分布式光伏发电站的设计及智能监控系统的应用.docx

doi: 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2014. 04. 039分布式光伏发电站的设计及智能监控系统的应用邝坚文，黄永基（广州南洋电器有限公司， 广东广州510050）摘要：对光伏发电站的构成、技术特性及其监控系统的内容进行了叙述，并结合工程实例，再现光伏电站的节能、环保功效。实践证明：分布式光伏发电的项目建设，既符合国家能源战略规划，又能为企业可持续发展提供长期的动力保障。关键词：太阳能；光伏发电站；构成；技术特性；智能监控系统中图分类号：tm615文献标识码：b文章编号：10099492 ( 2014 ) 04014804design of distributed photovoltaic power station and application of theintelligent monitoring systemkuang jian-wen， huang yong-ji（guangzhou nanyang electric co.，ltd.，guangzhou510050，china）abstract: this paper describes the contents of the photovoltaic power stations structure， technology characteristics and the monitoring system. combined with practical instances， reproduce its good influence of energy-saving and environmental conservation. practice has proved that the project construction about distributed photovoltaic power generation， not only meets national energy strategy planning， but also provides long-term power protection for the enterprise sustainable development.key words: solar energy；photovoltaic power station；composition; technical characteristic；intelligent monitoring and control system0 前言随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突 出，太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高 效等特点，已成为世界各国关注和重点发展的新 兴产业1。光伏发电的主要原理是半导体的光电效应， 也即利用光生伏特效应原理，将太阳辐射能量直 接转换成电能的发电系统。主要由光伏电池板、 汇流箱、并网逆变器、配电柜及其他设备组成 2。光伏发电系统分为独立光伏系统和并网光伏 系统，并网光伏发电又分为集中式大型并网光伏 电站和分布式小型并网光伏电站，而分布式小型 光伏发电由于投资小、建设快、占地面积小、政 策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。1 分布式光伏发电系统的主要设备（1） 太阳能电池板：光伏组件是室外安装的 发电设备，是光伏电站的核心设备，具有非常的 耐候性、能在室外严酷的环境下长期稳定可靠地运行，同时具有高转换效率。其性能特点如下： 25 年产品功率质保、安装方便、抗风、抗冰雹 能力强； 组件衰减少，十年内输出功率的衰减 小于 10%，二十年内输出功率的衰减 20%，年平 均衰减小于 0.8%。（2） 直流汇流排箱：汇流箱最多可以连接 24 路直流输入，并且为光伏组件提供保护和监测， 可以优化电缆连接，缩短系统停机时间，方便维 护。其功能要求如下：采用光伏专用高压直流 保险丝，对正、负极同时保护；满足同时接入 多路太阳电池组串，每个正、负极接线端子接一路 光伏专用熔断丝；采用光伏专用防雷器，工作电 压达到直流 1 000 v；能够接入最大太阳电池组 串开路电压 （最大直流电压） 为 1 000 v 以上。