太陽能光伏發電中的電氣自動化應用研究

摘要：基于電氣自動化技術的應用，太陽能光伏發電系統可以進一步實現高效的控制與管理，提高光伏電能的轉換效率，降低系統運維成本。分析了電氣自動化技術在太陽能光伏發電中的作用，探討了太陽能光伏發電項目中電氣自動化技術的典型運用場景，詳細闡述落地運用方法。旨在實現光伏發電系統的實時監控和精確控制，提高能源利用效率，減少故障和損失。

關鍵詞：太陽能 光伏發電 電氣自動化 在線監測

Research on the Application of Electrical Automation in Solar Photovoltaic Power Generation

SHEN Dongcheng^1""" "HU Huilan²"" WANG Ke²"" ZHANG Zhongyue²

1. Shanghai University of"Electric Power， Shanghai， 200082 China;

2. State Grid Huzhou Power Supply Company， Huzhou， Zhejiang Province， 313000 China

Abstract： Based on the application of electrical automation technology， solar photovoltaic power generation systems can further achieve efficient control and management， improve the conversion efficiency of photovoltaic energy， and reduce system operation and maintenance costs. This article analyzes the role of electrical automation technology in solar photovoltaic power generation， explores typical application scenarios of electrical automation technology in solar photovoltaic power generation projects， and elaborates on the implementation methods in detail. It aims to achieve real-time monitoring and precise control of photovoltaic power generation systems， improve energy utilization efficiency， and reduce failures and losses.

Key Words： Solar energy; Photovoltaic power generation; Electrical automation; Online monitoring

在全球能源轉型的大背景下，太陽能光伏發電作為極具潛力的清潔能源利用方式，正日益受到廣泛關注。傳統光伏發電存在效率低、穩定性差、運維難度大等問題，電氣自動化技術的介入為其帶來了全新變革。電氣自動化憑借先進的傳感、控制與通信技術，可以實時監測光伏電站運行狀態，精準調節發電參數，有效提升太陽能轉化效率；自動化的故障診斷與預警系統能夠快速定位問題，及時采取措施，保障電站的穩定運行，降低運維成本。并且，其智能調度功能可以優化電力分配，實現與電網的高效協同。與此同時，太陽能光伏發電系統結構愈發復雜，人工控制模式不再適用，控制精度、控制效率亟需提升。深入研究太陽能光伏發電中的電氣自動化應用，引導電氣自動化技術融入太陽能光伏發電系統，自動控制模式順利取代人工控制模式，是提升系統運行效率的關鍵。

1 電氣自動化技術的作用[wl1]

太陽能光伏發電作為一種環保和清潔的可再生能源解決方案，其最大的優點是不會產生污染物和溫室氣體，同時運行過程中保持絕對的安靜。與傳統化石能源相比，太陽能光伏發電具有幾乎無限的存在性。同時，太陽能光伏發電的適應性強，無論是在城市的高樓大廈還是偏遠的鄉村地區，無論是在炎熱的沙漠還是寒冷的極地，都能夠正常工作，受環境條件影響不大。就發電系統而言，與其他發電系統相比，光伏發電系統的設計是模塊化的，使該系統非常易于擴展和升級。電氣自動化技術在太陽能光伏發電中效果顯著。

1.1 提高輸出功率

光伏電池輸出特性受到多重因素影響，包括環境溫度、外接負載、光照強度等。對此，應提高輸出功率，建立最大功率點追蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT），主動感知外界條件變化，根據實際變化來調整運行方案。簡單來講，部署MPPT充放電控制器來取代傳統太陽能控制器，自動追蹤最高電壓電流值，精準調節電氣模塊工作狀態。在理論層面上，MPPT技術的運用可以提高50%左右的發電效率，根據實際測試情況來看，發電效率平均提升幅度保持在20%～30%水準^[1]。

1.2 平抑波動

光伏發電系統出力狀況具備波動特性，主要取決于光照強度、溫度等因素。在環境條件影響下，輸出功率持續波動，在并網運行模式下，會給電網造成一定程度的沖擊，嚴重時，會出現電網設備損毀、短時停電、長時停電問題。為解決以上問題，應平抑波動，結合項目情況，設定最佳輸出功率，實時監測系統光伏組件輸出功率。在輸出功率低于標準值與高于標準值的情況下，分別控制儲能單元執行放電任務和充電任務，以輸出功率差值作為充放電容量。

