)高度融合而形成的新型電站。它以充分滿足客戶對光伏電站的高發(fā)電量、低初始投資、低運(yùn)維成本、高可靠性和安全性等需求為目的，在25年生命周期內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高收益、可運(yùn)營、可管理、可演進(jìn)。

智能光伏電站有兩大核心理念：一是全數(shù)字化電站，二是讓電站更簡單。

2.1 全數(shù)字化光伏電站

首先是對現(xiàn)有光伏發(fā)電部分進(jìn)行智能化改造，使傳統(tǒng)的逆變器不僅是發(fā)電部件，而是一個(gè)集電力變換、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采集、在線分析、環(huán)境自適應(yīng)等于一體的智能控制單元，成為電站的神經(jīng)末梢與區(qū)域控制的中心；其次，通過對現(xiàn)有RS485等低速傳輸通道的升級，使整個(gè)電站形成融合語音與視頻通信、快速靈活部署、免維護(hù)的高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，鋪設(shè)電站信息流通的高速公路；最后，收集到的電站完整信息統(tǒng)一上傳到云端存儲(chǔ)，利用大數(shù)據(jù)分析與挖掘引擎，實(shí)現(xiàn)對電站的智能化管理及電站性能的持續(xù)優(yōu)化。

圖2是智能光伏電站的整體架構(gòu)圖，橙色部分是光伏電站智能化改造的重點(diǎn)。

圖2

2.2 讓電站更簡單

無逆變器房、直流匯流箱等系統(tǒng)多余設(shè)施，無熔絲、風(fēng)扇等易損部件，實(shí)現(xiàn)電站的簡潔化、標(biāo)準(zhǔn)化交付；電站所有部件能滿足風(fēng)沙、鹽霧、高溫高濕、高海拔等各種復(fù)雜環(huán)境下25年免維護(hù)、可靠運(yùn)行的質(zhì)量要求，建設(shè)與運(yùn)維更加簡單，最大程度保護(hù)客戶投資。

通過全數(shù)字化電站、讓電站更簡單等創(chuàng)新理念，最終打造“智能、高效、安全、可靠”的智能光伏電站整體解決方案，實(shí)現(xiàn)客戶價(jià)值最大化。

3 華為智能光伏電站的關(guān)鍵技術(shù)與客戶價(jià)值

3.1 智能

1)全數(shù)字化光伏電站，使電站真正實(shí)現(xiàn)“可信、可視、可管、可控”。智能控制器實(shí)現(xiàn)對每一路電池組串電流電壓等信息的高精度采集(檢測精度達(dá)到0.5%以上)，通過高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，傳送到光伏電站控制中心進(jìn)行進(jìn)一步處理，實(shí)現(xiàn)“可信”與“可視”；由于傳送帶寬的增加和傳輸時(shí)延的減少(達(dá)到ms級)，大大提高電站的控制速度，實(shí)現(xiàn)“可控”；通過華為打造的開放的電站管理系統(tǒng)及大數(shù)據(jù)分析引擎，實(shí)現(xiàn)電站的“可管”。光伏電站數(shù)字化后，為未來業(yè)務(wù)和商業(yè)模式創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。如通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，用戶可認(rèn)購指定位置的電池板或組串，并通過手機(jī)App實(shí)時(shí)獲取收益情況。

2)大數(shù)據(jù)分析引擎和專家運(yùn)維系統(tǒng)的引入，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在缺陷，挖掘收益提升空間。通過數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、云存儲(chǔ)和在線專家分析系統(tǒng)，電站可自動(dòng)體檢，給出基于收益最大化的維護(hù)建議，如清洗建議、部件更換和維護(hù)建議等，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)；積累長期運(yùn)營數(shù)據(jù)，綜合分析自然環(huán)境、輻照量等環(huán)境因素，通過對智能控制單元算法在線調(diào)整或軟件升級，使電站在不同環(huán)境下系統(tǒng)部件運(yùn)行處于最佳匹配狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)收益最大化。

3)創(chuàng)新組網(wǎng)方案，打破現(xiàn)有設(shè)計(jì)束縛，從簡化建設(shè)、最佳系統(tǒng)性能匹配、簡化維護(hù)等角度，重新對組件、線纜、逆變器、升壓變、監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集單元等系統(tǒng)部件進(jìn)行組合優(yōu)化；同時(shí)，減少部件種類，更加標(biāo)準(zhǔn)化，更利于自動(dòng)化生產(chǎn)；通過工廠預(yù)裝和接插件安裝，減少現(xiàn)場施工成本，提高施工質(zhì)量。

4)打造“可升級、可擴(kuò)容、可演進(jìn)”的光伏電站。當(dāng)組件技術(shù)進(jìn)步、運(yùn)行環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，利用智能控制器的軟件可遠(yuǎn)程在線升級。后向兼容設(shè)計(jì)等特性，無需更換網(wǎng)上運(yùn)行設(shè)備，通過算法升級就能享受最新的技術(shù)成果，最大化重用現(xiàn)有設(shè)備。

5)智能主動(dòng)電網(wǎng)自適應(yīng)技術(shù)。利用智能控制器的高速處理能力、高采樣和控制頻率、控制算法等優(yōu)勢，主動(dòng)適應(yīng)電網(wǎng)的變化，實(shí)現(xiàn)更好的多機(jī)并聯(lián)控制，更佳的并網(wǎng)諧波質(zhì)量，更好地滿足電網(wǎng)接入要求，提高在惡劣電網(wǎng)環(huán)境下的適應(yīng)能力。