（3） 并网逆变器：其功能要求如下：逆变 器应具有过载、短路、电网断电、电网过欠压、 电 网 过 欠 频 保 护 和 告 警 功 能 ； 逆 变 器 采 用 太 阳电池组件最大功率跟踪技术；逆变器 400 v/收稿日期：20140319研究与开发邝坚文等：分布式光伏发电站的设计及智能监控系统的应用50 hz 输出高效、节能、安全；功率因数、有功和 无 功 功 率 可 调/可 控 ， 低 电 压 穿 越 ， 防 孤 岛 保 护；采用技术先进成熟的逆变技术，具有高转 换效率；具备防雷保护措施；拥有优良的冷 却通风系统。（4） 低压开关柜：按用户要求配置。2 智能监控系统的硬件与软件部分监控系统包含光伏电站 主要设备及光伏电站的数据 采集、低压开关柜保护测控 装置运行状态监控、电能质 量数据采集、数据上传等功 能。2.1 智能监控系统的硬件部 分整个系统由中控室监控 系统、通讯网络、现场智能 监测设备组成，系统网络结 构图如图 1 所示。监控系统 安装在中央控制室，包括一 台监控电脑及用于报表、曲 线及报警打印的打印机；通 讯 网 络 由 以 太 网 工 业 交 换 机、通讯管理机以及通讯电 缆、光纤组成；现场智能数 据采集器用于光伏电站中采 集、监控逆变器的工作状态及运作信息，以及开关柜、电表、汇流箱与环境 检测仪等设备数据，不仅可以实时传输所监测设 备的数据至后台上位机，还可以接收来自电网调 度中心的开关量控制指令或者模拟量控制指令， 实现对逆变器有功功率、无功功率、功率因数、开关机等远程操作，实现远程调度功能。通过光纤以太网与中控室监控电脑连接，使整个系统实 现对光伏发、配电的监视、分析和管理3。2.2 系统软件功能系统功能拓扑图如图 2 所示。（1） 设备运行监测功能：系统自动采集汇流 箱 、 逆 变 器 、 并 网 开 关 状 态 、 环 境 检 测 仪 、 电图 2监控系统功能拓扑图表 、 开 关 柜 、 无 功 补 偿 器 等 设 备 的 各 类 实 时 数据，然后进行数据处理，以达到对设备的运行状 态进行监视、性能参数进行检测、环境设备进行 控制的功能。（2） 数据传输功能：系统能上传实时采集到 的数据，并能够对数据缓存， 当网络中断和恢复时，自动补 传数据，保证数据的完整性和 可靠性。（3） 设备控制功能：系统 能接收现场智能监控设备的控 制指令，并及时将命令下发到 现场设备，在现场设备执行命 令后，及时将运行结果上报到 监测中心。（4） 自动化配置功能：系图 1监控系统网络结构图149研究与开发统能根据当前监测点的信息，进行基本参数的自动化配置，使布署和维护更加方便。（5） 数 据 加 密 功 能 ： 为 了 保 证 数 据 可 靠 性 ， 系统能够对传输的数据自动加密和解密，并能根 据传输的数据自动识别密码。（6） 报警管理功能： 实时报警功能： 系统能实时反映当前的故 障信息，并对故障信息自动归类、分级，并提供 声、光、电等提醒方式； 历史报警信息功能：系统能对历史报警信 息进行综合分析统计，为提高产品质量提供运行 数据支撑。（7） 工单管理和日志管理功能：系统能够记 录用户所有操作并定时进行操作审计工作。（8） 用 户 管 理 功 能 ： 系 统 能 够 对 用 户 增 加、 删除、锁定、解锁、用户组管理、缺省配置等进 行管理。（9） 统计报表模块功能：系统能为管理人员 提供需要的功能报表，有日、月、季、年等不同 方式，以及电站的分时段发电量报表。（10） 数据存储和数据挖掘功能： 系统能存储 25 年的配置数据，并能够追溯 历次修改原因，能随时调阅存储的数据； 系统能从年运行的海量数据中挖掘出效果 好的设备，并能对这些数据进行长期存储 20 年以 上。（11） 发电量预测和诊断功能：系统能对发电 站上空的云层情况，未来的相应时间段的发电量 进行预测。对恶劣天气情况能够预警，提前对设 备采取适当的保护措施。（12） 视频监控功能：系统可以监视到每个模 块，从而实现“遥视”。（13） 微网监控功能：监控系统需能够监视微 网系统光伏逆变器、负载、独立逆变器、上位机、 数据采集器等设备的工作状态，能够对光伏逆变器 进行限功率控制，亦能够对光伏并网逆变器、光伏 模拟器、智能电表等进行遥测和遥信。主要实现削 峰平谷、峰谷电价差以及调压调频的基本功能。（14） 金太阳住建部接口功能：给金太阳和住 建部提供数据接口。3 工程实例某大型设备加工厂，利用其现有的可有效利 用的 10 000 m2 的屋顶，根据用户的实际情况，按 以上的设计方案，建设了一个发电量为 1 mw 的光伏项目。