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      技術文章

      關于分布式光伏運維平臺在提高光伏發電效率上的研究分析

      技術文章


      摘要:伴隨著能源危機和環境惡化問題的日益加重,科技工作者進一步加大對新能源的開發和利用。太陽能光伏發電作為新型清潔能源的主力軍,在實際生產生活中得到了廣泛的應用。然而,光伏發電效率偏低,成為制約光伏發電發展的瓶頸。因此,對提高光伏發電效率的研究具有十分重要的意義和價值。

      關鍵詞:光伏發電;發電效率;太陽能電站;分布式光伏;

      隨著科技的進步和人類社會的發展,巨大的能源消耗和由此引發的環境污染給人類生產生活帶來了很大的威脅。為此,科研人員開始投身到了新能源的開發和利用當中,以緩解世界能源危機。太陽能作為常見的綠色清潔能源,得到了進一步挖掘。光伏發電也體現了可持續發展理念,成為世界新能源產業中較為重要的一員。然而,當前太陽能電池板由于自身材料和外界條件等因素的制約,發電效率并不高。加大對光伏發電效率影響因素和應對策略的研究,將對整個光伏產業的發展起到積極的作用。

      1、光伏發電系統原理

      光伏發電技術是指一種將太陽光的輻射能直接轉化為電能的發電技術。它主要應用的是半導體PN結的光生伏特原理,光伏電池在受到太陽光照射時,內部電子發生定向移動,產生電流,供負載使用或存儲起來。光伏發電系統一般由太陽能電池組件、控制器、蓄電池、逆變器等部分組成。太陽能電池組件是光伏發電系統的核心部分,在受到一定的輻射強度下,將太陽能以直流形式轉換為電能。當發電量大于負載需求時,通過控制器對蓄電池進行充電;當發電量不足時,太陽能電池和蓄電池同時對負載供電,以滿足需求;當負載為交流設備時,增加逆變裝置,將直流電變換為交流電,供負載使用。

      2、光伏發電效率的影響因素

      光伏發電效率指光伏組件輸出電能占輸入太陽光輻射能的百分比,效率越高,太陽能利用率越大。影響光伏發電效率的因素有很多,主要包括以下幾個方面。

      2.1環境因素

      環境因素主要包括輻射強度大小及溫度變化對光伏發電效率的影響。其中輻射強度主要取決于地理位置、海拔高度、大氣環境、氣候條件等因素。一般緯度越低,其太陽高度角就越大,太陽輻射強度越強,反之太陽高度角越小,太陽輻射強度就越弱;海拔高度越高時,空氣就越稀薄,大氣中的水汽和塵埃的含量也越少,太陽輻射強度越大;大氣環境也在一定程度上影響太陽輻射強度,在晴朗無云的天氣,大氣透明度高,到達地面的太陽輻射能量就多,反之灰塵、積雪、云層等陰影的遮擋,也會使太陽能電池板接收到的輻射大打折扣。

      日照時數和溫度也是影響光伏發電效率的重要因素。通常日照時間長,太陽能電池板相對獲得的太陽總輻射量就多;只有在適當的溫度下,發電效率才能達到較佳狀態。

      2.2自身因素

      太陽能光伏組件的特性和品質取決于其太陽能電池的材料,不同的材質及制造工藝直接影響著太陽能光伏組件的光致衰減時間和光電轉換效率;對于交流負載而言,逆變器的性能對太陽能光伏發電效率有著重要影響;最大功率點跟蹤可以提高光伏發電效率。

      2.3人為因素

      光伏組件接收的輻射總量由天空散射量和地面反射量共同組成,所以要想提高光伏發電效率須尋找到較佳傾斜角度進行安裝;在光伏組件連接過程中,由于組件間的電流(電壓)差異造成電流(電壓)的損失,即組件的不匹配,也是影響發電效率的因素;設計施工過程不合理,維護清潔不及時等,也會在一定程度上降低光伏發電效率。

