【深度】解析光伏电站智能化发展趋势

随着市场的不断回归，我国光伏产业发展进入快车道。据国家能源局数据统计，2015年我国光伏新增装机总量为15.13GW，总装机容量43.18GW，超越德国摘得全球光伏装机之首的桂冠。

随着互联网基础设施的完善和相关分析技术的成熟，“互联网+”亦正步入快速发展期，并持续获得政策力挺。为提高可再生能源比重，促进化石能源清洁高效利用，推动能源市场开放和产业升级，国家发改委、能源局、工信部近日联合发布《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》(以下简称《意见》)。

《意见》提出，要推动可再生能源生产智能化，鼓励建设智能风电场、智能光伏电站等设施及基于互联网的智慧运行云平台，实现可再生能源的智能化生产;推动集中式与分布式储能协同发展，推动在集中式新能源发电基地配置适当规模的储能电站，实现储能系统与新能源、电网的协调优化运行;加快推进能源消费智能化，加强电力需求侧管理，普及智能化用能监测和诊断技术，加快工业企业能源管理中心建设，建设基于互联网的信息化服务平台。这标志着政府2015年提出的“互联网+”的能源版本正式面世。在“互联网+”的大趋势下，与其一脉相承的“智能光伏”再次受到瞩目。

“智能光伏”是光伏发电、信息技术两大领域的跨界和创新，带来的创新产物即为智能化光伏电站。即从电站建设到运维全流程进行优化和创新，将数字信息技术、互联网技术与光伏技术进行跨界融合，实现合理优化初始投资、降低运维成本，提高系统发电量，增加投资回报率，且能够适应包括大型地面电站、山地丘陵、农光互补和渔光互补等各种复杂场景。

1. 智能光伏电站定义

所谓智能化即减少人的介入、实现全自动化无人运行，实现故障的自动发现，自动诊断和自动修复，从而提升发电量，减少维护成本，提高系统收益。

智能化必须经历三个阶段：自动化、信息化、智能化。

自动化是指电站现场减少人工的工作，系统设计成无易损部件，免维护，无需专家现场进行问题诊断，无需人工现场修复;信息化是指组串的高精度智能检测，信息的高速可靠安全低成本传输，后台数据的高可靠性存储及监视;智能化则是基于大数据的问题分析，实现主动发现问题并提出运维建议：基于远程移动运维，实现专家远程指导和复用;基于专家运维系统，实现预防性维护;基于自动报表系统，实现数据不同层面的自动报告。

1.1. 自动化

传统方案中在自动化方面存在几个问题。

第一，传统方案一般放置于砖瓦房或集装箱内，设备体积大，需重型设备吊装，安装成本高。

第二，传统方案在汇流箱中需大量使用熔丝保护，选用熔丝做组串防护，需大量常规维护。熔丝的老化熔断随着熔丝工作时间的增长必然会发生，据统计直流熔丝电站现场失效从第4年开始失效率显著升高。

第三，传统方案采用外部风扇进行散热，但风扇防护等级只有IP54/55，防护等级较低，并且存在噪声大，可靠性差，更换维护成本极高等问题，最重要的是一旦风扇失效将极大减弱逆变器的散热能力。逆变器机房需要人工日常定期清扫沙尘，长年的灰尘与盐雾影响容易导致设备发生严重故障，故障需要专家现场修复，运维工作频繁，周期长损失大。

智能光伏电站从整体架构上来说更为简单，去除易损件，把复杂功能进行整合，去除需要维护的部件和工作。总体来说，智能光伏解决方案能让电站建设更加简单，简化设计与采购环节，缩短建设周期，简化备品备件的关系，提高系统可靠性及发电量。

1.2. 信息化

传统光伏方案在设备数据通信方面并不完善。

传统方案数据监测颗粒度粗，精度低，传输可靠性低。集中式/集散式逆变器没有组串监控，直流汇流箱也没有组串监控，检测精度仅为3%，而且集中式只能检测电流。

传统方案整个通信网络信号传输可靠性低，因为传统电站子阵内RS485通信连接设备部件种类多，包括直流汇流箱、直流柜、逆变器、箱变等设备，而且大多采用不同厂家的设备，由于不同设备设计差异，不同设备连接在一起后存在地电位差，造成接口模块打坏，且无法事先对组合的部件进行系统测试。

传统方案环境适应性差。传统RS485经常断，与电力线缆一起铺设的时候，会受到干扰，而且在潮湿、冻土、耕地等场景易被损坏，造成通讯中断。另外电站内传输一般存在光纤环网，光纤网络发生问题后很难定位到问题出在哪里，造成故障后极难排查与恢复。