3.1 系统组成系统组成见表 1。表 1系统参数项目数据名称1 mw 光伏发电项目沿屋顶平铺安装形式系统单位面积重量 / （kg/m2）可有效利用的屋顶面积 / m2 总重量 / kg 装机发电总容量 / kw可安装光伏发电组件数 （块）171 000170 0001 0004 000多晶硅 250wp约 25 年光伏组件种类光伏发电系统寿命3.2 光伏发电系统的主要设备（1） 太 阳 能 电 池 板 ： 多 晶 硅 250wp， 4 000 块，其性能要求如下：高效率的晶体硅太阳能电 池；抗老化 eva 胶膜及优良耐候性 tpt 背板；阳极氧化处理铝合金边框及防水接线盒；高透 光率，采用高透光率低碳绒面钢化玻璃封装。（2） 直流汇流排箱：采用防护等级达到 ip54/65，能满足室外安装要求的密封型机柜，并行连 接 16 路直流输入汇流箱 12 个，同时具有以下功 能 ： 组 串 电 流 异 常 报 警 ； 组 串 电 压 异 常 报 警；防火灾报警功能；防雷器失效报警； 开关状态监测；分析电流量，对有故障的光伏 阵列报警；能接收本地监控装置的参数下载， 进行分析处理的汇流箱。（3） 并网逆变器：能够清晰显示实时各项 运行参数，实时故障数据，历史故障数据，总发电 量数据，历史发电量数据；多种通讯接口，接受 modbus rtu 和 modbus tcp/ip 通讯协议，与后 台监控软件具有良好的兼容性的逆变器 1 套/2 台。（4） 现场智能数据采集仪：选用可监测环境 监测仪、并网逆变器、光伏汇流箱、电表、配电 设备的实时运行状况，还具备接收和执行网络调 度指令的功能的现场数据采集仪 4 台。（5） 监控系统：可对太阳能光伏电站里的电 池 阵 列 、 汇 流 箱 、 逆 变 器 、 交 直 流 配 电 柜 、 电 表、太阳跟踪控制系统等设备进行实时监测，为 上层数据中心提供丰富的数据接口。150机电工程技术 2014 年第 43 卷第 04 期研究与开发邝坚文等：分布式光伏发电站的设计及智能监控系统的应用（6） 低压配电柜：满足用户的用电要求。3.3 发电量及投资收益分析（1） 项目基本条件：见表 2。表 4动态经济分析表项目数据备注每年固定资产投资回报未来电价增长平均收益 （万元） 二氧化碳排放指标 （t） 二氧化硫指标 （t） 碳交易收益 （万元）二氧化硫交易收益 （万元） 政府补贴 （万元）每年超过 200%高额回报未来电费增长 0.15 元/kwh 随着环保政策落实会逐步实施指标问题 随着环保政策落实会逐步实施指标问题 目前价格 60 元/t （已有交易平台） 目前价格 1600 元/t （已有交易平台） 政府正在制定补贴事宜280%39322 925900137.50144100表 2项目基本条件表项目数据备注当地年平均辐照量 / (mj/m2a）系统总效率 有效利用小时数 /h 屋顶面积 / km2 装机容量 / mw 系统承重 / （kg/ m2） 屋面承重 / （kg/ m2） 总投资 / 万元年平均发电量 / ( 104 kwh） 工业用电加权价格 / （元/ kwh） 国家对于发电量的补贴标准 / （元/ kwh） 自发自用比例5 00075%1 10010117301 0001051.020.42100%表 5节能减排分析表彩刚瓦当前建筑标准 全部一次性投资，成本约 10 元/w名称数据总装机容量 （）mw11052 62590022 9254108 7508 000140120 000年平均发电量 （ 104 kwh）25 年累计发电量 （ 104 kwh）so2 累计减排量 （t） co2 累计减排量 （t） nox 累计减排量 （t） 累计节约标准煤 （t） 碳粉尘累计减排量 （t）累计减少植树量 （万棵） 累计节约纯净水 （kl）所发电量全部自用（2） 静态经济分析：见表 3。表 3静态经济分析表项目数据备注25 年累计发电量 / （ 104 kwh）25 年本项目获得收益 / 万元25 年本项目节省电费 / 万元 投资回收期 / 年 投资回收期 / 年 投资回收期 / 年2 6253 7802 6776.716.2%25.6%度；可以发电用电并存4。随着我国金太阳项目从 2009 年开始，截止到2013 年 6 月，分布发电项目共 525 mw 纳入到补助 范围。此后，国家能源局、财务部、国家电网公 司对“分布式光伏发电项目”出台了一系列的利 好政策，分布式光伏发电项目的建设，符合我国21 世