淺談電氣自動(dòng)化在光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用

劉海燕

國能蚌埠發(fā)電有限公司 安徽 蚌埠 233000

引言

當(dāng)今世界正面臨著一個(gè)世紀(jì)以來前所未有的巨大變化，全球發(fā)展也面臨著新的形勢(shì)和挑戰(zhàn)?！傲?030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”重大戰(zhàn)略決策的提出，為國家能源發(fā)展指明了方向。同時(shí)，國家對(duì)今年推進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和進(jìn)行了全面動(dòng)員和系統(tǒng)部署，明確指出要建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。太陽能作為地球上最豐富的能源，同時(shí)清潔無污染，因此其勢(shì)必在能源發(fā)展的道路上成為焦點(diǎn)。光伏組件作為一種可以直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，同時(shí)其可以集中式也可分布式，因此光伏發(fā)電成為太陽能利用方法中的佼佼者。

1 光伏工程建設(shè)必要性

1.1 可持續(xù)發(fā)展的需要

我國能源供應(yīng)格局以煤炭為主體，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的同時(shí)帶來了日益突出的環(huán)境問題。煤炭的開采會(huì)導(dǎo)致環(huán)境破壞問題，而煤炭的燃燒會(huì)釋放大量的溫室氣體。光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展完全符合國家可持續(xù)發(fā)展的需要，符合國家大力推廣利用太陽能光伏的決心和建設(shè)節(jié)能低碳社會(huì)的發(fā)展戰(zhàn)略。

1.2 發(fā)展太陽能資源的需要

我國太陽能資源豐富、電網(wǎng)容量大的區(qū)位優(yōu)勢(shì)是世界罕見的。大力開展大型光伏電站建設(shè)，對(duì)于充分利用國內(nèi)豐富的太陽能資源，減少溫室氣體排放，建設(shè)綠色電力，帶動(dòng)新能源建設(shè)、推廣和利用具有重要意義。

1.3 經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要

光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和壯大對(duì)促進(jìn)新能源的利用，提高單位工業(yè)GDP能耗，減少溫室氣體排放具有重要意義。同時(shí)，每年的光伏發(fā)電量也為各地帶來了較為可觀的財(cái)政收入[1]。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)組成

2.1 電池方陣

電池方陣是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要部件之一。它是能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)換成電能的器件。光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量和電池方陣串聯(lián)的數(shù)量息息相關(guān)。電池方陣安裝的傾角也對(duì)電池方陣的利用有直接影響，比如在北半球的國家，電池方陣的采光面應(yīng)面向南方布置，并與太陽光線垂直。在日常生產(chǎn)維護(hù)時(shí)，檢修人員也應(yīng)定期巡檢，保持電池方陣表面清潔，防止由此造成的轉(zhuǎn)換效率降低。

2.2 蓄電池組

蓄電池組同樣是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要部件。太陽能雖是無限存在的，但是難免碰到陰雨天，而蓄電池組的作用在此時(shí)便體現(xiàn)了出來。太陽能電池組件的作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，供給電網(wǎng)的同時(shí)可以給蓄電池組充電，當(dāng)夜晚或陰雨天來臨時(shí)，便由蓄電池組進(jìn)行放電，維持負(fù)載工作。由此可知，太陽能蓄電池應(yīng)該具備以下特性：價(jià)格低廉；使用壽命長，特殊的工藝設(shè)計(jì)和膠體電解質(zhì)保證的長壽命電池；少維護(hù)或免維護(hù)；過充和過放能力強(qiáng)；深放電能力強(qiáng)；自放電率低；充電效率高；工作溫度范圍寬。

2.3 充放電控制器

充放電控制器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心控制部分。它的主要功能就是防止蓄電池的過充電和過放電。當(dāng)蓄電池過充電時(shí)，會(huì)使電池中的電解液汽化，引發(fā)電池故障。而當(dāng)蓄電池過放電時(shí)，則會(huì)嚴(yán)重影響蓄電池的容量，導(dǎo)致蓄電池壽命大大降低。充放電控制器的目的就是對(duì)蓄電池的充放電加以控制，同時(shí)能夠根據(jù)負(fù)載實(shí)時(shí)需求調(diào)配電能的輸出。

