光伏電站的優(yōu)化分析

孫濤

摘 要：托電公司光伏電站，采用不經(jīng)蓄電池儲能直流逆變后直接并入交流電網(wǎng)的運(yùn)行方式，其技術(shù)具有波動性大和間歇較長的特點(diǎn)。實(shí)際運(yùn)行中還存在電池板積塵、電纜漏電接地、回路元件故障等缺陷和隱患，所以，在光電轉(zhuǎn)換的發(fā)電過程及逆變并網(wǎng)的用電過程中存在能源利用率和轉(zhuǎn)化效率較低以及輸配電損耗較大等現(xiàn)象。本文通過總結(jié)光伏電站在運(yùn)行過程中的問題，對其如何實(shí)現(xiàn)優(yōu)化進(jìn)行簡單分析。

關(guān)鍵詞：光伏電站；優(yōu)化；轉(zhuǎn)化；損耗

中圖分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）11-0184-02

1 前言

光伏發(fā)電，是指將太陽光照中短波波長的光子所具有的高能量通過半導(dǎo)體多晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換所激發(fā)光生載流子被電極吸收形成光電流的能量轉(zhuǎn)化過程。在石化能源短缺、環(huán)境污染嚴(yán)重背景下，太陽能作為清潔可再生能源用于光伏發(fā)電的產(chǎn)業(yè)對于國家發(fā)展戰(zhàn)略上調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，有著舉足輕重的地位。

2 托電公司光伏電站簡介

托電公司在水源地自備水廠建有一座光伏電站，總裝機(jī)容量為10MWp，分為10個1MWp發(fā)電并網(wǎng)單元。每個單元2臺500kW并網(wǎng)逆變器，每個逆變器輸出315V三相交流電，通過該單元容量為1000kVA的升壓變壓升壓為6kV三相交流電，10個單元經(jīng)匯流箱五五并聯(lián)為兩路電源后，接至水廠6Kv A、B兩個工作段，至此并入廠用電網(wǎng)。

總共4萬多塊電池板分布布置于水廠平流池、排泥池岸邊，有的直接布置漂浮于平流池水面上。每塊電池板接受光照，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后不經(jīng)蓄電池儲能，將245Wp的電能經(jīng)匯流箱并聯(lián)送至并網(wǎng)逆變器，逆變器將450V-820V的直流電逆變?yōu)?15V的三相交流電，經(jīng)升壓變升至6kV高壓后，直接并網(wǎng)。

3 光伏電站運(yùn)行中的問題

3.1 積灰的問題

托電地處內(nèi)蒙古中西部地區(qū)，常年風(fēng)沙較大，降水較少，光伏電站積灰較多也是不爭的事實(shí)。電氣設(shè)備積灰對于光伏發(fā)電能效轉(zhuǎn)換是一個重要影響因素。

3.1.1 熱斑效應(yīng)

灰塵的組成包括土壤、巖石、動植物細(xì)屑等風(fēng)化顆粒及燃燒煙塵等，灰塵會遮蔽射達(dá)光伏電池板的光線，由于灰塵物理性質(zhì)有差異，且在電池板上分布不均勻，電池板因灰塵遮擋局部帶負(fù)電壓形成負(fù)載，伴隨光電流熱耗的增加，形成局部熱點(diǎn)，即熱斑效應(yīng)。這種效應(yīng)能破壞電池板，導(dǎo)致電池板功率輸出損失甚至永久性的開路失效，另外熱斑效應(yīng)造成的功率輸出不平衡容易使系統(tǒng)其他組件損壞，如逆變器功率單元或濾波器阻尼電阻等。

3.1.2 溫升效應(yīng)

