離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控報警裝置的設(shè)計與研究

高兢

摘要：設(shè)計一種對離網(wǎng)運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)進行監(jiān)控及報警的裝置。為了避免誤報警的發(fā)生，提出一種精度優(yōu)化算法，并利用改良的最速下降率函數(shù)來確定報警條件。該監(jiān)控報警裝置的研制對于推動我國光伏發(fā)電系統(tǒng)的普及應(yīng)用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；離網(wǎng)；監(jiān)控；報警；閾值

中圖分類號：TM615 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）08-0031-02

當(dāng)電網(wǎng)由于誤操作、電氣故障或自然因素等原因停止供電時，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)將檢測出停電狀態(tài)，自身脫離電網(wǎng)，繼續(xù)向用戶發(fā)電，形成了一個由光伏發(fā)電系統(tǒng)和負載構(gòu)成的獨立運行系統(tǒng)。在獨立運行系統(tǒng)工作中，由于天氣等因素影響，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電電量會瞬間或者逐漸減小，若其小于負載的使用電量，則此時處于過載，將引起用戶電氣設(shè)備燒毀，而當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)時因相位不同步引起的沖擊電流可能會損壞并網(wǎng)逆變器，所以有必要對獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電電量進行監(jiān)控，并判斷光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電電量是否有持續(xù)下降的趨勢，根據(jù)需要采用報警的控制方法，切斷或減小用戶的用電設(shè)備，以防止不良后果的發(fā)生。

1 光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)報警精度的問題分析

1.1 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟的快速發(fā)展和社會的進步，能源需求量日益增加，但傳統(tǒng)化石能源的儲量卻在逐漸枯竭，因此分布式能源的研究與應(yīng)用具有廣闊的前景。光伏發(fā)電作為最典型的分布式能源，得到了廣泛關(guān)注，近年來發(fā)展迅速。但由于天氣等原因，光伏發(fā)電電量低于用戶消耗電量時，電氣設(shè)備將強制被斷電，從而引起電氣設(shè)備燒毀等問題。人們對供電可靠性、靈活性、能源利用率等要求不斷提高，希望供電系統(tǒng)不再是在電網(wǎng)發(fā)生故障時退出運行，而是在斷電前發(fā)出警報，手動關(guān)閉電氣設(shè)備，從而提高負載供電可靠性。因此，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)離網(wǎng)發(fā)電時，對這些發(fā)電設(shè)備進行監(jiān)控，在發(fā)電電量即將低于消耗電量之前切斷電氣設(shè)備，使得電氣設(shè)備不出現(xiàn)故障，保證安全用電。

1.2 存在的問題

目前對報警控制條件的研究，僅僅局限于設(shè)定一個固定閾值，當(dāng)監(jiān)控到的發(fā)電量低于該閾值則報警。這種設(shè)定固定閾值的監(jiān)控方法在氣候不穩(wěn)定或其他的外界不穩(wěn)定因素導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量不穩(wěn)定的情況下，容易導(dǎo)致誤報警或未能及時報警，造成電氣設(shè)備損壞。例如：發(fā)電量只是瞬間低于閾值但并未低于當(dāng)前最大使用電量，而下一時刻恢復(fù)高于該閾值的情況下，會產(chǎn)生誤報警；當(dāng)前時刻的發(fā)電量未達到閾值，下一時刻突然低于閾值并且低于當(dāng)前最大使用電量的情況下，報警時電氣設(shè)備已經(jīng)損壞。為此，本研究主要針對小規(guī)模獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，研究一種新型發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的智能算法，通過預(yù)測未來時刻的發(fā)電量來決定報警條件，可以避免誤報與漏報，大大提高用電設(shè)備的安全性。

2 新型光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 監(jiān)測裝置的設(shè)計

本研究提出的具有報警功能的發(fā)電量監(jiān)測裝置，是分布式電源離網(wǎng)運行時對住宅負載（照明設(shè)備、空調(diào)、冰箱、電視等）供電的監(jiān)測裝置，其構(gòu)成如圖1所示。監(jiān)視單元300由連接住宅內(nèi)通信回路500的通信單元310、記憶單元320、與PCS相連的數(shù)據(jù)獲取單元330、處理單元340、報警單元350所組成。通信單元310是通過住宅內(nèi)通信回路500的取得負載所需消耗的電量合計值，由于負載的所需消耗電量是頻繁變動的，所以通信單元需要實時更新電量值。記憶單元320是記憶處理單元運行的程序。數(shù)據(jù)獲取單元330是獲取分布式電源供給電量。處理單元340根據(jù)記憶單元320記憶的程序進行處理，處理單元340由監(jiān)測單元341、判定單元342、實施單元343所組成。監(jiān)測單元341對一個監(jiān)測周期內(nèi)分布式電源離網(wǎng)運行時的發(fā)電量進行監(jiān)測，當(dāng)該發(fā)電量低于負載消耗的電量閾值時，縮短監(jiān)測周期繼續(xù)進行電量監(jiān)測。