      3、提高光伏發電效率的策略

      (1)首先,科學選址,合理布局是進行太陽能光伏發電的前提;其次,選用轉換效率高,品質穩定,技術成熟的太陽能光伏組件和性能較好的逆變設備,可以大幅度提高光伏發電效率;選用合適的跟蹤方式,增加垂直照射時長,從而爭取吸收最大輻射量;為了減少高溫對光伏發電的負面影響,適當加裝降溫裝置;進行科學設計,合理施工,針對不同情況制定運維方案(如:通風、除塵等),在一定程度上也可以提升光伏發電效率。

      (2)管理模式。對于光伏項目的施工項目,在管理方面,應依照信息化與扁平化這兩方面的原則,應進行總公司以及子項目兩種結構的不同設置。這樣的一種模式可以使上級的任務更快地得到落實,同時使現場信息更快地得到反饋,明確具體的任務分工情況,使中間階段產生的管理成本費用的降低。

      (3)信息化建設。利用現代先進的信息技術不但可以使工作效率提高,與此同時還可以及時得到生產運營的有關信息。以總公司作為中心部分,子項目看作點,利用現代信息網絡連接所有的子項目,使信息資源得到及時的共享,拉近空間以及地域的距離,同步管理人力資源及成本費用。以規范、固定的流程對公司的子項目所有業務進行管理,防止各子公司出現來自經營的相關風險。具體來說,應依照以下的信息系統進行布置。①辦公自動化系統(也就是常說的0A)。主要功能包括:進行郵件、通知、公文的收發,密切地溝通總公司與子項目與總公司間的信息;進行各種審批流程的辦理,使合同、成本費用的支付、決策的管理等過程進行管理,控制經營所帶來的風險;同時還可以進行企業文化的宣傳,為員工提供一個廣闊的平臺,實現全員管理。②信息管理系統(也就是MIS)。這個系統的功能主要包括有:記錄值班的具體情況、對缺陷進行管理、記錄檢修的具體情況、設備臺賬、管理相關的物料管理等,實現信息化的辦公,可以進行便捷歷史數據的有關查詢。

      4、安科瑞分布式光伏運維云平臺介紹

      4.1概述

      AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺通過監測光伏站點的逆變器設備,氣象設備以及攝像頭設備、幫助用戶管理分散在各地的光伏站點。主要功能包括:站點監測,逆變器監測,發電統計,逆變器一次圖,操作日志,告警信息,環境監測,設備檔案,運維管理,角色管理。用戶可通過WEB端以及APP端訪問平臺,及時掌握光伏發電效率和發電收益。

      4.2應用場所

      目前我國的兩種分布式應用場景分別是:廣大農村屋頂的戶用光伏和工商業企業屋頂光伏,這兩類分布式光伏電站今年都發展迅速。

      4.3系統結構

      在光伏變電站安裝逆變器、以及多功能電力計量儀表,通過網關將采集的數據上傳至服務器,并將數據進行集中存儲管理。用戶可以通過PC訪問平臺,及時獲取分布式光伏電站的運行情況以及各逆變器運行狀況。平臺整體結構如圖所示。

      4.4系統功能

      AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺軟件采用B/S架構,任何具備權限的用戶都可以通過WEB瀏覽器根據權限范圍監視分布在區域內各建筑的光伏電站的運行狀態(如電站地理分布、電站信息、逆變器狀態、發電功率曲線、是否并網、當前發電量、總發電量等信息)。

