大型并網(wǎng)光伏電站檢測(cè)結(jié)果分析

中檢集團(tuán)南方電子產(chǎn)品測(cè)試(深圳)有限公司 ■ 連乾鈞 王健全

一 引言

隨著常規(guī)化石能源日益衰竭，尋找新的替代能源成為世界性問題。自進(jìn)入20世紀(jì)以來，世界各國(guó)把發(fā)展清潔能源作為本國(guó)可持續(xù)發(fā)展的重要實(shí)施戰(zhàn)略。隨著我國(guó)科技的發(fā)展，風(fēng)能、太陽能、生物能、核能等一系列新型能源開始大規(guī)模的應(yīng)用，在一定程度上改變了固有能源的消費(fèi)格局。太陽能產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展下，我國(guó)已成為世界上最大的光伏組件生產(chǎn)國(guó)，但是光伏產(chǎn)品主要用于出口，國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電裝機(jī)總量所占比例非常小。2007年我國(guó)能源比例如圖1所示。

圖1 2007年我國(guó)能源比例

自2011年以來，我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)面臨著前所未有的危機(jī)，盲目的光伏投資熱潮使國(guó)內(nèi)產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，產(chǎn)品消費(fèi)過度依賴國(guó)外市場(chǎng)，美國(guó)及歐洲的雙反調(diào)查使我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)入寒冬期，眾多中小企業(yè)倒閉，光伏巨頭也瀕臨破產(chǎn)。

為了進(jìn)一步促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展，我國(guó)相繼出臺(tái)了一系列光伏補(bǔ)貼政策，包括大力推進(jìn)分布式光伏發(fā)電、推動(dòng)國(guó)內(nèi)應(yīng)用、減少對(duì)出口的依賴、完善上網(wǎng)電價(jià)定價(jià)機(jī)制、加大政府專項(xiàng)補(bǔ)貼、健全市場(chǎng)化機(jī)制等。相關(guān)政策的出臺(tái)表明我國(guó)政府對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)扶持的決心，在促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)調(diào)整的同時(shí)，加大國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電的應(yīng)用。因此在未來一段時(shí)間內(nèi)，國(guó)內(nèi)將掀起光伏建設(shè)的熱潮。

大型光伏并網(wǎng)電站是我國(guó)光伏產(chǎn)品的主要應(yīng)用方式之一。針對(duì)已并網(wǎng)發(fā)電的光伏電站測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，光伏電站存在一系列的問題，嚴(yán)重影響電站的發(fā)電量和使用壽命，不僅影響光伏電站的社會(huì)效應(yīng)，還會(huì)直接影響到電站業(yè)主的經(jīng)濟(jì)收益。筆者結(jié)合近年來對(duì)我國(guó)大型荒漠光伏并網(wǎng)電站的測(cè)試情況，總結(jié)了目前光伏電站普遍存在的問題，以供相關(guān)人員參考。

二 光伏電站的基本組成

光伏電站主要由光伏組件、匯流箱、逆變器、升壓變壓器、監(jiān)控系統(tǒng)等組成。通過將一定數(shù)量的光伏組件串聯(lián)連接成光伏組串，并將之引入到匯流箱，再由匯流箱輸出接入逆變器，由逆變器進(jìn)行直/交流轉(zhuǎn)換，經(jīng)變壓器升壓后接入電網(wǎng)。由于大型光伏電站建設(shè)周期長(zhǎng)、規(guī)模大，為了便于管理維護(hù)，一般大型光伏電站分模塊化規(guī)劃管理，較常見的是將1MW光伏陣列劃分為一個(gè)基本發(fā)電單元。

三 主要檢測(cè)對(duì)象及檢測(cè)內(nèi)容

1 光伏組件

光伏組件是直接將太陽能轉(zhuǎn)化成電能的元件，是光伏電站最重要的組成部分。光伏組件的性能和使用壽命直接影響到電站的發(fā)電效率和發(fā)電量，對(duì)光伏組件的檢測(cè)涉及到組件的最大輸出功率、絕緣性及隱裂等測(cè)試。

