王 鑫

(湖南湘安新能源科技有限公司，湖南 長沙 410007)

新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主要是利用光伏發(fā)電發(fā)熱，利用太陽熱能和生物質(zhì)能等方法。我國擁有豐富的太陽能資源，按照研究數(shù)據(jù)分析，我國大多數(shù)地方一年的日照日時(shí)間在2200h以上，年均日照輻射量在4KW·h/㎡。利用太陽能的首要方式就是光伏發(fā)電，將太陽能中的光伏電池經(jīng)過光伏效應(yīng)轉(zhuǎn)化成電能。但是，目前來說，太陽能光伏發(fā)電的成本較高，如果大范圍推廣存在著一定的難度。

1.光伏發(fā)電的工作原理

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要依賴廣生伏特效應(yīng)，從而將太陽能轉(zhuǎn)變成電能的發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作的基本原理是當(dāng)太陽照射在半導(dǎo)體的時(shí)候，會讓半導(dǎo)體PN結(jié)上的雜質(zhì)形成自由電子，從而生成光生電場，產(chǎn)生電流，從而進(jìn)行發(fā)電。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、應(yīng)用系統(tǒng)和控制器等三個(gè)部分組成[1]。

2.平臺系統(tǒng)分析

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成和監(jiān)控對象分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)按照是否合并網(wǎng)分成并網(wǎng)型和離網(wǎng)型系統(tǒng)，按照電壓的話分別是高壓、中壓和低壓，按照是否儲能的話分為儲能和不儲能。不同的光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有所不同，如下圖所示，小型的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏組件、匯流箱/柜、逆變器、配電箱/柜、電表，如果是離網(wǎng)型系統(tǒng)中還有充放電控制器和蓄電池，電壓型系統(tǒng)中就含有電壓變壓器和開關(guān)柜等設(shè)備。為了監(jiān)測的需求，一般都還會在周圍配有氣象站或者氣象儀。

圖1 光伏系統(tǒng)構(gòu)成

光伏系統(tǒng)的監(jiān)控就是指監(jiān)控光伏發(fā)生系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)。系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)特征參數(shù)一般有組件的電壓和電流的功率；直匯箱/柜的特征參數(shù)是直流開關(guān)信號，每條電流直流的電壓、電流以及功率。逆變器的特征參數(shù)分別有直流側(cè)電壓、電流和功率，交流測電壓、電流和功率、頻率和溫度等；變壓器的特征參數(shù)是高低壓測電壓、電流和功率、依舊變壓器的溫度和濕度；開關(guān)柜的特征參數(shù)分別為并網(wǎng)開關(guān)信號和電壓、電流及其功率。

2.2 系統(tǒng)平臺的需求分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)管平臺的功能如下：采集數(shù)據(jù)及處理方面，對光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地采集以及遠(yuǎn)程操作采集、輸送和存儲全過程，同時(shí)還要對異常的數(shù)據(jù)及時(shí)處理；監(jiān)控故障方面，實(shí)時(shí)監(jiān)管光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，然后分析診斷運(yùn)行故障，及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常的，排除設(shè)備故障，并建立異常事件報(bào)警，自動(dòng)處理機(jī)制，對異常事件進(jìn)行分級和處理；遠(yuǎn)程操作方面，運(yùn)行和維護(hù)的相關(guān)人員無需親自來到現(xiàn)場，只需要通過遠(yuǎn)程操作控制監(jiān)控平臺就可以及時(shí)調(diào)整設(shè)備的參數(shù)，以及查看設(shè)備的運(yùn)行情況，從而確認(rèn)運(yùn)行期間時(shí)候存在異常數(shù)據(jù)，確認(rèn)異常信息等；并網(wǎng)控制方面，為了提供光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，監(jiān)管平臺需要根據(jù)逆變器的運(yùn)行情況和對功率輸入的要求，結(jié)合當(dāng)下的天氣變化和太陽照射強(qiáng)度的情況分析，優(yōu)化電站的調(diào)度運(yùn)行，合理安排設(shè)別的切換和調(diào)配，必要時(shí)候需要停機(jī)維修保養(yǎng)。質(zhì)量監(jiān)測方面，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測輸入電網(wǎng)或者是向交流負(fù)載提供的電能質(zhì)量，例如并網(wǎng)頻率、電壓和功率因數(shù)等方面；能量管理方面，能夠根據(jù)太陽的照射強(qiáng)度、發(fā)電功率去平衡電站的有功功率，從而分析和預(yù)測發(fā)電的總功率；制作數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析匯總表時(shí)，可以對光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，其中包括發(fā)電的效率、功率和太陽光照的曲線進(jìn)行對比分析，還包括設(shè)備的運(yùn)行情況和變化指數(shù)、異常數(shù)據(jù)和通信信息等，為運(yùn)營工作人員提供豐富的數(shù)據(jù)支持；系統(tǒng)維護(hù)方面，管理和維護(hù)系統(tǒng)主要采取了權(quán)限設(shè)置和賬號分級的方式進(jìn)行，盡量做到角色分級，可以分為超級管理者、系統(tǒng)管理員、和電站管理員等。光伏發(fā)電系統(tǒng)一監(jiān)管平臺一般包括本地監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控兩個(gè)平臺[2]。其中，本地監(jiān)控是由光伏系統(tǒng)設(shè)備、光伏數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和計(jì)算機(jī)組成；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心、Web系統(tǒng)跟手機(jī)APP組成，三者相互聯(lián)網(wǎng)相互連接。本地監(jiān)控系統(tǒng)的使用比較靈活，如果使用的是小型的光伏系統(tǒng)，則無需配置監(jiān)控系統(tǒng)，反之，如果光伏系統(tǒng)比較大，則需要配置數(shù)據(jù)服務(wù)器和監(jiān)控客戶端等。遠(yuǎn)程監(jiān)控的數(shù)據(jù)中心是整個(gè)平臺的中心，其能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集和分析、處理和存儲以及發(fā)布出去等功能。Web服務(wù)器和用戶端的門戶，是向光伏發(fā)電系統(tǒng)用戶提供互聯(lián)網(wǎng)訪問的權(quán)限；用戶可以通過APP隨時(shí)隨地監(jiān)控光伏系統(tǒng)的運(yùn)行情況，查看光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