1.3 故障自愈

電氣自動化系統具備十分理想的環境感知、決策分析與自主控制能力，以故障自愈作為運用方向，實現在線監測、狀態預測、智能診斷、故障隔離等功能。系統運行期間，實時監測單體設備運行狀態與總體工況，在最短時間內識別故障隱患，出具故障診斷報告，切除故障部分，直接解決暫時性故障，并協助工作人員快速解決永久性故障^[2]。

1.4 無人值守

電氣自動化系統可以替代人工完成大多數基礎性工作，并具備遠程遙控條件，給無人值守模式的推廣實施奠定堅實基礎。簡單來講，新能源企業無須在光伏電站長期駐守工作人員，僅需定期前往項目現場開展設備預防性維修、緊急搶修在內的關鍵性工作，所節省的管理費用遠超電氣自動化系統的總體使用成本。

2 光伏發電中電氣自動化技術的運用方法[wl2]

2.1 在線監測

在線監測是在光伏發電系統內設置多種類傳感器與執行機構，以電氣量、環境條件作為監測內容，不間斷采集、上傳現場監測信號，幫助工作人員掌握系統實時運行狀態，第一時間識別異常問題。

2.1.1 異常報警

按照歷史運行數據，設定光伏組件開路電壓等電氣參數的安全限值，監測信號轉換為可識別數字量后，程序自動比對測量值與安全限值，確定測量值超出安全范圍后，向工作人員發送報警信號，縮短反應時間與故障持續時間。

2.1.2 可視呈現

通過數字地圖、三維實景模型等可視化形式呈現監測結果，取代傳統數據報表。例如：在數字地圖上，利用不同顏色來顯示各部分運行狀態，確定運行參數頻繁波動、超出安全限值或出現故障問題后，數字地圖上對應系統部分顯示為紅色高亮區域。

2.1.3 狀態預測

組合應用在線傳感技術與智能算法，現場監測信號處理結束后，同步呈現給工作人員，并把監測數據導入智能算法，算法輸出結果為監測對象未來運行狀態，提前預測可能出現的故障問題，以及系統運行效率變化趨勢^[3]。

2.1.4 健康評價

建立面向全部單體設備的管理臺賬，設定多項量化指標，如故障頻率、故障危害程度、運行參數波動幅度等，結合歷史監測數據，定期量化評估設備健康程度，提醒工作人員加強對健康狀態不佳設備的維護保養力度，報廢老化超標、不堪使用的設備。

2.2 太陽光追蹤控制

太陽光追[wl3]"蹤控制技術以提高發電效率、增加有效發電時間作為運用目標。早期太陽能光伏發電項目主要采取視日運動軌跡跟蹤、光電傳感調節跟蹤的技術路線，單一技術存在局限性，效果不理想。

視日運動軌跡跟蹤技術屬于開環控制方式，要求提前掌握太陽運動軌跡規律，精準計算不同時刻太陽位置，受天文地理參數、設備安裝精準角度誤差等因素影響，計算結果存在一定誤差。光電傳感調節跟蹤技術屬于閉環控制方式，部署光電傳感器，跟蹤檢測太陽光照射角度，同步調整光伏陣列入射角，始終保持最佳角度工作狀態，跟蹤精度受天氣影響，雨霧天、陰天產生明顯控制誤差。

對此，可以采取視日軌跡、光電傳感兩項追蹤控制技術，設定2套運行模式，根據天氣條件動態切換。在天氣狀況良好時，切換到光電傳感追蹤模式，實時調整太陽照射方位角和高度角誤差；在天氣條件惡劣時，切換到視日追蹤模式，暫時忽略光電追蹤誤差調整功能，直接定位太陽光照射方位角和高度角。此外，追蹤控制技術落地運用期間，著重解決時間基準、視日軌跡追蹤誤差修正、追蹤電機平穩驅動在內的多項技術難題。以時間基準問題為例，受到天氣、環境溫濕度等因素影響，太陽方位角與高度角計算誤差持續累計，最不理想工況下的高度角誤差達到20°～30°，可以加裝具備溫度補償功能的時鐘芯片，定期校正基準時間，或由工作人員手動計算、修改實時同步時間^[4]。