2 光伏陣列

通過將一定數(shù)量的組件固定在安裝支架上，將光伏組件按照串/并模式連接后輸出至匯流箱輸入端。安裝支架的主要作用是支撐組件按照一定角度接受陽光照射，目前較主流的安裝支架包括固定式、單軸跟蹤式、雙軸跟蹤式。

3 匯流箱

匯流箱的主要功能是將地理位置分散的光伏陣列輸出電量匯集在一起后接入逆變器中，在光伏電站中起到銜接的作用，即將光伏陣列的輸出電量送至逆變器的輸入端。因此針對(duì)匯流箱，主要的檢測(cè)項(xiàng)目是排查匯流箱的分路故障和通信暢通，同時(shí)還要考慮使用的安全性能。

4 逆變器

逆變器的主要功能是將光伏組件發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，同時(shí)還要保證交流輸出的電能質(zhì)量符合電網(wǎng)公司的并網(wǎng)要求。逆變器采用的MPPT追蹤算法，轉(zhuǎn)換效率也會(huì)影響到光伏組件的發(fā)電效率，因此在對(duì)逆變器檢測(cè)時(shí)，不僅需要對(duì)逆變器的電能質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)分析，還應(yīng)對(duì)逆變器的MPPT追蹤精度及逆變器的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行測(cè)試。

5 升壓變壓器

升壓變壓器的主要作用是將逆變器輸出的電壓升至電網(wǎng)接入需要的電壓。相對(duì)光伏電站的其他元件，升壓變壓器的制作技術(shù)相對(duì)成熟，性能也較穩(wěn)定，主要對(duì)其效率測(cè)試即可。

四 常見現(xiàn)象及分析

1 光伏組件輸出功率嚴(yán)重衰減

通過對(duì)并網(wǎng)一段時(shí)間的電站進(jìn)行測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，組件輸出功率出現(xiàn)較大衰減，造成組件衰減的原因較多，包括：

(1)組件的電池片品質(zhì)差，經(jīng)過長(zhǎng)期使用后，缺陷擴(kuò)大，在電池片內(nèi)部形成新的復(fù)合中心，導(dǎo)致電池片的轉(zhuǎn)換效率降低；

(2)不良組件供應(yīng)商以次充好，組件的實(shí)際輸出功率達(dá)不到組件標(biāo)稱的額定功率；

(3)組件封裝材料不能滿足組件長(zhǎng)期耐候性要求，在長(zhǎng)期使用后，封裝材料出現(xiàn)老化，特別是聚合物類材料，如組件封裝使用的EVA材料，在室外長(zhǎng)期老化作用下，自身降解產(chǎn)生色變?cè)兀瑢?dǎo)致組件的透光率降低，使組件的受光強(qiáng)度降低，進(jìn)而導(dǎo)致組件的整體輸出降低；

(4)組件存在失效電池片，主要是體現(xiàn)在電池片的隱裂。以并網(wǎng)2年的電站為例，組件功率出現(xiàn)大幅度衰減(見表1)，經(jīng)排查，組件出現(xiàn)大量隱裂和破碎的電池片，如圖2所示。

表1 功率對(duì)比表

圖2 組件隱裂照片

2 熱斑現(xiàn)象

當(dāng)組件受到局部遮擋或組件電池片電流出現(xiàn)較大失配時(shí)，被遮擋或電流失配的電池片會(huì)產(chǎn)生反向偏壓，導(dǎo)致該電池片消耗其他電池片所產(chǎn)生的電能，使整個(gè)組件輸出功率降低，甚至沒有輸出。問題電池片在消耗電能的同時(shí)產(chǎn)生熱量，組件產(chǎn)生的電能越高，問題電池片產(chǎn)生的溫度就越高，溫度過高可燒穿電池片，甚至導(dǎo)致組件著火。組件生產(chǎn)商為了降低熱斑的嚴(yán)重后果，一般會(huì)并聯(lián)一定數(shù)量的旁路二極管，以降低熱斑效應(yīng)對(duì)組件的影響。

