文 | 王海波 | 1.常州佳訊光電產業發展有限公司，2.江蘇省光伏發電系統工程技術研究中心

　　摘　要：本文介紹了光伏電站監控系統的組成部分及各部分功能，通過分析實測試驗光伏電站并網運行的數據，描述了光伏電站電能的基本輸出特性，指出光伏電站運行狀態對電網產生的影響，對了解掌握光伏電站的運行狀況和優化設計具有一定的指導意義。

　　關鍵詞：光伏電站監控 運行數據分析 電能質量

　　引　言：在能源短缺，環境污染日益嚴重的今天，合理利用清潔的可再生能源是世界各國政府的能源戰略決策，其中太陽能光伏發電備受矚目，然而許多太陽能光伏電站建成以后疏于管理，各方人員對電站的運行性能知之甚少。了解太陽能光伏發電系統的即時和歷史運行狀態(輸出電壓、輸出功率、頻率、日發電量等)，可以進行設計方案的技術評估，對光伏電站的設計具有極為重要的意義[1,2,3]。而且，并網光伏電站的電能質量直接影響電網的安全穩定和經濟運行，因此有必要建立實時監控系統，以保障光伏電站的良好運行。

　　1. 光伏電站監控系統簡介

　　光伏電站監控系統主要分三大網絡架構，包括電站層、通信層、主站層。整個系統由四大模塊組成：數據采集模塊、通信模塊、數據服務模塊、數據交換模塊。并網光伏電站檢測系統結構圖如圖1。

　　數據采集器由數據采集裝置和通信模塊組成，

　　數據采集器與下級的各個子系統之間采用RS485 通信協議，通信方式可以采用有線電話撥號網絡、光纖和無線GSM、CDMA、GPRE、VHF、北斗衛星等多種方式。本實驗中使用無線通信方式，無線數據采集器帶有GPRS 通訊模塊，內置有SIM 卡。

　　理論上，GPRS 的帶寬可達171.2Kbps，在實際應用中，帶寬大約在10~100Kbps，在此信道上提供TCP/IP 連接，本光伏電站監控系統所用GPRS 的聯接波特率為4800~19.2Kbps，數據采集間隔標準一般為5min。有線數據采集器中帶有以太網通訊模塊。數據采集器的終端模塊通過網絡將數據發送到數據服務中心，由此完成系統的數據通信部分。

圖1 并網光伏電站監測系統結構圖

　　數據服務中心在接受到數據以后，可以先存入后臺數據庫，對數據進行處理和分析后，下發到客戶端。數據服務中心同時監聽在線客戶端的查詢請求，執行客戶端的控制命令，直至將命令傳達至光伏設備。

　　監控客戶端將當前的設備數據用實時曲線展現，也可生成數據報表，同時客戶端還具有用戶權限管理、報警和提醒、狀態監控、歷史數據存儲和調用、通訊設置等功能。

　　2. 光伏電站基本運行數據分析

　　以江蘇地區某10kW 并網光伏電站為例，根據實測數據對此實驗光伏電站的電能輸出特性進行分析。實驗光伏電站的主要部件有太陽電池組件45 塊(標稱功率235Wp，支架傾角26 度)、交直流匯流箱各一個、SMA逆變器(10Kw) 一臺、氣象站一個、電表一只，監測儀器主要有數據采集器、數據服務器、通信服務器、WEB 服務器、電能質量在線分析儀等。本實驗光伏電站使用的監控系統具備獨立運行能力，能夠實現電氣系統的管理、控制、監測、保護、通信、報警等功能，同時，考慮到本地監控與監控控制中心的互聯存在網絡安全問題，在電站現場添加了專用縱向加密技術和硬件防火墻技術。本次試驗主要對逆變器和氣象站進行實時監控。

