光伏監(jiān)控系統(tǒng)在智能制造企業(yè)中的應(yīng)用
摘要
隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟛粩嘣鲩L,分布式光伏發(fā)電逐漸成為電力系統(tǒng)的重要組成部分。本文深入探討了分布式光伏規(guī)?;⒕W(wǎng)過程中面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn),包括信息集成、逆變器控制、功率平衡、調(diào)度優(yōu)化等核心技術(shù),并結(jié)合磊蒙智能裝備有限公司的實(shí)際項(xiàng)目,展示了光伏并網(wǎng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果。通過對這些技術(shù)的詳細(xì)分析,本文旨在為未來分布式光伏規(guī)?;⒕W(wǎng)技術(shù)的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞:分布式光伏;規(guī)?;⒕W(wǎng);信息集成;逆變器控制;調(diào)度優(yōu)化;功率平衡
1、引言
光伏發(fā)電作為最具潛力的可再生能源之一,近年來得到了廣泛的應(yīng)用。分布式光伏發(fā)電由于其安裝靈活、運(yùn)行成本低、環(huán)境影響小等優(yōu)勢,已經(jīng)成為許多國家電力供應(yīng)體系的重要組成部分。然而,隨著光伏發(fā)電規(guī)模的快速擴(kuò)展,傳統(tǒng)電網(wǎng)正面臨巨大的挑戰(zhàn),包括電網(wǎng)穩(wěn)定性、調(diào)度靈活性以及電能質(zhì)量等方面的問題。
分布式光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行在技術(shù)和管理上具有高度復(fù)雜性,尤其在大規(guī)模并網(wǎng)時(shí),不僅要求光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠應(yīng)對發(fā)電的間歇性和波動性,還要保證整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性。因此,深入探討分布式光伏發(fā)電規(guī)模化并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)以及面臨的挑戰(zhàn),對實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電在未來電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用具有重要意義。
2、分布式光伏發(fā)電的現(xiàn)狀
近年來,分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)顯示,光伏發(fā)電在全球的新增裝機(jī)容量中占據(jù)了相當(dāng)大的比例。尤其是在中國,分布式光伏的應(yīng)用呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。到2022年年底,中國的分布式光伏累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)157.62GW,其中,分布式光伏電站的接入電壓等級覆蓋了從220V到35kV不等的范圍。
在政策支持和市場激勵下,我國分布式光伏發(fā)展伴隨微電網(wǎng)、聚合商、虛擬電廠、多能源系統(tǒng)、綜合能源服務(wù)等新理念、新技術(shù)呈多元化發(fā)展態(tài)勢,如下表所示,這些模式的共同特點(diǎn)是將并網(wǎng)電壓等級較低且偏向用戶側(cè)的分布式資源進(jìn)行有效整合并參與系統(tǒng)運(yùn)行和用戶交易。分布式光伏規(guī)?;⒕W(wǎng)將進(jìn)一步推動上述運(yùn)行模式應(yīng)用與發(fā)展,新的運(yùn)行模式也將不斷涌現(xiàn),對電網(wǎng)的智能管控水平和接納能力提出更為迫切的要求。
1. 規(guī)?;⒕W(wǎng)趨勢:分布式光伏已逐步由過去的分散式并網(wǎng)轉(zhuǎn)向規(guī)?;⒕W(wǎng)模式。這一轉(zhuǎn)變在政策和市場的推動下加速,典型的應(yīng)用包括整縣光伏開發(fā)和“光伏+”綜合利用模式。2021年,分布式光伏新增容量首次超過集中式光伏,且分布式光伏的裝機(jī)容量占比持續(xù)增加,尤其在中低壓配電網(wǎng)中占據(jù)主要比例。
2. 并網(wǎng)方式與運(yùn)行模式多樣化:分布式光伏的并網(wǎng)方式包括集中式、分散式和規(guī)模化并網(wǎng)三種模式。在規(guī)?;⒕W(wǎng)中,光伏的接入位置通常為用戶側(cè),接入電壓等級較低,具備較強(qiáng)的本地消納特性。與此同時(shí),分布式光伏的運(yùn)行模式也逐漸多樣化,包括微電網(wǎng)、虛擬電廠、綜合能源服務(wù)等創(chuàng)新形式。
3.關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)
系統(tǒng)安全特性影響:隨著高比例分布式光伏接入,傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的安全特性面臨挑戰(zhàn),轉(zhuǎn)動慣量和調(diào)頻、調(diào)壓能力下降,系統(tǒng)安全穩(wěn)定性降低。
