光伏電站太陽能資源監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

劉代勇，盧毓偉，王 偉

(中國電建集團 中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

0 引 言

作為一種可再生的清潔能源，太陽能的開發(fā)利用對于緩解全球氣候變化有著重要意義。進行太陽能資源監(jiān)測和評估是開發(fā)利用太陽能的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。光伏電站的發(fā)電效率與太陽輻射強度、組件溫度、云量、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、氣壓、氣溶膠等隨機變化的太陽能資源要素密切相關(guān)。以上因素具有明顯的間歇性和波動性，會造成電力輸出的不連續(xù)性和不確定性。隨著越來越多的大規(guī)模光伏電站并網(wǎng)運行，間歇式電源的發(fā)電容量在部分區(qū)域電力系統(tǒng)中所占比例大大提高，給電力系統(tǒng)的供需平衡、安全穩(wěn)定運行與控制帶來了巨大挑戰(zhàn)，大大加重了電網(wǎng)的調(diào)度負擔(dān)。在此背景下，為了最大限度地消納這些綠色能源并確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，和目前的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)要求一樣，光伏電站必須具備發(fā)電功率預(yù)測能力，需定時向電網(wǎng)調(diào)度部門上報其未來發(fā)電功率預(yù)測曲線。同時，從發(fā)電企業(yè)光伏電站的角度來考慮，準確預(yù)測發(fā)電功率將有利于提高電力市場競爭力；還有助于合理制定發(fā)電交易計劃，降低發(fā)電成本，避免光伏電站出現(xiàn)重大產(chǎn)能損失[1-3]。

在太陽能資源監(jiān)測系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，高品質(zhì)的太陽輻射監(jiān)測設(shè)備對于準確預(yù)測發(fā)電功率尤為重要。太陽能資源監(jiān)測系統(tǒng)是現(xiàn)代通信、自動控制、遙測、計算機等技術(shù)在自動監(jiān)測領(lǐng)域的綜合運用，通過在光伏電站內(nèi)建設(shè)太陽能資源監(jiān)測站，能快速、準確地采集、傳輸、處理以及存儲光伏電站的太陽能資源信息，掌握當(dāng)?shù)睾凸夥娬镜膶嶋H太陽能資源狀況，為光伏電站的光電轉(zhuǎn)換效率評估、光伏電站綜合效益評估以及光伏電站運行維護評價提供強有力的數(shù)據(jù)支撐。因此，開展太陽能資源監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，具有顯著的現(xiàn)實意義。本文結(jié)合自動化控制理論，開展光伏電站太陽能資源監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。

1 系統(tǒng)功能

GB/T 37526-2019《太陽能資源評估方法》、GB/T 31155-2014《太陽能資源等級總輻射》等對測光的技術(shù)要求進行了規(guī)定，適用于全國各地太陽能資源評價和區(qū)劃。同時，GB/T 30153-2013《光伏發(fā)電站太陽能資源實時監(jiān)測技術(shù)要求》中對太陽能資源監(jiān)測要素做出了明確要求，實時監(jiān)測參數(shù)應(yīng)包括總輻射度(水平及傾角)、日照時數(shù)、平均風(fēng)速、平均風(fēng)向、環(huán)境溫度、相對濕度，宜包括法向直接輻射照度、散射輻照度和氣壓。結(jié)合光伏電站實際需求，該系統(tǒng)主要選取總輻射、直接輻射、散射輻射、斜面輻射、空氣溫度、空氣濕度、大氣壓力、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等10個必要的監(jiān)測要素。

系統(tǒng)應(yīng)具備主要功能如下：① 太陽能資源測站無人值守，自動采集并實時發(fā)送太陽輻射和氣象信息；② 能夠?qū)崟r接收各類型數(shù)據(jù)報文，報文譯碼，并將譯碼數(shù)據(jù)分類存入數(shù)據(jù)庫；③ 太陽能資源監(jiān)測站遠程管理；④ 太陽能資源分析、光電轉(zhuǎn)換效率評估、光伏電站綜合效率評估等；⑤ 歷史數(shù)據(jù)查詢，GIS信息查詢；⑥ 設(shè)備故障、電源欠壓等提示。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏電站太陽能資源監(jiān)測系統(tǒng)以太陽能資源監(jiān)測站網(wǎng)為基礎(chǔ)，利用計算機技術(shù)和自動化技術(shù)，對光伏電站太陽輻射及相關(guān)氣象信息進行實時采集、傳輸、處理和存儲，以掌握示范基地的實際太陽能資源狀況。因此，太陽能資源監(jiān)測系統(tǒng)主要由太陽能資源監(jiān)測站、數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺兩部分組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the system

