基于电气自动化的太阳能光伏发电系统设计

引言

当前，电气自动化技术已经被全球认定为开发新能源的一项技术，该技术的运用有效地解决了我国电力不足的问题，在将电气自动化技术融入新能源发电时，能在一定程度上显著提升我国电力企业的发电质量，也可以让我国电力企业的经济运营在相应的范围内。

1 太阳能光伏发电基本原理

太阳能光伏发电是利用光生伏特效应将太阳辐射能直接转换为电能的过程。当光子能量大于半导体材料（如硅）的禁带宽度（1.12eV）时，光子被吸收，使价带电子跃迁至导带而产生电子－空穴对，在 PN 结内建电场的作用下，电子和空穴被分离并在外电路形成电流，从而实现光电转换。光伏电池的核心参数包括开路电压、短路电流、填充因子和光电转换效率，其中转换效率是衡量电池性能的关键指标。为进一步提升光电转换效率，一方面要优化电池材料和器件结构，如采用背接触、N 型 TOPCon、异质结等先进电池技术；另一方面要最大限度地提高光能利用率，如采用多结叠层结构拓宽吸收光谱，引入光子管理技术增强光捕获能力等。

2 基于电气自动化的太阳能光伏发电系统设计

2.1 光伏组件选型及接线设计

光伏发电系统由多个光伏板组成，光伏板先串联形成光伏组串；然后多个光伏组串并联，形成光伏阵列。原因如下：（1）光伏板的串联：单块光伏板正常工作时，两端输出电压只有 30VDC～50VDC，电压过低。因此需要多块光伏板串联，形成光伏组串，提高输出电压。（2）光伏组串的并联：主流单块光伏板容量为 450Wp～550Wp ，1 组光伏组串输出容量只有 10kWp 左右，单独接入逆变器时，逆变器输出功率过小。

2.2 数据分析

在分析新能源发电中融入电气自动化技术的过程中，电力企业要具有充足的数据信息，以便于电力企业对发电系统运行情况的掌握，而其电气自动化技术则十分有助于电力企业对新能源发电系统数据的采集以及整理、分析。这样既可以节省电力企业工作人员的工作时间，也能获取准确的数据信息。首先，是对新能源发电的故障诊断，在此过程中，相关的工作人员可以选择通过对光伏电池阵列对发电系统中以及具有的“热点效应”“腐蚀”“电池老化”等问题展开监测，并对其进行故障的研究诊断，然后，根据实际的问题提出解决方法，相关维修人员再根据掌握的数据定期维护新能源发电系统，这样也可以有效地降低电力企业的发电成本，获取经济效益。而在此基础上，还应制定相应的维修方案，在方案中明确主要维修位置以及较为常见的问题，提出科学的维修方法。电力企业要能主动的展开对新能源发电性能的优化，结合数据展开分析，让相关的工作人员可以掌握合理的优化方法，这十分有利于电能的输出，也有主要对新能源发电系统的操作调整。

2.3 自动化与交互层

自动化与交互层负责实现系统的无人值守和人机交互。该层的硬件主要包括数据采集与监控单元（如 SCADA 系统）、远程通信单元（如 GPRS/4G/5G 模块）以及各类执行机构（如电动阀门、断路器等），软件平台则以 SCADA 软件为核心，并配备了 B/S 架构的 Web 服务器。自动化层可根据控制指令，自动完成系统的启停、故障切除等操作，并实时上报设备的运行状态和故障信息。交互层支持基于Web 浏览器的远程人机界面访问，实现对系统的可视化监测和参数设置。

2.4 谐波控制与电网稳固性技术方法策略

在电力系统中，谐波的产生和传播对供电质量和设备安全构成了严重威胁。为了有效抑制谐波，采用主动电力滤波器（APF）和被动滤波器成为常见的解决方案。以杭州市文化广播电视集团的案例为例，该集团在试运行阶段，由于空调系统、综合性系统、广播电视等设备的运行，导致零序电流过大，频繁引发舞台灯光系统跳闸。经过谐波检测，发现系统内高次谐波脉冲电流占到了总量的 3% ，严重影响了电力系统的正常运行和集团工作的开展。为了解决这一问题，杭州市电力局建议安装有源电力滤波装置。整改后，系统运行恢复正常，设备使用寿命得到延长，电能损耗和谐波影响显著降低。具体来说，谐波量从 30% 左右下降到 10% 左右，负荷电流节省了 5% 至 8% 。这一改进不仅提高了用电质量，还为文广集团节省了可观的费用。目前，文广集团的 4 个系统电压稳定，跳闸问题得到了有效解决。尝到甜头的文广集团，随后又招标了整个供电系统的滤波装置，专门用于演播、空调系统、综合性系统和广播电视设备。这一案例表明，通过采用主动电力滤波器和被动滤波器的组合，可以有效地抑制谐波，提高电力系统的稳定性和电能质量，从而保障设备的安全运行和降低能耗。

2.5 建筑光伏发电系统并网设计

民用建筑光伏并网发电系统接入电网的方式有低压接入（220/380V）和中压（10kV）接入两种形式。如果采用中压（ 10kV ）接入电网，逆变器输出电压（380/220V）需要经过并网变压器转换为 10kV 电压，需要设置并网专用变压器及设备房；民用建筑不推荐采用中压（10kV）并网，一般推荐采用低压（220/380V）并网方式。民用建筑屋顶光伏发电系统并网点一般不宜超过 3 处，优先建议在变配电房低压柜并网，光伏发电系统并网点处需要设置计量装置。系统谐波、电压偏差、三相电压不平衡度、电压波动和闪变等指标应符合相关标准规定，并网柜装设 A 类电能质量在线监测装置（电压、频率、谐波、功率因数等）；并网断路器（塑壳或框架）应具备短路瞬时、长延时保护和分励、欠压及低压闭锁合闸、检有压合闸功能，具备电源端与负荷端反接能力，采用 4P 并网专用断路器，可不配置防孤岛检测及安全自动装置，采用具备防孤岛能力的逆变器。

2.6 预测与监督

在融入电气自动化技术的阶段，要能对风电机组展开实时的数据信息预报。这样则可以有效地提升风能发电的效果，根据相关资料显示，风能发电可以掌握风速。这样就可以有效地改善风机的运转及发电效率。在这个过程中，实际上能维护风能发电的稳定性。电力企业要能运用该方法，对风力发电系统中的气象、风速等进行实时监测，以便于能够对风力发电系统进行预报，从而对其进行合理的调节。而在进行预测和监督的过程中也可以实现对风能发电的故障诊断，在诊断的过程中，主要是对设备运行状态所呈现的数据进行分析以及监控，这样则可以快速发现风能发电的问题，以便于及时地维修，从而促使风能发电可以达到最佳发电效率。因此，结合电气自动化技术进行预测和监督十分关键。

结语

太阳能光伏发电作为一种绿色、可持续的能源形式，拥有巨大的成长空间。然而，存在的产能过剩问题、较高的成本、环境污染的挑战、光伏技术的局限性以及并网发电的限制都是值得关注的重要议题。期待能够持续深入研究，推进行业技术进步，使得太阳能光伏技术得到更广泛的推广和使用。

参考文献

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[2]唐炜豪，李蔚.贫困地区分布式光伏电站并网发电系统应用研究[J].智能建筑电气技术，2024，18（03）：118-122.

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