3.光伏發(fā)電系統(tǒng)智能監(jiān)管平臺技術(shù)

光伏發(fā)電系統(tǒng)智能管理平臺將以混合云的方式進(jìn)行方案設(shè)計(jì)

一是云上業(yè)務(wù)。云上業(yè)務(wù)也稱為公有云，云上配置對外應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)應(yīng)對外來業(yè)務(wù)的訪問量的增加和減少，同時(shí)，還能減少服務(wù)器設(shè)備的檢修和維護(hù)；在數(shù)據(jù)控制中心中，一般都會采用VPC、ESC、RDS搭建公有云業(yè)務(wù)系統(tǒng)，通過IPsec在VPN中將本地?cái)?shù)據(jù)中心和專用網(wǎng)絡(luò)VPC迅速連接，形成混合云。二是本地?cái)?shù)據(jù)中心。本地?cái)?shù)據(jù)中心也成為私有云，也就是說將監(jiān)管平臺上內(nèi)部核心系統(tǒng)和核心數(shù)據(jù)放在自己建立的數(shù)據(jù)中心上，從而確保數(shù)據(jù)信息的安全[3]。將核心數(shù)據(jù)信息放置在本地?cái)?shù)據(jù)中心上，利用高速通道接入數(shù)據(jù)，確保能夠與公有云的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步，實(shí)現(xiàn)線上線下的數(shù)據(jù)信息連通。隨著數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展與進(jìn)步，每個(gè)平臺上的數(shù)據(jù)和文件日益增加，而平臺的計(jì)算負(fù)擔(dān)也越來越重，不管是對平臺的容量還是服務(wù)條件，以及存儲的規(guī)模要求都越來越高，因此，我們需要在不影響控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行下對系統(tǒng)進(jìn)行全面的升級和擴(kuò)容，以提高系統(tǒng)計(jì)算力和容量為目標(biāo)，為數(shù)據(jù)中心配置超融合服務(wù)器。如此一來，不但能夠高效地解決日益劇增的數(shù)據(jù)信息，還能保證數(shù)據(jù)存儲的安全性。智慧安全系統(tǒng)主要采用的是B/S結(jié)構(gòu)，在平臺通用的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，MVC模式主要具備了通用平臺的靈活性和穩(wěn)定性。MVC是平臺設(shè)計(jì)的經(jīng)典，是邏輯思維、數(shù)據(jù)分析和界面顯示的組合，將業(yè)務(wù)邏輯收集到同一個(gè)部件內(nèi)，在改進(jìn)和優(yōu)化控制界面和用戶交互的時(shí)候，不需要重新編程業(yè)務(wù)邏輯，從而提高代碼的可持續(xù)性，也是目前最為流行的開發(fā)軟件之一：數(shù)據(jù)層主要是建立數(shù)據(jù)庫，供人們讀取數(shù)據(jù)，因此，采用MyBatis結(jié)構(gòu)，MyBatis的特點(diǎn)是可以定制化SQL和存儲數(shù)據(jù)的全過程，避免了JDBC代碼、手動(dòng)輸入?yún)?shù)以及數(shù)據(jù)結(jié)果收集，最大程度上保證了系統(tǒng)運(yùn)行的工作效率。平臺建立Mysql數(shù)據(jù)庫的同時(shí)還需要支持MSSQL和ORACLE等關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫。對Mysql數(shù)據(jù)庫采用Innodb和Infobright兩種引擎，Innodb引擎主要是針對平臺內(nèi)有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲，反之，Infobright主要是針對系統(tǒng)中非關(guān)聯(lián)性的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲[4]。因此，針對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的不同區(qū)分引擎最大的好處在于可以高效地提高系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的讀寫能力以及存儲效率。支持層主要是基礎(chǔ)平臺提供的通用部件，其中包含：組織機(jī)構(gòu)、安全認(rèn)證、角色權(quán)限、任務(wù)挑度和服務(wù)總線等。通用部件作為控制系統(tǒng)中的二次開發(fā)基礎(chǔ)，促使相關(guān)開發(fā)人員在二次開發(fā)的時(shí)候可以更加關(guān)注業(yè)務(wù)的開發(fā)，迅速滿足客戶在市場上的需求。業(yè)務(wù)層是在支持層的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)得出來的，業(yè)務(wù)層主要是為用戶提供平臺業(yè)務(wù)服務(wù)模塊，模塊與模塊之間主要是通過webservice互相訪問，大大降低了模塊之間的配合時(shí)間。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)層主要用于電力建設(shè)工程項(xiàng)目中，系統(tǒng)將通過數(shù)據(jù)的采集、分析和匯總等方式，結(jié)合電力建設(shè)事業(yè)的施工情況，充分展示了電力建設(shè)事業(yè)在安全運(yùn)行中的安全指數(shù)。表現(xiàn)層主要包括有：IOS移動(dòng)端、PC和Android。UI層主要是以Bootstrap、jpuery和a jax技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)；PC是使用了BS模式中的MVC技術(shù)開發(fā)；而IOS移動(dòng)端的設(shè)計(jì)是使用了html5+原生+SUIMobile的方式開發(fā)。在設(shè)計(jì)安全的問題上，電力建設(shè)項(xiàng)目的安全監(jiān)管系統(tǒng)需要確保數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)和管理工作的安全性，系統(tǒng)需要具有超高安全性能的人員確認(rèn)、權(quán)限設(shè)置和通信機(jī)構(gòu)，充分采用系統(tǒng)總控制數(shù)據(jù)庫的存儲機(jī)能和對象級別的控制數(shù)據(jù)庫存儲機(jī)能，進(jìn)而保證系統(tǒng)的安全性以及數(shù)據(jù)的保密性，避免數(shù)據(jù)信息的丟失和泄露以及不法分子使用非法手段非法入侵?jǐn)?shù)據(jù)庫盜取數(shù)據(jù)，同時(shí)，系統(tǒng)還提供了非常可靠的數(shù)據(jù)備份和丟失恢復(fù)功能[5]。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和對數(shù)據(jù)整理的同時(shí)，相關(guān)技術(shù)人員需要在系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性上有一個(gè)綜合考慮，需要具備有完善且周密的安全體制，而且還需要擁有安全的數(shù)據(jù)加密手段和方法。