2.2 太陽能資源監(jiān)測站

2.2.1 測站類型

由于不同光伏電站選用的組件安裝方式各不相同，并且在同一個電站的不同區(qū)域也存在多種組件安裝方式。目前，光伏電站的組件安裝方式主要為固定角度安裝方式、可調(diào)節(jié)安裝方式(包括固定可調(diào)安裝方式、單軸跟蹤安裝方式、雙軸跟蹤安裝方式等)。因此，為了準確評估整個光伏電站的光電轉(zhuǎn)換效率，需要針對不同安裝方式的組件區(qū)域，設(shè)計建設(shè)滿足要求的太陽能資源監(jiān)測站。根據(jù)光伏電站后評估的要求，結(jié)合光伏組件安裝方式，將光伏電站的太陽能資源監(jiān)測站分為以下兩種類型。

(1) 組件為固定角度安裝方式的太陽能資源監(jiān)測站(以下簡稱“固定站”)。該類測站主要針對光伏組件采用固定角度安裝方式的區(qū)域進行布設(shè)，監(jiān)測總輻射、直接輻射、散射輻射、斜面輻射、空氣溫度、空氣濕度、大氣壓力、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等要素。

(2) 組件為可調(diào)節(jié)安裝方式的太陽能斜面輻射監(jiān)測站(以下簡稱“跟蹤站”)。該類測站主要針對光伏組件采用可調(diào)節(jié)方式的區(qū)域進行布設(shè)，僅監(jiān)測斜面輻射量。

2.2.2 布設(shè)原則

為實現(xiàn)對光伏電站光電轉(zhuǎn)換效率、光伏電站綜合效益以及光伏電站運行維護的準確評估與評價，根據(jù)系統(tǒng)功能、光伏組件安裝方式，對光伏電站的太陽能資源測量系統(tǒng)進行合理的站網(wǎng)布設(shè)。站網(wǎng)布設(shè)遵循以下基本原則。

(1) 在每個光伏電站均需布設(shè)太陽能資源監(jiān)測站，包括固定站和跟蹤站。

(2) 在同一個光伏電站，組件既包含固定角度安裝方式也包含可調(diào)節(jié)安裝方式時，針對光伏組件采用固定角度安裝方式的區(qū)域，布設(shè)一套固定站(斜面輻射表安裝角度與組件固定角度一致)；針對組件采用可調(diào)節(jié)安裝方式的區(qū)域，布設(shè)跟蹤站(斜面輻射表安裝在組件上，隨組件角度變化進行跟蹤監(jiān)測)，具體數(shù)量根據(jù)組件采用可調(diào)節(jié)安裝方式的種類配套設(shè)置。

(3) 在同一個光伏電站，組件只包含可調(diào)節(jié)安裝方式時，將其中1個跟蹤站與固定站合并建設(shè)(即將固定站中的斜面輻射安裝到其中1種可調(diào)節(jié)安裝方式的組件上)，針對剩余可調(diào)節(jié)安裝方式的組件區(qū)配套建設(shè)相應(yīng)數(shù)量的跟蹤站。

2.2.3 固定站構(gòu)成

固定站由太陽能輻照傳感器、氣象要素監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等構(gòu)成，設(shè)備構(gòu)成見圖2。該類測站主要建設(shè)在光伏組件為固定角度安裝方式的區(qū)域，自動監(jiān)測整個光伏電站區(qū)域的總輻射、直接輻射、散射輻射、斜面輻射、空氣溫度、空氣濕度、大氣壓力、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等，安裝效果見圖3。

2.2.4 跟蹤站構(gòu)成

跟蹤站由太陽能斜面輻照傳感器、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等構(gòu)成，設(shè)備構(gòu)成見圖4。該類站主要是針對可調(diào)節(jié)組件配套建設(shè)，在光伏電站可調(diào)節(jié)組件區(qū)域的太陽能光板組件上安裝1個斜面輻射傳感器，安裝效果見圖5。當(dāng)可調(diào)節(jié)安裝方式組件角度發(fā)生變化時，跟蹤監(jiān)測可調(diào)節(jié)組件的斜面輻射強度。

圖2 固定站設(shè)備構(gòu)成Fig.2 Equipment composition diagram of fixed station

圖3固定站安裝效果Fig.3 Installation diagram of fixed station

圖4 跟蹤站設(shè)備構(gòu)成Fig.4 Equipment composition diagram of tracking station

2.2.5 系統(tǒng)通信

根據(jù)太陽能資源信息采集特點，結(jié)合通訊傳輸技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，太陽能資源監(jiān)測站采用GPRS通信方式，將1，5，10，60 min及1 d監(jiān)測數(shù)據(jù)實時發(fā)送至數(shù)據(jù)監(jiān)測中心。系統(tǒng)工作體制采用自報式，可自動采集、傳輸、存儲太陽能輻射及相關(guān)氣象信息。