圖2 晴天時光伏發電系統輸出功率隨時間的變化

圖3 陰天時光伏發電系統輸出功率隨時間的變化

　　一天中太陽輻照度的變化具有幅度大、隨機等特性，這就決定了光伏發電系統的輸出功率隨時間的變化非常顯著，典型趨勢見圖2—圖3。

　　從上圖可以看出，光伏發電系統的輸出功率受太陽輻照度的影響非常明顯。在陰雨天時，有時變化速率可超過10% 額定功率/ 秒。光伏發電系統的輸入能量取決于太陽輻照度，故光伏電站的有功功率具有不完全可控的特性。光伏電站不能有效地進行電網的電壓和頻率的調整任務，而且由于光伏電站輸出功率的快速波動，電網中需要有足夠的旋轉備用容量來快速補償光伏發電輸出功率的波動。當大容量的光伏電站接入電網后，對電網運行的安全性和經濟性產生一定的影響。

圖4 光伏電站的輸出功率與太陽輻照度的關系

　　下面以實測數據進行分析(圖4—圖8)。圖4 是實驗光伏系統輸出功率與太陽輻射量的關系圖。

　　從圖中可以看出，光伏電站的交流發電功率和太陽輻照度具有很好的一致性[4]，即光伏電站輸出電能的主要影響因素是太陽輻照度。太陽輻照度的最大值出現在12:58，數值為933W/m2，此時逆變器輸出功率為9.48kW，接近但不是最大輸出功率，電站最大輸出功率出現在12:27，數值為9.51kW。

圖5 組件溫度變化圖

　　這是由于12:58 時太陽輻照度最大，但組件的溫度也相對較高，達到23.13℃(見圖5)，而12:27 時的太陽輻照度雖不是最高，但此時溫度為19.43℃，組件的電壓隨溫度的升高而下降較為明顯，故光伏電站的最大輸出功率并不一定出現在太陽輻照度最大時。

圖6 逆變器效率(晴天)

圖7 逆變器效率(陰天)

圖8 逆變器的效率與光伏電站輸出功率的關系

　　逆變器是光伏發電系統關鍵設備之一，逆變器的性能直接影響光伏電站輸出電能的大小和質量。圖6 是晴天時一天中逆變器效率的變化趨勢，從圖中可以看出，在逆變器啟動階段，逆變器效率在86% 左右，遠低于正常工作時的轉換效率。隨著太陽輻照度的增加，逆變器效率急劇增大，在上午8:時左右，逆變器進入正常工作狀態，逆變效率保持相對的穩定值。在下午17 時左右，逆變器效率急劇下降，當逆變效率降至75% 左右逆變器停止工作。

　　在陰天時的起始階段，由于天氣的影響，逆變器可能時斷時續的啟動，逆變效率總體趨勢和晴天時類似，也有相對穩定的效率區間，但逆變效率的波動性明顯加大，在早上逆變器啟動階段和下午表現最為顯著(見圖7)。

　　圖8 顯示出某一晴天時逆變器的效率與光伏電站輸出功率的關系。數據顯示在上午8:35 左右，逆變器已達到最高效率97.9%，而光伏電站的輸出功率在下午13:01 才達到峰值。在光伏電站的輸出功率小于180W 時，逆變器的效率隨輸出功率上升較快，當光伏電站的輸出功率達到180W 左右時，逆變器的效率已超過92%。當光伏電站的輸出功率在180W~1.2 kW 時，逆變器效率增加不明顯。當光伏電站的輸出功率超過1.2kW 時，光伏電站輸出功率的增加，效率基本無變化，符合逆變器供應商的效率說明。

　　電能質量是衡量光伏電站所產出電能優劣的重要標尺，主要包括電壓偏差、頻率偏差、電壓波動和閃變、諧波、三相不平衡度等。限于實驗條件，下面僅對實驗光伏電站發電能的電壓偏差和頻率偏差作出分析。