4.光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展

經(jīng)過十幾年的發(fā)展和努力，現(xiàn)階段我國的光伏發(fā)電行業(yè)已經(jīng)在全國占據(jù)市場一角。根據(jù)國際對能源數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，我國在2015年已經(jīng)新增光伏發(fā)電機(jī)容量在1215萬千瓦，而截至2015年底，累計(jì)容量高達(dá)4320萬千瓦，一躍成為了裝機(jī)容量最大的國家。然而，在發(fā)展的過程中，光伏發(fā)電在使用時(shí)依舊存在著諸多問題，主要表現(xiàn)在電站運(yùn)維管理手段和電力站點(diǎn)建設(shè)投資決策粗放方法落后和發(fā)電工作效率低下的問題上。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國光伏發(fā)電系統(tǒng)的PR大概是75%，而日本和德國等發(fā)達(dá)國家的平均PR在80%，甚至最高是85%，所以說，我國的PR與其他國家對比依舊還有5%-10%的差距[6]。2010年之前，我國光伏發(fā)電事業(yè)一般都是在國內(nèi)生產(chǎn)，應(yīng)用在國外，因此，很少技術(shù)人員會重視光伏電站的研究，導(dǎo)致電站的管理工作以及監(jiān)督不到位。2010年之后，我國的光伏發(fā)電事業(yè)迅速發(fā)展，裝機(jī)模式不斷變大，從而給電站的管理和監(jiān)督工作帶來極大的挑戰(zhàn)。

5.結(jié)語

綜上所述，光伏發(fā)電控制系統(tǒng)是一個(gè)能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)換成電能的節(jié)能型和環(huán)保型控制系統(tǒng)。本文重點(diǎn)介紹了光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，從而實(shí)現(xiàn)了光伏陣列的最大輸出功率點(diǎn)工作和太陽追蹤控制技術(shù)，從而提高了光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率，進(jìn)一步優(yōu)化控制系統(tǒng)的工作性能。