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5MW 光伏电站安全保护和数字化管理 解决方案创新项目建议书 

一、立项背景 1、背景 在国家双碳政策下,以央企为投资主体的“整县推进”项目如火如荼地进行,按照国家…

一、立项背景

1、背景

在国家双碳政策下,以央企为投资主体的“整县推进”项目如火如荼地进行,按照国家能源局下发文件要求:党政机关建筑屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于50%;学校、医院、村委会等公共建筑屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于40%;工商业厂房屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于30%;农村居民屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于20%。上述场景中,大量屋顶安装光伏电站后,迫切需要解决的一大问题“安全”已经引起政府和央企电力公司以及社会高度重视。国家能源局综合司2021年8、11、12月三次向各省能源局、央企和地方电力公司以及社会发布“加强分布式光伏发电安全工作”征求意见稿。其中,在“项目设计管理”相关章节中明确要求安装电弧故障断路器或采用具有相应功能的组件,实现电弧智能检测和快速切断功能;光伏组件应具有安全关断保护功能以及直流电压低于安全电压等要求。最近两年,央企电力公司全线进入光伏发电产业,对央企电力公司来说“安全”生产是前提,光伏电站数字化、运维精细化和状态检修是最佳管理方式。基于上述需求,光伏电站向“组件级”智慧、安全、高效、优化方向发展,从而形成“智慧安全光伏电站”或“数字化智能安全光伏电站”。

2、立项必要性

目前,中国分布式光伏电站还处在行业发展早期阶段,这是一种粗放式安装、运维和检修的管理模式,无法达到类似火电厂搞智能化电厂所强调的“数字化”、“信息化”、“智能化”、“状态检修”和“全寿命周期管理”的技术水平,无法实现安全、高效、智能、优化运营的总体目标。主要表现在两个方面:

1)存在安全隐患,光伏电站带病运行主要安全隐患有三:

a)光伏系统直流高电压不能关断。只要有光就有电,与逆变器开机与否没有关系。第一,这是严重的消防隐患,当火灾发生时,消防员不能喷水施救,也不能爬上屋顶;第二,电站屋顶维修维护有触电风险,尤其彩钢瓦屋顶需要定期保养;第三,有些应用场景,容易导致二次事故和伤害,例如高速公路旁铺设光伏,当车辆冲进光伏区时,直流高压没法及时关断,会给救援人员造成伤害。针对这些光伏电站安全隐患,一些国家高度重视,已经有强制性立法,要求分布式光伏必须加装组件级的快速关断装置。

b)直流电弧故障。直流电弧是一种渐进发展的、可以引起灾难性后果的慢性病,类似于人体的心脑血管疾病。直流电弧引起的火灾是分布式光伏电站失火的主要原因,大概60%~80%的光伏电站火灾由直流电弧引起。直流电弧与交流电弧不同,交流电弧容易熄灭,直流电弧会持续持续燃烧,所以灾害程度很高。虽然,当前有一些逆变器中安装了电弧故障检测和保护模块,但是这个保护不能有效解决问题。主要有三点原因:第一,逆变器中加装的电弧检测模块只能检测串联电弧,不能覆盖并联电弧和接地电弧故障,但往往并联电弧故障引起的灾害是串联电弧的10倍以上;第二,即使逆变器中检测到串联电弧,也不能定位故障位置。由于电弧燃烧需要一定的触发条件,当运维人员处理时,无法找到故障位置(尤其还没有引起大灾害时),所以无法及时有效处理;第三,大部分电弧故障由电线、接头等破损老化引起,把它理解为一种渐进发展的慢性病更合适。现场电弧保护非常重要,但关断动作应该作为最后一道防线,因为现场保护动作阈值不好确定,设置太灵敏会频繁动作,引起发电量损失;设置太迟钝不能及时动作,引起大灾难。保护动作就像做手术,不能因小问题频繁手术,隐患预警才是解决问题的正确途径。要想彻底解决这些问题,需要把电弧故障检测模块安装在组件上,并且实时数据联网,基于大数据分析,及时预警,实现状态检修和“亚健康”调理,避免重大事故发生。这样,现场关断动作保护只是作为最后的安全保护屏障。

c)漏电故障。这也是一种发展性慢性病,它没有直流电弧故障引起的灾害概率高,但是非常头痛的问题。逆变器中的绝缘检测,在一定程度上可以实现故障保护作用,但实际运行中,有如下两个问题:第一,大部分漏电故障由电缆、接头老化等原因引起,所以漏电是慢慢变大的,这就导致逆变器漏电保护阈值不好设定,小了动作频繁,影响发电量,大了不能有效避免事故;第二,逆变器的漏电检测功能,只知道组件方阵有漏电,无法定位故障位置,运维人员不能及时有效解决问题,影响电站发电量。“组件级”漏电检测以及实时数据联网,可以有效预警故障,并且定位故障,便于问题解决,保证电站安全高效运行。