負(fù)荷波動:分布式光伏的發(fā)電波動性和隨機(jī)性增加了系統(tǒng)的負(fù)荷管理難度,尤其在午間低谷時(shí)段和晚間高峰時(shí)段,容易出現(xiàn)電網(wǎng)不平衡現(xiàn)象。
電壓調(diào)節(jié)與有源配電網(wǎng):分布式光伏的規(guī)?;⒕W(wǎng)使得配電網(wǎng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)格化、有源化的結(jié)構(gòu),電壓調(diào)節(jié)和功率控制變得更加復(fù)雜。
4.技術(shù)改進(jìn)需求:為了應(yīng)對分布式光伏的規(guī)?;⒕W(wǎng)帶來的挑戰(zhàn),電網(wǎng)調(diào)度和控制技術(shù)亟需升級。通過信息集成、監(jiān)測預(yù)測、平衡調(diào)度、聚合控制等技術(shù)的引入,系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行可以更靈活、高效。
5. 國外經(jīng)驗(yàn)借鑒:一些國家已經(jīng)積累了分布式光伏并網(wǎng)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。例如德國通過大力發(fā)展虛擬電廠和光伏儲能技術(shù),增強(qiáng)了電網(wǎng)的調(diào)控靈活性。澳大利亞則通過標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)控體系和虛擬電廠,成功應(yīng)對了分布式光伏帶來的電壓波動和電網(wǎng)不穩(wěn)定問題。
3、分布式光伏并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)
3.1 信息集成與實(shí)時(shí)監(jiān)控
在分布式光伏系統(tǒng)的大規(guī)模并網(wǎng)過程中,實(shí)時(shí)信息的采集與傳輸是電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。信息集成系統(tǒng)的主要任務(wù)是將光伏發(fā)電系統(tǒng)的各類運(yùn)行數(shù)據(jù)整合到電網(wǎng)調(diào)度中心,以便實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)度優(yōu)化。
信息集成通常包括以下幾個(gè)層次:
現(xiàn)場設(shè)備層:通過智能傳感器、智能電表等設(shè)備,采集光伏系統(tǒng)的電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)。
通信層:通過光纖、無線網(wǎng)絡(luò)或其他通信方式,將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳輸至控制中心。
控制層:在電網(wǎng)調(diào)度中心,通過數(shù)據(jù)集成平臺,對光伏系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)度,確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
磊蒙智能裝備有限公司的光伏項(xiàng)目采用了基于Modbus485通信協(xié)議和IEC60303-3-103標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),實(shí)現(xiàn)了從現(xiàn)場設(shè)備到監(jiān)控中心的高速數(shù)據(jù)傳輸和信息共享。這種系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)勢在于,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),并根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷需求快速調(diào)整光伏系統(tǒng)的輸出,確保電網(wǎng)穩(wěn)定性。
3.2 逆變器控制技術(shù)
逆變器是分布式光伏系統(tǒng)的核心組件,其主要功能是將光伏組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電,并確保電流、電壓和頻率與電網(wǎng)要求相匹配。逆變器不僅承擔(dān)著電能轉(zhuǎn)換的任務(wù),還需要具備電流、電壓的控制以及并網(wǎng)保護(hù)等功能。
逆變器控制技術(shù)的核心在于最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT),它能夠確保光伏組件在不同光照條件下,始終輸出最大功率。此外,逆變器還需要具備無功補(bǔ)償功能,以幫助電網(wǎng)維持電壓穩(wěn)定。在高比例分布式光伏接入的情況下,逆變器的響應(yīng)速度和控制精度至關(guān)重要。
3.3 功率平衡與調(diào)度
