光伏发电系统测控技术研究_杨子龙
第36卷第4期
太
阳能学报
Vol. 36, No. 4
文章编号：0254-0096（2015）04-1023-06
光伏发电系统测控技术研究
杨子龙，王一波
（中国科学院电工研究所，北京100190）
摘要：首先分析离网式、集中并网式、分布式并网、光/储混合并网等几种典型光伏系统的运行方式，然后根据系
统中一次设备的运行特点，总结相应测控系统的功能组成和网络拓扑方案，对各光伏电站测控系统中的测控设备和软件提出技术要求。
关键词：测控系统；离网式光伏；集中式并网；分布式并网；光/储电站中图分类号：TK513.5
文献标识码：A
0引言
为测控系统的设计提供技术基础。
随着光伏系统的规模及其影响的不断扩大，光伏电站业主和电网公司对光伏系统的运行状态和运行控制越来越关注。有必要对各光伏电站的运行状况进行监控、存储、分析、显示、远程监控，以便掌握光伏电站的运营管理状况及数据能效分析，为光伏电站的合理经济运行及未来光伏电站的设计提供充实的科学依据［1］。光伏电站的测控系统将成为光伏发电系统中越来越重要的一个组成部分。
光伏发电系统按照与电网的连接关系主要分为离网式光伏电站和并网式光伏电站两种，按照其运行方式和安装位置的不同可分为离网式光伏电站、集中式并网光伏电站、分布式并网光伏电站、光/储混合并网电站［2］。集中式和分布式并网光伏电站，电网公司对其测控系统的功能和性能都给出了典型设计，大都建立在常规变电站的综合自动化系统基础之上，控制功能较少。随着光伏并网规模的不断扩大，还需进行更加智能化的改进［2］。对离网式和光/储混合光伏电站的测控系统目前还未形成标准和规范，各种系统的适应条件和运行方式存在较大差异，需对其技术性能进行分析和界定。本文针对离网式和并网式光伏发电系统的组成结构和运行方式，对各光伏电站测控系统需完成的功能进行分析研究，总结测控系统中需解决的关键技术，
1离网式光伏电站
离网式光伏电站也叫独立式光伏电站，主要由
光伏组件、控制器、蓄电池组成，若为交流负载供电，还需配置交流逆变器，如图1所示。独立光伏电站包括边远地区的村庄供电系统、太阳能户用电源系统、通信信号电源、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可独立运行的光伏发电系统。电站的运行方式是白天光伏阵列输出的电能通过充电控制器的调节，向储能和逆变器供电；逆变器运行于电压源模式，输出功率根据负载的大小而变化。电站容量和功率设计以本地负荷的用电功率和时间为依据，一旦本地负荷发生变化，电站可能不能满足原定的运行方式。当储能装置中电量过低时，需降低逆变器的输出功率（切负荷、降电压）直至停机；
当
收稿日期：2015-01-11
基金项目：国家高技术研究发展（863）计划（2011AA05A106）；国家电网科技项目（[**************]6）；中科院知识创新工程“兆瓦级微
网型光伏电站综合自动化系统关键技术研究及示范”
通信作者：杨子龙（1980—），男，博士、助理研究员，主要从事光伏发电系统并网控制技术、微电网能量管理技术方面的研究。
储能装置中电量充满时，需限制充电控制器的功率输出或适当提高可控负荷的功率。
为满足监测和维护的需要，电站的常规测量系统应能实时监测、统计并保存环境检测仪、光伏阵列、储能、光伏控制器及离网逆变器等设备的运行参数，对设备的故障信息进行报警和预处理。为了掌握系统的发电能力，电站需配置储能测量系统对蓄电池的状态和剩余电量进行监测，指导用户合理安排用电计划。为实现系统功率平衡、延长系统运行时间，高级的测控系统应具有二次调频和二次调压系统，能调节逆变器的电压和频率、控制开关柜的多路开关通断、定期进行蓄电池活性处理，延长储能装置使用寿命。
电网调度部门应根据电站的光伏功率预测系统和电网负荷情况对电站的功率进行合理调度。因此集中式光伏电站除需配置常规测量系统对电站运行情况进行监测外，还需配置有功/无功联合控制系统和光伏功率预报系统。
可调度并网型光伏电站的有功功率调节应按照调度指令参与电力系统的调频、调峰和备用。电站需配置有功功率控制系统，具备有功功率调节能力，能接收并自动执行调度部门发送的有功功率及有功功率变化的控制指令，确保光伏电站有功功率及有功功率变化率按照电力调度部门的要求运行。当调度部门根据电网负荷情况给出功率控制目标值后，有功功率控制系统根据各逆变器运行参数对逆变器集群按等比方法或其他方法进行功率分配。
光伏电站的无功功率和电压调节的方式包括调节逆变器无功功率、调节无功补偿设备投入量、调整光伏电站升压变压器的变比等。光伏电站应配置无功电压控制系统，具备自动跟踪无功功率及电压控制能力。根据电力调度部门指令，光伏电站自动调节其发出（或吸收）的无功功率，控制光伏电站并网点电压在正常运行范围内，其调节速度和控制精度应能满足电力系统电压调节的要求。光伏电站应充分利用逆变器和无功补偿装置的无功调节能力进行无功功率和电压调节，其中对逆变器集群进行无功功率分配时，要考虑各逆变器的运行状态按照等比方法或其他方法进行合理调配。
光伏功率预报系统对光伏电站的输出功率进行预测，系统可自动采集光伏电站实时运行数据、自动气象站监测数据和数值天气预报数据、自动进行光伏电站未来15min~4h 超短期功率预测及未来72h 短期功率预测，并自动上报预测结果，以便
2集中式并网光伏电站
