分布式光伏发电控制系统设计

王 晅

（扬州高等职业技术学校，江苏 扬州 225002）

0 引言

分布式光伏发电控制系统是光伏发电并网的重要条件之一，系统的设计要有合理性。本研究对分布式光伏发电控制系统的运行现状进行分析，详细探究其系统运转原理、内部结构以及系统对电网的影响。通过对不同类型与等级的专用线路连接电网、用户内部电网连接模式等进行深入研究，最终得到不同形式的系统特点及适用目标，并提出相应的监测和防护措施。

1 分布式光伏发电控制系统运转原理

1.1 系统构成

分布式光伏发电控制系统由光伏电源结构板、电流汇流设备、电源逆变器及蓄电池组成。由于该系统所使用的单个电池板无法直接生成可入网的交流电供用户使用。因此，要将光伏电池的结构板进行串联，通过集中设备将光伏电池结构板所产生的电力进行汇集，并为电源逆变器提供所需的电能，逆变后的电能可并入电网。

受季节交替和天气变化等因素的影响，同一地点不同时段的光照强度会有很大差异，甚至有的地区会经常出现阴雨天气，那么该地区的光伏发电的电量波动相对较大，也十分不稳定。为了避免因光伏发电量不稳定对并网输入造成较大冲击，光伏发电通常设置有储能装置，储能后的电量在储能装置的作用下，可向电网提供持续平稳的电流，如蓄电池设备或电网内部结构。因此，当光伏电池产生的功率过大时，应使用专业技术手段将过量的电能用蓄电池设备储存或直接传输到电力网络结构中。当光伏电池输出功率不高时，蓄电池设备完成电力传输或放电，以此来达到平衡电能负荷的最终目的。

1.2 光伏逆变设备

光伏逆变设备又称逆变电源，从本质上讲，其是一种将直流电力转化为交流电力的转化设备。因此，该设备是发电系统中的重要零部件。随着电子技术及微电子技术的发展和进步，该设备要想正常运转，就要使用逆变技术，将直流电动设备转换为交流发电设备［1］。

逆变技术要想正常应用，就要使用易于控制的硬件设备和电子元件。因此，该技术控制电路由单片机处理设备来代替传统的模拟集成控制电路，以此来实现数字化信号的控制。随着计算机技术的应用范围的扩大，不同的设备零部件及功率设备零部件都得到优化，使系统逆变器向更小体积、更高运转效率的方向发展。在系统运行过程中，逆变器主要用于控制半导体功率开关的启动与停止等，从而将分布式光伏发电控制系统产生的直流电力转化为交流电力。从本质上来看，光伏逆变设备运转环节是电流整流变换的逆流程。

1.3 功率点控制系统

功率点控制系统在运转时通过控制计算的方式，能详细地预测出系统工作状态下阵列可能产生的最大输出功率，能有效改善基础系统的阻碍情况，从而满足系统的最大输出功率。当电池设备的温度不断提升，输出功率不断降低时，为了保证系统能在正常运转条件下处于最佳状态，从而最大限度地输出更多电力能量。

在不同光线照射强度下，光伏阵列输出曲线具有显著特点。其中，如果曲线的两个端点分别为最大输出功率位置点，那么在某一时刻系统运行为A曲线端点。当光线照射强度过大时，光伏阵列曲线的结构会发生明显转变，最终在标准光线照射强度下，可保证最大运转功率位置点。因此，要想保证系统能达到最大运转功率点，就要对系统的基础负载特点进行合理调整，让功率点控制系统作业位置始终在最大功率。

2 分布式光伏发电控制系统内部结构

2.1 独立系统

分布式光伏发电控制系统中的独立系统在运行时，系统本身并不与电力网络连接。由于该系统能独立运行，从而有效补给偏远地区的基础电力供应，如家庭用电、医疗用电、供水用电等。因此，独立系统能在一定程度上缓解部分地区的电力供应压力。但在实际操作过程中，该系统易受外部环境的影响。如果系统安装区域内的光线强度较高，或环境温度产生明显变化时，在分布式光伏发电控制系统中，太阳能电池的基础输出特点会产生明显转变，导致系统的基础运转安全系数大幅度降低。由于发电设备和系统要定期进行维护，因此设备维护费用相对较高［2］。