3.2 高效

1) 高效發(fā)電。

簡潔化的組網(wǎng)方案降低系統(tǒng)損耗；多路MPPT技術(shù)，降低遮擋、灰塵、組串失配的影響，平坦地形下發(fā)電量提升5%以上；在屋頂、山地電站中降低不同朝向、陰影遮擋的影響，發(fā)電量提升8%～10%；與跟蹤系統(tǒng)的配合使用，跟蹤控制與控制器集成，能實(shí)現(xiàn)對支架的獨(dú)立跟蹤，提升發(fā)電量，智能控制器和跟蹤支架成為最佳伴侶。

2) 高效運(yùn)維。

管理大師德魯克說過：“沒有度量就沒有管理”。全球化、分層部署的電站管理與運(yùn)維系統(tǒng)，使部署在不同位置的電站在邏輯上當(dāng)做一個(gè)電站進(jìn)行管理?？偛磕苋终莆崭鱾€(gè)電站的運(yùn)行情況和收益對比，為考核及管理改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。分布在各地的電站，可通過無人機(jī)實(shí)施大范圍巡檢；一線人員通過定制化的運(yùn)維智能終端，實(shí)現(xiàn)與總部專家運(yùn)維團(tuán)的視頻、語音、位置與故障信息的實(shí)時(shí)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前后方遠(yuǎn)程協(xié)同運(yùn)維，降低一線運(yùn)維人員的技能要求，最大化的重用總部專家資源，實(shí)現(xiàn)人員的最優(yōu)化配置，提高系統(tǒng)的維護(hù)效率。

3.3 安全

1) 安全規(guī)避PID效應(yīng)。

PID導(dǎo)致的組件功率衰減會(huì)極大地影響投資收益。通過智能控制器自動(dòng)檢測組件電勢，主動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)工作電壓，使電池板負(fù)極在無需接地的情況下，實(shí)現(xiàn)對地正壓，有效規(guī)避PID效應(yīng)。由于電池板負(fù)極無需接地，加上逆變器內(nèi)部的殘余電流監(jiān)測電路，能在檢測到漏電流大于30 mA的情況下，150 ms內(nèi)切斷電路，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)安全。

2) 智能光伏電站對環(huán)境友好。

智能控制器無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了29 dB的低環(huán)境噪聲；無需土建機(jī)房，減少對植被及土壤等環(huán)境破壞；電磁輻射小，保護(hù)人體健康。智能光伏電站實(shí)現(xiàn)了人與環(huán)境的和諧共處，大幅增加了光伏電站的適用范圍，為光伏入戶創(chuàng)造了條件。

3) 降低直流傳輸距離，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)安全。

直流的安全傳輸與防護(hù)是重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。智能光伏電站采用無直流匯流設(shè)計(jì)，組串輸出的直流電直接進(jìn)入逆變器變?yōu)榻涣麟姡M(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，主動(dòng)規(guī)避直流傳輸帶來的安全和防護(hù)問題，降低直流拉弧帶來的安全隱患，使電站更加安全。

3.4 可靠

IP65防護(hù)等級，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外部的環(huán)境隔離，使器件保持在穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境中，降低溫度、風(fēng)沙、鹽霧等外部環(huán)境對器件壽命的影響；減少易損件使用，無熔絲、風(fēng)扇等需定期更換器件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)免維護(hù)；借鑒華為通信基站產(chǎn)品全球海量發(fā)貨及部署的設(shè)計(jì)和質(zhì)量管理經(jīng)驗(yàn)，從器件到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)25年可靠性設(shè)計(jì)及壽命仿真，加上嚴(yán)格的驗(yàn)證測試，保證系統(tǒng)部件在整個(gè)生命周期內(nèi)無需更換，可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4 總結(jié)

“智能、高效、安全、可靠”的智能光伏電站解決方案已經(jīng)得到越來越廣泛的部署和應(yīng)用。在不增加客戶投資的情況下，提升系統(tǒng)發(fā)電量、提高維護(hù)效率、增強(qiáng)系統(tǒng)安全性、實(shí)現(xiàn)25年可靠運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，獲得越來越多客戶的認(rèn)可。我們相信，融合了數(shù)字信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與光伏技術(shù)的智能光伏電站解決方案，能幫助客戶更好地解決光伏電站面臨的問題和挑戰(zhàn)，順應(yīng)能源發(fā)展大勢，成為業(yè)界主流，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級。

正如杰里米·里夫金在《第三次工業(yè)革命》一書中向世人描繪的美好未來：在新時(shí)代，數(shù)以億計(jì)的人們將在自己家里、辦公室里、工廠里生產(chǎn)出自己的綠色能源，并通過“能源互聯(lián)網(wǎng)”進(jìn)行分享。新時(shí)代的序幕剛剛開啟，而機(jī)會(huì)將更多的眷顧那些銳意進(jìn)取、勇于創(chuàng)新，積極擁抱變化的人們。華為希望在智能光伏電站的開放平臺(tái)上，與合作伙伴一起共同分享與成長，引領(lǐng)綠色能源技術(shù)革命，開創(chuàng)綠色能源的美好未來！