集中式并网光伏电站充分利用荒漠地区丰富
和相对稳定的太阳能资源构建大型光伏电站，接入高压输电系统供给远距离负荷。其主要特点是所发电能被直接输送到电网上，由电网统一调配向用户供电。集中式光伏电站的典型拓扑如图2所示，一般由光伏阵列、并网逆变器、升压变压器组成，并网功率等级为10kV 或35kV ，光伏容量从数百千瓦到数百兆瓦不等。集中式光伏电站的测控系统的设计首先要实现对电站运行情况的监控和记录，基本功能包括：数据采集与处理、状态监测与评估、设备操作与控制、系统报警与诊断、事件记录与追忆。
由于集中式光伏电站规模一般较大，因光照、温度而引起的输出功率波动对电网的稳定运行带
来一定影响。根据光伏电站接入电网技术规定，
［3］
电网调度部门统筹安排常规电源和光伏发电的协调配合，及时调整调度计划［4］。
3
分布式并网光伏电站
分布式并网光伏电站是指位于用户附近，所发
电能就地利用，以10kV 及以下电压等级接入电网，且单个并网点总装机容量不超过6MW 的发电项目。分布式并网光伏电站的典型接入方式如图3所示，电站直接接入用户侧380V 低压电网或通过升压变压器接到配电网10kV 侧。
Fig. 2Structure of centralized grid -connected PV station
图2集中并网型光伏电站系统结构
充分利用可再生能源，降低用能成本。该装置一般安装在10kV 光伏并网点，对于10
kV 及以上电压等级用户内部通过380V 并网的光伏发电系统，一般安装在用户进线开关处。
目前分布式光伏并网的测控装置已有示范应用，以南瑞继保公司研发的分布式光伏并网接口装置PCS -9617为例，实现了计量、测控、保护、通信一体化设计，其外形和接线示意如图4所示。该装置
每套节约光伏系统接入成本约35万元，同时缩短三分之一的施工工期，减少了设备安装空间［5］。
Fig. 3Structure of distributed grid -connected PV station
图3分布式并网光伏电站系统结构
根据国家电网公司《分布式电源接入配电网相关技术规范》规定，分布式光伏调度自动化信息接入原则：10kV 接入的分布式电源项目，上传并网设备状态、并网点电压、电流、有功功率、无功功率和发电量等实时运行信息。380V 接入的分布式电源项目，暂只需上传发电量信息，条件具备时，预留上传并网点开关状态能力。
分布式光伏发电系统充分利用具备条件的建筑屋顶（含附属空闲场地）资源，大都安装在屋顶面积大、用电负荷大、电网供电价格高的开发区和大型工商企业。相比于集中式光伏系统，分布式系统占地面积和容量小、安装位置分散，但其测控系统的集成方式与集中式相似，需配置信息采集、电能质量监测、远程通信、继电保护等装置，相比于一次设备，二次测控成本高、占用空间大。因此分布式光伏发电系统的测控系统应在满足电网公司要求的前提下采用灵活、紧凑和多功能的装置，为用户节省投资成本、占地面积和调试周期。
与集中式光伏发电系统不同的是，分布式发电系统一般安装在负荷侧，测控系统除了对光伏系统进行监测和管理外，还应考虑对负荷进行控制。因此分布式测控系统需具有的功能有：第一，实现计量、测控、保护、通信一体化设计，显著降低并网系统接入成本；第二，对光伏发电系统的发电进行有功/无功功率控制，实现光伏系统友好接入电网；第三，对光伏/负荷的协调控制，利用需求侧响应技术
图4
Fig. 4Application diagram of interface device for distributed
PV connected to grid ［5］
分布式并网接口装置应用示意图［5］
4光/储混合并网电站
光/储混合并网电站是在光伏并网电站的基础
上增加了储能系统，既可抑制电站并网输出功率波动，又使电站具有并网功率的可调度功能。这种电站的运行方式与离网式电站不同，离网式电站一般只给孤立负载供电，输出功率受负载限制，不能调节；而光/储电站一般接入微电网或含分布式光伏发电比例较高的配电网中，并网输出功率可根据电网需要进行调节，起到对稳定电网和改善电网电压质量的作用，实现光伏电站友好接入电网。
根据储能装置在电站中安装的位置不同，光/储混合电站可分为直流母线型、交流母线型和交直流混合母线型三种。直流母线型一般用于离网式电站，规模较小；交流母线型电站是将储能系统安装在光伏电站交流并网点处，典型结构如图5所示，交直流混合母线电站是将储能装置安装在并网逆变器的直流侧，光伏阵列通过充电控制器与储能装置连接，典型结构如图6所示。交流母线型可在常规并网光伏电站中升级实现，模块化程度高，适于已有电站的改造，但总投资较高；交直流混合母线型适合于对并网质量要求较高的电站，储能装置将
光伏与电网解耦，系统结构和控制方法相对简单。典型的光/储混合并网电站有青海玉树2MW 光/储混合电站［6］。
因为增加了储能电池装置和可调度功能，光/储混合并网电站比常规光伏并网电站的测控系统更加复杂，除实现常规光伏电站的数采、计量、保护、通信功能外，还需具有电站的功率控制、储能系统管理等功能。图7是一个典型的基于交直流混合母线的光/储电站测控系统结构。
图7
Fig. 7
典型光/储电站测控系统
图5Fig. 5
基于交流母线的光/储混合并网电站
Measure &control system for PV/batteryhybrid station