      4.4.1光伏發電

      4.4.1.1綜合看板

      ●顯示所有光伏電站的數量,裝機容量,實時發電功率。

      ●累計日、月、年發電量及發電收益。

      ●累計社會效益。

      ●柱狀圖展示月發電量

      4.4.1.2電站狀態

      ●電站狀態展示當前光伏電站發電功率,補貼電價,峰值功率等基本參數。

      ●統計當前光伏電站的日、月、年發電量及發電收益。

      ●攝像頭實時監測現場環境,并且接入輻照度、溫濕度、風速等環境參數。

      ●顯示當前光伏電站逆變器接入數量及基本參數。

      4.4.1.3逆變器狀態

      ●逆變器基本參數顯示。

      ●日、月、年發電量及發電收益顯示。

      ●通過曲線圖顯示逆變器功率、環境輻照度曲線。

      ●直流側電壓電流查詢。

      ●交流電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數查詢。

      4.4.1.4電站發電統計

      ●展示所選電站的時、日、月、年發電量統計報表。

      4.4.1.5逆變器發電統計

      ●展示所選逆變器的時、日、月、年發電量統計報表

      4.4.1.6配電圖

      ●實時展示逆變器交、直流側的數據。

      ●展示當前逆變器接入組件數量。

      ●展示當前輻照度、溫濕度、風速等環境參數。

      ●展示逆變器型號及廠商。

      4.4.1.7逆變器曲線分析

      ●展示交、直流側電壓、功率、輻照度、溫度曲線。

      4.4.2事件記錄

      ●操作日志:用戶登錄情況查詢。

      ●短信日志:查詢短信推送時間、內容、發送結果、回復等。

      ●平臺運行日志:查看儀表、網關離線狀況。

      ●報警信息:將報警分進行分級處理,記錄報警內容,發生時間以及確認狀態。

      4.4.3運行環境

      ●視頻監控:通過安裝在現場的視頻攝像頭,可以實時監視光伏站運行情況。對于有硬件條件的攝像頭,還支持錄像回放以及云臺控制功能。

      4.5系統硬件配置

      4.5.1交流220V并網

      交流220V并網的光伏發電系統多用于居民屋頂光伏發電,裝機功率在8kW左右。

      部分小型光伏電站為自發自用,余電不上網模式,這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置,避免往電網輸送電能。光伏電站規模較小,而且比較分散,對于光伏電站的管理者來說,通過云平臺來管理此類光伏電站非常有必要,安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面:

      名稱

      圖片

      型號

      功能

      應用

      光伏運維云平臺

      AcrelCloud-1200

      監測光伏發電功率、發電量、功率曲線、發電日月年報表、設備信息、故障報警、氣象數據等

      應用于單臺逆變器數據采集和上傳云平臺

      智能網關

      ad8adebf6ea0e55895b95850a20cfc8

      ANet-1E1S1-4G

      嵌入式linux系統,網絡通訊方式具備Socket方式,支持XML格式壓縮上傳,提供AES加密及MD5身份認證等安全需求,支持斷點續傳,支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104協議

      防逆流裝置

      (選用)

      8410f34420207417a624f9e5eee99bc

      ACR10R-D10TE

      防止光伏系統向電網輸送功率,用于單相光伏發電系統

      戶用逆變器

      逆變器推薦:

      華為戶用逆變器SUN2000-5/6/8/10/12KTL-M1

      固德威GW8000-DT

      錦浪GCI-1P(4-6)K,GCI-1P(9-10)K

      推薦通訊方式RS485

      4.5.2交流380V并網

      根據國家電網Q/GDW1480-2015《分布式電源接入電網技術規定》,8kW~400kW可380V并網,超出400kW的光伏電站視情況也可以采用多點380V并網,以當地電力部門的審批意見為準。這類分布式光伏多為工商業企業屋頂光伏,自發自用,余電上網。分布式光伏接入配電網前,應明確計量點,計量點設置除應考慮產權分界點外,還應考慮分布式電源出口與用戶自用電線路處。每個計量點均應裝設雙向電能計量裝置,其設備配置和技術要求符合DL/T448的相關規定,以及相關標準、規程要求。電能表采用智能電能表,技術性能應滿足國家電網公司關于智能電能表的相關標準。用于結算和考核的分布式電源計量裝置,應安裝采集設備,接入用電信息采集系統,實現用電信息的遠程自動采集。

      光伏陣列接入組串式光伏逆變器,或者通過匯流箱接入逆變器,然后接入企業380V電網,實現自發自用,余電上網。在380V并網點前需要安裝計量電表用于計量光伏發電量,同時在企業電網和公共電網連接處也需要安裝雙向計量電表,用于計量企業上網電量,數據均應上傳供電部門用電信息采集系統,用于光伏發電補貼和上網電量結算。

      部分光伏電站并網點需要監測并網點電能質量,包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等,需要安裝單獨的電能質量監測裝置。部分光伏電站為自發自用,余電不上網模式,這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置,避免往電網輸送電能,系統圖如下。

      這種并網模式單體光伏電站規模適中,可通過云平臺采用光伏發電數據和儲能系統運行數據,安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面:

