光伏電站發(fā)電單元的改造與升級

劉路　莊英軍

摘 要：隨著人類社會的不斷進步，傳統(tǒng)能源被不斷的消耗，同時也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題。為了減少環(huán)境的污染，保證能源的可持續(xù)利用，就必須改變現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)，重視新能源的開發(fā)和利用。從長遠(yuǎn)發(fā)展的角度看，可再生資源是人類未來的主要能源來源，因此，世界上很多國家都開始重視太陽能等新能源的開發(fā)利用。在這些可再生資源中，光伏發(fā)電的發(fā)展速度最快，而太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)成為可再生能源領(lǐng)域中繼風(fēng)力發(fā)電之后產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快、最大的產(chǎn)業(yè)。世界各國都非常重視太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國擁有豐富的太陽能資源，對太陽能的開采具有很大的優(yōu)勢，因此，太陽能光伏發(fā)電成為我國開發(fā)新能源的重要內(nèi)容。太陽能作為一種新型的可再生能源，近年來得到了廣泛的應(yīng)用，光伏并網(wǎng)技術(shù)成為有效利用太陽能發(fā)電的核心和關(guān)鍵。本文簡述了光伏發(fā)電的發(fā)展史，總結(jié)了中國近十年的光伏電站運行的概況，并分析了電站運維過程中的發(fā)電單元故障及其改造升級方案。

關(guān)鍵詞：光伏電站、逆變器、改造、升級

一、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介

太陽能是指太陽光照所輻射的能量。目前太陽能的利用主要有光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化轉(zhuǎn)化三種形式。太陽能光電轉(zhuǎn)換又分為光熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種，通常說的太陽能發(fā)電主要是指太陽能光伏發(fā)電。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用半導(dǎo)體的光生伏打效應(yīng)進行光電轉(zhuǎn)換的發(fā)電系統(tǒng)，其基本應(yīng)用形式主要分為獨立發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)兩大類。應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在航空航天、通訊系統(tǒng)、無電缺電地區(qū)和分布式發(fā)電、大型地面電站等。本文所講的光伏發(fā)電系統(tǒng)，即大規(guī)模民用級的光伏電站。一般的光伏電站主要是由光伏電池組件、匯流箱、逆變器和箱變組成。首先，通過光伏電池組件將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，其次，再利用匯流箱將直流電匯集輸入到逆變器，逆變器將直流電轉(zhuǎn)變成交流電，通過升壓箱變輸送到電網(wǎng)，同時逆變器還可以穩(wěn)定電壓，改善光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。可以看出，逆變器是整個系統(tǒng)中最關(guān)鍵一環(huán)，其穩(wěn)定性決定了光伏電站向電網(wǎng)發(fā)送的電能的數(shù)量與質(zhì)量，決定了整個電站的收益。

二、光伏并網(wǎng)逆變器發(fā)展簡介

自1954年第一塊實用光伏電池問世以來，太陽能光伏發(fā)電取得了長足的進步。由于1973年的石油危機和90年代的環(huán)境污染問題大大促進了太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展。20世紀(jì)90年代，隨著西班牙、德國、意大利等國對本國光伏產(chǎn)業(yè)的大力扶持，全球光伏逆變器銷量不斷增加，光伏逆變器進入一個快速增長的階段。美國、日本也具有雄厚的工業(yè)基礎(chǔ)和先進的半導(dǎo)體技術(shù)，他們在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣和自動控制設(shè)計方面具有很強的實力，依靠公司的品牌在光伏逆變器生產(chǎn)設(shè)計方面也具有很強的實力和競爭優(yōu)勢。國外主要逆變器廠商有：德國的SMA、KACO、奧地利的Fronius、加拿大的Power one等公司。進入21世紀(jì)后，隨著中國光伏市場的逐步發(fā)展，國外逆變器廠商陸續(xù)在中國設(shè)立辦事處，逐步搶占中國市場。

在中國，從20世紀(jì)80年代開始對光伏逆變器進行研究 和開發(fā)，由于終端市場啟動時間比較晚，國內(nèi)光伏逆變器廠商普遍規(guī)模較小，結(jié)構(gòu)、工藝、做工、性能穩(wěn)定性等指標(biāo)跟國外一流企業(yè)有一定的差距。 2009年7月21日，財政部、科技部、國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于實施金太陽示范工程的通知》，國家將以財政補助的方式推進國內(nèi)光伏電站的發(fā)展。這一政策極大地促進了國內(nèi)逆變器廠家的發(fā)展，因為國外廠商普遍存在成本高、交貨周期長等障礙，使得國內(nèi)廠商逐步占領(lǐng)了國外廠商在中國市場的份額。

