分布式光伏發電控制系統設計

王 晅

（揚州高等職業技術學校，江蘇 揚州 225002）

0 引言

分布式光伏發電控制系統是光伏發電并網的重要條件之一，系統的設計要有合理性。本研究對分布式光伏發電控制系統的運行現狀進行分析，詳細探究其系統運轉原理、內部結構以及系統對電網的影響。通過對不同類型與等級的專用線路連接電網、用戶內部電網連接模式等進行深入研究，最終得到不同形式的系統特點及適用目標，并提出相應的監測和防護措施。

1 分布式光伏發電控制系統運轉原理

1.1 系統構成

分布式光伏發電控制系統由光伏電源結構板、電流匯流設備、電源逆變器及蓄電池組成。由于該系統所使用的單個電池板無法直接生成可入網的交流電供用戶使用。因此，要將光伏電池的結構板進行串聯，通過集中設備將光伏電池結構板所產生的電力進行匯集，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。

受季節交替和天氣變化等因素的影響，同一地點不同時段的光照強度會有很大差異，甚至有的地區會經常出現陰雨天氣，那么該地區的光伏發電的電量波動相對較大，也十分不穩定。為了避免因光伏發電量不穩定對并網輸入造成較大沖擊，光伏發電通常設置有儲能裝置，儲能后的電量在儲能裝置的作用下，可向電網提供持續平穩的電流，如蓄電池設備或電網內部結構。因此，當光伏電池產生的功率過大時，應使用專業技術手段將過量的電能用蓄電池設備儲存或直接傳輸到電力網絡結構中。當光伏電池輸出功率不高時，蓄電池設備完成電力傳輸或放電，以此來達到平衡電能負荷的最終目的。

1.2 光伏逆變設備

光伏逆變設備又稱逆變電源，從本質上講，其是一種將直流電力轉化為交流電力的轉化設備。因此，該設備是發電系統中的重要零部件。隨著電子技術及微電子技術的發展和進步，該設備要想正常運轉，就要使用逆變技術，將直流電動設備轉換為交流發電設備［1］。

逆變技術要想正常應用，就要使用易于控制的硬件設備和電子元件。因此，該技術控制電路由單片機處理設備來代替傳統的模擬集成控制電路，以此來實現數字化信號的控制。隨著計算機技術的應用范圍的擴大，不同的設備零部件及功率設備零部件都得到優化，使系統逆變器向更小體積、更高運轉效率的方向發展。在系統運行過程中，逆變器主要用于控制半導體功率開關的啟動與停止等，從而將分布式光伏發電控制系統產生的直流電力轉化為交流電力。從本質上來看，光伏逆變設備運轉環節是電流整流變換的逆流程。

1.3 功率點控制系統

功率點控制系統在運轉時通過控制計算的方式，能詳細地預測出系統工作狀態下陣列可能產生的最大輸出功率，能有效改善基礎系統的阻礙情況，從而滿足系統的最大輸出功率。當電池設備的溫度不斷提升，輸出功率不斷降低時，為了保證系統能在正常運轉條件下處于最佳狀態，從而最大限度地輸出更多電力能量。

在不同光線照射強度下，光伏陣列輸出曲線具有顯著特點。其中，如果曲線的兩個端點分別為最大輸出功率位置點，那么在某一時刻系統運行為A曲線端點。當光線照射強度過大時，光伏陣列曲線的結構會發生明顯轉變，最終在標準光線照射強度下，可保證最大運轉功率位置點。因此，要想保證系統能達到最大運轉功率點，就要對系統的基礎負載特點進行合理調整，讓功率點控制系統作業位置始終在最大功率。

2 分布式光伏發電控制系統內部結構

2.1 獨立系統

分布式光伏發電控制系統中的獨立系統在運行時，系統本身并不與電力網絡連接。由于該系統能獨立運行，從而有效補給偏遠地區的基礎電力供應，如家庭用電、醫療用電、供水用電等。因此，獨立系統能在一定程度上緩解部分地區的電力供應壓力。但在實際操作過程中，該系統易受外部環境的影響。如果系統安裝區域內的光線強度較高，或環境溫度產生明顯變化時，在分布式光伏發電控制系統中，太陽能電池的基礎輸出特點會產生明顯轉變，導致系統的基礎運轉安全系數大幅度降低。由于發電設備和系統要定期進行維護，因此設備維護費用相對較高［2］。

