常州天合光伏發(fā)電系統(tǒng)有限公司 ■ 王秦偉

0 引言

隨著光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用，光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件——光伏組件在實(shí)際使用中的性能表現(xiàn)受到了越來越多的關(guān)注。目前光伏組件的定型驗(yàn)證一般是根據(jù)IEC 61215、UL 1703等一些國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行室內(nèi)測(cè)試[1]，是通過室內(nèi)檢測(cè)模擬戶外應(yīng)用環(huán)境，尚未實(shí)現(xiàn)通過戶外檢測(cè)進(jìn)行其品質(zhì)的監(jiān)控，因此不能從真正意義上反映光伏組件的實(shí)際應(yīng)用性能[2]。在對(duì)光伏組件的設(shè)計(jì)、關(guān)鍵材料的使用和工藝流程的變化驗(yàn)證方面，通常采用室內(nèi)加速老化等試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估。單一的加速老化試驗(yàn)可以大幅減少試驗(yàn)時(shí)間，但往往難以準(zhǔn)確反映光伏組件的實(shí)際使用情況，尤其對(duì)應(yīng)用于特殊環(huán)境中的光伏組件的適用性較差[3-4]。另外，光伏組件新產(chǎn)品的開發(fā)與定型主要是根據(jù)IEC 61215及IEC 61730標(biāo)準(zhǔn)中各類模擬測(cè)試的要求進(jìn)行測(cè)試，很少進(jìn)行新產(chǎn)品的戶外實(shí)際性能測(cè)試。綜上，亟需研發(fā)、建設(shè)光伏組件戶外測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試光伏組件在戶外實(shí)際工作環(huán)境中的各項(xiàng)性能，尤其是其在特殊環(huán)境(高溫、高濕、強(qiáng)紫外線照射)中的實(shí)際工作性能。

本文設(shè)計(jì)了一種監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸基于VPN網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程光伏組件戶外測(cè)試平臺(tái)，對(duì)光伏組件的實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1 基于VPN網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程光伏組件戶外測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

本方案規(guī)劃在海南建立總裝機(jī)容量為250 kW的地面光伏電站，所用光伏組件以來自不同廠家的60片電池的晶體硅光伏組件為主，用來對(duì)比不同廠家生產(chǎn)的光伏組件在相同條件下的功率衰減率及年發(fā)電量。因此，所設(shè)計(jì)的戶外測(cè)試平臺(tái)應(yīng)滿足精度高、穩(wěn)定性好、數(shù)據(jù)采集方便等要求，以確保每個(gè)廠家的光伏組件在公平的條件下進(jìn)行測(cè)試。本測(cè)試平臺(tái)針對(duì)的組件以60片或72片6英寸電池的單、多晶光伏組件為主，當(dāng)采用60片6英寸電池的光伏組件時(shí)，每個(gè)組串的組件數(shù)量不要超過10塊；當(dāng)采用72片6英寸電池的光伏組件時(shí)，每個(gè)組串的光伏組件數(shù)量不要超過8塊。考慮到各個(gè)廠家的光伏組件額定功率會(huì)有所不同，以及未來組件功率會(huì)有所提升，所以，本戶外測(cè)試平臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)預(yù)留了充足的空間，具備較高的適應(yīng)能力。該測(cè)試平臺(tái)既可以接入較小功率的組件(如110 Wp)，也可以應(yīng)對(duì)未來的發(fā)展，接入較高功率的光伏組件(如330 Wp)，但此種情況下可適當(dāng)減少每個(gè)組串中光伏組件的串聯(lián)數(shù)目。光伏支架的尺寸在設(shè)計(jì)時(shí)已進(jìn)行充分考慮并可滿足上述要求。該戶外測(cè)試平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 戶外測(cè)試平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

1.1 支架方案

本支架方案采用呈井字型排列的混凝土條形基，前后左右相連，與其他樁基礎(chǔ)相比，井字型混凝土條形基能顯著減小X軸和Y軸兩個(gè)方向的沉降，使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，尤其適用于土質(zhì)松軟、降水量多、雷雨和大風(fēng)天氣顯著的沿海地區(qū)。組件安裝采用覆壓式安裝方法，組件與支架固定處接觸面積大。與背板式安裝方式相比，覆壓式安裝的牢固性更佳且對(duì)組件的單位壓強(qiáng)較小，可有效降低因安裝固定造成組件內(nèi)部隱裂的概率。

考慮到各個(gè)廠家生產(chǎn)的光伏組件尺寸存在差異，因此同一組支架上同一測(cè)試時(shí)段，只安裝一家廠家生產(chǎn)的同一型號(hào)同一批次的光伏組件。另外考慮到后期測(cè)試時(shí)更換光伏組件等問題，支架固定組件時(shí)采用可調(diào)式邊壓塊，以便安裝不同厚度、尺寸的組件，避免因組件厚度或尺寸問題造成其安裝和更換的不方便。

1.2 系統(tǒng)電氣方案

本系統(tǒng)電氣方案將若干光伏組件串聯(lián)成組串，若干組串接入逆變器，若干隔離逆變器接入交流開關(guān)柜，若干交流開關(guān)柜接入隔離變壓器，若干變壓器接入主開關(guān)柜，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。總體系統(tǒng)電氣原理圖如圖2所示。

