基于VPN網絡的遠程光伏組件戶外測試平臺設計

常州天合光伏發電系統有限公司 ■ 王秦偉

0 引言

隨著光伏發電的大規模應用，光伏發電系統的核心部件——光伏組件在實際使用中的性能表現受到了越來越多的關注。目前光伏組件的定型驗證一般是根據IEC 61215、UL 1703等一些國際標準進行室內測試[1]，是通過室內檢測模擬戶外應用環境，尚未實現通過戶外檢測進行其品質的監控，因此不能從真正意義上反映光伏組件的實際應用性能[2]。在對光伏組件的設計、關鍵材料的使用和工藝流程的變化驗證方面，通常采用室內加速老化等試驗進行驗證和評估。單一的加速老化試驗可以大幅減少試驗時間，但往往難以準確反映光伏組件的實際使用情況，尤其對應用于特殊環境中的光伏組件的適用性較差[3-4]。另外，光伏組件新產品的開發與定型主要是根據IEC 61215及IEC 61730標準中各類模擬測試的要求進行測試，很少進行新產品的戶外實際性能測試。綜上，亟需研發、建設光伏組件戶外測試平臺，測試光伏組件在戶外實際工作環境中的各項性能，尤其是其在特殊環境(高溫、高濕、強紫外線照射)中的實際工作性能。

本文設計了一種監控數據傳輸基于VPN網絡的遠程光伏組件戶外測試平臺，對光伏組件的實際運行狀況進行監測。

1 基于VPN網絡的遠程光伏組件戶外測試平臺的設計方案

本方案規劃在海南建立總裝機容量為250 kW的地面光伏電站，所用光伏組件以來自不同廠家的60片電池的晶體硅光伏組件為主，用來對比不同廠家生產的光伏組件在相同條件下的功率衰減率及年發電量。因此，所設計的戶外測試平臺應滿足精度高、穩定性好、數據采集方便等要求，以確保每個廠家的光伏組件在公平的條件下進行測試。本測試平臺針對的組件以60片或72片6英寸電池的單、多晶光伏組件為主，當采用60片6英寸電池的光伏組件時，每個組串的組件數量不要超過10塊；當采用72片6英寸電池的光伏組件時，每個組串的光伏組件數量不要超過8塊。考慮到各個廠家的光伏組件額定功率會有所不同，以及未來組件功率會有所提升，所以，本戶外測試平臺在設計時已經預留了充足的空間，具備較高的適應能力。該測試平臺既可以接入較小功率的組件(如110 Wp)，也可以應對未來的發展，接入較高功率的光伏組件(如330 Wp)，但此種情況下可適當減少每個組串中光伏組件的串聯數目。光伏支架的尺寸在設計時已進行充分考慮并可滿足上述要求。該戶外測試平臺的總體設計如圖1所示。

圖1 戶外測試平臺的總體設計

1.1 支架方案

本支架方案采用呈井字型排列的混凝土條形基，前后左右相連，與其他樁基礎相比，井字型混凝土條形基能顯著減小X軸和Y軸兩個方向的沉降，使結構更加穩固，尤其適用于土質松軟、降水量多、雷雨和大風天氣顯著的沿海地區。組件安裝采用覆壓式安裝方法，組件與支架固定處接觸面積大。與背板式安裝方式相比，覆壓式安裝的牢固性更佳且對組件的單位壓強較小，可有效降低因安裝固定造成組件內部隱裂的概率。

考慮到各個廠家生產的光伏組件尺寸存在差異，因此同一組支架上同一測試時段，只安裝一家廠家生產的同一型號同一批次的光伏組件。另外考慮到后期測試時更換光伏組件等問題，支架固定組件時采用可調式邊壓塊，以便安裝不同厚度、尺寸的組件，避免因組件厚度或尺寸問題造成其安裝和更換的不方便。