2.2 并網系統

在分布式光伏發電控制系統并網過程中，主要將電力能量有效傳輸到總體電力網絡結構中。現階段大多數地區和城市普遍使用并網光伏發電管理系統，而光伏陣列通過電流的匯流功能將電能傳輸到逆變設備中，此時逆變設備將光伏發電所產生的電能轉化為公用電網中的電能，以此來保證系統的內部電壓、頻率及電位的同步。

并網系統在實際建設時，逆變設備不僅要具有電能形式的轉化功能，還要具有防孤島、防逆流的基礎功能，所以系統在運轉時應按照不同類型的連接位置點，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電模式。對系統控制及設備使用等進行對比，并網系統比獨立系統的技術要求更高，再加上并網系統在運轉時將公用電力網絡作為蓄電池，因此能極大地節省光伏電站的基礎建設成本，一般適用于公共設施發達的地區、城市生產企業等地。

3 工程案例

3.1 案例概述

某市電力項目建設地區主要位于城市工業新區，該建設區域四面環水，總體建筑面積為42 km2，屬快速發展的新興工業區域。為了保證分布式光伏發電控制系統正常運轉，該建設項目的設備裝機基礎容量為30 MW，建筑項目總體數量為11 項，其中9 項建設工程位于工業新區的核心位置，2 項工程項目建設地區在郊區工業區域［3］。

建筑項目和工程施工都要利用現有的產房建筑項目，所以項目發電要使用自發電網絡的運作模式。當項目投入基礎運行后，項目年度總體發電量為520 萬kW·h，而項目管理內的電網價格及電力能源補貼價格則按1.15萬元kW·h來計算。

3.2 分布式光伏發電控制系統

某市地處平原地帶，內陸占地面積為668 km2，其中平原地區占87%左右，山丘地區則占1.8%，水資源領域占10.2%。該地區的地勢外部形態十分狹長，東西長度為51 km，南北寬度為28 km。該地區的地勢相對比較平坦，地面基礎高程為4～8 m。

該市的氣候屬于亞熱帶季風氣候，全年日照相對充足，而全國范圍內的日照時間一般為2 000 h。因此，根據太陽能能源等級輻射現狀及等級進行詳細劃分，該地區的年度總體輻射量指標參數為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，該地區的全年基礎降水量較低。因此，該地區普遍使用光伏電站建設工程及硬件設備，對該項目工程所在地區的太陽光線照射條件、廠區建筑、電氣配電系統運行模式等進行分析，結合建筑施工單位及使用單位的實際意見，進一步確定該項目研究和技術研發的主要目標。

分布式光伏發電控制系統施工項目要安裝多個控制組件，且各個組件間的基礎運行容量為30 MWP。因此，該系統在運行時要使用地區電力運轉、自發電等基礎建設應對方案。系統只有使用攜帶傾斜角度的安全方式，才能從根本上提高發電總量，因此經過一系列數據統計和計算后，明確系統的固定安裝角度。由于該地區全年太陽能所產生的能量較大，所以系統想要正常運行，就要在建筑設備屋頂區域安裝設備，并采用平鋪的方式，能有效減少屋面的基礎負荷施工標準，從而有效增加系統運行的安全性。

分布式光伏發電控制系統由太陽能電池、電流匯流設備、電源逆變設備、配電設備等構成，經過詳細計算，工程項目年度平均發電量為3 400萬kW·h，整個系統運轉效率在79%左右。

基于項目的實際情況，光伏發電站應按照無人值班等基礎建設原則進行方案設計，因此電站應通過參數計算系統，并以此為基礎條件的數據控制模式，并將辦公區域設定為重要控制區域，同時完成對電池陣列、并網管理系統及電力系統的集中化控制和管理。由于系統邊站所的顯示設備和系統通常要作為視頻控制和監控的技術手段，因此應使用系統保護設備，可與電站的計算信息監控系統進行便利的數據對接。

