文 | 王海波
摘 要：本文介绍了光伏电站监控系统的组成部分及各部分功能，通过分析实测试验光伏电站并网运行的数据，描述了光伏电站电能的基本输出特性，指出光伏电站运行状态对电网产生的影响，对了解掌握光伏电站的运行状况和优化设计具有一定的指导意义。
关键词：光伏电站监控 运行数据分析 电能质量
引 言：在能源短缺，环境污染日益严重的今天，合理利用清洁的可再生能源是世界各国政府的能源战略决策，其中太阳能光伏发电备受瞩目，然而许多太阳能光伏电站建成以后疏于管理，各方人员对电站的运行性能知之甚少。了解太阳能光伏发电系统的即时和历史运行状态(输出电压、输出功率、频率、日发电量等)，可以进行设计方案的技术评估，对光伏电站的设计具有极为重要的意义[1,2,3]。而且，并网光伏电站的电能质量直接影响电网的安全稳定和经济运行，因此有必要建立实时监控系统，以保障光伏电站的良好运行。
1. 光伏电站监控系统简介
光伏电站监控系统主要分三大网络架构，包括电站层、通信层、主站层。整个系统由四大模块组成：数据采集模块、通信模块、数据服务模块、数据交换模块。并网光伏电站检测系统结构图如图1。
数据采集器由数据采集装置和通信模块组成，
数据采集器与下级的各个子系统之间采用RS485 通信协议，通信方式可以采用有线电话拨号网络、光纤和无线GSM、CDMA、GPRE、VHF、北斗卫星等多种方式。本实验中使用无线通信方式，无线数据采集器带有GPRS 通讯模块，内置有SIM 卡。
理论上，GPRS 的带宽可达171.2Kbps，在实际应用中，带宽大约在10~100Kbps，在此信道上提供TCP/IP 连接，本光伏电站监控系统所用GPRS 的联接波特率为4800~19.2Kbps，数据采集间隔标准一般为5min。有线数据采集器中带有以太网通讯模块。数据采集器的终端模块通过网络将数据发送到数据服务中心，由此完成系统的数据通信部分。
图1 并网光伏电站监测系统结构图
数据服务中心在接受到数据以后，可以先存入后台数据库，对数据进行处理和分析后，下发到客户端。数据服务中心同时监听在线客户端的查询请求，执行客户端的控制命令，直至将命令传达至光伏设备。
监控客户端将当前的设备数据用实时曲线展现，也可生成数据报表，同时客户端还具有用户权限管理、报警和提醒、状态监控、历史数据存储和调用、通讯设置等功能。
2. 光伏电站基本运行数据分析
以江苏地区某10kW 并网光伏电站为例，根据实测数据对此实验光伏电站的电能输出特性进行分析。实验光伏电站的主要部件有太阳电池组件45 块(标称功率235Wp，支架倾角26 度)、交直流汇流箱各一个、SMA逆变器(10Kw) 一台、气象站一个、电表一只，监测仪器主要有数据采集器、数据服务器、通信服务器、WEB 服务器、电能质量在线分析仪等。本实验光伏电站使用的监控系统具备独立运行能力，能够实现电气系统的管理、控制、监测、保护、通信、报警等功能，同时，考虑到本地监控与监控控制中心的互联存在网络安全问题，在电站现场添加了专用纵向加密技术和硬件防火墙技术。本次试验主要对逆变器和气象站进行实时监控。
图2 晴天时光伏发电系统输出功率随时间的变化
图3 阴天时光伏发电系统输出功率随时间的变化
一天中太阳辐照度的变化具有幅度大、随机等特性，这就决定了光伏发电系统的输出功率随时间的变化非常显著，典型趋势见图2—图3。
从上图可以看出，光伏发电系统的输出功率受太阳辐照度的影响非常明显。在阴雨天时，有时变化速率可超过10% 额定功率/ 秒。光伏发电系统的输入能量取决于太阳辐照度，故光伏电站的有功功率具有不完全可控的特性。光伏电站不能有效地进行电网的电压和频率的调整任务，而且由于光伏电站输出功率的快速波动，电网中需要有足够的旋转备用容量来快速补偿光伏发电输出功率的波动。当大容量的光伏电站接入电网后，对电网运行的安全性和经济性产生一定的影响。
图4 光伏电站的输出功率与太阳辐照度的关系