2.4 逆變器

逆變器是光伏系統(tǒng)必不可少的一部分。由于太陽能電池和蓄電池輸出都是直流電源，而上網(wǎng)及負(fù)載消耗的都是交流電源，因此能將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的逆變器是不可或缺的一環(huán)。逆變器的核心就是逆變電路，該電路是通過電力電子開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，來完成逆變的功能。同時(shí)逆變器在光伏電站另外一個(gè)作用便是可以提供一定量的無功輸出，但當(dāng)逆變器的無功容量無法滿足系統(tǒng)需求時(shí)，光伏電站還應(yīng)配置無功補(bǔ)償裝置[2]。

3 電氣自動(dòng)化在太陽能光伏發(fā)電中的應(yīng)用

3.1 根據(jù)遠(yuǎn)動(dòng)信息的傳輸必須滿足電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化的實(shí)時(shí)性要求

根據(jù)調(diào)度管理關(guān)系及調(diào)度對(duì)光伏項(xiàng)目的要求，遠(yuǎn)動(dòng)信息應(yīng)采用調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)雙平面方式傳輸?shù)秸{(diào)度，通道須具備一定的傳輸質(zhì)量，遠(yuǎn)動(dòng)通道的具體設(shè)計(jì)可由通信專業(yè)統(tǒng)一組織。

3.2 電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)工作

遵循“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證、綜合防護(hù)”的基本原則，在建設(shè)規(guī)劃時(shí)應(yīng)與主體工程同步規(guī)劃、同步建設(shè)、同步運(yùn)行。光伏電站電力監(jiān)控系統(tǒng)主要防護(hù)范圍包括：控制區(qū)光伏電站運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)、無功電壓控制、發(fā)電功率控制、升壓站監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護(hù)等；非控制區(qū)光伏功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)、電能量采集裝置、故障錄波等。如圖1所示。

圖1 光伏電站安全防護(hù)分區(qū)示意圖

而安全防護(hù)的重點(diǎn)就是保證光伏電站自動(dòng)化系統(tǒng)和調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的安全，典型安全防護(hù)方案應(yīng)滿足如下條件：第一，在數(shù)據(jù)網(wǎng)安全Ⅱ區(qū)的設(shè)備接入電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)前應(yīng)加裝縱向加密裝置。比如電能量計(jì)量系統(tǒng)、光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)等。第二，在數(shù)據(jù)網(wǎng)安全Ⅰ區(qū)與安全Ⅱ區(qū)的各業(yè)務(wù)應(yīng)通過防火墻進(jìn)行隔離。第三，在數(shù)據(jù)網(wǎng)安全Ⅰ區(qū)的設(shè)備接入電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)前應(yīng)加裝縱向加密認(rèn)證裝置，比如NCS設(shè)備、遠(yuǎn)動(dòng)RTU設(shè)備、有功功率控制AGC設(shè)備、無功功率控制AVC設(shè)備、相量測(cè)量PMU設(shè)備以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信實(shí)體間的認(rèn)證和加密保護(hù)。第四，在數(shù)據(jù)網(wǎng)安全Ⅰ區(qū)的設(shè)備應(yīng)接入調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)實(shí)時(shí)邏輯子網(wǎng)，而在數(shù)據(jù)網(wǎng)安全Ⅱ區(qū)的設(shè)備應(yīng)接入調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的非實(shí)時(shí)邏輯子網(wǎng)。第五，因網(wǎng)調(diào)1084號(hào)文要求，應(yīng)配置網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控裝置和入侵檢測(cè)裝置。

3.3 電能量遠(yuǎn)方終端設(shè)備的配置及對(duì)電能表的要求

3.3.1 電能量遠(yuǎn)方終端的配置。由于光伏電站建成后的電能量結(jié)算主要由相關(guān)電力交易中心負(fù)責(zé)，故光伏電站內(nèi)應(yīng)配置電能量遠(yuǎn)方終端設(shè)備，該設(shè)備需符合相關(guān)電能計(jì)量系統(tǒng)的要求，以便方便地接入相關(guān)電量計(jì)費(fèi)主站系統(tǒng)。

3.3.2 計(jì)量關(guān)口點(diǎn)（配置主、副雙表）設(shè)置。根據(jù)接入系統(tǒng)方案和產(chǎn)權(quán)劃分原則，應(yīng)在資產(chǎn)分界點(diǎn)設(shè)置計(jì)量關(guān)口點(diǎn)，對(duì)側(cè)設(shè)置校核點(diǎn)。