一般光伏電站的設(shè)計(jì)是采用逆變器交流容量小于接入逆變器的組件直流容量的方案。而在本戶外測(cè)試 平臺(tái)中，考慮到海南充足的日照條件，同時(shí)避免出現(xiàn)逆變器限發(fā)效應(yīng)，因此采用接入逆變器的組件直流容量小于逆變器交流容量的方案，以確保所有的組件輸出功率都可以轉(zhuǎn)化為交流能量，并通過電表記錄下來。

針對(duì)常規(guī)光伏組件，采用最多10塊組件為1組串的方式，直流容量不超過3 kWp，接入1臺(tái)功率為3 kW的逆變器。針對(duì)薄膜光伏組件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用帶有隔離變壓器的逆變器，比如SMA公司的SB3000HF型組串式逆變器，因此為了滿足逆變器的輸入電壓，針對(duì)薄膜光伏組件的特性，采用每5塊組件為1組串，每臺(tái)逆變器接入2串組串的設(shè)計(jì)方案。

1.3 監(jiān)控及通信方案

本戶外測(cè)試平臺(tái)中，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)是通過虛擬專用網(wǎng)(VPN)傳輸?shù)摹?/p>

監(jiān)控裝置主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集器、監(jiān)控主機(jī)、服務(wù)器等，其可獲取場(chǎng)區(qū)的主要?dú)庀髼l件，如溫度、濕度、風(fēng)力、風(fēng)向、紫外輻射及不同傾角(包括水平面、最佳傾角、最佳傾角±5°)條件下的總輻照度數(shù)據(jù)[5]。主要傳感器的型號(hào)、數(shù)量如表1所示，不同類型傳感器的圖片及傳感器安裝方式如圖3所示。通過專用的數(shù)據(jù)采集器，將測(cè)試場(chǎng)內(nèi)所有傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)和各設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)集中傳輸至監(jiān)控室的監(jiān)控主機(jī)。

圖2 總體系統(tǒng)電氣原理圖及各部分具體圖

表1 主要傳感器匯總表

圖3 不同類型的傳感器及傳感器安裝圖

由于本戶外測(cè)試平臺(tái)地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，且光伏組件的測(cè)試周期較長，因此采用了無人值守的形式，將所有監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳送至公司總部的服務(wù)器上，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控電站的運(yùn)行狀態(tài)。但是由于戶外測(cè)試平臺(tái)與公司總部之間的距離遙遠(yuǎn)，配套網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)速較慢，而傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，且數(shù)據(jù)有保密性要求，無法通過普通網(wǎng)絡(luò)傳輸，因此必須要用到VPN技術(shù)[6]。VPN是通過一個(gè)公用網(wǎng)絡(luò)建立一個(gè)臨時(shí)的、安全的連接，就像一條穿過混亂的公共網(wǎng)絡(luò)的安全、穩(wěn)定的隧道。監(jiān)控系統(tǒng)通過VPN技術(shù)組建的虛擬局域網(wǎng)讀取和收集現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)參數(shù)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖佟踩头€(wěn)定。整體通信拓?fù)鋱D如圖4所示。

圖4 整體的通信拓?fù)鋱D

VPN是對(duì)企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)的擴(kuò)展，通過它可以幫助遠(yuǎn)程用戶、公司分支機(jī)構(gòu)、商業(yè)伙伴及供應(yīng)商同公司的內(nèi)部網(wǎng)建立可信的安全連接，并保證數(shù)據(jù)的安全傳輸。VPN構(gòu)架中采用了多種安全機(jī)制，如隧道技術(shù)(Tunneling)、加解密技術(shù)(Encryption)、密鑰管理技術(shù)、身份認(rèn)證技術(shù)(Authentication)等，通過上述的各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)來確保資料在公共網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)不被竊取，或是即使被竊取了，對(duì)方亦無法讀取數(shù)據(jù)包內(nèi)所傳送的資料[7]。

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和各項(xiàng)數(shù)據(jù)收集，本戶外測(cè)試平臺(tái)開發(fā)了專用的監(jiān)控軟件，軟件操作界面如圖5所示。該軟件安裝在遠(yuǎn)程控制中心的服務(wù)器上，可通過因特網(wǎng)登錄訪問，在監(jiān)控軟件中可以方便地查看和調(diào)取位于海南的戶外測(cè)試平臺(tái)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

圖5 監(jiān)控軟件的操作界面

2 總結(jié)

本文介紹的基于VPN網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程光伏組件戶外測(cè)試平臺(tái)方案已被應(yīng)用于某光伏組件戶外測(cè)試平臺(tái)中，用于多批次光伏組件的戶外實(shí)際運(yùn)行性能的檢測(cè)，并已運(yùn)用檢測(cè)數(shù)據(jù)有效指導(dǎo)光伏組件生產(chǎn)商的產(chǎn)品改良和新產(chǎn)品開發(fā)，體現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和科研價(jià)值。