下面以实测数据进行分析(图4—图8)。图4 是实验光伏系统输出功率与太阳辐射量的关系图。
从图中可以看出，光伏电站的交流发电功率和太阳辐照度具有很好的一致性[4]，即光伏电站输出电能的主要影响因素是太阳辐照度。太阳辐照度的最大值出现在12:58，数值为933W/m2，此时逆变器输出功率为9.48kW，接近但不是最大输出功率，电站最大输出功率出现在12:27，数值为9.51kW。
图5 组件温度变化图
这是由于12:58 时太阳辐照度最大，但组件的温度也相对较高，达到23.13℃(见图5)，而12:27 时的太阳辐照度虽不是最高，但此时温度为19.43℃，组件的电压随温度的升高而下降较为明显，故光伏电站的最大输出功率并不一定出现在太阳辐照度最大时。
图6 逆变器效率(晴天)
图7 逆变器效率(阴天)
图8 逆变器的效率与光伏电站输出功率的关系
逆变器是光伏发电系统关键设备之一，逆变器的性能直接影响光伏电站输出电能的大小和质量。图6 是晴天时一天中逆变器效率的变化趋势，从图中可以看出，在逆变器启动阶段，逆变器效率在86% 左右，远低于正常工作时的转换效率。随着太阳辐照度的增加，逆变器效率急剧增大，在上午8:时左右，逆变器进入正常工作状态，逆变效率保持相对的稳定值。在下午17 时左右，逆变器效率急剧下降，当逆变效率降至75% 左右逆变器停止工作。
在阴天时的起始阶段，由于天气的影响，逆变器可能时断时续的启动，逆变效率总体趋势和晴天时类似，也有相对稳定的效率区间，但逆变效率的波动性明显加大，在早上逆变器启动阶段和下午表现最为显著(见图7)。
图8 显示出某一晴天时逆变器的效率与光伏电站输出功率的关系。数据显示在上午8:35 左右，逆变器已达到最高效率97.9%，而光伏电站的输出功率在下午13:01 才达到峰值。在光伏电站的输出功率小于180W 时，逆变器的效率随输出功率上升较快，当光伏电站的输出功率达到180W 左右时，逆变器的效率已超过92%。当光伏电站的输出功率在180W~1.2 kW 时，逆变器效率增加不明显。当光伏电站的输出功率超过1.2kW 时，光伏电站输出功率的增加，效率基本无变化，符合逆变器供应商的效率说明。
电能质量是衡量光伏电站所产出电能优劣的重要标尺，主要包括电压偏差、频率偏差、电压波动和闪变、谐波、三相不平衡度等。限于实验条件，下面仅对实验光伏电站发电能的电压偏差和频率偏差作出分析。
电压偏差属于电压变动的范畴，但与过电压和欠电压又有区别，电压偏差强调的是实际电压偏离系统标称电压的数值，而与偏差持续的时间无关，而过电压和欠电压则强调持续一定的时间。电力系统中负荷的改变，光伏电站输出功率的变化，供配电网络结构的不合理，系统故障都能引起电压偏差。电压偏差过大对照明设备、电动机、带铁芯的设备、家用电器、电力系统的运行都会产生极大的危害。改善电压偏差的主要措施有配置充足的无功功率电源、改变变压器变比和改变线路参数调压。经过实测(数据经过处理)，实验光伏电站的交流输出电压波动最大为240.9V，最小为232.6V，波动在5.73%~9.5% 之间(见图9)，根据光伏电站并网的一般要求，光伏电站逆变器出口电压偏差应控制在-10%~10% 范围以内，可见逆变器在电压偏差方面可以满足电能质量的要求，但已接近规定范围的最大值，应考察光伏发电系统的设计方案和检查设备运行情况以使电压偏差降至更合适的范围。
图9 光伏电站发电电压偏差
图10 光伏电站发电频率偏差
图11 2012 年2 月份发电量
频率是电能质量最重要的指标之一，系统负荷对频率要求非常严格。系统有功功率不平衡是产生频率偏差的重要原因。系统频率偏差过大引起的危害很多，主要有(1)产品质量无保障;(2)降低劳动生产率;(3)电子设备不能正常工作，甚至停止运行;(4)变压器的主磁通增加，励磁电流增大;(5)感应式电能表的计量误差加大等。控制频率的措施主要有调整逆变器的电路设计、具有足够的负荷备用和装设直接控制用户负荷的装置。实验光伏电站的交流频率波动控制在49.95Hz 和50.03Hz 之间，即-0.05Hz~0.03Hz，按照GB/T 15945-2008《电能质量电力系统频率允许偏差》的规定，电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz，故实验电站用逆变器完全达到频率的标准要求，所用逆变器控制频率的性能良好，如图10 所示。