2.2 監(jiān)測裝置的工作原理

監(jiān)測裝置的工作原理是：在一個監(jiān)測周期內(nèi)對太陽能發(fā)電量進行檢測，設(shè)定比住宅消耗電量略高的發(fā)電量閾值，當(dāng)太陽能發(fā)電量低于設(shè)定的閾值時，由判定單元判定發(fā)電量是否有連續(xù)減少的傾向，若符合上述兩個約束條件，則做出報警處理。

監(jiān)測周期是由前述發(fā)電量下降到負載消耗電量閾值所需的最短時間（最快下降時間T）所決定，是該最短時間的分割比（如“T/2”）。該監(jiān)測周期由第一監(jiān)測周期（“T/2”）和比第一監(jiān)測周期更短的第二監(jiān)測周期（“T/4”）所組成。在第一監(jiān)測周期內(nèi)前述發(fā)電量低于負載消耗電量閾值時，實施第二監(jiān)測周期內(nèi)的發(fā)電量監(jiān)測處理。

2.3 算法設(shè)計流程

電力系統(tǒng)一旦發(fā)生停電，控制系統(tǒng)就會從并網(wǎng)運行系統(tǒng)中脫出，切換成離網(wǎng)運行系統(tǒng)，監(jiān)視裝置開始動作。離網(wǎng)運行供電系統(tǒng)對發(fā)電量監(jiān)測報警方法的流程圖如圖2所示。

2.4 數(shù)學(xué)函數(shù)模型

本研究提出的算法與發(fā)電量的最大下降率有關(guān)。發(fā)電量的下降率是指單位時間內(nèi)的發(fā)電量下降值，由歷史記錄（過去該時間段天氣狀況記錄）中實際下降率統(tǒng)計得出最大下降率。負載所需消耗電量合計值為發(fā)電量B，發(fā)電量A是略高負載所需消耗電量合計值的閾值，預(yù)設(shè)發(fā)電量△w=發(fā)電量A-發(fā)電量B。預(yù)設(shè)發(fā)電量△w是人為任意設(shè)定的，一般情況下設(shè)定為發(fā)電量B的20%。由預(yù)設(shè)發(fā)電量△w與發(fā)電量最短下降時間T的比值得到最大下降率Kx。關(guān)系式為Kx=△w/T。

當(dāng)監(jiān)測單元監(jiān)測到的發(fā)電量低于負載所需消耗電量的閾值時，則需判定該監(jiān)測周期內(nèi)發(fā)電量是否有連續(xù)下降的傾向。具體判定方法是：根據(jù)記錄的每次監(jiān)測的發(fā)電量，比較當(dāng)前電量值與前一時刻的電量值，來判斷是否有連續(xù)下降傾向。如果沒有連續(xù)下降傾向，監(jiān)測單元在第二監(jiān)測周期進行發(fā)電量監(jiān)測處理；如果確定發(fā)電量有連續(xù)下降的傾向，通知報警單元做報警處理。

3 結(jié)語

本研究設(shè)計一種對獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量進行監(jiān)測并具有報警控制功能的裝置，可以提高用電設(shè)備的安全性；并提出一種改良的精度優(yōu)化算法和最速下降率函數(shù)作為報警條件，以減少誤報警的發(fā)生幾率。該新型光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的研制對于推動我國光伏發(fā)電系統(tǒng)的普及應(yīng)用具有重要意義。

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Abstract： A device which can monitor and warn the photovoltaic power generation off-grid was designed. In order to avoid the occurrence of false alarms， a precision optimization algorithm was put forward and warning condition was determined by use of improved steepest descent rate function. The development of the monitoring warning device was of great significance to promote popularization and application of photovoltaic power generation system in China.

Key words： photovoltaic power generation； off-grid； monitoring； warning； threshold value