由于光伏發(fā)電的波動性和不確定性,如何保證發(fā)電與負(fù)荷之間的實(shí)時(shí)平衡成為電網(wǎng)運(yùn)行的核心問題。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)依賴于集中式發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)度,能夠通過靈活調(diào)度電廠來應(yīng)對負(fù)荷的波動。然而,分布式光伏發(fā)電的接入使得這種調(diào)度模式變得更加復(fù)雜。一方面,分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量高度依賴于氣象條件,如光照強(qiáng)度、云層覆蓋等,具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。另外,由于光伏發(fā)電的輸出功率波動較大,電網(wǎng)在面對高比例光伏發(fā)電時(shí),必須依賴更精確的預(yù)測和更靈活的調(diào)度機(jī)制。
功率平衡與調(diào)度的技術(shù)關(guān)鍵在于如何通過實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測算法,對光伏發(fā)電量和負(fù)荷進(jìn)行精準(zhǔn)的預(yù)測和動態(tài)調(diào)度。磊蒙智能裝備有限公司的光伏并網(wǎng)項(xiàng)目中,采用了基于大數(shù)據(jù)分析的實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng),能夠根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷的變化,動態(tài)調(diào)整光伏系統(tǒng)的發(fā)電量,確保電力系統(tǒng)的功率平衡。
3.4 系統(tǒng)優(yōu)化與負(fù)荷管理
系統(tǒng)優(yōu)化是分布式光伏規(guī)?;⒕W(wǎng)的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。為了提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率,減少電能浪費(fèi),系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)需要對光伏發(fā)電系統(tǒng)和用戶負(fù)荷進(jìn)行全方位的管理和優(yōu)化。
系統(tǒng)優(yōu)化的核心目標(biāo)是通過智能化手段,實(shí)時(shí)調(diào)整光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),優(yōu)化電力的分配和使用。在分布式光伏系統(tǒng)中,負(fù)荷管理是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵之一。通過智能負(fù)荷管理系統(tǒng),電網(wǎng)能夠根據(jù)電力供需情況,動態(tài)調(diào)整用戶的用電負(fù)荷,減少電網(wǎng)壓力,提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。
4、應(yīng)用案例:磊蒙智能裝備有限公司光伏并網(wǎng)項(xiàng)目
磊蒙智能裝備有限公司作為國內(nèi)智能制造領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè),近年來積極推動綠色能源的應(yīng)用。為降低用電成本并減少對傳統(tǒng)能源的依賴,磊蒙公司在廠區(qū)的屋頂安裝了總?cè)萘繛?.98MW的光伏發(fā)電系統(tǒng),并通過的安科瑞Acrel-1000DP光伏監(jiān)控系統(tǒng)對整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行智能化管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控。該項(xiàng)目通過采用全額上網(wǎng)模式,將光伏發(fā)電量全部并入電網(wǎng),從而實(shí)現(xiàn)能源的高效利用,并為當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)提供了額外的清潔電力支持。
4.1 項(xiàng)目背景
磊蒙智能裝備有限公司光伏并網(wǎng)項(xiàng)目的實(shí)施背景是為了響應(yīng)國家清潔能源戰(zhàn)略,減少碳排放并降低用電成本。通過在廠區(qū)屋頂安裝光伏發(fā)電系統(tǒng),公司能夠有效利用自然資源,同時(shí)實(shí)現(xiàn)能源自給和成本控制。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的目標(biāo)不僅是滿足公司內(nèi)部的用電需求,還包括將多余的電力輸送至公共電網(wǎng),為區(qū)域能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化做出貢獻(xiàn)。
4.2 項(xiàng)目概述
該項(xiàng)目采用“全額上網(wǎng)"模式,利用原有的電源點(diǎn)作為光伏高壓并網(wǎng)點(diǎn)并入電網(wǎng)端,并網(wǎng)點(diǎn)設(shè)置集電線路柜,站用變柜,SVG柜,PT柜,計(jì)量柜,并網(wǎng)出線柜。新增的光伏系統(tǒng)配置自動化系統(tǒng),實(shí)時(shí)采集并網(wǎng)信息,信息上傳至當(dāng)?shù)卣{(diào)控中心DMS系統(tǒng)。光伏發(fā)電逆變器電源電壓,經(jīng)室內(nèi)升壓變升壓至10kV后,通過高壓電纜接入新增的10kV光伏高壓柜,并入原10kV市電高壓柜。