图11 为2012 年2 月份实验光伏电站的发电量统计数据。从图中可以看出，晴天和阴天的发电量可相差近25 倍。由于2012 年2 月份阴雨天较多，日发电量10kWh 以下占45%，日发电量小于年平均日发电量10% 的天数占13.79%，日发电量超过年平均日发电量仅占21%，月平均日发电量仅占年平均发电量的52.46%。2 月份光伏电站的输出功率在全年中所占比例偏低，加之阴雨天较多，故出现2 月份发电量总体较低的情况。在2 月份的晴时，实验光伏电站的最大日发电量比年平均日发电量增加40%，故实验光伏电站的输出功率较为正常。
3. 结语
数据表明，实验光伏电站的基本电能质量指标满足国标的要求， 日发电量和月平均发电量和天气状况吻合。光伏发电系统关键设备的标称参数与实际测试结果有一定的差距，有必要加强专业认证测试， 促进各关键设备性能的不断完善， 为光伏电站的健康发展提供有力的保障。
参考文献：
[1] 邓涛, 沈辉, 舒杰. 100W 光伏系统的数据采集与技术评估[J] 中山大学学报, 2004 (6)。
[2] Wenham S R, Green M A, Watt M E，et al. 应用光伏学[M]. 狄大卫, 高兆利, 韩见殊, 等译. 上海交通大学出版社,2008。
[3] 李安定. 太阳能光伏发电系统工程[M]. 北京：北京工业大学出版社, 2001。
[4] 刘宏, 田中 愁佳夫(日本), 八木建一郎(日本).中日合作300kWp 大型太阳能光伏并网电站. 第十一届中国光伏大会暨展览会会议论文集。
文 | 王海波
摘 要：本文介绍了光伏电站监控系统的组成部分及各部分功能，通过分析实测试验光伏电站并网运行的数据，描述了光伏电站电能的基本输出特性，指出光伏电站运行状态对电网产生的影响，对了解掌握光伏电站的运行状况和优化设计具有一定的指导意义。
关键词：光伏电站监控 运行数据分析 电能质量
引 言：在能源短缺，环境污染日益严重的今天，合理利用清洁的可再生能源是世界各国政府的能源战略决策，其中太阳能光伏发电备受瞩目，然而许多太阳能光伏电站建成以后疏于管理，各方人员对电站的运行性能知之甚少。了解太阳能光伏发电系统的即时和历史运行状态(输出电压、输出功率、频率、日发电量等)，可以进行设计方案的技术评估，对光伏电站的设计具有极为重要的意义[1,2,3]。而且，并网光伏电站的电能质量直接影响电网的安全稳定和经济运行，因此有必要建立实时监控系统，以保障光伏电站的良好运行。
1. 光伏电站监控系统简介
光伏电站监控系统主要分三大网络架构，包括电站层、通信层、主站层。整个系统由四大模块组成：数据采集模块、通信模块、数据服务模块、数据交换模块。并网光伏电站检测系统结构图如图1。
数据采集器由数据采集装置和通信模块组成，
数据采集器与下级的各个子系统之间采用RS485 通信协议，通信方式可以采用有线电话拨号网络、光纤和无线GSM、CDMA、GPRE、VHF、北斗卫星等多种方式。本实验中使用无线通信方式，无线数据采集器带有GPRS 通讯模块，内置有SIM 卡。
理论上，GPRS 的带宽可达171.2Kbps，在实际应用中，带宽大约在10~100Kbps，在此信道上提供TCP/IP 连接，本光伏电站监控系统所用GPRS 的联接波特率为4800~19.2Kbps，数据采集间隔标准一般为5min。有线数据采集器中带有以太网通讯模块。数据采集器的终端模块通过网络将数据发送到数据服务中心，由此完成系统的数据通信部分。
图1 并网光伏电站监测系统结构图