2.3 孤島效應檢測

在電氣自動化系統內增設孤島效應檢測功能，外部電網停電時，立即調整光伏發電系統運行模式。目前，孤島效應主流檢測技術分為遠程檢測、被動式檢測、主動式檢測三種類型，結合項目情況與控制需求加以選擇。

以主動式孤島效應檢測技術為例，常用方法為主動頻移法，光伏發電系統向電網注入畸變電流信號，形成連續改變頻率趨勢，電網正常工況下，頻率保持穩定狀態，隨著斷路器斷開，并網逆變器輸出電壓輸出頻率出現偏移現象，超出預設閥值時，判定出現孤島效應，有著易于實現的優點，但所注入持續信號會對電能質量造成影響，并網逆變器數量較多時，還會因頻率偏移方向差異而導致檢測失效，多用于小型太陽能光伏發電項目。

2.4 最大功率點跟蹤

在新能源[wl4]"光伏發電項目，常用的最大功率點跟蹤技術包括恒定電壓法、電導增量法、擾動觀察法。單一的技術適用范圍有限，實際效果不理想，可以組合運用智能算法進行優化改進。以恒定電壓法為例，假設外界條件理想，光照強度、環境溫度固定不變且光伏板無陰影等情況下，光伏板輸出曲線為單峰值曲線，僅有1個頂點為最大功率點，有著穩定可靠、易于實現的優勢，但在環境條件變化情況下，最大功率點電壓出現波動現象。當前主要用于環境變化不大的光伏發電系統。

從技術改進層面來看，推薦采取粒子群算法、布谷鳥算法、灰狼優化算法等智能算法。以粒子群算法為例，其本質上屬于一項基于鳥群捕食行為啟發的尋優算法，利用無質量粒子模擬鳥群，以位置、運動速度當作粒子屬性，前者用于描述粒子運動方向，后者用于描述粒子運動快慢程度，單個粒子在搜索范圍內獨立搜尋最優解，對比全部粒子最優解，更新粒子位置，繼續尋找下一輪最優解，迭代處理后輸出全局最優解^[5]。光伏發電系統運行期間，智能算法把光伏電池輸出電流和輸出電壓作為尋優輸入量，以控制開關管開關占空比作為輸出量，不斷導入運行數據與輸出占空比調節指令，始終保持外電路阻抗、光伏電池內阻相等狀態，光伏電池維持在最大功率點上。

2.5 失效檢測

新建太陽能[wl5]"光伏發電項目的建設規模大、設備種類多，在設備自身老化、長時間高強度運行、外部環境侵蝕等多重因素共同影響下，頻繁出現設備失效問題，甚至導致光伏發電系統局部癱瘓。為迅速解決故障，最大限度地縮短故障持續時間與減輕危害程度，需要依托人工智能技術來開發失效檢測功能，從實時運行數據中提取異常特征值，對比實時數據與相關故障案例的特征值相似程度，確定相似程度超過預設值后，初步判定出現異常狀況，自動啟動故障診斷、故障報警程序，迅速出具故障診斷報告與提醒工作人員隔離故障部分。

為保證失效檢測結果真實，避免檢測結果有誤，電氣自動化技術落地運用期間，工作人員并行采取樣本案例收集訓練、動作判別特性配合檢驗兩項措施。其中：樣品案例收集訓練是把光伏發電系統歷史運行數據、故障診斷報告、維修記錄、技術文件與試驗報告作為樣本案例，不斷補充到專家經驗庫內，使用智能算法長期進行訓練學習，訓練時間越長，樣本案例數量越多，失效檢測準確度越高；動作判別特定配合檢驗則是掌握各類設備的運行特點，基于動作特性，拆分區內故障、區外故障、正常運行、異常運行等諸多區域，按照所處區域執行對應的失效檢測策略。

3 結語

綜上所述，電氣自動化技術改變了太陽能光伏發電系統運行形勢與管理模式，項目綜合效益得到顯著提升。新能源發電企業應把進一步加強電氣自動化技術運用力度作為現階段工作重點，明確技術運用方向，不斷拓展技術運用場景，貫徹落實在線監測、太陽光追蹤控制、孤島效應檢測等策略，穩步提升發電效率。

參考文獻

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[5]尚瑛旭.基于神經網絡的太陽能光伏發電功率預測研究[D].鞍山：遼寧科技大學，2023.