光伏电站太阳能资源监测系统设计及应用

刘代勇，卢毓伟，王 伟

(中国电建集团 中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

0 引 言

作为一种可再生的清洁能源，太阳能的开发利用对于缓解全球气候变化有着重要意义。进行太阳能资源监测和评估是开发利用太阳能的基础和关键。光伏电站的发电效率与太阳辐射强度、组件温度、云量、环境温度、环境湿度、气压、气溶胶等随机变化的太阳能资源要素密切相关。以上因素具有明显的间歇性和波动性，会造成电力输出的不连续性和不确定性。随着越来越多的大规模光伏电站并网运行，间歇式电源的发电容量在部分区域电力系统中所占比例大大提高，给电力系统的供需平衡、安全稳定运行与控制带来了巨大挑战，大大加重了电网的调度负担。在此背景下，为了最大限度地消纳这些绿色能源并确保电网的安全稳定运行，和目前的风力发电并网要求一样，光伏电站必须具备发电功率预测能力，需定时向电网调度部门上报其未来发电功率预测曲线。同时，从发电企业光伏电站的角度来考虑，准确预测发电功率将有利于提高电力市场竞争力；还有助于合理制定发电交易计划，降低发电成本，避免光伏电站出现重大产能损失[1-3]。

在太阳能资源监测系统的实际应用中，高品质的太阳辐射监测设备对于准确预测发电功率尤为重要。太阳能资源监测系统是现代通信、自动控制、遥测、计算机等技术在自动监测领域的综合运用，通过在光伏电站内建设太阳能资源监测站，能快速、准确地采集、传输、处理以及存储光伏电站的太阳能资源信息，掌握当地和光伏电站的实际太阳能资源状况，为光伏电站的光电转换效率评估、光伏电站综合效益评估以及光伏电站运行维护评价提供强有力的数据支撑。因此，开展太阳能资源监测系统建设，具有显著的现实意义。本文结合自动化控制理论，开展光伏电站太阳能资源监测系统设计。

1 系统功能

GB/T 37526-2019《太阳能资源评估方法》、GB/T 31155-2014《太阳能资源等级总辐射》等对测光的技术要求进行了规定，适用于全国各地太阳能资源评价和区划。同时，GB/T 30153-2013《光伏发电站太阳能资源实时监测技术要求》中对太阳能资源监测要素做出了明确要求，实时监测参数应包括总辐射度(水平及倾角)、日照时数、平均风速、平均风向、环境温度、相对湿度，宜包括法向直接辐射照度、散射辐照度和气压。结合光伏电站实际需求，该系统主要选取总辐射、直接辐射、散射辐射、斜面辐射、空气温度、空气湿度、大气压力、风速、风向、雨量等10个必要的监测要素。

系统应具备主要功能如下：① 太阳能资源测站无人值守，自动采集并实时发送太阳辐射和气象信息；② 能够实时接收各类型数据报文，报文译码，并将译码数据分类存入数据库；③ 太阳能资源监测站远程管理；④ 太阳能资源分析、光电转换效率评估、光伏电站综合效率评估等；⑤ 历史数据查询，GIS信息查询；⑥ 设备故障、电源欠压等提示。

2 系统设计

2.1 系统结构

光伏电站太阳能资源监测系统以太阳能资源监测站网为基础，利用计算机技术和自动化技术，对光伏电站太阳辐射及相关气象信息进行实时采集、传输、处理和存储，以掌握示范基地的实际太阳能资源状况。因此，太阳能资源监测系统主要由太阳能资源监测站、数据监测平台两部分组成，其总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构Fig.1 Overall structure of the system

2.2 太阳能资源监测站

2.2.1 测站类型

由于不同光伏电站选用的组件安装方式各不相同，并且在同一个电站的不同区域也存在多种组件安装方式。目前，光伏电站的组件安装方式主要为固定角度安装方式、可调节安装方式(包括固定可调安装方式、单轴跟踪安装方式、双轴跟踪安装方式等)。因此，为了准确评估整个光伏电站的光电转换效率，需要针对不同安装方式的组件区域，设计建设满足要求的太阳能资源监测站。根据光伏电站后评估的要求，结合光伏组件安装方式，将光伏电站的太阳能资源监测站分为以下两种类型。

(1) 组件为固定角度安装方式的太阳能资源监测站(以下简称“固定站”)。该类测站主要针对光伏组件采用固定角度安装方式的区域进行布设，监测总辐射、直接辐射、散射辐射、斜面辐射、空气温度、空气湿度、大气压力、风速、风向、雨量等要素。

(2) 组件为可调节安装方式的太阳能斜面辐射监测站(以下简称“跟踪站”)。该类测站主要针对光伏组件采用可调节方式的区域进行布设，仅监测斜面辐射量。

2.2.2 布设原则

为实现对光伏电站光电转换效率、光伏电站综合效益以及光伏电站运行维护的准确评估与评价，根据系统功能、光伏组件安装方式，对光伏电站的太阳能资源测量系统进行合理的站网布设。站网布设遵循以下基本原则。

(1) 在每个光伏电站均需布设太阳能资源监测站，包括固定站和跟踪站。

(2) 在同一个光伏电站，组件既包含固定角度安装方式也包含可调节安装方式时，针对光伏组件采用固定角度安装方式的区域，布设一套固定站(斜面辐射表安装角度与组件固定角度一致)；针对组件采用可调节安装方式的区域，布设跟踪站(斜面辐射表安装在组件上，随组件角度变化进行跟踪监测)，具体数量根据组件采用可调节安装方式的种类配套设置。

