分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計

王 晅

（揚(yáng)州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 揚(yáng)州 225002）

0 引言

分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)是光伏發(fā)電并網(wǎng)的重要條件之一，系統(tǒng)的設(shè)計要有合理性。本研究對分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行分析，詳細(xì)探究其系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響。通過對不同類型與等級的專用線路連接電網(wǎng)、用戶內(nèi)部電網(wǎng)連接模式等進(jìn)行深入研究，最終得到不同形式的系統(tǒng)特點(diǎn)及適用目標(biāo)，并提出相應(yīng)的監(jiān)測和防護(hù)措施。

1 分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)由光伏電源結(jié)構(gòu)板、電流匯流設(shè)備、電源逆變器及蓄電池組成。由于該系統(tǒng)所使用的單個電池板無法直接生成可入網(wǎng)的交流電供用戶使用。因此，要將光伏電池的結(jié)構(gòu)板進(jìn)行串聯(lián)，通過集中設(shè)備將光伏電池結(jié)構(gòu)板所產(chǎn)生的電力進(jìn)行匯集，并為電源逆變器提供所需的電能，逆變后的電能可并入電網(wǎng)。

受季節(jié)交替和天氣變化等因素的影響，同一地點(diǎn)不同時段的光照強(qiáng)度會有很大差異，甚至有的地區(qū)會經(jīng)常出現(xiàn)陰雨天氣，那么該地區(qū)的光伏發(fā)電的電量波動相對較大，也十分不穩(wěn)定。為了避免因光伏發(fā)電量不穩(wěn)定對并網(wǎng)輸入造成較大沖擊，光伏發(fā)電通常設(shè)置有儲能裝置，儲能后的電量在儲能裝置的作用下，可向電網(wǎng)提供持續(xù)平穩(wěn)的電流，如蓄電池設(shè)備或電網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)光伏電池產(chǎn)生的功率過大時，應(yīng)使用專業(yè)技術(shù)手段將過量的電能用蓄電池設(shè)備儲存或直接傳輸?shù)诫娏W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。當(dāng)光伏電池輸出功率不高時，蓄電池設(shè)備完成電力傳輸或放電，以此來達(dá)到平衡電能負(fù)荷的最終目的。

1.2 光伏逆變設(shè)備

光伏逆變設(shè)備又稱逆變電源，從本質(zhì)上講，其是一種將直流電力轉(zhuǎn)化為交流電力的轉(zhuǎn)化設(shè)備。因此，該設(shè)備是發(fā)電系統(tǒng)中的重要零部件。隨著電子技術(shù)及微電子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，該設(shè)備要想正常運(yùn)轉(zhuǎn)，就要使用逆變技術(shù)，將直流電動設(shè)備轉(zhuǎn)換為交流發(fā)電設(shè)備［1］。

逆變技術(shù)要想正常應(yīng)用，就要使用易于控制的硬件設(shè)備和電子元件。因此，該技術(shù)控制電路由單片機(jī)處理設(shè)備來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬集成控制電路，以此來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化信號的控制。隨著計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，不同的設(shè)備零部件及功率設(shè)備零部件都得到優(yōu)化，使系統(tǒng)逆變器向更小體積、更高運(yùn)轉(zhuǎn)效率的方向發(fā)展。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，逆變器主要用于控制半導(dǎo)體功率開關(guān)的啟動與停止等，從而將分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電力轉(zhuǎn)化為交流電力。從本質(zhì)上來看，光伏逆變設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)是電流整流變換的逆流程。

1.3 功率點(diǎn)控制系統(tǒng)

功率點(diǎn)控制系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)時通過控制計算的方式，能詳細(xì)地預(yù)測出系統(tǒng)工作狀態(tài)下陣列可能產(chǎn)生的最大輸出功率，能有效改善基礎(chǔ)系統(tǒng)的阻礙情況，從而滿足系統(tǒng)的最大輸出功率。當(dāng)電池設(shè)備的溫度不斷提升，輸出功率不斷降低時，為了保證系統(tǒng)能在正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下處于最佳狀態(tài)，從而最大限度地輸出更多電力能量。

