未来智能光伏电站几点思考

■ 王哲 林燕梅 刘璇璇 王玉凤

(1.北京科诺伟业科技股份有限公司；2.北京鉴衡认证中心)

1 智能光伏电站典型特征

未来智能光伏电站是集多种智能设备、智能材料、智能监控技术、智能运维管理、数字信息技术、互联网络技术的载体，将智能技术与光伏发电技术进行跨界融合，实现技术创新，将光能高效、安全、可靠地转化为电能，并融入电网的过程。

2 智能设备及材料

2.1 智能光伏组件

智能光伏组件是将一种功率优化器模块安置于每块光伏组件背后，使每个模块可独立进行MPPT(Maximum Power Point Tracking)追踪，大幅改善传统太阳光电系统在阴影遮蔽下导致的功率损失，可提高系统发电效率约25%以上。太阳光电系统搭配使用功率优化器后，可更有效利用屋顶面积，增加系统设置弹性，系统安全性也大幅提高。功率优化器为近几年才研发出的市场新产品，其主要概念是将太阳能逆变器中的最大功率追踪MPPT运算功能独立出来。

2.2 智能汇流箱

目前在集中式光伏电站中，智能汇流箱只具有组串汇流、过流保护及电参数测量功能，不能满足未来光伏组串运行监测的需求；需提高对组串电参数的测量精度，并利用特征波形分析电弧、电缆接触不良故障及定位，对独立或两串并联光伏组串MPPT最大功率进行跟踪。将实时数据通过网络上传等功能的智能汇流箱，可保障组串最大功率输出及故障监测快速定位。

将智能汇流箱技术延伸，采用感温电缆与光伏组件、电缆平行无间隙铺设，利用智能汇流箱通过感温电缆实时监测光伏组件、连接电缆的故障点高温度变化，通过视频联动、电站终端报警及快速定位，满足未来智能光伏电站的需求。

2.3 智能监控

智能监控体现在光伏系统中的每个部件，从组件经功率优化器输出的最大功率到智能汇流箱对组串、电缆电参数检测，从开关柜到逆变器的可调度等特点，集中体现智能监控技术在智能传感器、智能设备、智能监控终端及智能网络数据传输的应用。

而监测预警防范于未然也是智能电站的重要标志，如何对光伏电站故障率最高、经常以火灾形式面对世人且应用数量最多的组件及连接电缆进行监测？可利用组件与连接电缆故障特征：如光伏组件多发生背板粘附失效、接线盒破损、支架断裂、EVA材料褪色、电池片破碎、玻璃板损坏、热斑、旁路二极管故障、联接器内微电弧、电气连接电缆接触不良等故障。故障特征分为局部过热和视频图像改变(颜色、结构、外观等)，通过红外热成像实时监测光伏组件性能特征的二维分布图，并结合电参分析判断。而视频图像特征改变(颜色、结构、外观等)，利用视频图像识别软件对其对比分析技术、自学习方法将原始图像典型特征记忆功能与实时视频对比分析鉴别。

依据上述特征，可采用人工、直升机、轨道式的红外成像、视频监测移动平台，定时或实时对光伏组件前后板监测。而轨道式红外成像、视频监测移动平台(见图1)，利用大型电站组件安放结构相同的特点，组件支架固定安装钢缆轨道，使红外成像、视频监测移动平台在上移动，不但对组件前后板、连接电缆进行红外成像、视频自动循环移动监测，而且对故障能够快速定位，并通过无线传输图像及数据，终端分析故障告警，及未来趋势的预警评估。为提高分析精准度，在终端采用同一组件前面与背板数据对比分析验证。对于电池片隐裂等可视故障，可通过远程视频遥控进一步分析。实现故障隐患早发现并及时处理，避免电量损失及火灾发生。

图1 轨道式红外成像、视频监测移动平台

2.4 智能材料

智能材料也是未来光伏电站特征之一，比如：光伏发电量的多少主要取决于光伏组件数量、光伏组件效率、逆变器效率传输损耗、太阳辐照量、环境影响及运维管理。而组件表面污染是影响发电量的主要原因，主要表现为：遮蔽到达组件的光；影响散热；具备酸碱特性的灰尘沉积在组件表面，长时间侵蚀后板面粗糙不平，有利灰尘进一步积聚，同时增加了阳光漫反射。据测量，在我国西部地区冬季，一个月沉积的沙尘若不及时清扫会导致光伏组件的发电量降低30%以上，损失惊人。到目前为止，国内基本采用人工清理，清理周期基于组件表面污染积累情况而定。由于人工清理劳动强度大，“物理+化学”清理组件表面易受损伤，且不能保证及时清理，由此同样也面临着发电量的损失。