本項(xiàng)目modbus485和IEC60303-3-103相結(jié)合的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集傳輸?,F(xiàn)場設(shè)備層的四套并網(wǎng)逆變器、匯流箱、箱變測控裝置分別利用modbus485將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦夥l(fā)電單監(jiān)控裝置,通過光纖將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)通訊層的縱向加密裝置,放置在二次艙的網(wǎng)絡(luò)通信柜中的通訊管理機(jī)、公用測控及電能質(zhì)量柜中的測控裝置、電能質(zhì)量裝置、頻率電壓緊急控制柜的頻率電壓緊急控制裝置利用網(wǎng)線連接到交換機(jī),10kv就地分散保護(hù)裝置主要布置在一次艙利用裝置自身攜帶的網(wǎng)口全部連接到間隔層以太網(wǎng)交換機(jī),再由以太網(wǎng)交換機(jī)傳輸?shù)秸究貙咏粨Q機(jī),由此完成數(shù)據(jù)從間隔層到站控層的傳輸。以下是該項(xiàng)目的一些關(guān)鍵技術(shù)亮點(diǎn):
1.數(shù)據(jù)采集與傳輸:項(xiàng)目采用了基于Modbus485通信協(xié)議的多層次數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),通過智能傳感器和智能電表對光伏發(fā)電的電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,并通過光纖傳輸至Acrel光伏監(jiān)控系統(tǒng)。這種數(shù)據(jù)采集和傳輸方案確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院涂煽啃裕軌驗(yàn)殡娋W(wǎng)調(diào)度提供實(shí)時(shí)信息。
2.遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制:Acrel光伏監(jiān)控系統(tǒng)通過可視化界面為用戶提供了遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制功能。用戶可以在監(jiān)控中心對光伏系統(tǒng)進(jìn)行全程監(jiān)控,實(shí)時(shí)查看發(fā)電量、負(fù)荷情況、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息。同時(shí),系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程操作,如啟停逆變器、調(diào)整功率輸出等,確保系統(tǒng)能夠靈活應(yīng)對不同的負(fù)荷需求。
3.智能化報(bào)警與保護(hù):該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了多重保護(hù)機(jī)制,以確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常,如電壓過高、過低或電流過載時(shí),系統(tǒng)會自動觸發(fā)報(bào)警機(jī)制,并通過監(jiān)控平臺向操作人員發(fā)出警告。同時(shí),系統(tǒng)還能夠自動切斷光伏并網(wǎng),防止故障對電網(wǎng)造成影響。
4.兼容性與擴(kuò)展性:Acrel光伏監(jiān)控系統(tǒng)具備高度的兼容性,能夠支持多種品牌的逆變器、傳感器和監(jiān)控設(shè)備。這種設(shè)計(jì)為系統(tǒng)后續(xù)的擴(kuò)展和升級提供了便利,使用戶能夠根據(jù)未來的需求靈活擴(kuò)展系統(tǒng)容量或增加新的功能。配置五防工作站保證操作人員的人身的安全。防止在操作時(shí)電氣誤操作確保變電站的安全運(yùn)行。包括防止誤分、合斷路器防止帶負(fù)荷分、合隔離開關(guān)等確保了操作的安全性。項(xiàng)目還配備了光功率預(yù)測服務(wù)器,在數(shù)據(jù)的傳輸中加入防火墻確保數(shù)據(jù)的安全。
5.項(xiàng)目對時(shí):本項(xiàng)目采用GPS與北斗兩種衛(wèi)星進(jìn)行對時(shí),保證了項(xiàng)目設(shè)備對時(shí)的準(zhǔn)確性。對時(shí)裝置分別利用以太網(wǎng)連接入站控層交換機(jī),從而完成對站控層監(jiān)控室裝置與遠(yuǎn)動上傳裝置的對時(shí),利用IRIG-B通過接線的方式對一次艙二次艙的保護(hù)裝置進(jìn)行對時(shí),保證設(shè)備時(shí)間的一致。
6.操作員兼五防工作站:配備了一套變電站綜合自動化系統(tǒng)軟件(Acrel-1000DP光伏監(jiān)控系統(tǒng))在windows操作系統(tǒng)的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場保護(hù)設(shè)備和儀表設(shè)備的數(shù)據(jù)監(jiān)視與管理,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓、電流、功率等參數(shù),可以通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。