經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)出現(xiàn)了較多知名的逆變器廠商，像合肥陽光、山東奧太、無錫上能、特變電工等，其生產(chǎn)的光伏逆變器無論是在工藝、做工，還是在電網(wǎng)友好性、穩(wěn)定性等方面均已接近國際知名廠商，而且售價遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于它們的價格，售后服務(wù)質(zhì)量高且及時。

三、近十年光伏電站的運維情況

光伏電站的設(shè)計壽命是25年，其中光伏組件和其他器件壽命應(yīng)該可以達(dá)到，逆變器作為光伏電站的核心器件，設(shè)計壽命也應(yīng)該達(dá)到25年。自2009年國家發(fā)布“金太陽”工程起，大大小小的光伏逆變器廠商如雨后春筍般出現(xiàn)，專業(yè)研究和開發(fā)光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的廠家并不多，導(dǎo)致“金太陽”工程的質(zhì)量也是有高有低。電站型光伏逆變器，其系統(tǒng)猶如一個獨立的“人”，包括主回路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通風(fēng)散熱系統(tǒng)，五大系統(tǒng)相輔相成，一個出問題會導(dǎo)致整個逆變器的故障。筆者從事光伏逆變器的研究已近7年，憑以往經(jīng)驗列出光伏逆變器運行過程中的較常見故障：①主回路中逆變模塊故障，逆變模塊由IGBT、散熱器、母排、直流支撐電容組成，某些廠商為了降低成本，IGBT數(shù)量減配，散熱器工藝不過關(guān)、母排本該是疊層母排，改換為正極銅排，負(fù)極銅排和絕緣片疊加在一起的低成本方案，母線支撐電容不使用壽命長的膜電容，反而用低成本的電解電容；②通風(fēng)散熱系統(tǒng)故障：因為內(nèi)部的IGBT模塊、濾波電抗器在逆變器運行過程中會產(chǎn)生大量的熱能，如果通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的不好，逆變器產(chǎn)生的熱能不能及時排出設(shè)備外部，將會使IGBT內(nèi)部芯片結(jié)溫過高，損壞IGBT。

四、逆變器升級改造綜述

筆者二人在以往的工作經(jīng)歷中整改升級了不下7家國內(nèi)外廠商電站型光伏逆變器，這些廠商都是因為成本問題宣布破產(chǎn)，導(dǎo)致售后服務(wù)停止。對于上述低成本的逆變模塊，采取的方案是IGBT模塊數(shù)量擴容，更換較高質(zhì)量的散熱器、疊層母排、薄膜電容組件，這樣在通風(fēng)系統(tǒng)良好的情況下，可以有效降低逆變單元的故障率，增加光伏電站收益；對于通風(fēng)散熱系統(tǒng)設(shè)計不良的逆變器，采取的措施是水冷系統(tǒng)改風(fēng)冷系統(tǒng)，風(fēng)冷系統(tǒng)升級改造，具體做法是設(shè)計獨立風(fēng)道，每個逆變單元單獨使用一個風(fēng)道，濾波電抗器作熱隔離處理，單獨設(shè)計散熱風(fēng)道。這樣作可以保證在不動土建的情況下，使用最低的成本來降低光伏逆變器的故障率。

五、總結(jié)

現(xiàn)在光伏行業(yè)競爭已經(jīng)進入白熱化，直接導(dǎo)致了光伏逆變器廠商的在市場占有率的重新洗牌，水冷光伏逆變器已經(jīng)完全退出中國市場，某些知名廠商宣布破產(chǎn)，更不要提2009年中國市場起步后發(fā)展起來的中小企業(yè)。因為當(dāng)時做出的質(zhì)保周期較長，在技術(shù)不過關(guān)、毛利率降低的情況下，很多企業(yè)由于成本問題無法維持自身設(shè)備的售后服務(wù)，這就造成了在光伏電站在壽命時限內(nèi)，存在無法發(fā)電的案列。光伏電站也在積極的處理，在不侵害廠商的權(quán)益前提下，可以向國內(nèi)知名廠商，像合肥陽光、山東奧太，尋求解決方案，對電站現(xiàn)有的逆變器進行改造升級，保證電站的最大收益。