一种智能材料在常温条件下通过喷涂在光伏板玻璃的表面，并在光伏板玻璃表面形成一层透明自清洁防护膜，具有可增加光伏组件玻璃透光率、催化分解有机物、超亲水性及防静电的性能，使光伏组件玻璃获得自清洁功能，能有效提高组件的发电量。

2.5 瞬时功率预测

瞬时功率预测是智能光伏电站的一部分。由于受环境及气象的影响造成发电输出功率的不确定性，使得并网发电变得复杂，同时给电网调度带来未知。而当地气象、卫星数值预报由于监测网格较大，预测功率精度低。如以局部地区光伏电站上空云为研究对象，通过对比云量、灰度、风向的参数变化，对未来(15 min～4 h)遮挡太阳的云图像进行视频分析，计算出云移动速度、相对的云量、灰度与辐照度的关系，由辐照度、组件面积及参数等计算出未来时间的发电功率，实现对局部地区电站未来发电功率预测的目的，如图2所示。

图2 瞬时功率预测视频图像分析系统

3 智能运维管理

通过上述智能设备、智能材料、智能监测在光伏电站应用思考的描述，给电站智能运维管理提供了技术保障，从时间、空间、设备多层面多维度进行监控、运维、管理、告警，对电站运行问题进行分析、判断、评估、整合，达到对光伏电站性能评价指标分析的目的，可实现：

1) 判断光伏电站建设质量是否满足标准，达到设计要求。

2) 自动体检，及时发现潜在缺陷，向业主实时汇报光伏电站的健康情况，分析并确定故障类型和位置。

3) 挖掘收益提升空间，为光伏电站运行提供针对性建议。如结合光伏电站的地理环境、气候特点，电站规模利用电站采集的数据信息预测发电量，确定灰尘遮挡的最佳容忍度和制定经济性最佳的清洗方法、周期、费用等，实现收益的最大化。

4) 结合未来网络信息共享，利用周边光伏电站信息结合当地的气象数值预报数据，通过数字信息、互联网、云计算等技术，实现局地瞬时功率预测，准确预测未来时间的发电量，使能量调度更精细化。

5) 给运行人员、检修人员、管理人员等提供全面、便捷、差异化的数据和服务。

6) 为今后优化光伏电站设计建设、电站设备规划、新设备接入、维护、更新、系统部件运行最佳匹配、故障早期预判提供依据支撑。

4 未来光伏电站的思考

对国家新能源发展解读，发展安全、稳定、可调度、多能互补的中高压交、直流电站是未来的方向，但由于技术与成本原因发展受阻。探索一种串联式中高压光伏方阵，目的是克服由于光伏组件的耐压≤1000 V使组件串联数量受组件承受的电压所限(典型组串应用20块组件串联组成，组串输出开路电压≤1000 V)。目前集中式和组串式光伏电站为提高发电功率不得不采用若干台的汇流设备将大量的光伏组串进行并联，造成电缆应用数量多、传输电流大、配套设备多及损耗严重等缺点。如利用一种具有最大功率点跟踪MPPT、储能、功率调节、高压隔离(隔离电压＞直流系统电压)、自然散热、数据通讯等功能模块。将光伏组串与该模块连接实现高压隔离输出，其组成为光伏组串功率单元，提高光伏组串的耐电压，实现多组组串之间再串联成为串联式中高压光伏方阵(见图3)。其拓扑摒弃大量的汇流设备及并网变压器，提高逆变、直流设备输入电压，减少传输电流，并优化、增大发电功率，降低传输线路、设备损耗及故障，同时满足不同功率光伏组串功率的再串联，实现光伏直流中、高压传输的目的。

图3 串联式中高压光伏方阵

将上述模块技术延伸，利用“模块化多电平技术”，以光伏组串功率单元(光伏组串+模块)为控制对象，实现储能、无汇流、无变压器、无大型设备房及化整为零的逆变器装置，实现单元化多电平星形或角形串联式中高压光伏电站系统，如图4、5所示。

图4 星形拓扑

图5 角形拓扑

同样将上述模块技术延伸，实现多能互补(风、光、水、生物、储能等)不同特性电源间的补偿调节。将多种能源与多模块连接组成若干不同能源功率单元，将各个功率单元串联连接，利用系统功率单元可冗余、输出功率可不同等模块化的特点，将储能、多能互补、逆变融为一体，组成一个单元化多能互补串联中高压微电网系统，实现风电、太阳能发电、水电、煤电等不同特性电源间的补偿调节，解决新能源出力随机性和波动性等问题。

图6 单元化多能互补串联中高压微电网系统

5 未来光伏电站展望

国家政策推进国内光伏市场快速增长，电站规模朝大型化、智能化方向发展，加剧了光伏电站技术创新的需求。结合新技术、新材料、新设备、新方案及多技术融合，使未来智能光伏电站日新月异，今天的想法则是明天的现实。