基于VPN网络的远程光伏组件户外测试平台设计

常州天合光伏发电系统有限公司 ■ 王秦伟

0 引言

随着光伏发电的大规模应用，光伏发电系统的核心部件——光伏组件在实际使用中的性能表现受到了越来越多的关注。目前光伏组件的定型验证一般是根据IEC 61215、UL 1703等一些国际标准进行室内测试[1]，是通过室内检测模拟户外应用环境，尚未实现通过户外检测进行其品质的监控，因此不能从真正意义上反映光伏组件的实际应用性能[2]。在对光伏组件的设计、关键材料的使用和工艺流程的变化验证方面，通常采用室内加速老化等试验进行验证和评估。单一的加速老化试验可以大幅减少试验时间，但往往难以准确反映光伏组件的实际使用情况，尤其对应用于特殊环境中的光伏组件的适用性较差[3-4]。另外，光伏组件新产品的开发与定型主要是根据IEC 61215及IEC 61730标准中各类模拟测试的要求进行测试，很少进行新产品的户外实际性能测试。综上，亟需研发、建设光伏组件户外测试平台，测试光伏组件在户外实际工作环境中的各项性能，尤其是其在特殊环境(高温、高湿、强紫外线照射)中的实际工作性能。

本文设计了一种监控数据传输基于VPN网络的远程光伏组件户外测试平台，对光伏组件的实际运行状况进行监测。

1 基于VPN网络的远程光伏组件户外测试平台的设计方案

本方案规划在海南建立总装机容量为250 kW的地面光伏电站，所用光伏组件以来自不同厂家的60片电池的晶体硅光伏组件为主，用来对比不同厂家生产的光伏组件在相同条件下的功率衰减率及年发电量。因此，所设计的户外测试平台应满足精度高、稳定性好、数据采集方便等要求，以确保每个厂家的光伏组件在公平的条件下进行测试。本测试平台针对的组件以60片或72片6英寸电池的单、多晶光伏组件为主，当采用60片6英寸电池的光伏组件时，每个组串的组件数量不要超过10块；当采用72片6英寸电池的光伏组件时，每个组串的光伏组件数量不要超过8块。考虑到各个厂家的光伏组件额定功率会有所不同，以及未来组件功率会有所提升，所以，本户外测试平台在设计时已经预留了充足的空间，具备较高的适应能力。该测试平台既可以接入较小功率的组件(如110 Wp)，也可以应对未来的发展，接入较高功率的光伏组件(如330 Wp)，但此种情况下可适当减少每个组串中光伏组件的串联数目。光伏支架的尺寸在设计时已进行充分考虑并可满足上述要求。该户外测试平台的总体设计如图1所示。

图1 户外测试平台的总体设计

1.1 支架方案

本支架方案采用呈井字型排列的混凝土条形基，前后左右相连，与其他桩基础相比，井字型混凝土条形基能显著减小X轴和Y轴两个方向的沉降，使结构更加稳固，尤其适用于土质松软、降水量多、雷雨和大风天气显著的沿海地区。组件安装采用覆压式安装方法，组件与支架固定处接触面积大。与背板式安装方式相比，覆压式安装的牢固性更佳且对组件的单位压强较小，可有效降低因安装固定造成组件内部隐裂的概率。

考虑到各个厂家生产的光伏组件尺寸存在差异，因此同一组支架上同一测试时段，只安装一家厂家生产的同一型号同一批次的光伏组件。另外考虑到后期测试时更换光伏组件等问题，支架固定组件时采用可调式边压块，以便安装不同厚度、尺寸的组件，避免因组件厚度或尺寸问题造成其安装和更换的不方便。

1.2 系统电气方案

本系统电气方案将若干光伏组件串联成组串，若干组串接入逆变器，若干隔离逆变器接入交流开关柜，若干交流开关柜接入隔离变压器，若干变压器接入主开关柜，进而实现并网。总体系统电气原理图如图2所示。

一般光伏电站的设计是采用逆变器交流容量小于接入逆变器的组件直流容量的方案。而在本户外测试 平台中，考虑到海南充足的日照条件，同时避免出现逆变器限发效应，因此采用接入逆变器的组件直流容量小于逆变器交流容量的方案，以确保所有的组件输出功率都可以转化为交流能量，并通过电表记录下来。

针对常规光伏组件，采用最多10块组件为1组串的方式，直流容量不超过3 kWp，接入1台功率为3 kW的逆变器。针对薄膜光伏组件，系统设计使用带有隔离变压器的逆变器，比如SMA公司的SB3000HF型组串式逆变器，因此为了满足逆变器的输入电压，针对薄膜光伏组件的特性，采用每5块组件为1组串，每台逆变器接入2串组串的设计方案。

1.3 监控及通信方案

本户外测试平台中，监控数据是通过虚拟专用网(VPN)传输的。

监控装置主要包括传感器、数据采集器、监控主机、服务器等，其可获取场区的主要气象条件，如温度、湿度、风力、风向、紫外辐射及不同倾角(包括水平面、最佳倾角、最佳倾角±5°)条件下的总辐照度数据[5]。主要传感器的型号、数量如表1所示，不同类型传感器的图片及传感器安装方式如图3所示。通过专用的数据采集器，将测试场内所有传感器测量数据和各设备的运行数据集中传输至监控室的监控主机。

图2 总体系统电气原理图及各部分具体图

表1 主要传感器汇总表

图3 不同类型的传感器及传感器安装图

由于本户外测试平台地处偏远地区，且光伏组件的测试周期较长，因此采用了无人值守的形式，将所有监控数据传送至公司总部的服务器上，能够实时监控电站的运行状态。但是由于户外测试平台与公司总部之间的距离遥远，配套网络的网速较慢，而传输的数据量较大，且数据有保密性要求，无法通过普通网络传输，因此必须要用到VPN技术[6]。VPN是通过一个公用网络建立一个临时的、安全的连接，就像一条穿过混乱的公共网络的安全、稳定的隧道。监控系统通过VPN技术组建的虚拟局域网读取和收集现场的各项参数，保证了数据传输的快速、安全和稳定。整体通信拓扑图如图4所示。

图4 整体的通信拓扑图

VPN是对企业内部网的扩展，通过它可以帮助远程用户、公司分支机构、商业伙伴及供应商同公司的内部网建立可信的安全连接，并保证数据的安全传输。VPN构架中采用了多种安全机制，如隧道技术(Tunneling)、加解密技术(Encryption)、密钥管理技术、身份认证技术(Authentication)等，通过上述的各项网络安全技术来确保资料在公共网络中传输时不被窃取，或是即使被窃取了，对方亦无法读取数据包内所传送的资料[7]。

为了实现远程监控和各项数据收集，本户外测试平台开发了专用的监控软件，软件操作界面如图5所示。该软件安装在远程控制中心的服务器上，可通过因特网登录访问，在监控软件中可以方便地查看和调取位于海南的户外测试平台的监控数据。

图5 监控软件的操作界面

2 总结

本文介绍的基于VPN网络的远程光伏组件户外测试平台方案已被应用于某光伏组件户外测试平台中，用于多批次光伏组件的户外实际运行性能的检测，并已运用检测数据有效指导光伏组件生产商的产品改良和新产品开发，体现了良好的经济价值和科研价值。