胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

摘 要：闡述光伏發(fā)電系統(tǒng)運維中的問題和優(yōu)化措施，包括光伏組件的精細化運維、匯流箱無線通信技術的應用、光伏系統(tǒng)中的逆變器維護、改善調壓措施，從而保障光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠正常高效運行。

關鍵詞：光伏發(fā)電，匯流技術，逆變器，調壓措施

0 引言

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)實現由光能到電能的轉換，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)大致由光伏組件陣列、直流匯流箱、逆變器、升壓變壓器和高壓開關柜、繼電保護設備、通信設備等組成，其總體結構復雜且一般長時間帶電運行，運行中容易出現各種問題，所以需要對光伏發(fā)電系統(tǒng)運維情況進行分析，明確其薄弱點，采取針對性措施進行解決，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效安全穩(wěn)定運行。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)運維中的問題

光伏組件運維難的問題。光伏電站組件數量眾多，組件隱患不易被排查，其“帶病"運行和低效運行，將對電站造成不可估量的損失，依現場為依據，主要有以下幾個方面：（1）組件清洗不及時，西北春冬季風沙較大，組件表面浮沉不及時清理，將影響組件發(fā)電效率，減少項目收益。（2）近年，運維人員在光伏組件紅外測溫工作中，發(fā)現電站部分方陣所帶組件熱斑數量過多，較正常方陣逆變器功率及發(fā)電量對比，明顯低于其他方陣。同時經過現場檢查對比，單個組件出現上述狀況，將影響整個組串發(fā)電量，同時該類隱患具有不通過儀器不易發(fā)現的問題。

光伏電站匯流箱排查難的問題。就目前存量電站而言，建站時間長達10余年，匯流箱通信均采用RS485通信，依現場實際情況進行分析，大部分匯流箱通信模塊故障或通信線斷線，匯流箱在線監(jiān)控系統(tǒng)不能有效為電站運維人員提供準確的支路運行數據和故障信息，致使增加運維人員日常運維工作量，運維效率減低。

光伏電站逆變器運維中的難點。針對光伏電站發(fā)電系統(tǒng)單一，逆變器作為光伏電站主要的電能轉換設備，數量多、集成化高，且長時間帶電運行，加之高溫、灰塵堆積、檢修維護不到位等因素易造成電路板損壞、電容擊穿等故障，往往造成逆變器故障長時間停機。同時，因運維人員專業(yè)化技術水平不高，對逆變器故障不能及時處理，大多情況需設備廠家到站進行維護。其間，造成逆變器長時間停機，進而影響項目收益。

影響電能質量的問題。正常情況下光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網點并非穩(wěn)定狀態(tài)，電壓、電流會輻照度等因素而變動。例如對于潮流條件較為復雜的情況來說，光伏發(fā)電過程中若是產生反向電流的情況，就會造成傳輸功率的下降、負載電壓的上升，從而造成電壓發(fā)生偏移。光伏發(fā)電作為電網電源點之一，其發(fā)展趨勢會因多種因素隨時發(fā)生變化，自主性難以控制。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)運維優(yōu)化策略

光伏組件的精細化運維。（1）科學制定組件維護清洗計劃。為了保證光伏組件的正常高效運行，需要定期對其進行C底清潔，確保其對于太陽能的吸收能力。在清潔過程中要遵循相關規(guī)程，避免損壞組件。現階段較為常用的清洗方法包括人工清洗組件、人工水洗、工程車輛清洗、機器人清洗等等。其中人工清洗組件主要是利用水車高壓沖洗，此種方式更便于應用，但是一旦壓力控制不合適就會造成光伏組件的損壞。還有通過機器人清洗則可以充分發(fā)揮人工智能等信息技術的優(yōu)勢，可以實現更加復雜環(huán)境的作業(yè)，具有較高的效率，但需要增加具體操作的靈活性和高額的成本。所以要根據具體項目的特點及所處季節(jié)環(huán)境、自然災害等科學的制定出針對性的維護計劃和措施，程度確保光伏組件的正常高效運行。（2）熱斑現象的產生和避免。太陽能電池組件某部位被遮擋后長時間運營之后容易產生熱斑問題，一方面給會限制光伏設備吸收太陽輻射，嚴重限制光能的轉換，另一方面被遮擋處將會變?yōu)樨撦d消耗產生的電能，發(fā)熱導致電池組件產生不可逆的損壞，長此以往屏蔽層溫度也會較大上升，容易造成表層受到破壞而產生熱斑。為了能夠消除熱斑的問題，一方面要將覆蓋在組件表面附著物質C底清除掉，保持太陽能組件的清潔性，另一方面要對電池內部以及反向電流狀態(tài)進行充分了解，必要情況下可以對組件功能進行優(yōu)化，以數據統(tǒng)計為基礎，按照已統(tǒng)計低效組件數據統(tǒng)計表定位拆除匯流箱異常支路所帶全部光伏組件，然后將拆下的正常光伏組件集中安裝，接入同源匯流箱，確保匯流箱各支路發(fā)電能力平均高效；由于低效組件拆除后剩余的空余支架則換裝相同尺寸規(guī)格的組件接至同一匯流箱以實現核定上網容量，確保組件的有效工作。