数据服务中心在接受到数据以后，可以先存入后台数据库，对数据进行处理和分析后，下发到客户端。数据服务中心同时监听在线客户端的查询请求，执行客户端的控制命令，直至将命令传达至光伏设备。
监控客户端将当前的设备数据用实时曲线展现，也可生成数据报表，同时客户端还具有用户权限管理、报警和提醒、状态监控、历史数据存储和调用、通讯设置等功能。
2. 光伏电站基本运行数据分析
以江苏地区某10kW 并网光伏电站为例，根据实测数据对此实验光伏电站的电能输出特性进行分析。实验光伏电站的主要部件有太阳电池组件45 块(标称功率235Wp，支架倾角26 度)、交直流汇流箱各一个、SMA逆变器(10Kw) 一台、气象站一个、电表一只，监测仪器主要有数据采集器、数据服务器、通信服务器、WEB 服务器、电能质量在线分析仪等。本实验光伏电站使用的监控系统具备独立运行能力，能够实现电气系统的管理、控制、监测、保护、通信、报警等功能，同时，考虑到本地监控与监控控制中心的互联存在网络安全问题，在电站现场添加了专用纵向加密技术和硬件防火墙技术。本次试验主要对逆变器和气象站进行实时监控。
图2 晴天时光伏发电系统输出功率随时间的变化
图3 阴天时光伏发电系统输出功率随时间的变化
一天中太阳辐照度的变化具有幅度大、随机等特性，这就决定了光伏发电系统的输出功率随时间的变化非常显著，典型趋势见图2—图3。
从上图可以看出，光伏发电系统的输出功率受太阳辐照度的影响非常明显。在阴雨天时，有时变化速率可超过10% 额定功率/ 秒。光伏发电系统的输入能量取决于太阳辐照度，故光伏电站的有功功率具有不完全可控的特性。光伏电站不能有效地进行电网的电压和频率的调整任务，而且由于光伏电站输出功率的快速波动，电网中需要有足够的旋转备用容量来快速补偿光伏发电输出功率的波动。当大容量的光伏电站接入电网后，对电网运行的安全性和经济性产生一定的影响。
图4 光伏电站的输出功率与太阳辐照度的关系
下面以实测数据进行分析(图4—图8)。图4 是实验光伏系统输出功率与太阳辐射量的关系图。
从图中可以看出，光伏电站的交流发电功率和太阳辐照度具有很好的一致性[4]，即光伏电站输出电能的主要影响因素是太阳辐照度。太阳辐照度的最大值出现在12:58，数值为933W/m2，此时逆变器输出功率为9.48kW，接近但不是最大输出功率，电站最大输出功率出现在12:27，数值为9.51kW。
图5 组件温度变化图
这是由于12:58 时太阳辐照度最大，但组件的温度也相对较高，达到23.13℃(见图5)，而12:27 时的太阳辐照度虽不是最高，但此时温度为19.43℃，组件的电压随温度的升高而下降较为明显，故光伏电站的最大输出功率并不一定出现在太阳辐照度最大时。
图6 逆变器效率(晴天)
图7 逆变器效率(阴天)
图8 逆变器的效率与光伏电站输出功率的关系
逆变器是光伏发电系统关键设备之一，逆变器的性能直接影响光伏电站输出电能的大小和质量。图6 是晴天时一天中逆变器效率的变化趋势，从图中可以看出，在逆变器启动阶段，逆变器效率在86% 左右，远低于正常工作时的转换效率。随着太阳辐照度的增加，逆变器效率急剧增大，在上午8:时左右，逆变器进入正常工作状态，逆变效率保持相对的稳定值。在下午17 时左右，逆变器效率急剧下降，当逆变效率降至75% 左右逆变器停止工作。
在阴天时的起始阶段，由于天气的影响，逆变器可能时断时续的启动，逆变效率总体趋势和晴天时类似，也有相对稳定的效率区间，但逆变效率的波动性明显加大，在早上逆变器启动阶段和下午表现最为显著(见图7)。
图8 显示出某一晴天时逆变器的效率与光伏电站输出功率的关系。数据显示在上午8:35 左右，逆变器已达到最高效率97.9%，而光伏电站的输出功率在下午13:01 才达到峰值。在光伏电站的输出功率小于180W 时，逆变器的效率随输出功率上升较快，当光伏电站的输出功率达到180W 左右时，逆变器的效率已超过92%。当光伏电站的输出功率在180W~1.2 kW 时，逆变器效率增加不明显。当光伏电站的输出功率超过1.2kW 时，光伏电站输出功率的增加，效率基本无变化，符合逆变器供应商的效率说明。