　　電壓偏差屬于電壓變動的范疇，但與過電壓和欠電壓又有區別，電壓偏差強調的是實際電壓偏離系統標稱電壓的數值，而與偏差持續的時間無關，而過電壓和欠電壓則強調持續一定的時間。電力系統中負荷的改變，光伏電站輸出功率的變化，供配電網絡結構的不合理，系統故障都能引起電壓偏差。電壓偏差過大對照明設備、電動機、帶鐵芯的設備、家用電器、電力系統的運行都會產生極大的危害。改善電壓偏差的主要措施有配置充足的無功功率電源、改變變壓器變比和改變線路參數調壓。經過實測(數據經過處理)，實驗光伏電站的交流輸出電壓波動最大為240.9V，最小為232.6V，波動在5.73%~9.5% 之間(見圖9)，根據光伏電站并網的一般要求，光伏電站逆變器出口電壓偏差應控制在-10%~10% 范圍以內，可見逆變器在電壓偏差方面可以滿足電能質量的要求，但已接近規定范圍的最大值，應考察光伏發電系統的設計方案和檢查設備運行情況以使電壓偏差降至更合適的范圍。

圖9 光伏電站發電電壓偏差

圖10 光伏電站發電頻率偏差

圖11 2012 年2 月份發電量

　　頻率是電能質量最重要的指標之一，系統負荷對頻率要求非常嚴格。系統有功功率不平衡是產生頻率偏差的重要原因。系統頻率偏差過大引起的危害很多，主要有(1)產品質量無保障;(2)降低勞動生產率;(3)電子設備不能正常工作，甚至停止運行;(4)變壓器的主磁通增加，勵磁電流增大;(5)感應式電能表的計量誤差加大等。控制頻率的措施主要有調整逆變器的電路設計、具有足夠的負荷備用和裝設直接控制用戶負荷的裝置。實驗光伏電站的交流頻率波動控制在49.95Hz 和50.03Hz 之間，即-0.05Hz~0.03Hz，按照GB/T 15945-2008《電能質量電力系統頻率允許偏差》的規定，電力系統正常頻率偏差允許值為±0.2Hz，故實驗電站用逆變器完全達到頻率的標準要求，所用逆變器控制頻率的性能良好，如圖10 所示。

　　圖11 為2012 年2 月份實驗光伏電站的發電量統計數據。從圖中可以看出，晴天和陰天的發電量可相差近25 倍。由于2012 年2 月份陰雨天較多，日發電量10kWh 以下占45%，日發電量小于年平均日發電量10% 的天數占13.79%，日發電量超過年平均日發電量僅占21%，月平均日發電量僅占年平均發電量的52.46%。2 月份光伏電站的輸出功率在全年中所占比例偏低，加之陰雨天較多，故出現2 月份發電量總體較低的情況。在2 月份的晴時，實驗光伏電站的最大日發電量比年平均日發電量增加40%，故實驗光伏電站的輸出功率較為正常。

　　3. 結語

　　數據表明，實驗光伏電站的基本電能質量指標滿足國標的要求， 日發電量和月平均發電量和天氣狀況吻合。光伏發電系統關鍵設備的標稱參數與實際測試結果有一定的差距，有必要加強專業認證測試， 促進各關鍵設備性能的不斷完善， 為光伏電站的健康發展提供有力的保障。

　　參考文獻：

　　[1] 鄧濤, 沈輝, 舒杰. 100W 光伏系統的數據采集與技術評估[J] 中山大學學報, 2004 (6)。

　　[2] Wenham S R, Green M A, Watt M E，et al. 應用光伏學[M]. 狄大衛, 高兆利, 韓見殊, 等譯. 上海交通大學出版社,2008。

　　[3] 李安定. 太陽能光伏發電系統工程[M]. 北京：北京工業大學出版社, 2001。

　　[4] 劉宏, 田中 愁佳夫(日本), 八木建一郎(日本).中日合作300kWp 大型太陽能光伏并網電站. 第十一屆中國光伏大會暨展覽會會議論文集。