電氣自動化在太陽能光伏發電中的應用

廣東水電二局股份有限公司 楊永剛

1 相關簡述

1.1 基本概述

同其他能源獲取方式相比，太陽能光伏發電主要是利用太陽能資源自身所具有的光伏效應，實現對太陽光散射輻射，以及太陽光反射輻射等資源的科學收集和轉化，再結合專業的設備，如放電控制器，蓄電池以及逆變器等設備，對這些資源進行科學轉換，從而獲得生產與生活所需的能源。利用太陽能光伏發電系統，能夠將太陽能資源轉變為電能資源，再借助逆變器實現能源轉化目標，滿足負載用戶的相關需求[1]。

1.2 太陽能光伏發電的現狀

太陽能屬于一種清潔無污染的可再生能源，將太陽能光伏發電作為生產與生活所需電力資源的主要獲取模式，是太陽能資源的主要利用方向，并且隨著太陽能光伏發電規模與需求量的不斷提升，為太陽能光伏發電的有序發展和完善提供了重要的促進作用。相比于西方發達國家的太陽能光伏發電，我國現階段的太陽能光伏發電與其存在較大的差異性，但是隨著國家政策的不斷強化，我國光伏發電規模發展迅速。2017年，我國太陽能光伏發電裝機容量達到了近幾年的鼎盛，在光伏“531”政策的作用下，我國太陽能光伏發電量裝機容量僅在2018年到2019年出現略微下降。但是從整體角度而言，我國從2013年至今，光伏發電量以直線式的趨勢進行增長，我國現階段已經成為光伏發電的全球最大市場，光伏發電產業也一度成為全球性的戰略發展項目。

1.3 太陽能光伏發電的基本原理

光生伏特效應是太陽能光伏發電的基本原理，換而言之就是利用太陽能電池對不同形式的太陽輻射能量進行有效收集，如太陽散射輻射、太陽反射輻射以及太陽直接輻射，利用專業的設備將其轉化為電能資源，從而滿足人們工作與生活的電能需求[2]。在太陽能光伏發電系統中，主要由以下設備所組成，即太陽能電池組（太陽能電池方陣）、蓄電池、逆變器與控制器以及交流負載和直流負載等設備，其原理結構如圖1所示。

圖1 太陽能光伏發電的基本原理

2 太陽能光伏發電的應用優勢

針對太陽能光伏發電而言，具有許多其他發電形式所沒有的應用特點，所以在綜合性能方面，太陽能光伏發電具有太陽能資源可再生、地域因素影響小、安全無污染、設備使用壽命長等顯著的應用優勢。

2.1 太陽能資源可再生

太陽能資源屬于一種清潔型可再生的新能源。因為太陽能本身不會出現枯竭現象，那么市場能源波動因素則不會對太陽能光伏發電產生影響，能有效保障整個太陽能資源使用系統的穩定性[3]。

2.2 地域因素影響小

太陽能光伏發電主要是依托太陽能在地球自轉作用的影響下，即便是在不同的地區，都可以接受陽光的照射，這便能直接避免地域因素對太陽能光伏發電的影響和制約。雖然在電能資源的輸送環節會存在相應的損失，但是在發電過程中使用的燃料也能對其進行相應的補充處理。

2.3 安全無污染

同其他發電模式相比，太陽能光伏發電不僅僅安全無污染，而且無論是在發電過程方面，還是在使用環節，都具有較強的靈活性，且整個系統運轉過程的安全性與穩定性更強。

2.4 設備使用壽命長

太陽能光伏發電整個發電過程中，太陽能是以一種靜止的狀態而存在，所以這個過程中并沒有運動部件的存在，那么這必將確保各項發電設備的使用壽命得到合理的延長，同時還能明顯降低后期設備使用時的維修成本投入。