匯流箱無線通信技術的應用。匯流箱是光伏電站電流匯集單元，匯流箱數據采集模塊監(jiān)視每個支路運行情況，所以匯流箱的通信是了解現場設備運行正常的關鍵所在，由于光伏發(fā)電項目占地面積廣，匯流箱往往數量多，每次全面排查耗時較長、效率低。出現匯流箱通信故障時若按原通信方式恢復匯流箱通信，通信模塊故障的需大量更換或維修通信模塊，通信線斷線的需要查找斷線點，進行重新接線，投入人力成本較大，如果現場重新敷設通信線不但有需要大量人力、物力投入還不能保證長時間可靠通信。所以，現場大面積出線通信斷線，可通過技改匯流箱無線通信，從而提高設備數據的可靠性，提高現場運維人員工作效率，深挖細查電站發(fā)電存量，提高站內整體發(fā)電量，增加電站收益。

光伏系統(tǒng)中的逆變器維護。對于光伏系統(tǒng)來說，逆變器是為主要的設備之一，其運行情況直接決定著整個光伏系統(tǒng)的正常運行，維護過程中要特別關注如下幾方面：（1）對于逆變器直流匯集接線端子進行定期維護，檢查各引線接頭接觸是否良好，接觸點是否發(fā)熱，有無燒傷痕跡，引線有無斷股、折斷現象，一旦發(fā)現存在以上情況要馬上處理或更換。（2）逆變器開始并網運行前對其狀態(tài)進行檢測，包括：電網相序、PV絕緣阻抗、直流電壓采樣、交流電壓采樣、接觸器狀態(tài)、霍爾電流傳感器等關鍵量。（3）保持電網電壓處于逆變器正常運行范圍，PV電壓處于規(guī)定范圍，以上兩者任意一項超出規(guī)定范圍逆變器將立即與電網斷開，防止設備損壞。（4）定期巡查設備運行參數、運行方式、開關位置等是否正確，確保室內通風良好，冷卻系統(tǒng)運轉正常，進風口濾網無堵塞現象，無異常振動、異常聲音和異常氣味。

改善調壓措施。光伏發(fā)電過程中要改善調壓設備，從而確保并網的有效性。電網電壓調節(jié)相對較為復雜，相關工作人員需要充分分析相應節(jié)點的具體特性以及實際運行情況，并且也要注意外部環(huán)境等方面的影響，以此為基礎制定針對性的發(fā)電策略。（1）可利用優(yōu)化負荷的方式來對系統(tǒng)電壓進行調節(jié)，避免出現過電壓的情況，在此過程中要對線路運行情況實施動態(tài)監(jiān)控，不斷對負荷進行優(yōu)化調整，通過多次迭代實現預期目標。（2）采用具備負載穩(wěn)壓性能的設備，如逆變器、升壓箱變等，確保其可以承載波動的電壓，從而保證滿運行要求。（3）裝設無功補償裝置，通過動態(tài)無功補償裝置設定恒電壓模式來保證系統(tǒng)電壓的滿足要求，從而確保電網的穩(wěn)定運行。

3 安科瑞提供分布式光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)解決方案

3.1 概述

“十四五"期間，隨著“雙碳"目標提出及逐步落實，本就呈現出較好發(fā)展勢頭的分布式光伏發(fā)展有望大幅提速。就“十四五"光伏發(fā)展規(guī)劃，發(fā)改委能源研究所可再生能源發(fā)展副主任陶冶表示，“雙碳"目標意味著產業(yè)結構的調整，未來10年，新能源裝機將保持在110GW以上的年增速，這里面包含集中式光伏電站和分布式光伏電站。相較于集中式電站來說，分布式對土地等自然資源沒有依賴，各個地方的屋頂就是分布式電站的形成基礎，在碳中和方案的可選項中，分布式光伏由于其靈活性必將被大力發(fā)展，目前已有河北、甘肅、安徽、浙江、陜西等9省發(fā)布關于分布式光伏整縣推進工作的通知。

目前我國的兩種分布式應用場景分別是：廣大農村屋頂的戶用光伏和工商業(yè)企業(yè)屋頂光伏，這兩類分布式光伏電站今年都發(fā)展迅速。

3.2 相關標準

根據電網Q/GDW1480-2015 《分布式電源接入電網技術規(guī)定》：分布式電源并網電壓等級可根據各并網點裝機容量進行初步選擇，如下：8kW及以下可接入220V；8kW~400kW可接入380V；400kW~6000kW可接入10kV；5000kW~30000kW以上可接入35kV。并網電壓等級應根據電網條件，通過技術經濟比選論證確定。若高低兩級電壓均具備接入條件，優(yōu)先采用低電壓等級接入。