电能质量是衡量光伏电站所产出电能优劣的重要标尺，主要包括电压偏差、频率偏差、电压波动和闪变、谐波、三相不平衡度等。限于实验条件，下面仅对实验光伏电站发电能的电压偏差和频率偏差作出分析。
电压偏差属于电压变动的范畴，但与过电压和欠电压又有区别，电压偏差强调的是实际电压偏离系统标称电压的数值，而与偏差持续的时间无关，而过电压和欠电压则强调持续一定的时间。电力系统中负荷的改变，光伏电站输出功率的变化，供配电网络结构的不合理，系统故障都能引起电压偏差。电压偏差过大对照明设备、电动机、带铁芯的设备、家用电器、电力系统的运行都会产生极大的危害。改善电压偏差的主要措施有配置充足的无功功率电源、改变变压器变比和改变线路参数调压。经过实测(数据经过处理)，实验光伏电站的交流输出电压波动最大为240.9V，最小为232.6V，波动在5.73%~9.5% 之间(见图9)，根据光伏电站并网的一般要求，光伏电站逆变器出口电压偏差应控制在-10%~10% 范围以内，可见逆变器在电压偏差方面可以满足电能质量的要求，但已接近规定范围的最大值，应考察光伏发电系统的设计方案和检查设备运行情况以使电压偏差降至更合适的范围。
图9 光伏电站发电电压偏差
图10 光伏电站发电频率偏差
图11 2012 年2 月份发电量
频率是电能质量最重要的指标之一，系统负荷对频率要求非常严格。系统有功功率不平衡是产生频率偏差的重要原因。系统频率偏差过大引起的危害很多，主要有(1)产品质量无保障;(2)降低劳动生产率;(3)电子设备不能正常工作，甚至停止运行;(4)变压器的主磁通增加，励磁电流增大;(5)感应式电能表的计量误差加大等。控制频率的措施主要有调整逆变器的电路设计、具有足够的负荷备用和装设直接控制用户负荷的装置。实验光伏电站的交流频率波动控制在49.95Hz 和50.03Hz 之间，即-0.05Hz~0.03Hz，按照GB/T 15945-2008《电能质量电力系统频率允许偏差》的规定，电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz，故实验电站用逆变器完全达到频率的标准要求，所用逆变器控制频率的性能良好，如图10 所示。
图11 为2012 年2 月份实验光伏电站的发电量统计数据。从图中可以看出，晴天和阴天的发电量可相差近25 倍。由于2012 年2 月份阴雨天较多，日发电量10kWh 以下占45%，日发电量小于年平均日发电量10% 的天数占13.79%，日发电量超过年平均日发电量仅占21%，月平均日发电量仅占年平均发电量的52.46%。2 月份光伏电站的输出功率在全年中所占比例偏低，加之阴雨天较多，故出现2 月份发电量总体较低的情况。在2 月份的晴时，实验光伏电站的最大日发电量比年平均日发电量增加40%，故实验光伏电站的输出功率较为正常。
3. 结语
数据表明，实验光伏电站的基本电能质量指标满足国标的要求， 日发电量和月平均发电量和天气状况吻合。光伏发电系统关键设备的标称参数与实际测试结果有一定的差距，有必要加强专业认证测试， 促进各关键设备性能的不断完善， 为光伏电站的健康发展提供有力的保障。
参考文献：
[1] 邓涛, 沈辉, 舒杰. 100W 光伏系统的数据采集与技术评估[J] 中山大学学报, 2004 (6)。
[2] Wenham S R, Green M A, Watt M E，et al. 应用光伏学[M]. 狄大卫, 高兆利, 韩见殊, 等译. 上海交通大学出版社,2008。
[3] 李安定. 太阳能光伏发电系统工程[M]. 北京：北京工业大学出版社, 2001。
[4] 刘宏, 田中 愁佳夫(日本), 八木建一郎(日本).中日合作300kWp 大型太阳能光伏并网电站. 第十一届中国光伏大会暨展览会会议论文集。