3 電氣自動化在太陽能光伏發電中的應用體現

3.1 在電力行業中的應用體現

利用科學的方式應用電氣自動化技術，是電氣工程的基礎所在，更是其根本目標。強化電氣自動化的應用效果，能夠為工程發展創造更加有力保障和促進作用，而在電力行業中應用電氣自動化，一方面能增強電力系統的運轉效率，另一方面還能提升電力系統運轉的安全性與穩定性[4]。同時，在電氣自動化技術的保障下，工作人員的工作難度與工作強度都能夠得到明顯降低，并且還能降低因人為因素引發故障問題的概率，由此從本質上提升發電工程的綜合效益。

3.2 在并網系統方面的應用體現

信息化技術與計算機技術的不斷發展，使得太陽能光伏發電系統的智能化程度越來越高，但是受太陽能光伏發電使用需求的差異性影響，使得太陽能光伏發電的模式較多，例如獨立式光伏發電模式、分布式光伏發電模式以及并網式光伏發電模式，等等。其中，以并網式光伏發電模式的應用范圍最廣，主要是因為并網式光伏發電模式不僅安全穩定，且成本投入低，資源消耗量小，同時在建設周期方面要明顯短于其他類型的發電模式。

并網式光伏發電，主要是利用并網逆變器對太陽能組件所產生的直流電進行科學的轉換處理，從而獲得電網要求的交流電，最后將正弦交流電接入公共電網之中，由此滿足各行各業的電力需求[5]。白天陽光充足，并網系統中的逆變器設備能夠對直流電進行轉化，從而獲得正弦交流電，此時產生的電流則能滿足交流負載的需求，且剩余的電能則會被輸送到電網系統之中。如果在無陽光的時段，電網會自動滿足負載用電的需求，而電氣自動化技術通過綜合太陽能發電的總體情況，開展電網電量數據的精準分析，并根據分析結果有效判斷電量情況，在必要時給予供應支持。

通常情況下，光伏發電并網系統的運作融合了不同類型的發電模式，主要目的是提升電力資源輸送的安全性與穩定性，從而增強電力資源的利用率。但是要確保光伏發電并網對電網系統帶來的沖擊得到有效規避，需要以電氣自動化技術為引導，開展同期點兩邊電氣量的檢查，根據檢查結果和邏輯判斷對同期并列要求數據進行全面捕捉，一方面確保數據傳輸的時間差得到科學彌補，另一方面對同期合閘命令進行提前發送，確保整個發電系統同期合閘的頻率偏差與電壓偏差均在標準范圍之內。另外，在光伏并網發電系統中應用電氣自動化技術，能夠保障整個并網過程中光伏發電系統對電網的沖擊得到最大限度的減小和控制，從而降低電網的整體負荷與耗損，增強并網發電過程的安全性與穩定性。

3.3 在光伏建筑與光伏水泵系統方面的應用體現

由于太陽能光伏發電的不斷推廣和普及，使得太陽能光伏系統的規模越來越大，太陽能光伏發電的裝機容量飛速提升，那么太陽能光伏發電系統的管理工作則面臨巨大的挑戰和壓力，稍有不慎，系統運轉故障或隱患無法得到及時發現，這對整個太陽能光伏發電系統的穩定運轉必將帶來直接性的影響。隨著科學技術的逐步發展與完善，電氣自動化技術在光伏建筑與光伏水泵系統方面也得到了廣泛應用，其中自動化監控系統的應用頻率最高。利用自動化技術中的自動監控系統，能夠實時監測光伏建筑和光伏水泵系統中的各項運轉參數，如電池板的電壓、電流、逆變器的運轉情況等，由此引導系統運轉參數的記錄分析。此外，警報裝置還能對系統中的故障或隱患進行報警提示，引導技術人員的排查和處理，增強太陽能光伏發電系統的整體運轉效果。

由于光伏發電站或光伏水泵系統中的太陽能電池板較多，要確保成千上萬個太陽能電池板發電系統運轉的穩定性與安全性，則要科學落實監控工作，并保障監控效果。在現階段的發電系統監控工作中，常用的監控方式主要具有串口方式、以太網以及GPRS/北斗無通信三種，通過科學精準的監控，提升發電系統運轉的整體穩定性。