3.4 時(shí)間同步系統(tǒng)

為保證站內(nèi)所有設(shè)備時(shí)間同步性，確保相關(guān)聯(lián)動(dòng)設(shè)備實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)性，光伏電站升壓站內(nèi)應(yīng)配置公用的時(shí)間同步系統(tǒng)。主時(shí)鐘源應(yīng)采用雙重化的配置，同時(shí)支持北斗系統(tǒng)信號(hào)和GPS信號(hào)，并優(yōu)先采用北斗系統(tǒng)。時(shí)間同步系統(tǒng)的全面投入，也會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)事故發(fā)生后歷史追溯和事故分析中提供特別大的幫助。

3.5 相量測(cè)量裝置

光伏電站升壓站內(nèi)應(yīng)配置同步相量測(cè)量（PMU）系統(tǒng)（相量集中器雙重化配置），通過采集并網(wǎng)線路、集電線路、SVG 線路、主變各側(cè)的電流、電壓幅值及相角、有功功率、無功功率和頻率，處理后送往相關(guān)調(diào)度源網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.6 光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)

第一，短期功率預(yù)測(cè)一般是通過氣象部門發(fā)布的天氣預(yù)報(bào)信息，對(duì)光伏電站未來3天的發(fā)電功率進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后上報(bào)調(diào)度主站。第二，超短期功率預(yù)測(cè)是對(duì)光伏電站未來4小時(shí)的發(fā)電功率進(jìn)行預(yù)測(cè)后上報(bào)調(diào)度主站。

3.7 無功電壓控制系統(tǒng)（AVC）

考慮到光伏電站為電網(wǎng)系統(tǒng)提供一定的無功儲(chǔ)備，在建設(shè)時(shí)會(huì)要求電站配置無功補(bǔ)償裝置。那么同火電一樣，電站也應(yīng)配置無功電壓控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是從全局對(duì)無功功率進(jìn)行整體協(xié)調(diào)控制，合理分布電網(wǎng)無功，從而提高電能質(zhì)量，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.8 有功功率控制系統(tǒng)（AGC）

考慮到調(diào)度主站對(duì)電網(wǎng)電源的整體把控，更好地掌握電網(wǎng)潮流分布及控制，光伏電站應(yīng)配置有功功率控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)能在接收到調(diào)度主站下發(fā)的有功控制指令或調(diào)度計(jì)劃曲線后，實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電站總出力，且精度不超過范圍。對(duì)于異常指令，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置合理地調(diào)節(jié)上下限進(jìn)行約束，防止欠調(diào)或超調(diào)[3]。

3.9 一次調(diào)頻系統(tǒng)

頻率作為電力系統(tǒng)中最重要的運(yùn)行參數(shù)之一，其對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性作用不言而喻。系統(tǒng)頻率無論是過高或過低，都會(huì)對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生極大影響，都會(huì)對(duì)用電設(shè)備產(chǎn)生不好的影響。嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致電網(wǎng)崩潰，因此保障電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定顯得尤為重要。華東電監(jiān)會(huì)關(guān)于“兩個(gè)細(xì)則”的通知，就為新能源電廠一次調(diào)頻提供了性能指標(biāo)要求。

4 結(jié)束言

根據(jù)相關(guān)預(yù)測(cè)到2030年太陽能發(fā)電總量約10.25億千瓦，占比全國電源裝機(jī)總量27%，到2060年太陽能發(fā)電總量約38億千瓦，占比全國電源裝機(jī)總量47.4%。由此可見，太陽能光伏發(fā)電必定大有可為。本文以華東某省光伏發(fā)電站建設(shè)為例，系統(tǒng)分析了電氣自動(dòng)化在太陽能光伏發(fā)電中的應(yīng)用，并對(duì)存在的相關(guān)要求進(jìn)行了提示，文中對(duì)于有關(guān)電氣自動(dòng)化在光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展中所起的作用分析可能尚不徹底，還需要在以后的發(fā)展中多關(guān)注，新形勢(shì)下國家標(biāo)準(zhǔn)、調(diào)度規(guī)范的修訂完善，使電氣自動(dòng)化在光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展中更好賦能。