智能光伏解决方案能够做到更高精度的组串智能检测，子阵内传输与电站内传出分别采用更先进的PLC电力载波通信技术与4G无线通信技术。在组串检测方面，采用高精度霍尔传感器，通过高频差分算法补偿、高精度仪器出厂校准，实现0.5%高精度监测，能对组串电压、电流二维信息精确监测，精度是智能汇流箱的6倍以上。并且可以实时监控组串状态，发生异常自动告警，精确定位组串故障。

引入PLC电力载波通讯技术替代RS485，传输速率从RS485能达到的9.6bps(最大也只能19.2Kbps)大大提升到200Kbps。在施工方面PLC技术借用交流线做通道，不需额外布线，节省通讯线缆和施工费用0.01元/W，而传输RS485方案施工复杂，需挖沟埋线缆。PLC方案借用交流线做通道，可靠性高，器件损坏仅更换故障单板即可，可维护性好，而传输RS485方案工程接线易出错，中间断链影响局部通信，线缆断线后，需挖沟更换，可维护性差。总体来说，PLC电力载波通讯技术，能达到节省通讯线缆，提高可靠性的目的。

在电站内通信方式采用4G 无线通信技术，构建智能管理网络，此先进的技术带来多方面的以下优点。功能方面，单站最大可覆盖80平方公里、传输时延>50ms、电站可平滑扩容。在施工运维方面，无需光纤及挖沟铺光缆、故障定位、维护简单。在管理方面，光伏电站内的移动互联网，智能光伏终端、无人机、远程专家协同高效运维。

1.3. 智能化

传统光伏方案并没有涉及顶层智能化改造，而智能光伏率先提出智能化解决方案，通过建立一套全球化自动营维系统实现智能化，构建一体化云平台，构建面向“能源互联网”的应用基础。具体体现在以下几个方面:

① 大数据分析主动挖掘低效器件，实现预防性维护;

对于电站业主，尤其是有大量光伏电站的客户，不仅要考虑电站如何维护，更要考虑电站如何运营，主动地优化电站的运行状态，比如通过5点4段的PR分析，把每一段组件+线缆、逆变器、箱变、升压段的线损等所有的电站综合起来分析，通过横向和纵向的分析，把效率低的电站的和阶段找出来，进行优化。

通过大数据分析，对所有的组串和设备做离散分析，把异常但是没有出问题告警的组串/设备识别出来，比如一个热斑，系统可能没有告警，但是已经比其他组串落后，就可以通过离散分析找出来，进行预测性的维护，这就是主动经营的应用。

此外，还可以通过设备间的对比分析，以及设备长期以来的效率和故障统计，进行设备的评估，为未来的设备选型和方案设计提供数据参考。

② 远程运维，电站现场“无人值班、少人值守”

在电站现场无需人员值班，专家在总部集中实施监控、分析即可。当电站出现问题时，主动将告警与修复建议推送值守人员，值守人员可完全按照指示处理，快速提交闭环。遇到复杂问题，可进行现场状况实时回传，包括视频、语音、数据等全方位信息，数据回传至云数据中心，由数据中心专家进行远程指导，实现保障现场人员安全、规范修复故障流程、处理结果迅速闭环。

③ 精准定位故障，减少误诊断率，提高运维效率

很多集中式电站中，组串发生问题都发现不了，发电量的损失根本都找不回来。结合智能光伏控制器的组串级高精度的监测，可以及时发现故障，另外通过数据库的分析，能够精确地发现是哪个设备发生故障，还能根据预制和运维经验得来的措施，提出处理建议，让运维人员有目的的上站，一次性解决问题，避免来回排查、取设备等。

2. 智能化光伏电站的构成

光伏电站智能化构成可分为3个层次：底层——设备硬件智能化(包括光伏组件、逆变器、配电装置等);中间层——光伏电站生产监控管理功能智能化及发电最优控制;顶层——大区域决策服务。

1、 底层——光伏场内硬件设备，应配置智能光伏控制器，控制器应能精细实现没录光伏电池组串的数据监测，对输入的每一路进行独立的电压电流检测，提高检测精度，为准确定位故障与提高运维效率奠定了基础;MPPT路数更多，能实现能量的精细化管理;采用高精度的传感装置，保证更高的数据精度，提升电站系统的发电量和维护性。

2、 中间层——光伏电站智能化运维系统，基本分为智能光伏监控系统电站和智能光伏生产管理系统两部分。系统之间真正的互联互通，实现信息管理系统与各子站的信息互通。整个系统按照“一体化”设计原则，在统一的通信平台上，配置一体化的计算机监控系统，实现对电站各类设备运行状态的监控。