3.4 在光伏發電系統設備生命周期控制方面的應用體現

同發達國家相比，我國在太陽能光伏發電方面的研究相對較晚，因此無論是在技術方面還是在管理方面，均有明顯的落后。針對光伏發電系統中的各項問題，需要技術人員依托專業的知識與豐富的實踐經驗對問題進行檢查分析，從而提升光伏發電系統運轉的安全性與穩定性，確保光伏發電系統設備的全生命周期得到有效延長。在太陽能光伏發電設備生命周期的控制方面科學應用電氣自動化技術，能夠依托信息化技術降低技術人員的工作強度與工作難度，僅僅依靠電氣自動化技術就能對光伏發電系統進行全天性的實時監測和控制，技術人員根據監測結果便能精準掌握光伏發電系統中各項設備的實際應用情況。如果設備出現異常現象，例如溫度升高、振動偏差等現象，電氣自動化技術能夠將其反饋給技術人員，為技術人員的檢修工作提供參考和依據。此外，技術人員能夠通過分析電氣自動化技術反饋的數據信息，精準掌握太陽能光伏發電系統的運行薄弱點與局限問題，并結合實際情況進行及時的維護處理，由此實現延長太陽能光伏發電設備安全使用期限的根本目標。

3.5 在光伏發電系統直流變頻控制方面的應用體現

我國目前大部分的太陽能光伏發電系統都是應用的直流電結構，所以在資源轉換時，成本投入低，結構系統簡單便捷，但是系統每次所使用的負載電壓都具有一定的差異，使得光伏發電系統的運行標準制定工作難度較大，同時還要滿足在并網條件下實現直流電轉為交流電的目標。在交流電力輸出的光伏發電系統中，主要由以下設備所構成，即光伏陣列、充電與放電控制器、逆變器和蓄電池等。

其中，逆變器較為重要，因為逆變器的性能會直接影響到光伏發電系統的運轉情況，而電氣自動化則能夠對這些零件進行針對性的控制，由此實現將光伏直流發電轉變為交流電的目標。依托電氣自動化技術，能對太陽能光伏發電站中一次配電網絡和二次配電網絡的狀態進行監管控制，幫助技術人員實時掌握發電站內的運行現狀與潛在風險，尤其是對蓄電池、充電放電控制器，以及光伏陣列的設備進行全面監管，確保整個發電過程穩定有序。

3.6 在無功補償控制方面的應用體現

同其他類型的發電結構相比，光伏發電系統的結構具有較強的復雜性，并且啟用系統中元器件時，必定會產生諧波與無功損耗，而諧波與無功損耗則會對電力系統運轉的穩定性產生嚴重的影響，甚至有可能因此而引發電壓超負荷或電壓不足的情況。依托電氣自動化控制系統，能夠以實際需求為引導，開展光伏發電系統功率的合理調節，降低諧波與無功損耗對整個發電系統的負面影響，保障發電系統的安全性與穩定性得到提升。將電氣自動化應用在無功補償控制中，光伏發電無功補償控制系統的綜合性能都將得到提升，具體體現在以下方幾面：

首先，功能方面。光伏發電無功補償控制系統具有相對完善的功能，所以在運轉時對太陽能發電系統的保護方案與控制策略也就更加科學系統。

其次，穩定性方面。光伏發電無功補償控制系統運行環節的穩定性更高，且產品軟件結構更具科學合理性，無論是產品硬件結構的布局方面，還是電磁兼容性方面，都在相關標準的范圍之內，即便是設備長期運行，可靠性和穩定性都不會受到影響。

再次，拓展性方面。光伏發電無功補償控制系統的拓展性較強，主要是因為光伏無功補償控制系統的設計形式為模塊化的方式，并且各個插件模塊的市場拓展性和市場通用性都較強，在后期維護時也相對簡單，這樣便能增強太陽能發電系統的運轉效果，從而提高對太陽能資源的利用率。

最后，通信功能方面。太陽能光伏發電無功補償控制系統的通信功能強大，并且通信規約豐富多樣，所以能夠以太陽能發電需要為基礎開展規約擴展，順利實現預期控制目標。