未來智能光伏電站幾點思考

■ 王哲 林燕梅 劉璇璇 王玉鳳

(1.北京科諾偉業科技股份有限公司；2.北京鑒衡認證中心)

1 智能光伏電站典型特征

未來智能光伏電站是集多種智能設備、智能材料、智能監控技術、智能運維管理、數字信息技術、互聯網絡技術的載體，將智能技術與光伏發電技術進行跨界融合，實現技術創新，將光能高效、安全、可靠地轉化為電能，并融入電網的過程。

2 智能設備及材料

2.1 智能光伏組件

智能光伏組件是將一種功率優化器模塊安置于每塊光伏組件背后，使每個模塊可獨立進行MPPT(Maximum Power Point Tracking)追蹤，大幅改善傳統太陽光電系統在陰影遮蔽下導致的功率損失，可提高系統發電效率約25%以上。太陽光電系統搭配使用功率優化器后，可更有效利用屋頂面積，增加系統設置彈性，系統安全性也大幅提高。功率優化器為近幾年才研發出的市場新產品，其主要概念是將太陽能逆變器中的最大功率追蹤MPPT運算功能獨立出來。

2.2 智能匯流箱

目前在集中式光伏電站中，智能匯流箱只具有組串匯流、過流保護及電參數測量功能，不能滿足未來光伏組串運行監測的需求；需提高對組串電參數的測量精度，并利用特征波形分析電弧、電纜接觸不良故障及定位，對獨立或兩串并聯光伏組串MPPT最大功率進行跟蹤。將實時數據通過網絡上傳等功能的智能匯流箱，可保障組串最大功率輸出及故障監測快速定位。

將智能匯流箱技術延伸，采用感溫電纜與光伏組件、電纜平行無間隙鋪設，利用智能匯流箱通過感溫電纜實時監測光伏組件、連接電纜的故障點高溫度變化，通過視頻聯動、電站終端報警及快速定位，滿足未來智能光伏電站的需求。

2.3 智能監控

智能監控體現在光伏系統中的每個部件，從組件經功率優化器輸出的最大功率到智能匯流箱對組串、電纜電參數檢測，從開關柜到逆變器的可調度等特點，集中體現智能監控技術在智能傳感器、智能設備、智能監控終端及智能網絡數據傳輸的應用。

而監測預警防范于未然也是智能電站的重要標志，如何對光伏電站故障率最高、經常以火災形式面對世人且應用數量最多的組件及連接電纜進行監測？可利用組件與連接電纜故障特征：如光伏組件多發生背板粘附失效、接線盒破損、支架斷裂、EVA材料褪色、電池片破碎、玻璃板損壞、熱斑、旁路二極管故障、聯接器內微電弧、電氣連接電纜接觸不良等故障。故障特征分為局部過熱和視頻圖像改變(顏色、結構、外觀等)，通過紅外熱成像實時監測光伏組件性能特征的二維分布圖，并結合電參分析判斷。而視頻圖像特征改變(顏色、結構、外觀等)，利用視頻圖像識別軟件對其對比分析技術、自學習方法將原始圖像典型特征記憶功能與實時視頻對比分析鑒別。

依據上述特征，可采用人工、直升機、軌道式的紅外成像、視頻監測移動平臺，定時或實時對光伏組件前后板監測。而軌道式紅外成像、視頻監測移動平臺(見圖1)，利用大型電站組件安放結構相同的特點，組件支架固定安裝鋼纜軌道，使紅外成像、視頻監測移動平臺在上移動，不但對組件前后板、連接電纜進行紅外成像、視頻自動循環移動監測，而且對故障能夠快速定位，并通過無線傳輸圖像及數據，終端分析故障告警，及未來趨勢的預警評估。為提高分析精準度，在終端采用同一組件前面與背板數據對比分析驗證。對于電池片隱裂等可視故障，可通過遠程視頻遙控進一步分析。實現故障隱患早發現并及時處理，避免電量損失及火災發生。

圖1 軌道式紅外成像、視頻監測移動平臺

2.4 智能材料

智能材料也是未來光伏電站特征之一，比如：光伏發電量的多少主要取決于光伏組件數量、光伏組件效率、逆變器效率傳輸損耗、太陽輻照量、環境影響及運維管理。而組件表面污染是影響發電量的主要原因，主要表現為：遮蔽到達組件的光；影響散熱；具備酸堿特性的灰塵沉積在組件表面，長時間侵蝕后板面粗糙不平，有利灰塵進一步積聚，同時增加了陽光漫反射。據測量，在我國西部地區冬季，一個月沉積的沙塵若不及時清掃會導致光伏組件的發電量降低30%以上，損失驚人。到目前為止，國內基本采用人工清理，清理周期基于組件表面污染積累情況而定。由于人工清理勞動強度大，“物理+化學”清理組件表面易受損傷，且不能保證及時清理，由此同樣也面臨著發電量的損失。