3、顶层——集团总部或区域集控运维中心，实现对各电站进行集中管理，提高电站的管理和运维效率，提升发电量，降低管理成本;基于云计算平台，具备管理数十吉瓦、数百电站的数据接入能力，支持25年，数百TB的数据存储，完备的权限控制和鉴权机制，保证数据安全;支持多种电站接入，扩展介入新电站，将位于全国不同位置的多个电站当作本地逻辑电站进行管理，分析各电站全年和各月发电计划完成情况、运维投入情况，辅助集团领导决策分析;汇总多个电站生产数据、融合分析、形成一整套跨点站的KPI指标来评估电站的运营情况，评估电站的运行健康状态，快速找出短板，给出优化建议 。

3.智能光伏电站的技术特点与客户价值

相比传统电站，智能光伏电站具有更高的投资收益率和可用度等一系列优势，具体表现在以下几个方面：

1、 智能光伏电站的内部收益率IRR相比传统电站提升3%以上。由于采用多路MPPT、多峰跟踪等先进技术，有效降低了组件衰减、阴影遮挡、施工安装不一致、地形不一致、直流压降等光伏阵列损失的影响，系统PR(Performance Ratio)值达到83%以上，相比传统方案平均发电量提升5%以上，内部收益率IRR提升3%以上。

2、 25年的系统可靠运行免维护设计。智能光伏控制器采用IP65防护等级，实现内外部的环境隔离，使器件保持在稳定的运行环境中，降低温度、风沙、盐雾等外部环境对器件寿命的影响;系统无易损部件，无熔丝、风扇等需定期更换器件，实现系统免维护;从器件到系统实现25年可靠性设计及寿命仿真，加上严格的验证测试，保证系统部件在整个生命周期内无需更换，可靠经济运行。

3、 光伏电站装机容量的实际利用率高。智能光伏电站年平均故障次数少30%，系统故障对发电量的影响只有传统方案的十分之一，质保期外的维护成本只有传统方案的五分之一。传统的光伏电站本质上是一个串联系统，直流汇流箱、直流配电柜、机房散热及辅助源供电设备、逆变器大机等任何一个部件的故障均会造成部分或者全部光伏整列发电损失，由于需要专业人员维护，修复周期长，成本高。而智能光伏电站结构简单，本质上是一个分布式的并联系统，单台逆变器的故障不影响其它设备运行，而且由于体积小、重量轻、现场整机备件，易安装维护，大大提升了系统的可用度。

4、 组串级的智能监控及多路MPPT跟踪技术，确保电站“可视、可信、可管、可控”。智能光伏控制器对输入的每一路组串进行独立的电压电流检测，检测精度是传统智能汇流箱方案的10倍以上，为准确定位组串故障，提高运维效率奠定了基础。多路MPPT技术，降低遮挡、灰尘、组串失配的影响，平坦地形下发电量提升5%以上;在屋顶、山地电站中降低不同朝向、阴影遮挡的影响，发电量提升8-10%;与跟踪系统配合使用，跟踪控制与控制器集成，能够实现对支架的独立跟踪，提升发电量，智能控制器和跟踪支架成为最佳伴侣。

5、 智能光伏电站“可升级、可演进”。当组件技术进步，运行环境发生变化时，利用智能光伏控制器的软件可远程在线升级，后向兼容设计等特性，无需更换网上运行设备，通过算法升级就能够享受最新的技术成果，最大化复用现有设备。

6、 智能主动电网自适应技术实现电网友好。利用智能控制器的高速处理能力、高采样和控制频率、控制算法等优势，主动适应电网的变化，更好实现多机并联控制，更优的并网谐波质量，更好地满足电网接入要求，提高在恶劣电网环境下的适应能力。

7、 主动安全。降低直流传输的距离，实现主动安全。直流的安全传输与防护是重点，也是难点。智能光伏电站采用无直流汇流设计，组串输出的直流电直接进入逆变器逆变为交流电进行远距离传输，主动规避直流传输带来的安全和防护问题，降低直流拉弧带来的安全隐患，使电站更加安全。

PID导致的组件功率衰减会极大的影响投资收益，通过智能控制器自动检测组件电势，主动调整系统工作电压，使电池板负极无需接地的情况下，实现对地正压，有效规避PID效应;由于电池板负极无需接地，加上逆变器内部的残余电流监测电路，能够在检测到漏电流大于30毫安的情况。

“用户体验”是互联网的核心思维，也是光伏企业发展的不二法门。随着我国光伏产业发展日趋成熟，光伏电站运行场景逐渐多样化，在此情况下，提升光伏电站发电量，保障电站安全运行成为电站业主最基本的诉求。光伏电站智能化，不仅为不同地区、不同场景的电站提供契合自身的解决方案，在降低运维成本，提高光伏电站收益方面更具优势，是我国智慧能源产业体系的重要组成部分，也是光伏发展的新趋势。