2.2 并网系统

在分布式光伏发电控制系统并网过程中，主要将电力能量有效传输到总体电力网络结构中。现阶段大多数地区和城市普遍使用并网光伏发电管理系统，而光伏阵列通过电流的汇流功能将电能传输到逆变设备中，此时逆变设备将光伏发电所产生的电能转化为公用电网中的电能，以此来保证系统的内部电压、频率及电位的同步。

并网系统在实际建设时，逆变设备不仅要具有电能形式的转化功能，还要具有防孤岛、防逆流的基础功能，所以系统在运转时应按照不同类型的连接位置点，划分为不同类型电等级的连接模式和使用途径的电力能源发电模式。对系统控制及设备使用等进行对比，并网系统比独立系统的技术要求更高，再加上并网系统在运转时将公用电力网络作为蓄电池，因此能极大地节省光伏电站的基础建设成本，一般适用于公共设施发达的地区、城市生产企业等地。

3 工程案例

3.1 案例概述

某市电力项目建设地区主要位于城市工业新区，该建设区域四面环水，总体建筑面积为42 km2，属快速发展的新兴工业区域。为了保证分布式光伏发电控制系统正常运转，该建设项目的设备装机基础容量为30 MW，建筑项目总体数量为11 项，其中9 项建设工程位于工业新区的核心位置，2 项工程项目建设地区在郊区工业区域［3］。

建筑项目和工程施工都要利用现有的产房建筑项目，所以项目发电要使用自发电网络的运作模式。当项目投入基础运行后，项目年度总体发电量为520 万kW·h，而项目管理内的电网价格及电力能源补贴价格则按1.15万元kW·h来计算。

3.2 分布式光伏发电控制系统

某市地处平原地带，内陆占地面积为668 km2，其中平原地区占87%左右，山丘地区则占1.8%，水资源领域占10.2%。该地区的地势外部形态十分狭长，东西长度为51 km，南北宽度为28 km。该地区的地势相对比较平坦，地面基础高程为4～8 m。

该市的气候属于亚热带季风气候，全年日照相对充足，而全国范围内的日照时间一般为2 000 h。因此，根据太阳能能源等级辐射现状及等级进行详细划分，该地区的年度总体辐射量指标参数为1 340 kW·h/m2，在能源划分上属第三等级［4］。

由于该市的光能源十分丰富，自然气候和温度水平极高，该地区的全年基础降水量较低。因此，该地区普遍使用光伏电站建设工程及硬件设备，对该项目工程所在地区的太阳光线照射条件、厂区建筑、电气配电系统运行模式等进行分析，结合建筑施工单位及使用单位的实际意见，进一步确定该项目研究和技术研发的主要目标。

分布式光伏发电控制系统施工项目要安装多个控制组件，且各个组件间的基础运行容量为30 MWP。因此，该系统在运行时要使用地区电力运转、自发电等基础建设应对方案。系统只有使用携带倾斜角度的安全方式，才能从根本上提高发电总量，因此经过一系列数据统计和计算后，明确系统的固定安装角度。由于该地区全年太阳能所产生的能量较大，所以系统想要正常运行，就要在建筑设备屋顶区域安装设备，并采用平铺的方式，能有效减少屋面的基础负荷施工标准，从而有效增加系统运行的安全性。

分布式光伏发电控制系统由太阳能电池、电流汇流设备、电源逆变设备、配电设备等构成，经过详细计算，工程项目年度平均发电量为3 400万kW·h，整个系统运转效率在79%左右。

基于项目的实际情况，光伏发电站应按照无人值班等基础建设原则进行方案设计，因此电站应通过参数计算系统，并以此为基础条件的数据控制模式，并将办公区域设定为重要控制区域，同时完成对电池阵列、并网管理系统及电力系统的集中化控制和管理。由于系统边站所的显示设备和系统通常要作为视频控制和监控的技术手段，因此应使用系统保护设备，可与电站的计算信息监控系统进行便利的数据对接。