2)缺少精细数据,不能高效管理电站

当前,光伏电站的数据监测只覆盖到逆变器级,无法精准高效地分析整个电站。一般光伏电站的系统效率在75%~85%之间,比理想值少了25%~15%,在这20%左右损失中,只要5%~9%是由逆变器转化效率、线损、变压器转化效率引起的,其他11~15%损失在光伏方阵中(不一定是组件本身问题)。现在,大部分光伏电站监测系统没有光伏“组件级”数据,这样无法进行精细化运维和电站发电量提升。缺少光伏“组件级”数据,如下几类损失没法定位和定量:

a)组件本身异常引起的发电量损失。组件异常包括裂片、热斑、过度衰减等,异常组件不只是自身发电量损失,还会引起系统的串并联适配,造成更大发电量损失。无人机红外扫描方案去检测异常组件有一些缺陷,它们分辨率太低,无法实时数据化,无法评估出异常组件引起发电损失的数量化指标,再加上分布式电站多建设在市区,不便于无人机作业。

b)阴影遮挡及其引起的串联适配。阴影遮断可以通过肉眼观察确定,但是没有“组件级”精细化数据,无法量化这类损失,也就无法基于经济效益考虑,是否需要及时处理。

c)逆变器的效能。虽然当前逆变器的转换效率很高,一般98%左右,但并不能表示其最大程度地开发了光伏方阵的潜力。转换效率只是输出功率与输入功率之比,如果逆变器没有最大限度地发电,这个转换效率就没有意义了。逆变器没有把光伏方阵的潜能发出来,可能的原因:第一,逆变器内部器件老化或损坏,导致其MPPT工作异常;第二,逆变器整体老化,功率衰减等因素引起的功率限制;第三,逆变器本身功率额度不足,不能按照标称的功率工作。只基于逆变器给出的数据,无法清晰地了解其工作效能,逆变器作为光伏电站的核心设备,至今没有独立设备监测它的工作状态。采用光伏“组件级”监测方案,清楚地知道每个组件的发电情况,也就可以知道整个系统有没有在最大功率点工作,同时,实现对逆变器的监测与分析,对逆变器发电效能给出量化数据。

d)灰尘引起的发电量损失。灰尘引起的发电量损失没有经济量化指标,就不能有的放矢地制定清洗计划,频繁清洗造成人工和资源浪费,清洗不到位导致发电量损失。缺少光伏“组件级”监测方案,没有组件的精细化数据,无法实现精准运维管理。

二、创新内容和预期目标

1、创新内容

本项目基于物联网理念为分布式光伏电站提供“组件级”安全保护和数字化管理系统,它包括:组件级数据采集与分析,组件级快速关断,串联电弧实时检测、主动保护与故障定位,并联电弧&漏电实时检测、主动保护与故障定位。硬件设备包括:智能组件末端模块、头端模块和主控器。软件包括:手机APP和web数据平台。本方案汇聚了电力线载波通信技术、前端大数据采集与交互技术、云计算、AI数据管理平台、综合性物联网统一监管平台等。

系统架构图 

核心内容介绍:

1)组件级数据监测与分析通过监测每一块组件的数据,得知组件健康状况、组件积灰、阴影遮挡、以及逆变器的工作状态,基于数据分析,给出解决方案,对电站实施状态检修和精细化运维,减少发电损失、提升工作效率,增加效益。

2)组件级关断功能一旦发生火灾或检修时,关断每块组件,使光伏方阵任意两点的电压都在安全电压之内,方便火灾救援和检修。

3)组件级直流电弧实时检测、主动保护和精准定位实时检测任意点电弧,故障出现时自动关断组件,避免火灾发生;并定位到拉弧位置,方便进行故障排除;此类事故定位是关键,如果不能定位就没有办法及时故障排除。

4)接地漏电和并联电弧故障实时检测、主动保护和精准定位过去此类事故频繁发生,不能及时精准定位,导致发电量损失;由于传统光伏有光就有电,导致这类事故没法消灭,容易蔓延,形成火灾,存在巨大隐患。

2、预期目标

本项目通过集成“组件级”安全保护和数字化管理系统,实现电站的防火安全保护和事故安全救援、组件级数字化管理、组件级电站优化和组件级精细化运维,从而达到光伏电站安全生产、精准运维、状态检修、全寿命周期管理的经营目标,提升发电量,创造更大经济效益。

1)电站安全保护据统计,60%~80%的光伏电站着火是由直流电弧引起,特别是由于线路破损、树木遮挡、组件热斑或者组件接地等原因形成电弧或接地,进而诱发火灾。当火灾发生时,光伏组件仍处于发电状态,组串电压达到1000V左右极易对救援人员产生危害,导致救援缓慢,火灾加重。7组件级手动关断功能,当电站本体发生火灾、周边环境发生火灾需要救援或电站需要检修维护时,通过控制器手动关断,裂解光伏组串,使光伏方阵内外都处于安全电压状态,实现安全救援和电站检修维护。自动关断功能,当电站矩阵内出现温度过高、串联电弧、并联电弧、对地电弧、漏电现象时,智能组件控制末端实现自动关断,旁路掉问题组件,并发出报警指令,定位故障位置。组件级实时检测、主动保护、故障定位功能,能够及时发现电站“隐患”,安全及时有效地消除隐患,避免事故扩大,造成更大影响和经济损失。

