一種居民屋頂光伏電站巡檢運(yùn)維系統(tǒng)

王 禹 李旭東

（1. 中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100082；2. 浙江省教育科學(xué)研究院，杭州 310012）

近年來(lái)，光伏發(fā)電技術(shù)的高速發(fā)展，為人們利用太陽(yáng)能發(fā)電提供了廣闊的舞臺(tái)[1-3]。早先建設(shè)的光伏電站基本上以大中型集中式光伏電站為主[2-4]，這類(lèi)大中型集中式光伏電站有人值班巡檢，有一整套運(yùn)行維護(hù)體系[2-4]。目前，光伏電站日常的運(yùn)行維護(hù)工作包括光伏組件的運(yùn)維、匯流箱的運(yùn)維、逆變器的運(yùn)維、變電設(shè)備的運(yùn)維[5-6]。在光伏板灰塵清理方面，在傳統(tǒng)人工手動(dòng)清理的基礎(chǔ)上，已經(jīng)出現(xiàn)了光伏板灰塵自動(dòng)清掃系統(tǒng)。在電氣設(shè)備檢測(cè)方面，Sunny Portal光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)介紹了相關(guān)電站的光伏發(fā)電、消耗與自消耗，通過(guò)無(wú)線(xiàn)電遙控實(shí)現(xiàn)負(fù)載的自動(dòng)化智能控制，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化的特點(diǎn)[7]。但是，這類(lèi)巡檢運(yùn)維方式費(fèi)用昂貴，需要投入大量的人力物力，同時(shí)需要由專(zhuān)業(yè)人員來(lái)完成，顯然不適合農(nóng)村居民家庭屋頂光伏電站的維護(hù)。因此，建立一種簡(jiǎn)單易行且低成本的居戶(hù)屋頂光伏電站巡檢運(yùn)維系統(tǒng)并推廣其檢測(cè)方法勢(shì)在必行[8]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本巡檢運(yùn)維系統(tǒng)由三個(gè)子系統(tǒng)組成：

1）光伏板清潔子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)用于隨時(shí)對(duì)農(nóng)戶(hù)屋頂光伏電站的光伏板進(jìn)行清潔，保證光伏板的發(fā)電效率。

2）信息采集通信子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)采集光伏電站運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)，判斷光伏電站的運(yùn)行狀況，給出故障及異常定位確切信息，同時(shí)將信息上傳到4G總控板。

3）監(jiān)控運(yùn)維中心子系統(tǒng)。每個(gè)區(qū)域設(shè)置一個(gè)監(jiān)控運(yùn)維中心，每天定期收集各農(nóng)戶(hù)設(shè)備運(yùn)行所有相關(guān)數(shù)據(jù)，并上傳到監(jiān)控中心，以方便運(yùn)維工及時(shí)解決問(wèn)題。

本系統(tǒng)研建技術(shù)流程如圖1所示。

2 各子系統(tǒng)組成及功能

2.1 光伏板清潔子系統(tǒng)

考慮到農(nóng)村居民經(jīng)濟(jì)條件有限且文化水平低，無(wú)法操作高科技設(shè)備。因此，為了保障農(nóng)戶(hù)的經(jīng)濟(jì)利益，節(jié)約成本是該子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最根本原則。故，光伏板清潔裝置各零部件都由成本最低的初級(jí)產(chǎn)品構(gòu)成。

該子系統(tǒng)由微型電動(dòng)閥、結(jié)合固定件（包括加壓水箱、引至屋頂?shù)乃堋⑶逑垂夥寤覊m的帶孔水管）及電源線(xiàn)組成，其電源線(xiàn)與控制主模塊輸出繼電器連接。當(dāng)控制主模塊通過(guò)直流電流及日累計(jì)發(fā)電量判斷出是大風(fēng)沙塵天氣時(shí)，及時(shí)接通微型電動(dòng)閥，讓壓力水從噴水孔快速流出，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏板活灰塵的清洗，保證光伏板的發(fā)電效率。

2.2 信息采集通信子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)由一塊采集板構(gòu)成，用于采集每塊光伏板端電壓、逆變器交流側(cè)電壓、電流及計(jì)費(fèi)表脈沖量，通過(guò)計(jì)算，獲得逆變器效率、電能量以及收益電度量。通過(guò)對(duì)端電壓數(shù)據(jù)、逆變器與電能計(jì)費(fèi)表之間數(shù)據(jù)比較，可判斷電氣設(shè)備的工作狀態(tài)。