4 分布式光伏发电控制系统设计方案

4.1 硬件设计

在对分布式光伏发电控制系统的实际方案进行规划时，硬件设备为PLC 控制设备，所以硬件设备要根据系统设计的实际情况来选择适合的型号。在分布式光伏发电控制系统中，系统输入信号在应用模式规划上通常分为系统控制指令和保护指令。其中，控制指令包括系统停止、系统复位以及自动控制等，位置保护信号包括方向控制功能及限位信号控制功能等［5］。

除此之外，系统内部结构的温度传感器使用CYB-20S-kW 型号的温度传感器。该型号传感器在运转过程中以热力电阻为热敏电子元件，所以该设备能有效检测的温度范围为-50～260 ℃。在实际使用过程中，该型号的温度传感器外部形态、大小等基本符合安装的尺寸要求，其检测结果的精准度能满足系统的实际需求。因此，该传感器设备的内部结构一般为双轴，能有效测量出至少两个方向的倾斜角度，其测量范围应控制在90°左右，可直接输出-10～10 V 的电压信号或4～20 mA 的电流信号，从而完成系统电流信号及模拟信息的传输与技术处理。

4.2 软件设计

4.2.1 PLC 方案设计。分布式光伏发电控制系统在方案设计上可分为手动和自动两种控制方式。如果要使用手动控制模式，技术人员先旋转设备按钮，启动光伏组件，并使光伏组件开始运动，当技术人员松开旋转按钮后，光伏组件则立刻停止运转。如果使用自动模式，技术人员只用开启制定方向的启动按钮，系统中的光伏组件就可按照预先设定好的运动速度运行，直到极限位置后，按钮会向反方向运动，并不断重复。在对分布式光伏发电控制系统方案进行设计时，包含东、西、南、北四个方向，旋转按钮可根据系统的运转要求，合理地控制光伏组件向指定的方向和距离运动。所以，在该系统使用手动控制模式时，技术人员要按照光伏组件的运动模式和要求开始旋转操作，到达到限位后松开旋转按钮，即可停止技术操作。在使用自动管理模式时，系统的光伏组件要模拟太阳的运动轨迹和方向，从而控制设备沿着预先设定好的方向运动，直至达到限位后立刻停止，此时应沿反方向继续运转。在分布式光伏发电控制系统软件检测方面，先将检测系统开启，此时系统将自动进入自我检测流程，当检测出故障问题时，系统立刻将故障数据和实际情况传输至中央控制平台，等故障问题彻底解决后，系统才能彻底恢复正常运转。因此，在进行软件方案设计时，要在系统内部增加自动复位的功能，从而保证系统在产生故障问题后仍能继续运转［6］。

4.2.2 监控平台设计。在进行控制平台方案设计时，分布式光伏发电控制系统由系统控制界面、数据处理及辅助界面等组成。其中，系统控制界面中PLC 设备运行时，利用信息通信管理模式，将系统运行过程中产生的信息和数据传输到系统组态控制软件中，并在控制设备安装位置上进行反射处理。监控界面由用户的登录界面、用户名输入栏及密码输入栏组成，从而确保系统能实现实时查看、信息查询等功能。监控界面由系统运行管理、逆变及负载信息检测等构成，可实时检查水平方向、垂直方向等信息数据的输入。在系统平台运行环节上，数据处理界面由曲线结构显示、历史信息检索、文件统计及资料打印等组成，便于专业技术人员及工作人员查看系统的历史信息。系统辅助操作界面包括用户信息和密码信息界面，可实现用户信息的添加、删除、修改等功能，合理设定用户控制权限。

5 结语

综上所述，本研究详细分析了分布式光伏发电控制系统的运转现状，技术人员可从系统硬件结构及软件设计入手，以此来保证系统正常运行。经过方案设计来实现该系统，并经过一系列性能测试与系统数据的调查，最终得到经过优化后的系统，其自动化运行性能和效率都得到极大的提升，可实时全面地检测出发电控制系统的设计运行状态及故障数据，最终达到方案设计目标。