      名稱

      圖片

      型號

      功能

      應用

      光伏運維云平臺

      AcrelCloud-1200

      監測光伏發電功率、發電量、功率曲線、發電日月年報表、設備信息、故障報警、氣象數據等

      應用于多臺逆變器、計量儀表及氣象數據采集和上傳云平臺

      智能網關

      ad8adebf6ea0e55895b95850a20cfc8

      ANet-1E2S1-4G

      嵌入式linux系統,網絡通訊方式具備Socket方式,支持XML格式壓縮上傳,提供AES加密及MD5身份認證等安全需求,支持斷點續傳,支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104協議

      電能質量監測

      9c32608d0b1c898983c9d33d417e758

      APView500

      電網頻率,電壓、電流有效值,有功功率、無功功率、視在功率及功率因數,電壓偏差,頻率偏差,三相電壓不平衡度、三相電流不平衡度;三相電壓、電流各序分量;基波電壓、電流,功率、功率因數、相位等,諧波(2~50次)。包括電壓、電流的總諧波畸變率、各次諧波電壓、電流含有率、有效值、功率等,諧波群,間諧波電壓波動、閃變??奢斎?7.7V/100V或220V/380V。

      靜態無功補償

      40d9cb336dd5ec017a7299d05a362c0

      ANSVG100-400

      光伏并網時主要提供有功功率,這樣市電側有功減少,而無功不變,這樣會導致功率因數降低,通過無功補償裝置可以提高系統功率因數。

      防逆流裝置

      ACR10R-D10TE4

      防止光伏系統向電網輸送功率,用于三相光伏發電系統

      直流電表

      DJSF1352

      DJSF1352

      電壓輸入DC750V,電流輸入DC300A/75mV,在分布式光伏項目中適用于儲能回路等直流信號設備電量測量和電能計量使用

      DJSF1352RN

      圖片

      PZ96L-DE

      逆變器

      逆變器推薦:

      陽光電源組串式逆變器SG(30~110)CX系列、SG136TX、SG225HX、SG320HX

      華為商用逆變器SUN2000-30/36/40KTL-M3、SUN2000-60KTL-M0、SUN2000-100KTL-M0

      固德威GW(25~80)K-MT、GW100K-HT、GW120K-HT、GW136K-HTH等

      錦浪GCI-3P(12-25)K、GCI-(25-110)K、GCI-(125-230K)-EHV-5G等

      推薦通訊方式RS485

      4.5.310kV或35kV并網

      根據《國家能源局關于2019年風電、光伏發電項目建設有關事項通知》(國發新能〔2019〕49號),對于需要國家補貼的新建工商業分布式光伏發電項目,需要滿足單點并網裝機容量小于6兆瓦且為非戶用的要求,支持在符合電網運行安全技術要求的前提下,通過內部多點接入配電系統。

      此類分布式光伏裝機容量一般比較大,需要通過升壓變壓器升壓后接入電網。由于裝機容量較大,可能對公共電網造成比較大的干擾,因此供電部門對于此規模的分布式光伏電站穩控系統、電能質量以及和調度的通信要求都比較高。

      光伏電站并網點需要監測并網點電能質量,包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等,需要安裝單獨的電能質量監測裝置。

      上圖為一個1MW分布式光伏電站的示意圖,光伏陣列接入光伏匯流箱,經過直流柜匯流后接入集中式逆變器(直流柜根據情況可不設置),最后經過升壓變壓器升壓至10kV或35kV后并入中壓電網。由于光伏電站裝機容量比較大,涉及到的保護和測控設備比較多,主要如下表:

      名稱

      圖片

      型號

      功能

      應用

      光伏運維云平臺

      AcrelCloud-1200

      監測光伏發電功率、發電量、功率曲線、發電日月年報表、設備信息、故障報警、氣象數據等

      應用于6MW以下光伏變電站

      電力監控系統

      Acrel-2000

      電力監控系統,實現對光伏發電站。測、。信、???、異常報警、故障記錄和分析等功能,接收調度系統指令對光伏電站進行調節和控制。

      并網柜

      并網柜_副本

      AZG光伏并網柜

      容量涵蓋范圍廣,可涵蓋2000A以下用戶并網需求;

      安裝方便,外觀美觀大氣;

      可選配檢有壓合閘、失壓跳閘等功能,對光伏系統進行失壓,欠壓保護,及自動合閘功能;