在不同光線照射強(qiáng)度下，光伏陣列輸出曲線具有顯著特點(diǎn)。其中，如果曲線的兩個端點(diǎn)分別為最大輸出功率位置點(diǎn)，那么在某一時刻系統(tǒng)運(yùn)行為A曲線端點(diǎn)。當(dāng)光線照射強(qiáng)度過大時，光伏陣列曲線的結(jié)構(gòu)會發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變，最終在標(biāo)準(zhǔn)光線照射強(qiáng)度下，可保證最大運(yùn)轉(zhuǎn)功率位置點(diǎn)。因此，要想保證系統(tǒng)能達(dá)到最大運(yùn)轉(zhuǎn)功率點(diǎn)，就要對系統(tǒng)的基礎(chǔ)負(fù)載特點(diǎn)進(jìn)行合理調(diào)整，讓功率點(diǎn)控制系統(tǒng)作業(yè)位置始終在最大功率。

2 分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.1 獨(dú)立系統(tǒng)

分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中的獨(dú)立系統(tǒng)在運(yùn)行時，系統(tǒng)本身并不與電力網(wǎng)絡(luò)連接。由于該系統(tǒng)能獨(dú)立運(yùn)行，從而有效補(bǔ)給偏遠(yuǎn)地區(qū)的基礎(chǔ)電力供應(yīng)，如家庭用電、醫(yī)療用電、供水用電等。因此，獨(dú)立系統(tǒng)能在一定程度上緩解部分地區(qū)的電力供應(yīng)壓力。但在實(shí)際操作過程中，該系統(tǒng)易受外部環(huán)境的影響。如果系統(tǒng)安裝區(qū)域內(nèi)的光線強(qiáng)度較高，或環(huán)境溫度產(chǎn)生明顯變化時，在分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中，太陽能電池的基礎(chǔ)輸出特點(diǎn)會產(chǎn)生明顯轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致系統(tǒng)的基礎(chǔ)運(yùn)轉(zhuǎn)安全系數(shù)大幅度降低。由于發(fā)電設(shè)備和系統(tǒng)要定期進(jìn)行維護(hù)，因此設(shè)備維護(hù)費(fèi)用相對較高［2］。

2.2 并網(wǎng)系統(tǒng)

在分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)并網(wǎng)過程中，主要將電力能量有效傳輸?shù)娇傮w電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。現(xiàn)階段大多數(shù)地區(qū)和城市普遍使用并網(wǎng)光伏發(fā)電管理系統(tǒng)，而光伏陣列通過電流的匯流功能將電能傳輸?shù)侥孀冊O(shè)備中，此時逆變設(shè)備將光伏發(fā)電所產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為公用電網(wǎng)中的電能，以此來保證系統(tǒng)的內(nèi)部電壓、頻率及電位的同步。

并網(wǎng)系統(tǒng)在實(shí)際建設(shè)時，逆變設(shè)備不僅要具有電能形式的轉(zhuǎn)化功能，還要具有防孤島、防逆流的基礎(chǔ)功能，所以系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)時應(yīng)按照不同類型的連接位置點(diǎn)，劃分為不同類型電等級的連接模式和使用途徑的電力能源發(fā)電模式。對系統(tǒng)控制及設(shè)備使用等進(jìn)行對比，并網(wǎng)系統(tǒng)比獨(dú)立系統(tǒng)的技術(shù)要求更高，再加上并網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)時將公用電力網(wǎng)絡(luò)作為蓄電池，因此能極大地節(jié)省光伏電站的基礎(chǔ)建設(shè)成本，一般適用于公共設(shè)施發(fā)達(dá)的地區(qū)、城市生產(chǎn)企業(yè)等地。

3 工程案例

3.1 案例概述

某市電力項(xiàng)目建設(shè)地區(qū)主要位于城市工業(yè)新區(qū)，該建設(shè)區(qū)域四面環(huán)水，總體建筑面積為42 km2，屬快速發(fā)展的新興工業(yè)區(qū)域。為了保證分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，該建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)備裝機(jī)基礎(chǔ)容量為30 MW，建筑項(xiàng)目總體數(shù)量為11 項(xiàng)，其中9 項(xiàng)建設(shè)工程位于工業(yè)新區(qū)的核心位置，2 項(xiàng)工程項(xiàng)目建設(shè)地區(qū)在郊區(qū)工業(yè)區(qū)域［3］。

建筑項(xiàng)目和工程施工都要利用現(xiàn)有的產(chǎn)房建筑項(xiàng)目，所以項(xiàng)目發(fā)電要使用自發(fā)電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作模式。當(dāng)項(xiàng)目投入基礎(chǔ)運(yùn)行后，項(xiàng)目年度總體發(fā)電量為520 萬kW·h，而項(xiàng)目管理內(nèi)的電網(wǎng)價格及電力能源補(bǔ)貼價格則按1.15萬元kW·h來計算。