(3) 在同一个光伏电站，组件只包含可调节安装方式时，将其中1个跟踪站与固定站合并建设(即将固定站中的斜面辐射安装到其中1种可调节安装方式的组件上)，针对剩余可调节安装方式的组件区配套建设相应数量的跟踪站。

2.2.3 固定站构成

固定站由太阳能辐照传感器、气象要素监测设备、数据采集与传输系统、电源系统等构成，设备构成见图2。该类测站主要建设在光伏组件为固定角度安装方式的区域，自动监测整个光伏电站区域的总辐射、直接辐射、散射辐射、斜面辐射、空气温度、空气湿度、大气压力、风速、风向、雨量等，安装效果见图3。

2.2.4 跟踪站构成

跟踪站由太阳能斜面辐照传感器、数据采集与传输系统、电源系统等构成，设备构成见图4。该类站主要是针对可调节组件配套建设，在光伏电站可调节组件区域的太阳能光板组件上安装1个斜面辐射传感器，安装效果见图5。当可调节安装方式组件角度发生变化时，跟踪监测可调节组件的斜面辐射强度。

图2 固定站设备构成Fig.2 Equipment composition diagram of fixed station

图3固定站安装效果Fig.3 Installation diagram of fixed station

图4 跟踪站设备构成Fig.4 Equipment composition diagram of tracking station

2.2.5 系统通信

根据太阳能资源信息采集特点，结合通讯传输技术发展现状，太阳能资源监测站采用GPRS通信方式，将1，5，10，60 min及1 d监测数据实时发送至数据监测中心。系统工作体制采用自报式，可自动采集、传输、存储太阳能辐射及相关气象信息。

图5 跟踪站安装效果Fig.5 Installation diagram of tracking station

2.2.6 系统供电

稳定可靠的电源供应是系统正常工作的前提，光伏电站太阳能资源监测站供电方式采用太阳能浮充蓄电池供电、交流浮充蓄电池供电方式。

(1) 太阳能浮充蓄电池供电。测站电源由光伏组件、蓄电池和充电控制器组成，由光伏组件通过充电控制器给蓄电池充电，再由蓄电池直接给测站设备供电。测站采用太阳能浮充供电方式，具有电源独立的优势，供电设备不与外界发生任何电气联系，避免了测站从交流电源引入的雷电干扰，同时避免了交流电对监测设备的电磁感应干扰，但用电设备耗电要求较高，供电可能受恶劣天气影响。

(2) 交流浮充蓄电池供电。测站电源由交流电、蓄电池和充电控制器组成，由交流电通过充电控制器给蓄电池充电，再由蓄电池直接给测站设备供电。测站采用交流浮充蓄电池供电方式，具有供电量大、不受恶劣天气影响的特点，但测站选址受交流电源限制，同时，需要采取有效措施，解决从交流电源引入的雷击问题和电磁感应干扰问题。

综合分析以上两种供电方式的特点，测站供电方式选择如下：跟踪站监测要素单一，测站需要的电量较少，设计采用太阳能浮充蓄电池供电方式，配备1块12 V，100 Ah的蓄电池，通过40 W的光伏组件对蓄电池进行充电。固定站监测要素多，因总辐射、散射辐射和直接辐射需和太阳跟踪器配套使用，加之太阳跟踪器需跟踪太阳轨迹运行，耗电量较大，同时，为减少电磁感应对其他传感器、数据采集器和通信模块的干扰，固定站设计选择交流浮充蓄电池供电和太阳能浮充蓄电池供电的混合供电方式，即太阳跟踪器采用交流浮充蓄电池供电，配备2块12 V，100 Ah的蓄电池，通过并联方式输出24 V直流电压给太阳能跟踪器供电，同时配备24 V交流电源对蓄电池进行充电；其他设备采用太阳能浮充蓄电池供电，配备1块12 V，100 Ah的蓄电池，通过40 W的光伏组件对蓄电池进行充电。

2.3 数据监测平台

数据监测平台设计部署在光伏发电中心指定的服务器上，实时接收光伏电站太阳能资源监测站发送的各类型数据报文、报文译码，将数据分类存储入数据库等，并结合接收的太阳能资源数据进行太阳能资源分析、光电转换效率评估、光伏电站综合效率评估等，监测平台主界面如图6所示。

图6 监测平台主界面示意Fig.6 Main interface of monitoring platform

3 工程应用

本文设计的光伏电站太阳能资源监测系统分别在多个光伏“领跑者”基地项目中得到了应用。

2016年，在第一批“领跑者”基地项目中的大同光伏示范基地建设了14套太阳能资源监测系统；2017年，在第二批“领跑者”基地项目中的芮城光伏示范基地建设了7套太阳能资源监测系统；2019年，在第三批“领跑者”基地项目中的达拉特光伏示范基地、渭南光伏示范基地、德令哈光伏示范基地、格尔木光伏示范基地、寿阳光伏示范基地、海兴光伏示范基地、铜川光伏示范基地共建设了16套太阳能资源监测系统。目前，已建的光伏电站太阳能资源监测系统运行稳定可靠、故障率低，采用全自动无人值守方式，应用情况良好。

4 结 语

通过建设光伏电站太阳能资源监测系统，可掌握当地光伏电站实际太阳能资源状况，可为开展光伏“领跑者”项目系统设备的评价、光电转换效率评估、光伏电站综合效益评估以及光伏电站运行维护评价提供强大的数据支撑。