PV/batteryhybrid grid -connected based on AC bus
光/储电站的功率控制系统应与储能系统协调运行。在光伏阵列发出功率大于调度指令时，储能系统存储一定量的光伏电站过剩电能；在光伏功率输出小于调度指令时，储能系统释放存储的电能，
一定程度上弥补电站的功率缺口，更好地满足调度部门对电站有功功率的调度。对由多套储能装置组成的储能电站，储能测控系统应对双向变流器集群进行功率分配。此外，储能系统还提高了电站进
行无功电压控制系统的调节能力，储能测控系统与无功功率控制系统协调运行，通过控制双向变流器集群发出和吸收无功功率，控制光伏电站并网点电压在正常运行范围内。
储能电池是光/储电站中寿命最短和最易损的设备，需设置专门的储能测控系统对其进行管理。储能测控系统主要实现两大功能：蓄电池荷电状态
Fig. 6
PV/batteryhybrid grid -connected based on DC bus
的估算和电池的定期维护。荷电状态的估算方法有直接电压法、安时累积法和基于数据统计的智能工程中常采用多种方法的综合方法，且一方法等［7］，
般集成在蓄电池巡检装置中实现。蓄电池的定期维护需通过电池巡检系统对电池的健康状态进行监测，及时对低电量的电池进行充电和更换旧电池，并定期对电池进行深循环充放电。
光伏电站的功率控制系统应根据微电网或弱电网的功率和能量需求制定电站的发电计划。以青海玉树2MW 光/储电站为例，当地电网用电高峰出现在夜间，设计电站的运行方式为日储夜发，白天光伏阵列的电能全部存储到蓄电池中，夜间电站以平均2MW 的功率并网发电4h ，以提高电网的带负荷能力，减少限电。光/储电站的功率控制系统
［8］
控制的功能。
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［2］
应根据电站总的发电运行计划合理分配到多条发电支路中。受各光伏阵列发电量差异的影响，各条发电支路中所含储能系统的荷电状态也不同，按照简单的等比法分配发电功率是不合理的，文献［9］中提出了基于系统最优效率的动态线性规划法分配各支路发电功率，取得了较好的效果。
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5结论
［6］［7］
针对4种典型光伏电站的结构组成和运行方式进行比较，分析各种电站测控系统应具有的功能，对其中涉及到的关键技术进行总结，主要结论有：
1）离网式光伏电站测控系统应以保证系统供
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电功率和时间为目标，对储能系统进行定期维护延长电池寿命，采用负荷控制和调频调压等手段延长系统供电时间。
2）集中式并网光伏电站测控系统要根据电网
［8］
调度部门的要求要配置有功/无功联合控制系统和光伏功率预报系统。
3）分布式并网光伏电站的测控系统在满足并
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网要求的前提下要降低成本、减小体积。宜选用分布式并网接口装置。分布式电源的本地电压控制和需求侧响应是技术方向。
4）光/储混合并网光伏电站测控系统要根据微
电网或弱电网的负荷需求制定合理的电站运行方
式，应具有储能电池荷电状态估算和电站功率优化
RESEARCH ON MEASUREMENT AND CONTROL TECHNOLOGY FOR
PV POWER GENERATION SYSTEM
Yang Zilong ，Wang Yibo
（Institute of Electrical Engineering ，Chinese Academy of Science ，Beijing 100190，China ）
Abstract ：The operation modes of some typical PV power generation systems ，including off -grid ，centralized grid -connected ，distributed grid -connected ，PV/storagehybrid grid -connected were analyzed. Then the respective functions and network topology schemes of measurement and control system were summarized according to the operating software were proposed.
characteristics of primary equipment in the system ，and the technical requirements for measurement equipment and PV/storagebattery hybrid power station
Keywords ：measurement and control system ；off -grid PV ；centralized grid -connected ；distributed grid -connected ；