圖3 組件的熱斑發(fā)熱現(xiàn)象

圖4 電池片破裂導(dǎo)致熱斑現(xiàn)象

從對(duì)以往光伏電站檢測(cè)的結(jié)果來看，熱斑是電站普遍存在的現(xiàn)象。熱斑產(chǎn)生的原因大致有：組件表面有遮擋；組件電池片部分失效；組件出廠時(shí)，電池片錯(cuò)檔搭配，導(dǎo)致電流輸出失配；組件制作工藝控制不當(dāng)，導(dǎo)致組件電池片輸出差異。

熱斑的危害不僅使組件出現(xiàn)局部過熱，發(fā)生熱斑的電池片產(chǎn)生的反向偏壓也會(huì)導(dǎo)致旁路二極管的導(dǎo)通，繼而引起組件單電池串的短路，即發(fā)生熱斑的電池串不參與組件的功率輸出。筆者在相同的測(cè)試條件下對(duì)發(fā)生熱斑的組件和正常工作的組件進(jìn)行測(cè)試后對(duì)比分析：發(fā)生熱斑的組件要比正常工作時(shí)的組件功率下降了13%，填充因子下降了10%。從圖5所示兩者的I-V曲線上來看，發(fā)生熱斑組件在其最大功率點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。

表2 組件功率對(duì)比

由于組件是串聯(lián)成支路接入?yún)R流箱的，根據(jù)串聯(lián)電路的工作原理，支路最終輸出的工作電流由所在串聯(lián)電路中組件最小輸出電流決定，因此熱斑效應(yīng)不僅造成組件的輸出功率降低，同時(shí)也降低了支路的輸出功率。

圖5 組件I-V曲線

據(jù)筆者對(duì)西北某大型電站進(jìn)行檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，電站約有10%的光伏陣列存在熱斑效應(yīng)，已嚴(yán)重影響電站的發(fā)電量。

這里需要說明的是，并不是組件表面有了遮擋一定會(huì)產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象，熱斑現(xiàn)象的產(chǎn)生需要電池片產(chǎn)生反向偏壓，當(dāng)受遮擋或失效的電池片所產(chǎn)生的短路電流小于組件產(chǎn)生的工作電流時(shí)才會(huì)產(chǎn)生熱斑效應(yīng)。

3 光伏陣列遮擋

設(shè)計(jì)光伏陣列的間距需要考慮到電站所處的地理位置，包括經(jīng)緯度等信息，設(shè)計(jì)原則考慮到太陽照射角度及太陽運(yùn)行規(guī)律，一般需要滿足在冬至?xí)r節(jié)09:00～15:00間沒有遮擋。但由于后期施工不當(dāng)，或電站固有的建筑物造成組件有遮擋。

對(duì)遮擋組件進(jìn)行檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，組件表現(xiàn)為熱斑現(xiàn)象，組件局部有發(fā)熱。

圖8 遮擋組件的I-V曲線

4 組件表面灰塵

大型光伏電站多集中在我國(guó)西北地區(qū)，西北地區(qū)多為溫帶大陸性氣候，常年干燥，多有揚(yáng)沙天氣，如不及時(shí)清洗組件表面會(huì)積累較多塵土，不僅影響組件的透光率，嚴(yán)重者還會(huì)造成組件熱斑現(xiàn)象。由于灰塵的堆積無規(guī)則性，組件受灰塵影響程度不一致，造成組件的輸出差異，最終會(huì)影響到匯流箱之間的輸出差異，繼而影響到逆變器的MPPT追蹤精度。筆者對(duì)相同組件污漬和清潔后進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)重灰塵的遮擋會(huì)對(duì)組件輸出功率造成較大影響。