2)电站数字化管理组件级数据监测,每5分钟给整个光伏矩阵做一次CT透视,通过实时采集每块组件数据,可以清晰地了解整个电站的运行情况,所有的问题一目了然。基于组件级大数据累积,可以进行电站健康状况评估,诸如:组件异常分析、积灰发电损失分析、逆变器效能分析、阴影遮挡损失分析等。通过这些组件级数据累积与分析,实现组件方阵的精细管理和优化,提高整个发电系统的发电效率。

3)电站发电量提升光伏电站发电量提升是每一个电站竭力追求的目标,发电量提升包括几种情况:减少故障性非停、减少发电损失、提升系统效率,减少组件串联和并联适配,监测逆变器全力工作等。光伏电站“组件级”安全保护方案,可以有效预警电站隐患,及时检查排除,大大降低故障性非停。基于“组件级”数据监测和分析,明确发电量损失的原因,对症下药有效排除,减少电站发电损失,提高发电量。逆变器效能分析,通过光伏组件的快照数据,判定光伏组串有没有在最大功率点工作;如果没有在最大功率点工作,量化因此引起的发电量损失。

4)电站精细化运维“组件级”数据监测和分析平台,可以实时监测每个组件运行情况,针对故障组件进行数据化分析,给出检修指导意见。手机APP功能包括硬件运行参数配置、设定各种故障检测保护阈值、展示组件当下状态数据和历史数据、组件级数据分析、故障报警通知等。基于组件级数据和分析,通过对电站状态评价、风险评估、成本核算,进行状态检修,保障电站运行安全可靠,减少人力支出,实现降本增效。

三、具体方案

1、项目概况

本项目为发电厂厂房屋顶,计划装机规模为5MW,光伏组件拟采用540Wp产品,组件数量是9286块。逆变器采用组串逆变器,功率有两种:50KW的16台;100KW的36台;2台箱变升压后并网

2、方案一:外置方式1)智能安全组件结构图

智能组件末端模块通过电缆接头并联在组件上,末端模块黏贴在组件背面支架上,随组件安装同步施工。

2)设备使用情况

3)报价明细 硬件及调试费用:

报价说明:

(1)NO1.末端模块为单组件级全功能产品,与组件一拖一匹配;(2)以上报价含13%增值税、含税运,30%预付款,全款到帐发货;(3)以上报价不包含现场安装费用及其他材料费用。

3、方案二:物理集成方式

1)智能安全组件结构图

物理集成方式:末端模块与组件并联的正负极电缆接入组件两端接线盒内,末端模块采用接线盒方式固定在背板中间接线盒上下位置。组件厂完成物理集成。

方案优势:l节约材料成本,省去两对电缆接头和部分电缆;l节约人工成本,省去现场末端模块安装固定施工;l便于维修更换,末端模块故障时,便于拆装更换,不影响组件正常工作

2)设备使用情况

3)报价明细

报价说明:

(1)NO1.末端模块为单组件级全功能产品,与组件一拖一匹配;(2)以上报价含13%增值税、含税运,30%预付款,全款到帐发货;(3)以上报价不包含现场安装费用及其他材料费用。

四、效益预测

1、经济效益

1)电站发电量提升,通过减少故障性非停、减少发电损失、提升系统效率,实现电站发电量提升,创造更大经济效益;

2)电站运营成本降低,基于大数据分析通过对电站状态评价、风险评估、成本核算,进行精准运维、状态检修,提高运检人员工作效率,减少人力成本支出,实现降本增效;

3)电站安全损失降低,组件级安全保护系统能够有效地降低安全事故发生,保障电站运行安全,同时不对周边设施造成侵害,有效降低因“安全”事故导致的经济损失;

4)全寿命周期管理效益,光伏电站是一种长期投资项目,一般运行25年左右,基于组件级数据积累与运用,保障电站始终运行在相对健康的状态下,实现全寿命周期管理,创造更好的经济效益。

2、社会效益

1)2022年4月26日,中央财经委员会第十一次会议,研究全面加强基础设施建设问题,提出构建现代化基础设施体系,实现经济效益、社会效益、生态效益、安全效益相统一,服务国家重大战略,支持经济社会发展。光伏电站作为重要的能源基础设施,安全稳定高效运行是经济发展的重要保障;

2)国家能源局下发的”整县推进“项目中对党政机关建筑、学校、医院、工商业厂房、农村居民屋顶明确提出了光伏电站安装比例要求;2022年4月1日发布的”可再生能源建筑“规范推动BIPV市场繁荣发展。上述场景中,大量屋顶安装光伏电站后,若发生火灾等事故,社会舆论影响较大,迫切需要解决电站安全问题。

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