4 分布式光伏發電控制系統設計方案

4.1 硬件設計

在對分布式光伏發電控制系統的實際方案進行規劃時，硬件設備為PLC 控制設備，所以硬件設備要根據系統設計的實際情況來選擇適合的型號。在分布式光伏發電控制系統中，系統輸入信號在應用模式規劃上通常分為系統控制指令和保護指令。其中，控制指令包括系統停止、系統復位以及自動控制等，位置保護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，系統內部結構的溫度傳感器使用CYB-20S-kW 型號的溫度傳感器。該型號傳感器在運轉過程中以熱力電阻為熱敏電子元件，所以該設備能有效檢測的溫度范圍為-50～260 ℃。在實際使用過程中，該型號的溫度傳感器外部形態、大小等基本符合安裝的尺寸要求，其檢測結果的精準度能滿足系統的實際需求。因此，該傳感器設備的內部結構一般為雙軸，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，從而完成系統電流信號及模擬信息的傳輸與技術處理。

4.2 軟件設計

4.2.1 PLC 方案設計。分布式光伏發電控制系統在方案設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，技術人員先旋轉設備按鈕，啟動光伏組件，并使光伏組件開始運動，當技術人員松開旋轉按鈕后，光伏組件則立刻停止運轉。如果使用自動模式，技術人員只用開啟制定方向的啟動按鈕，系統中的光伏組件就可按照預先設定好的運動速度運行，直到極限位置后，按鈕會向反方向運動，并不斷重復。在對分布式光伏發電控制系統方案進行設計時，包含東、西、南、北四個方向，旋轉按鈕可根據系統的運轉要求，合理地控制光伏組件向指定的方向和距離運動。所以，在該系統使用手動控制模式時，技術人員要按照光伏組件的運動模式和要求開始旋轉操作，到達到限位后松開旋轉按鈕，即可停止技術操作。在使用自動管理模式時，系統的光伏組件要模擬太陽的運動軌跡和方向，從而控制設備沿著預先設定好的方向運動，直至達到限位后立刻停止，此時應沿反方向繼續運轉。在分布式光伏發電控制系統軟件檢測方面，先將檢測系統開啟，此時系統將自動進入自我檢測流程，當檢測出故障問題時，系統立刻將故障數據和實際情況傳輸至中央控制平臺，等故障問題徹底解決后，系統才能徹底恢復正常運轉。因此，在進行軟件方案設計時，要在系統內部增加自動復位的功能，從而保證系統在產生故障問題后仍能繼續運轉［6］。

4.2.2 監控平臺設計。在進行控制平臺方案設計時，分布式光伏發電控制系統由系統控制界面、數據處理及輔助界面等組成。其中，系統控制界面中PLC 設備運行時，利用信息通信管理模式，將系統運行過程中產生的信息和數據傳輸到系統組態控制軟件中，并在控制設備安裝位置上進行反射處理。監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，從而確保系統能實現實時查看、信息查詢等功能。監控界面由系統運行管理、逆變及負載信息檢測等構成，可實時檢查水平方向、垂直方向等信息數據的輸入。在系統平臺運行環節上，數據處理界面由曲線結構顯示、歷史信息檢索、文件統計及資料打印等組成，便于專業技術人員及工作人員查看系統的歷史信息。系統輔助操作界面包括用戶信息和密碼信息界面，可實現用戶信息的添加、刪除、修改等功能，合理設定用戶控制權限。

5 結語

綜上所述，本研究詳細分析了分布式光伏發電控制系統的運轉現狀，技術人員可從系統硬件結構及軟件設計入手，以此來保證系統正常運行。經過方案設計來實現該系統，并經過一系列性能測試與系統數據的調查，最終得到經過優化后的系統，其自動化運行性能和效率都得到極大的提升，可實時全面地檢測出發電控制系統的設計運行狀態及故障數據，最終達到方案設計目標。