表3 表面污漬對(duì)組件輸出功率的影響

5 光伏陣列的并聯(lián)損耗

光伏電站通常會(huì)將若干個(gè)光伏組串并聯(lián)后輸出至逆變器的輸入端，根據(jù)匯流箱設(shè)計(jì)的不同，每個(gè)匯流箱會(huì)由6支路、8支路、10支路等不同規(guī)格的組串并聯(lián)組成。按照理想情況，匯流箱的整體輸出應(yīng)為所屬各支路之和，但是由于組件存在個(gè)體輸出差異性，同時(shí)由于光伏陣列位置布局造成的線損差異等因素的影響，使整體匯流箱的輸出小于各支路之和。并聯(lián)損耗越大，就意味著越多的功率損耗在陣列上。

通過對(duì)不同并網(wǎng)時(shí)間和不同設(shè)計(jì)方案的光伏電站對(duì)比測(cè)試發(fā)現(xiàn)，并聯(lián)損耗最高的可達(dá)20%，最低的可達(dá)到2%。

造成并聯(lián)損耗過大的原因除了組件自身差異性外，還包括：組件表面的臟污，相同組串的組件存在不同臟污程度，加劇組件的輸出差異；在組件安裝期間，沒有考慮將輸出相近的組件組成同一組串；陣列存在故障組件；陣列組件存在局部遮擋。

為了減小并聯(lián)損耗，除了在組件安裝期間按照輸出性能相近組件安裝同一組串外，還需要電站維護(hù)人員加強(qiáng)對(duì)電站的日常維護(hù)，保證組件的表面清潔，及時(shí)更換故障組件，保證組串的一致性。

6 匯流箱分路故障

匯流箱技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單成熟，造成分路故障的原因主要為人為故障和設(shè)備故障。

比較常見的人為因素包括：工程施工期間，線路連接故障，包括連接點(diǎn)的松動(dòng)、接觸不良，甚至正負(fù)極短接等現(xiàn)象；組串短路；組件間連接失效。

常見設(shè)備故障包括：熔斷器故障斷路；連接線故障斷路；隔離開關(guān)失效。

及時(shí)排查匯流箱的分路故障不僅可以提高電站正常運(yùn)行效率，還可以避免因短路造成的安全隱患。

7 匯流箱存在的其他問題

因匯流箱長(zhǎng)期置于室外，應(yīng)具備良好的防水、防雷擊等性能。但因光伏產(chǎn)業(yè)的惡性競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致產(chǎn)品價(jià)格降低，為了降低生產(chǎn)成本，一些不良供應(yīng)商采用較差材料或簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性存在較大隱患。

8 逆變器的發(fā)電質(zhì)量

逆變器的發(fā)電質(zhì)量直接關(guān)系到電站的并網(wǎng)效果，電網(wǎng)公司為了減小光伏電站對(duì)電網(wǎng)的沖擊，對(duì)電能質(zhì)量有較為嚴(yán)格的要求。相對(duì)光伏組件而言，光伏電站采用逆變器數(shù)量較少（一般采用500kW的規(guī)格），技術(shù)相對(duì)成熟，逆變器的故障主要體現(xiàn)在諧波分量、電壓不平衡度等不能滿足并網(wǎng)要求。

9 發(fā)電量差異

大型光伏電站一般設(shè)有監(jiān)控室，維護(hù)人員可以通過在監(jiān)控室的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來掌握電站實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。監(jiān)控設(shè)備一般是通過上傳逆變器的發(fā)電量數(shù)據(jù)來達(dá)到監(jiān)控的目的，而通過筆者對(duì)某些電站的檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，逆變器自身發(fā)電量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)有較大差異。如果沒有及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，電站的實(shí)際發(fā)電量與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生較大差異，使電站維護(hù)人員無法得到準(zhǔn)確的發(fā)電量數(shù)據(jù)，無法了解電站的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。