該子系統(tǒng)由光伏板檢測(cè)模塊、并網(wǎng)逆變器檢測(cè)模塊、計(jì)費(fèi)電度表檢測(cè)模塊、綜合采集模塊及控制主模塊組成。

1）光伏板檢測(cè)模塊

該模塊的功能是對(duì)光伏板的一進(jìn)一出接線(xiàn)端子進(jìn)行轉(zhuǎn)接，形成一進(jìn)兩出接線(xiàn)端子，其中一進(jìn)一出接線(xiàn)端子依舊采用多塊光伏板之間串接，而另一個(gè)出線(xiàn)端子則引至綜合采集模塊的直流電壓回路。

2）并網(wǎng)逆變器檢測(cè)模塊

（1）該模塊功能及工作原理

該模塊的功能是對(duì)并網(wǎng)逆變器直流側(cè)直流電流及交流側(cè)電壓電流進(jìn)行檢測(cè)。其工作原理為：①利用開(kāi)口型霍爾電流互感器串入并網(wǎng)逆變器直流回路，交流開(kāi)口型電流互感器串入并網(wǎng)逆變器交流側(cè)各相回路，而交流側(cè)電壓則是直接并接到并網(wǎng)逆變器交流側(cè)各相接線(xiàn)端子；②開(kāi)口型霍爾電流互感器輸出接線(xiàn)引至綜合采集模塊直流電流端子，交流開(kāi)口型電流互感器輸出接線(xiàn)引至綜合采集模塊交流電流端子，并網(wǎng)逆變器交流側(cè)各相接線(xiàn)直接引至綜合采集模塊交流相電壓端子。

（2）并網(wǎng)逆變器異常故障情景模型

假設(shè)所有光伏板電壓值和為 Uadd，在各光伏板工作狀態(tài)良好條件下，通過(guò)逆變器直流側(cè)電壓Uadd，可以判斷天氣狀態(tài)其及白天所處時(shí)間段區(qū)位。在不考慮陰、雨、風(fēng)暴天氣等情況下，并網(wǎng)逆變器直流側(cè)電壓和電流有如下關(guān)系（見(jiàn)表1）。

表1 正常狀態(tài)下并網(wǎng)逆變器直流側(cè)電壓、電流關(guān)系

當(dāng)電壓電流違背上述關(guān)系時(shí)，即可判斷逆變器工作異?；蜣D(zhuǎn)換效率下降；當(dāng)有電壓而逆變器交流側(cè)無(wú)電流輸出時(shí)，立即可判斷逆變器發(fā)生故障。

3）計(jì)費(fèi)電度表檢測(cè)模塊

該模塊主要功能是對(duì)計(jì)費(fèi)電度表脈沖輸出端子進(jìn)行檢測(cè)。計(jì)費(fèi)電度表的1kW·h等于3200個(gè)脈沖。對(duì)計(jì)費(fèi)電度表脈沖輸出端子預(yù)處理后，引至控制主模塊輸入回路端子。

4）綜合采集模塊

綜合采集模塊直流電壓電流回路為20組電壓2組電流，其電壓回路范圍可達(dá) 50V。交流電壓采用4個(gè)端子布列，交流電流采用 6個(gè)端子布列；交流電壓回路的第1與第4個(gè)端子以及交流電流回路第1個(gè)與第 2個(gè)端子連接形成了單相電對(duì)象應(yīng)用，而交流電壓4個(gè)端子全連接及交流電流6個(gè)端子全連接則是三相電對(duì)象應(yīng)用。

5）控制主模塊

控制主模塊為單片機(jī)或嵌入式控制器，其與綜合采集模塊連接?？刂浦髂K開(kāi)關(guān)量輸入回路與計(jì)費(fèi)電度表檢測(cè)模塊脈沖接口連接，控制主模塊開(kāi)關(guān)量輸出回路與光伏板清潔子系統(tǒng)的微型電動(dòng)閥電源線(xiàn)連接，控制主模塊通信回路向監(jiān)控運(yùn)維中心上傳數(shù)據(jù)。該模塊通過(guò)運(yùn)行指定工作流程，實(shí)現(xiàn)居戶(hù)屋頂光伏電站各電氣設(shè)備的檢測(cè)與評(píng)估。