Q/GDW1480-2015 《分布式電源接入電網技術規(guī)定》

GB/T 29319-2012 《光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網技術規(guī)定》

GB 50797-2012 《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》

Q/GDW1617-2015 《光伏電站接入電網技術規(guī)定》

JGJ203-2010 《民用建筑太陽能光伏系統(tǒng)應用技術規(guī)范》

3.3 解決方案

（1）交流220V并網

交流220V并網的光伏發(fā)電系統(tǒng)多用于居民屋頂光伏發(fā)電，裝機功率在8kW左右。戶用光伏電站今年發(fā)展非常迅猛，根據能源局網站提供的數據，截至2021年6月底，全國累計納入2021年財政補貼規(guī)模戶用光伏項目裝機容量為586.14萬千瓦，這相當于6個月在居民屋頂建造了四分之一個三峽水電站。

部分小型光伏電站為自發(fā)自用，余電不上網模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置，避免往電網輸送電能。光伏電站規(guī)模較小，而且比較分散，對于光伏電站的管理者來說，通過云平臺來管理此類光伏電站非常有必要，安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面：

（2）交流380V并網

根據電網Q/GDW1480-2015 《分布式電源接入電網技術規(guī)定》，8kW~400kW可380V并網，這類分布式光伏多為工商業(yè)企業(yè)屋頂光伏，自發(fā)自用，余電上網。分布式光伏接入配電網前，應明確計量點，計量點設置除應考慮產權分界點外，還應考慮分布式電源出口與用戶自用電線路處。每個計量點均應裝設雙向電能計量裝置，其設備配置和技術要求符合 DL/T 448 的相關規(guī)定，以及 相關標準、規(guī)程要求。電能表采用智能電能表，技術性能應滿足電網公司關于智能電能表的相關標準。用于結算和考核的分布式電源計量裝置，應安裝采集設備，接入用電信息采集系統(tǒng)，實現用電信息的遠程自動采集。

光伏陣列接入組串式光伏逆變器，或者通過匯流箱接入逆變器，然后接入企業(yè)380V電網，實現自發(fā)自用，余電上網。在380V并網點前需要安裝計量電表用于計量光伏發(fā)電量，同時在企業(yè)電網和公共電網連接處也需要安裝雙向計量電表，用于計量企業(yè)上網電量，數據均應上傳供電部門用電信息采集系統(tǒng)，用于光伏發(fā)電補貼和上網電量結算。

部分光伏電站并網點需要監(jiān)測并網點電能質量，包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等，需要安裝單獨的電能質量監(jiān)測裝置。部分光伏電站為自發(fā)自用，余電不上網模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置，避免往電網輸送電能。

這種并網模式單體光伏電站規(guī)模適中，可通過云平臺采用光伏發(fā)電數據和儲能系統(tǒng)運行數據，安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面：

（3）10kV或35kV并網

根據《能源局關于2019年風電、光伏發(fā)電項目建設有關事項通知》 （國發(fā)新能〔2019〕49號），對于需要補貼的新建工商業(yè)分布式光伏發(fā)電項目，需要滿足單點并網裝機容量小于6兆瓦且為非戶用的要求，支持在符合電網運行安全技術要求的前提下，通過內部多點接入配電系統(tǒng)。

此類分布式光伏裝機容量一般比較大，需要通過升壓變壓器升壓后接入電網。由于裝機容量較大，可能對公共電網造成比較大的干擾，因此供電部門對于此規(guī)模的分布式光伏電站穩(wěn)控系統(tǒng)、電能質量以及和調度的通信要求都比較高。

光伏電站并網點需要監(jiān)測并網點電能質量，包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等，需要安裝單獨的電能質量監(jiān)測裝置。

上圖為一個1MW分布式光伏電站的示意圖，光伏陣列接入光伏匯流箱，經過直流柜匯流后接入集中式逆變器(直流柜根據情況可不設置)，經過升壓變壓器升壓至10kV或35kV后并入中壓電網。由于光伏電站裝機容量比較大，涉及到的保護和測控設備比較多，主要如下表：

1. 系統(tǒng)功能設計

安科瑞電光伏電站監(jiān)控軟件采用Acrel-2000Z，是安科瑞電氣股份有限公司總結多年的開發(fā)、實踐經驗和大量的用戶需求而設計針對用戶配電系統(tǒng)和光伏電站的實時監(jiān)控系統(tǒng)。