10 逆變器的MPPT追蹤精度

逆變器MPPT追蹤算法的合理性直接影響光伏組件的發(fā)電效率，同時(shí)逆變器的MPPT追蹤精度也會(huì)受到前端組件的影響，可以說兩者是相互作用相互影響的關(guān)系。通過對(duì)不同電站的測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，逆變器MPPT追蹤精度的差異可導(dǎo)致電站2%～3%的效率損失。通過優(yōu)化逆變器算法，在一定程度上可以提高電站的整體效率。

11 其他不規(guī)范現(xiàn)象

(1)電站基礎(chǔ)工程建設(shè)不規(guī)范，使組件陣列的支架在長(zhǎng)期使用后出現(xiàn)傾斜，造成組件受光面不平行(圖9)，以致組件間的受光強(qiáng)度有差異，最終會(huì)影響組件功率輸出的差異。

圖9 光伏陣列平面傾斜

(2)支架的基礎(chǔ)土建埋深不夠，支架土埋部分經(jīng)泥沙流失后，基礎(chǔ)支架露出地面(圖10)，造成整體支架不穩(wěn)定，增加組件使用隱患。

圖10 基礎(chǔ)支架露出地面

(3)組件不規(guī)范安裝。組件的安裝方式一般可通過機(jī)械載荷等測(cè)試論證，組件安裝期間，要按照組件供應(yīng)商提供的標(biāo)準(zhǔn)安裝方式進(jìn)行規(guī)范安裝。不規(guī)范的安裝表現(xiàn)方式為：不在標(biāo)準(zhǔn)安裝位置進(jìn)行安裝，使組件抗壓能力下降，造成組件邊框的變形甚至造成組件破裂（圖11）；安裝所用螺栓或壓塊沒有鎖緊，組件在風(fēng)力較大且風(fēng)向異常天氣時(shí)，容易造成組件邊框安裝位置的金屬疲勞，造成邊框變形或直接破損。

圖11 組件安裝孔破裂

五 小結(jié)

從對(duì)多個(gè)大型并網(wǎng)光伏電站的檢測(cè)結(jié)果來看，電站在運(yùn)營(yíng)過程中存在較多問題。這些問題已嚴(yán)重影響到電站的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，包括人為因素、環(huán)境因素、電站關(guān)鍵設(shè)備的產(chǎn)品品質(zhì)因素等。

對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，有很多制約因素是可以避免或改善的。通過加強(qiáng)對(duì)光伏組件、逆變器、匯流箱等光伏電站主要運(yùn)營(yíng)設(shè)備的質(zhì)量監(jiān)控，保證光伏電站所使用運(yùn)行設(shè)備的品質(zhì)；在電站建設(shè)期間，規(guī)范安裝組件過程，禁止野蠻安裝和不規(guī)范的二次運(yùn)輸，最大限度保證運(yùn)營(yíng)設(shè)備的可靠性，同時(shí)對(duì)施工土建進(jìn)行科學(xué)有效地設(shè)計(jì)和施工，保證基礎(chǔ)土建能滿足組件長(zhǎng)期使用的要求；加強(qiáng)對(duì)電站的日常維護(hù)，特別是對(duì)線路故障的排查及對(duì)組件異常情況的及時(shí)處理，保證電站的有效運(yùn)營(yíng)，可定階段對(duì)電站進(jìn)行全面復(fù)查，排除隱患，提高發(fā)電量。

大型光伏電站投資大，資金回收周期長(zhǎng)，保證光伏電站的預(yù)期發(fā)電量不僅關(guān)乎電站業(yè)主的直接經(jīng)濟(jì)利益，還關(guān)乎到投資人對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的認(rèn)識(shí)。因此在我們把更多關(guān)注目光放在國(guó)內(nèi)裝機(jī)規(guī)模的同時(shí)，更應(yīng)該專注于如何保證電站的有效運(yùn)營(yíng)和提高發(fā)電效率。