1.2 系統電氣方案

本系統電氣方案將若干光伏組件串聯成組串，若干組串接入逆變器，若干隔離逆變器接入交流開關柜，若干交流開關柜接入隔離變壓器，若干變壓器接入主開關柜，進而實現并網。總體系統電氣原理圖如圖2所示。

一般光伏電站的設計是采用逆變器交流容量小于接入逆變器的組件直流容量的方案。而在本戶外測試 平臺中，考慮到海南充足的日照條件，同時避免出現逆變器限發效應，因此采用接入逆變器的組件直流容量小于逆變器交流容量的方案，以確保所有的組件輸出功率都可以轉化為交流能量，并通過電表記錄下來。

針對常規光伏組件，采用最多10塊組件為1組串的方式，直流容量不超過3 kWp，接入1臺功率為3 kW的逆變器。針對薄膜光伏組件，系統設計使用帶有隔離變壓器的逆變器，比如SMA公司的SB3000HF型組串式逆變器，因此為了滿足逆變器的輸入電壓，針對薄膜光伏組件的特性，采用每5塊組件為1組串，每臺逆變器接入2串組串的設計方案。

1.3 監控及通信方案

本戶外測試平臺中，監控數據是通過虛擬專用網(VPN)傳輸的。

監控裝置主要包括傳感器、數據采集器、監控主機、服務器等，其可獲取場區的主要氣象條件，如溫度、濕度、風力、風向、紫外輻射及不同傾角(包括水平面、最佳傾角、最佳傾角±5°)條件下的總輻照度數據[5]。主要傳感器的型號、數量如表1所示，不同類型傳感器的圖片及傳感器安裝方式如圖3所示。通過專用的數據采集器，將測試場內所有傳感器測量數據和各設備的運行數據集中傳輸至監控室的監控主機。

圖2 總體系統電氣原理圖及各部分具體圖

表1 主要傳感器匯總表

圖3 不同類型的傳感器及傳感器安裝圖

由于本戶外測試平臺地處偏遠地區，且光伏組件的測試周期較長，因此采用了無人值守的形式，將所有監控數據傳送至公司總部的服務器上，能夠實時監控電站的運行狀態。但是由于戶外測試平臺與公司總部之間的距離遙遠，配套網絡的網速較慢，而傳輸的數據量較大，且數據有保密性要求，無法通過普通網絡傳輸，因此必須要用到VPN技術[6]。VPN是通過一個公用網絡建立一個臨時的、安全的連接，就像一條穿過混亂的公共網絡的安全、穩定的隧道。監控系統通過VPN技術組建的虛擬局域網讀取和收集現場的各項參數，保證了數據傳輸的快速、安全和穩定。整體通信拓撲圖如圖4所示。

圖4 整體的通信拓撲圖

VPN是對企業內部網的擴展，通過它可以幫助遠程用戶、公司分支機構、商業伙伴及供應商同公司的內部網建立可信的安全連接，并保證數據的安全傳輸。VPN構架中采用了多種安全機制，如隧道技術(Tunneling)、加解密技術(Encryption)、密鑰管理技術、身份認證技術(Authentication)等，通過上述的各項網絡安全技術來確保資料在公共網絡中傳輸時不被竊取，或是即使被竊取了，對方亦無法讀取數據包內所傳送的資料[7]。

為了實現遠程監控和各項數據收集，本戶外測試平臺開發了專用的監控軟件，軟件操作界面如圖5所示。該軟件安裝在遠程控制中心的服務器上，可通過因特網登錄訪問，在監控軟件中可以方便地查看和調取位于海南的戶外測試平臺的監控數據。

圖5 監控軟件的操作界面

2 總結

本文介紹的基于VPN網絡的遠程光伏組件戶外測試平臺方案已被應用于某光伏組件戶外測試平臺中，用于多批次光伏組件的戶外實際運行性能的檢測，并已運用檢測數據有效指導光伏組件生產商的產品改良和新產品開發，體現了良好的經濟價值和科研價值。