圖5 跟蹤站安裝效果Fig.5 Installation diagram of tracking station

2.2.6 系統(tǒng)供電

穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)是系統(tǒng)正常工作的前提，光伏電站太陽能資源監(jiān)測站供電方式采用太陽能浮充蓄電池供電、交流浮充蓄電池供電方式。

(1) 太陽能浮充蓄電池供電。測站電源由光伏組件、蓄電池和充電控制器組成，由光伏組件通過充電控制器給蓄電池充電，再由蓄電池直接給測站設(shè)備供電。測站采用太陽能浮充供電方式，具有電源獨立的優(yōu)勢，供電設(shè)備不與外界發(fā)生任何電氣聯(lián)系，避免了測站從交流電源引入的雷電干擾，同時避免了交流電對監(jiān)測設(shè)備的電磁感應(yīng)干擾，但用電設(shè)備耗電要求較高，供電可能受惡劣天氣影響。

(2) 交流浮充蓄電池供電。測站電源由交流電、蓄電池和充電控制器組成，由交流電通過充電控制器給蓄電池充電，再由蓄電池直接給測站設(shè)備供電。測站采用交流浮充蓄電池供電方式，具有供電量大、不受惡劣天氣影響的特點，但測站選址受交流電源限制，同時，需要采取有效措施，解決從交流電源引入的雷擊問題和電磁感應(yīng)干擾問題。

綜合分析以上兩種供電方式的特點，測站供電方式選擇如下：跟蹤站監(jiān)測要素單一，測站需要的電量較少，設(shè)計采用太陽能浮充蓄電池供電方式，配備1塊12 V，100 Ah的蓄電池，通過40 W的光伏組件對蓄電池進行充電。固定站監(jiān)測要素多，因總輻射、散射輻射和直接輻射需和太陽跟蹤器配套使用，加之太陽跟蹤器需跟蹤太陽軌跡運行，耗電量較大，同時，為減少電磁感應(yīng)對其他傳感器、數(shù)據(jù)采集器和通信模塊的干擾，固定站設(shè)計選擇交流浮充蓄電池供電和太陽能浮充蓄電池供電的混合供電方式，即太陽跟蹤器采用交流浮充蓄電池供電，配備2塊12 V，100 Ah的蓄電池，通過并聯(lián)方式輸出24 V直流電壓給太陽能跟蹤器供電，同時配備24 V交流電源對蓄電池進行充電；其他設(shè)備采用太陽能浮充蓄電池供電，配備1塊12 V，100 Ah的蓄電池，通過40 W的光伏組件對蓄電池進行充電。

2.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺

數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺設(shè)計部署在光伏發(fā)電中心指定的服務(wù)器上，實時接收光伏電站太陽能資源監(jiān)測站發(fā)送的各類型數(shù)據(jù)報文、報文譯碼，將數(shù)據(jù)分類存儲入數(shù)據(jù)庫等，并結(jié)合接收的太陽能資源數(shù)據(jù)進行太陽能資源分析、光電轉(zhuǎn)換效率評估、光伏電站綜合效率評估等，監(jiān)測平臺主界面如圖6所示。

圖6 監(jiān)測平臺主界面示意Fig.6 Main interface of monitoring platform

3 工程應(yīng)用

本文設(shè)計的光伏電站太陽能資源監(jiān)測系統(tǒng)分別在多個光伏“領(lǐng)跑者”基地項目中得到了應(yīng)用。

2016年，在第一批“領(lǐng)跑者”基地項目中的大同光伏示范基地建設(shè)了14套太陽能資源監(jiān)測系統(tǒng)；2017年，在第二批“領(lǐng)跑者”基地項目中的芮城光伏示范基地建設(shè)了7套太陽能資源監(jiān)測系統(tǒng)；2019年，在第三批“領(lǐng)跑者”基地項目中的達拉特光伏示范基地、渭南光伏示范基地、德令哈光伏示范基地、格爾木光伏示范基地、壽陽光伏示范基地、海興光伏示范基地、銅川光伏示范基地共建設(shè)了16套太陽能資源監(jiān)測系統(tǒng)。目前，已建的光伏電站太陽能資源監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠、故障率低，采用全自動無人值守方式，應(yīng)用情況良好。

4 結(jié) 語

通過建設(shè)光伏電站太陽能資源監(jiān)測系統(tǒng)，可掌握當(dāng)?shù)毓夥娬緦嶋H太陽能資源狀況，可為開展光伏“領(lǐng)跑者”項目系統(tǒng)設(shè)備的評價、光電轉(zhuǎn)換效率評估、光伏電站綜合效益評估以及光伏電站運行維護評價提供強大的數(shù)據(jù)支撐。