4.3 配置清單
4.4 現(xiàn)場應(yīng)用圖
5、 系統(tǒng)功能
5.1V電能質(zhì)量監(jiān)視
在電能質(zhì)量監(jiān)控圖中,可以直接查看電能質(zhì)量裝置的運(yùn)行狀態(tài)、電流電壓總有效值、電壓波動、電壓總畸變、正反向有功電能、有功、無功功率等電能質(zhì)量信息??梢愿鶕?jù)這些信息監(jiān)測現(xiàn)場電能的質(zhì)量,及時(shí)的做出應(yīng)對方案。
5.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通信狀態(tài),能夠完整的顯示整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);可在線診斷設(shè)備通信狀態(tài),發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)能自動在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。
5.3曲線查詢
在曲線查詢界面可以直接查看各電參量曲線,包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等曲線。
6、未來展望與挑戰(zhàn)
分布式光伏發(fā)電在全球能源結(jié)構(gòu)中的重要性將持續(xù)增長,特別是在實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的背景下,光伏發(fā)電技術(shù)必將發(fā)揮更為關(guān)鍵的作用。盡管分布式光伏系統(tǒng)在降低碳排放、提高能源效率等方面具有巨大潛力,但其大規(guī)模應(yīng)用依然面臨諸多挑戰(zhàn)。
首先,光伏發(fā)電的間歇性和波動性問題依然突出。隨著更多分布式光伏系統(tǒng)的接入,電網(wǎng)必須處理大量的不確定性,這給電網(wǎng)調(diào)度和穩(wěn)定性帶來了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。其次,現(xiàn)有的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施在應(yīng)對高比例光伏發(fā)電時(shí)可能存在限制,特別是在低電壓配電網(wǎng)中,頻繁的電壓波動和電能質(zhì)量問題需要通過進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)度算法來解決。
在技術(shù)層面,隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展,分布式光伏系統(tǒng)的管理和控制將變得更加智能和高效。未來,更多的電網(wǎng)調(diào)度將依賴于大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù),實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的發(fā)電量預(yù)測和負(fù)荷管理。此外,虛擬電廠和微電網(wǎng)的應(yīng)用也將進(jìn)一步推動分布式光伏系統(tǒng)的靈活性和可靠性。
7、結(jié)論
分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)?;⒕W(wǎng)是實(shí)現(xiàn)清潔能源目標(biāo)的重要手段之一。然而,隨著光伏發(fā)電規(guī)模的擴(kuò)大,電網(wǎng)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)也越來越多,包括電網(wǎng)穩(wěn)定性、功率平衡、信息集成和系統(tǒng)優(yōu)化等方面的難題。本文詳細(xì)分析了分布式光伏并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù),并結(jié)合磊蒙智能裝備有限公司的實(shí)際項(xiàng)目,展示了這些技術(shù)的應(yīng)用效果。
通過該案例可以看出,先進(jìn)的逆變器控制、信息集成和智能調(diào)度系統(tǒng)對保證分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效運(yùn)行起到了關(guān)鍵作用。未來,隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,分布式光伏系統(tǒng)將在全球能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮更加重要的作用。電力系統(tǒng)應(yīng)不斷優(yōu)化調(diào)度和控制技術(shù),以應(yīng)對高比例光伏發(fā)電帶來的新挑戰(zhàn),并實(shí)現(xiàn)更為安全、高效和穩(wěn)定的電力供應(yīng)。
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