      可預留獨立鉛封計量室,光伏發電一目了然;

      可根據客戶需求配用國內外廠家元件;

      可選配電能質量在線監測裝置檢測光伏發電系統的各電參量,并與后臺聯機通訊,實現智能化管理;

      可選配防孤保護及逆功率保護功能;

      具有RS485通訊接口,使用ModBus-RTU通訊協議

      匯流箱

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      APV光伏匯流箱

      防護等級為IP65,滿足室內外安裝要求;

      采用霍爾傳感器,隔離測量,16路輸入;

      耐壓DC1kV,熔斷電流可選擇;

      可選電壓測量功能,測量電壓DC1kV;

      具有RS485通訊接口,ModBus-RTU通訊協議;

      可根據客戶需求配用國內外廠家的光伏專用直流斷路器,光伏專用直流熔斷器、防雷保護器等元件。

      智能網關

      ad8adebf6ea0e55895b95850a20cfc8

      ANet-1E2S1-4G

      嵌入式linux系統,網絡通訊方式具備Socket方式,支持XML格式壓縮上傳,提供AES加密及MD5身份認證等安全需求,支持斷點續傳,支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104協議,支持和調度系統遠動通訊。

      微機保護測控裝置

      27cb920c5d7ec39148284fd4b39c998

      AM5SE

      適用于35kV和10kV電壓等級的線路保護測控、變壓器差動、后備保護測控等功能

      電能質量監測

      9c32608d0b1c898983c9d33d417e758

      APView500

      電網頻率,電壓、電流有效值,有功功率、無功功率、視在功率及功率因數,電壓偏差,頻率偏差,三相電壓不平衡度、三相電流不平衡度;三相電壓、電流各序分量;基波電壓、電流,功率、功率因數、相位等,諧波(2~50次)。包括電壓、電流的總諧波畸變率、各次諧波電壓、電流含有率、有效值、功率等,諧波群,間諧波電壓波動、閃變??奢斎?7.7V/100V或220V/380V。

      弧光保護裝置

      6b3c5605551937430ca624767972ac2

      ARB5

      集保護、測量、控制、監測、通訊、故障錄波、事件記錄等多種功能于一體,準確實時監測弧光信號,保護電流,適用于中低壓等級電網的弧光故障迅速切除裝置。

      光伏匯流采集裝置

      AGF-M16T

      一次電流采用穿孔方式接入,20A,穿孔方式接入,安裝方便,安全性高

      帶3路開關量狀態監測,可以對匯流箱內的防雷器、斷路器狀態進行監控

      具有內部測溫功能,可實時監測箱內溫度,保證電氣安全

      具有DC1500V母線電壓測量功能

      具備RS485接口,Modbus-RTU協議,將監測數據上傳至后臺系統

      直流電表

      DJSF1352

      DJSF1352

      電壓輸入DC750V,電流輸入DC300A/75mV,在分布式光伏項目中適用于儲能回路等直流信號設備電量測量和電能計量使用

      DJSF1352RN

      圖片

      PZ96L-DE

      多功能電表

      APM800

      各電壓等級全電氣參數測量、計量和狀態量采集

      逆變器

      逆變器推薦:

      陽光電源集中式逆變器SG500MX等

      華為商用逆變器SUN2000-196KTL-H3、SUN2000-175KTL-H0等

      固德威GW100K-HT、GW120K-HT、GW136K-HTH等

      錦浪GCI-(125-230K)-EHV-5G等

      推薦通訊方式RS485

      5、結語

      太陽能作為一種清潔的可再生能源,近年得到了持續開發及推廣,特別是我國的光伏產業已走上了快速發展的道路。本文對影響光伏發電效率的因素進行了分析,并對提高光伏發電效率的策略進行了概括論述。相信在科技不斷推動下,太陽能利用的廣度和深度一定能夠得到進一步提高,光伏產業在未來定會大有可為。

      【參考文獻】

      1. 徐國江.淺談光伏發電運維及影響發電因素[J].綜述論壇,2021年第3期

      2. 李元.影響太陽能光伏電站系統效率的主要因素分析[J].應用能源技術,2018.11(251).1:34-38

      3. 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版


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