1）軟件運行環(huán)境配置

服務器上安裝Windows7操作系統(tǒng)。

2）光伏電站電力監(jiān)控軟件架構

軟件采用C/S架構，實時采集光伏電站電流、電壓、日/月/年/累計發(fā)電量和氣象數據。

3）光伏電站電力監(jiān)控軟件功能

對光伏電站的整體信息進行監(jiān)控，采用圖形和數據的形式實時動態(tài)地展現電站概況、電站實時發(fā)電及發(fā)電統(tǒng)計信息。包括電站概括、環(huán)境參數、實時信息、發(fā)電量統(tǒng)計及發(fā)電量信息

通過主界面可以對光伏陣列現場環(huán)境進行實時監(jiān)測與顯示，如室外溫度值、風速、風向、光照強度等。

a）通過對電站內一次及二次配電網絡狀態(tài)的監(jiān)控，了解電站內各電氣設備的運行情況及狀態(tài)，并對電站的并網狀態(tài)、有/ 無功功率流向情況等進行實時監(jiān)控。

b）光伏組件分布監(jiān)控

能夠根據微逆變反應的數據顯示各組太陽能電池板的工作狀態(tài)（是否正常發(fā)電），根據組串式逆變器顯示各光伏組串輸出功率，分別計量兩種兩種逆變方式的發(fā)電量日發(fā)電量、日發(fā)電量曲線、月發(fā)電量柱狀圖、年發(fā)電量柱狀圖等，并對這兩種方式發(fā)電量進行對比。

c）逆變器監(jiān)控

組串式逆變器主要監(jiān)測指標包括：

直流電壓、直流電流、直流功率

交流電壓、交流電流

逆變器內溫度、時鐘

頻率、功率因數、當前發(fā)電功率

日發(fā)電量、累積發(fā)電量、累積CO2 減排量

電網電壓過高、電網電壓過低

電網頻率過高、電網頻率過低

直流電壓過高、直流電壓過低

逆變器過載、逆變器過熱、逆變器短路

散熱器過熱

逆變器孤島

DSP 故障、通訊故障等。

監(jiān)控系統(tǒng)可繪制顯示逆變器電壓—時間曲線、功率—時間曲線等，直流側輸入電流實時曲線、交流側逆變輸出電流曲線，并采集與顯示各逆變器日發(fā)電量等電參量；

d）交流匯流箱監(jiān)控

交流匯流箱主要監(jiān)測指標包括：

光伏組串輸出直流電壓、輸出直流電流、輸出直流功率

各路輸入總發(fā)電功率、總發(fā)電量

匯流箱輸出電流、匯流箱輸出電壓、匯流箱輸出功率

電流監(jiān)測允差報警

傳輸電纜/ 短路故障告警

空氣開關狀態(tài)、故障信息等

e）交流配電柜監(jiān)控

交流配電柜主要監(jiān)測指標包括：

光伏發(fā)電總輸出有功功率、無功功率

功率因數、電壓、電流

斷路器故障信息、防雷器狀態(tài)信息等

f）并網柜監(jiān)控

通過對并網柜的監(jiān)控，計量上網電量、內部用電量、電能質量、光伏發(fā)電系統(tǒng)有功和無功輸出、發(fā)電量、功率因數、并網點的電壓和頻率、注入系統(tǒng)的電等參數，計算碳減排量，并折算成標準煤，計算發(fā)電收益。

g）環(huán)境參數監(jiān)控

環(huán)境參數主要監(jiān)測指標包括：

日照輻射

風速、風向

環(huán)境溫度

太陽能電池板溫度等

對比實際微逆或幾種微逆輸出指導電池板需要清洗等信息。

h）歷史數據管理

監(jiān)控系統(tǒng)可針對光伏發(fā)電現場的各種事件進行記錄，如：通訊采集異常、開關變位、操作記錄等，時間記錄支持按類型查詢，并可對越限報警值進行更改設置；

i）日發(fā)電趨勢分析

系統(tǒng)提供了實時曲線和歷史趨勢兩種曲線分析界面，可以反映出每天24小時內光伏發(fā)電量與該日日照強度，環(huán)境溫度，風速等的波動情況。

j）故障報警

當電池板長時間輸出功率偏低進行故障指示，建議運維人員前往現場檢查是否有故障發(fā)生等；另外對于并網柜部分的主斷路器分合閘狀態(tài)進行監(jiān)視，當出現開關變位及時報警，提醒運維人員。

4結語

近些年隨著能源的需求不斷增加，面臨很多非可再生資源大量消耗和突出的環(huán)境污染問題，光伏發(fā)電等清潔能源的開發(fā)和應用不斷加快。為了光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠正常高效運行，需要對其進行定期的運維分析，明確問題所在，采取針對性措施進行優(yōu)化，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運行，進一步促進清潔能源的發(fā)展。

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