一種智能材料在常溫條件下通過噴涂在光伏板玻璃的表面，并在光伏板玻璃表面形成一層透明自清潔防護膜，具有可增加光伏組件玻璃透光率、催化分解有機物、超親水性及防靜電的性能，使光伏組件玻璃獲得自清潔功能，能有效提高組件的發電量。

2.5 瞬時功率預測

瞬時功率預測是智能光伏電站的一部分。由于受環境及氣象的影響造成發電輸出功率的不確定性，使得并網發電變得復雜，同時給電網調度帶來未知。而當地氣象、衛星數值預報由于監測網格較大，預測功率精度低。如以局部地區光伏電站上空云為研究對象，通過對比云量、灰度、風向的參數變化，對未來(15 min～4 h)遮擋太陽的云圖像進行視頻分析，計算出云移動速度、相對的云量、灰度與輻照度的關系，由輻照度、組件面積及參數等計算出未來時間的發電功率，實現對局部地區電站未來發電功率預測的目的，如圖2所示。

圖2 瞬時功率預測視頻圖像分析系統

3 智能運維管理

通過上述智能設備、智能材料、智能監測在光伏電站應用思考的描述，給電站智能運維管理提供了技術保障，從時間、空間、設備多層面多維度進行監控、運維、管理、告警，對電站運行問題進行分析、判斷、評估、整合，達到對光伏電站性能評價指標分析的目的，可實現：

1) 判斷光伏電站建設質量是否滿足標準，達到設計要求。

2) 自動體檢，及時發現潛在缺陷，向業主實時匯報光伏電站的健康情況，分析并確定故障類型和位置。

3) 挖掘收益提升空間，為光伏電站運行提供針對性建議。如結合光伏電站的地理環境、氣候特點，電站規模利用電站采集的數據信息預測發電量，確定灰塵遮擋的最佳容忍度和制定經濟性最佳的清洗方法、周期、費用等，實現收益的最大化。

4) 結合未來網絡信息共享，利用周邊光伏電站信息結合當地的氣象數值預報數據，通過數字信息、互聯網、云計算等技術，實現局地瞬時功率預測，準確預測未來時間的發電量，使能量調度更精細化。

5) 給運行人員、檢修人員、管理人員等提供全面、便捷、差異化的數據和服務。

6) 為今后優化光伏電站設計建設、電站設備規劃、新設備接入、維護、更新、系統部件運行最佳匹配、故障早期預判提供依據支撐。

4 未來光伏電站的思考

對國家新能源發展解讀，發展安全、穩定、可調度、多能互補的中高壓交、直流電站是未來的方向，但由于技術與成本原因發展受阻。探索一種串聯式中高壓光伏方陣，目的是克服由于光伏組件的耐壓≤1000 V使組件串聯數量受組件承受的電壓所限(典型組串應用20塊組件串聯組成，組串輸出開路電壓≤1000 V)。目前集中式和組串式光伏電站為提高發電功率不得不采用若干臺的匯流設備將大量的光伏組串進行并聯，造成電纜應用數量多、傳輸電流大、配套設備多及損耗嚴重等缺點。如利用一種具有最大功率點跟蹤MPPT、儲能、功率調節、高壓隔離(隔離電壓＞直流系統電壓)、自然散熱、數據通訊等功能模塊。將光伏組串與該模塊連接實現高壓隔離輸出，其組成為光伏組串功率單元，提高光伏組串的耐電壓，實現多組組串之間再串聯成為串聯式中高壓光伏方陣(見圖3)。其拓撲摒棄大量的匯流設備及并網變壓器，提高逆變、直流設備輸入電壓，減少傳輸電流，并優化、增大發電功率，降低傳輸線路、設備損耗及故障，同時滿足不同功率光伏組串功率的再串聯，實現光伏直流中、高壓傳輸的目的。

圖3 串聯式中高壓光伏方陣

將上述模塊技術延伸，利用“模塊化多電平技術”，以光伏組串功率單元(光伏組串+模塊)為控制對象，實現儲能、無匯流、無變壓器、無大型設備房及化整為零的逆變器裝置，實現單元化多電平星形或角形串聯式中高壓光伏電站系統，如圖4、5所示。

圖4 星形拓撲

圖5 角形拓撲

同樣將上述模塊技術延伸，實現多能互補(風、光、水、生物、儲能等)不同特性電源間的補償調節。將多種能源與多模塊連接組成若干不同能源功率單元，將各個功率單元串聯連接，利用系統功率單元可冗余、輸出功率可不同等模塊化的特點，將儲能、多能互補、逆變融為一體，組成一個單元化多能互補串聯中高壓微電網系統，實現風電、太陽能發電、水電、煤電等不同特性電源間的補償調節，解決新能源出力隨機性和波動性等問題。

圖6 單元化多能互補串聯中高壓微電網系統

5 未來光伏電站展望

國家政策推進國內光伏市場快速增長，電站規模朝大型化、智能化方向發展，加劇了光伏電站技術創新的需求。結合新技術、新材料、新設備、新方案及多技術融合，使未來智能光伏電站日新月異，今天的想法則是明天的現實。