2.3 監(jiān)控運(yùn)維中心子系統(tǒng)

每個(gè)區(qū)域設(shè)置一個(gè)監(jiān)控運(yùn)維中心，每天定期收集各農(nóng)戶(hù)設(shè)備運(yùn)行所有相關(guān)數(shù)據(jù)，上傳到監(jiān)控中心。監(jiān)控運(yùn)維中心存儲(chǔ)了運(yùn)維工的相關(guān)信息，當(dāng)檢測(cè)出居民屋頂光伏電站故障或異常時(shí)，監(jiān)控運(yùn)維中心自動(dòng)推送居民屋頂位置、故障異常類(lèi)型等信息給運(yùn)維工，以方便運(yùn)維工開(kāi)展具體的運(yùn)維工作。

3 居戶(hù)屋頂光伏電站檢測(cè)流程

1）光伏板設(shè)備檢測(cè)工作流程

（1）計(jì)算各光伏板電壓Ui。

（2）計(jì)算所有光伏板的平均電壓Umean。

（3）建立正常光伏板電壓變化曲線(xiàn)模型，其規(guī)律為：日出后電壓上升，然后上升至峰值電壓，15∶00—16∶00電壓會(huì)下降到峰值電壓以下，日落后電壓下降比較快但不會(huì)到降零。

（4）判斷 Ui?Umean是否接近于 0，如偏差超過(guò)法限值，則置異常標(biāo)志。

（5）如果電壓Ui不符合電壓變化曲線(xiàn)模型，可判斷該光伏板工作異常。

2）并網(wǎng)逆變器設(shè)備檢測(cè)工作流程

（1）計(jì)算所有光伏板電壓值之和Uadd。

（2）建立光伏板狀態(tài)良好條件下總電壓與電流對(duì)照表（見(jiàn)表1）。

（3）當(dāng)總電壓電流違背上述總電壓與電流對(duì)照表時(shí)，即可判斷并網(wǎng)逆變器工作異常。

3）計(jì)費(fèi)電度表設(shè)備檢測(cè)工作流程

（1）檢查光伏板設(shè)備及并網(wǎng)逆變器設(shè)備，讓設(shè)備處于完好狀態(tài)。

（2）計(jì)算并網(wǎng)逆變器交流側(cè)功率，每秒采集一次并累加，每小時(shí)形成電量P1。

（3）計(jì)算計(jì)費(fèi)電度表輸出脈沖數(shù)積累后轉(zhuǎn)換為電量P2。

（4）比較兩個(gè)電量數(shù)值P1、P2，并求差，當(dāng)偏差超過(guò)限值時(shí)，可判定計(jì)費(fèi)電度表異常。

本巡檢運(yùn)維系統(tǒng)光伏電站檢測(cè)流程如圖2所示。

圖2 居戶(hù)屋頂光伏電站檢測(cè)流程

4 結(jié)論

本運(yùn)維巡檢系統(tǒng)提供了一種簡(jiǎn)便易行的農(nóng)村居戶(hù)屋頂光伏電站檢測(cè)技術(shù)方法，該系統(tǒng)的建立，將徹底改變農(nóng)村光伏電站重建設(shè)輕運(yùn)行維護(hù)的弊端，從而保障困難農(nóng)戶(hù)的利益，為國(guó)家扶貧政策保駕護(hù)航。

本系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）光伏板清掃利用了壓力水，設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低。

2）綜合采集模塊集中了全部電氣設(shè)備的檢查回路，通過(guò)控制主模塊上傳異常信號(hào)，區(qū)域?qū)I(yè)人員可及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題，對(duì)實(shí)現(xiàn)居戶(hù)屋頂光伏電站高效、快捷、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行維護(hù)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

該系統(tǒng)中，“利用壓力水清掃光伏板、采集光伏板端電壓、比較逆變器與計(jì)費(fèi)表之差”等關(guān)鍵技術(shù)是本系統(tǒng)的創(chuàng)新之處，該技術(shù)已獲國(guó)家專(zhuān)利。

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