3.2 分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)

某市地處平原地帶，內(nèi)陸占地面積為668 km2，其中平原地區(qū)占87%左右，山丘地區(qū)則占1.8%，水資源領(lǐng)域占10.2%。該地區(qū)的地勢外部形態(tài)十分狹長，東西長度為51 km，南北寬度為28 km。該地區(qū)的地勢相對比較平坦，地面基礎(chǔ)高程為4～8 m。

該市的氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，全年日照相對充足，而全國范圍內(nèi)的日照時間一般為2 000 h。因此，根據(jù)太陽能能源等級輻射現(xiàn)狀及等級進(jìn)行詳細(xì)劃分，該地區(qū)的年度總體輻射量指標(biāo)參數(shù)為1 340 kW·h/m2，在能源劃分上屬第三等級［4］。

由于該市的光能源十分豐富，自然氣候和溫度水平極高，該地區(qū)的全年基礎(chǔ)降水量較低。因此，該地區(qū)普遍使用光伏電站建設(shè)工程及硬件設(shè)備，對該項(xiàng)目工程所在地區(qū)的太陽光線照射條件、廠區(qū)建筑、電氣配電系統(tǒng)運(yùn)行模式等進(jìn)行分析，結(jié)合建筑施工單位及使用單位的實(shí)際意見，進(jìn)一步確定該項(xiàng)目研究和技術(shù)研發(fā)的主要目標(biāo)。

分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)施工項(xiàng)目要安裝多個控制組件，且各個組件間的基礎(chǔ)運(yùn)行容量為30 MWP。因此，該系統(tǒng)在運(yùn)行時要使用地區(qū)電力運(yùn)轉(zhuǎn)、自發(fā)電等基礎(chǔ)建設(shè)應(yīng)對方案。系統(tǒng)只有使用攜帶傾斜角度的安全方式，才能從根本上提高發(fā)電總量，因此經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)統(tǒng)計和計算后，明確系統(tǒng)的固定安裝角度。由于該地區(qū)全年太陽能所產(chǎn)生的能量較大，所以系統(tǒng)想要正常運(yùn)行，就要在建筑設(shè)備屋頂區(qū)域安裝設(shè)備，并采用平鋪的方式，能有效減少屋面的基礎(chǔ)負(fù)荷施工標(biāo)準(zhǔn)，從而有效增加系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)由太陽能電池、電流匯流設(shè)備、電源逆變設(shè)備、配電設(shè)備等構(gòu)成，經(jīng)過詳細(xì)計算，工程項(xiàng)目年度平均發(fā)電量為3 400萬kW·h，整個系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)效率在79%左右。

基于項(xiàng)目的實(shí)際情況，光伏發(fā)電站應(yīng)按照無人值班等基礎(chǔ)建設(shè)原則進(jìn)行方案設(shè)計，因此電站應(yīng)通過參數(shù)計算系統(tǒng)，并以此為基礎(chǔ)條件的數(shù)據(jù)控制模式，并將辦公區(qū)域設(shè)定為重要控制區(qū)域，同時完成對電池陣列、并網(wǎng)管理系統(tǒng)及電力系統(tǒng)的集中化控制和管理。由于系統(tǒng)邊站所的顯示設(shè)備和系統(tǒng)通常要作為視頻控制和監(jiān)控的技術(shù)手段，因此應(yīng)使用系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備，可與電站的計算信息監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行便利的數(shù)據(jù)對接。

4 分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計方案

4.1 硬件設(shè)計

在對分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的實(shí)際方案進(jìn)行規(guī)劃時，硬件設(shè)備為PLC 控制設(shè)備，所以硬件設(shè)備要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的實(shí)際情況來選擇適合的型號。在分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸入信號在應(yīng)用模式規(guī)劃上通常分為系統(tǒng)控制指令和保護(hù)指令。其中，控制指令包括系統(tǒng)停止、系統(tǒng)復(fù)位以及自動控制等，位置保護(hù)信號包括方向控制功能及限位信號控制功能等［5］。

除此之外，系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度傳感器使用CYB-20S-kW 型號的溫度傳感器。該型號傳感器在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中以熱力電阻為熱敏電子元件，所以該設(shè)備能有效檢測的溫度范圍為-50～260 ℃。在實(shí)際使用過程中，該型號的溫度傳感器外部形態(tài)、大小等基本符合安裝的尺寸要求，其檢測結(jié)果的精準(zhǔn)度能滿足系統(tǒng)的實(shí)際需求。因此，該傳感器設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般為雙軸，能有效測量出至少兩個方向的傾斜角度，其測量范圍應(yīng)控制在90°左右，可直接輸出-10～10 V 的電壓信號或4～20 mA 的電流信號，從而完成系統(tǒng)電流信號及模擬信息的傳輸與技術(shù)處理。

4.2 軟件設(shè)計

4.2.1 PLC 方案設(shè)計。分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)在方案設(shè)計上可分為手動和自動兩種控制方式。如果要使用手動控制模式，技術(shù)人員先旋轉(zhuǎn)設(shè)備按鈕，啟動光伏組件，并使光伏組件開始運(yùn)動，當(dāng)技術(shù)人員松開旋轉(zhuǎn)按鈕后，光伏組件則立刻停止運(yùn)轉(zhuǎn)。如果使用自動模式，技術(shù)人員只用開啟制定方向的啟動按鈕，系統(tǒng)中的光伏組件就可按照預(yù)先設(shè)定好的運(yùn)動速度運(yùn)行，直到極限位置后，按鈕會向反方向運(yùn)動，并不斷重復(fù)。在對分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計時，包含東、西、南、北四個方向，旋轉(zhuǎn)按鈕可根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)要求，合理地控制光伏組件向指定的方向和距離運(yùn)動。所以，在該系統(tǒng)使用手動控制模式時，技術(shù)人員要按照光伏組件的運(yùn)動模式和要求開始旋轉(zhuǎn)操作，到達(dá)到限位后松開旋轉(zhuǎn)按鈕，即可停止技術(shù)操作。在使用自動管理模式時，系統(tǒng)的光伏組件要模擬太陽的運(yùn)動軌跡和方向，從而控制設(shè)備沿著預(yù)先設(shè)定好的方向運(yùn)動，直至達(dá)到限位后立刻停止，此時應(yīng)沿反方向繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。在分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)軟件檢測方面，先將檢測系統(tǒng)開啟，此時系統(tǒng)將自動進(jìn)入自我檢測流程，當(dāng)檢測出故障問題時，系統(tǒng)立刻將故障數(shù)據(jù)和實(shí)際情況傳輸至中央控制平臺，等故障問題徹底解決后，系統(tǒng)才能徹底恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，在進(jìn)行軟件方案設(shè)計時，要在系統(tǒng)內(nèi)部增加自動復(fù)位的功能，從而保證系統(tǒng)在產(chǎn)生故障問題后仍能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)［6］。

4.2.2 監(jiān)控平臺設(shè)計。在進(jìn)行控制平臺方案設(shè)計時，分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)由系統(tǒng)控制界面、數(shù)據(jù)處理及輔助界面等組成。其中，系統(tǒng)控制界面中PLC 設(shè)備運(yùn)行時，利用信息通信管理模式，將系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的信息和數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)組態(tài)控制軟件中，并在控制設(shè)備安裝位置上進(jìn)行反射處理。監(jiān)控界面由用戶的登錄界面、用戶名輸入欄及密碼輸入欄組成，從而確保系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時查看、信息查詢等功能。監(jiān)控界面由系統(tǒng)運(yùn)行管理、逆變及負(fù)載信息檢測等構(gòu)成，可實(shí)時檢查水平方向、垂直方向等信息數(shù)據(jù)的輸入。在系統(tǒng)平臺運(yùn)行環(huán)節(jié)上，數(shù)據(jù)處理界面由曲線結(jié)構(gòu)顯示、歷史信息檢索、文件統(tǒng)計及資料打印等組成，便于專業(yè)技術(shù)人員及工作人員查看系統(tǒng)的歷史信息。系統(tǒng)輔助操作界面包括用戶信息和密碼信息界面，可實(shí)現(xiàn)用戶信息的添加、刪除、修改等功能，合理設(shè)定用戶控制權(quán)限。

5 結(jié)語

綜上所述，本研究詳細(xì)分析了分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)狀，技術(shù)人員可從系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計入手，以此來保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。經(jīng)過方案設(shè)計來實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，并經(jīng)過一系列性能測試與系統(tǒng)數(shù)據(jù)的調(diào)查，最終得到經(jīng)過優(yōu)化后的系統(tǒng)，其自動化運(yùn)行性能和效率都得到極大的提升，可實(shí)時全面地檢測出發(fā)電控制系統(tǒng)的設(shè)計運(yùn)行狀態(tài)及故障數(shù)據(jù)，最終達(dá)到方案設(shè)計目標(biāo)。