灰塵與電池板導(dǎo)熱性差，灰塵的覆蓋會影響電池板表面的散熱，電池板本身由于電熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱耗溫度會升高，不良的散熱條件使光電轉(zhuǎn)換輸出變?nèi)酰瑢?dǎo)致系統(tǒng)的開路電壓降低，低于并網(wǎng)電壓時系統(tǒng)將跳閘脫網(wǎng)。不光電池板，逆變器的功率單元對于散熱的要求也很高，灰塵積聚于功率單元控制驅(qū)動板同樣也會因溫升效應(yīng)導(dǎo)致大功率器件散熱不良而燒損。

3.1.3 腐蝕效應(yīng)

具有酸堿性的灰塵，如托電的灰含硫含鋁量較高，電池板及設(shè)備電路板表面積灰，在潮氣環(huán)境下，將會發(fā)生酸堿鹽的電化腐蝕從而損壞電池板及設(shè)備電路板，這將使光電元件和功率元件短路或開路，造成能量的損耗甚至發(fā)生故障。

3.2 發(fā)電質(zhì)量及可靠性的問題

由于托電光伏電站采用不經(jīng)蓄電池儲能，直流逆變后直接并入交流電網(wǎng)的運(yùn)行方式，其技術(shù)具有波動性大和間歇較長的特點(diǎn)。在發(fā)電過程中容易產(chǎn)生諧波和三相不平衡電流等問題，從而造成系統(tǒng)電壓波動甚至閃變。由此，給光伏系統(tǒng)的發(fā)電質(zhì)量造成極強(qiáng)的不穩(wěn)定性影響，而且對光伏系統(tǒng)本身也產(chǎn)生威脅，從而引發(fā)跳閘脫網(wǎng)，影響電網(wǎng)可靠性。另外光伏系統(tǒng)本身電池板及線纜鋪設(shè)均處于露天環(huán)境，電池板支架、地基受風(fēng)的應(yīng)力、水土流失沉降等自然力作用發(fā)生變形甚至折斷，使電池板陣列角度、朝向、傾斜角等發(fā)生改變，甚至電池板發(fā)生破損，光電轉(zhuǎn)換的效率將隨之降低；大量的線纜直埋敷設(shè)與地下，且遠(yuǎn)距離情況下存在較多中間接頭，絕緣性能受地下潮濕環(huán)境影響很大，直流接地故障和電纜接頭短路故障會造成大量的電能損耗浪費(fèi)并帶來極大的維護(hù)工作量。

4 光伏電站的優(yōu)化

實(shí)踐證明，以上問題的存在，很大程度上影響著光伏發(fā)電的效率和質(zhì)量，不過，針對這些問題，光伏發(fā)電系統(tǒng)還有很多可以優(yōu)化的空間，以下分析的幾方面辦法和技術(shù)在實(shí)際中現(xiàn)實(shí)運(yùn)用，或可以達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。

4.1 清潔積灰，提高能量轉(zhuǎn)化效率

光伏電池板上積灰對于發(fā)電量的影響重大，尤其在低照輻度條件下，灰塵對發(fā)電量的影響更為明顯，據(jù)統(tǒng)計，電池板清潔后的發(fā)電單元比一個月未清潔電池板的發(fā)電單元，日均發(fā)電效率提高8%以上。粗略計算，10MWp的光伏電站，年發(fā)電量約為1600kWh，清潔后效率增加8%，則年均發(fā)電量可以增加128萬kWh電能，按年300天晴好推算，日均提高發(fā)電量4200kWh以上。按照托電煤耗指標(biāo)每千瓦時電能320g標(biāo)準(zhǔn)煤折算，有效清潔的10MWp光伏電站，年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤460噸，每年可減少碳氧化物和氮氧化物排放上千噸。另外，有效清潔電池板，降低灰塵的負(fù)面效應(yīng)影響，可以顯著提高電池板以及其他功率組件和濾波元件的使用壽命。

4.2 加強(qiáng)維護(hù)和技術(shù)改造，提高光伏電網(wǎng)可靠性

由于設(shè)計缺陷及施工質(zhì)量的問題，光伏電站露天建設(shè)，存在電池板支架變形基礎(chǔ)開焊沉降、電池板下枯草失火燒損電池板及線纜、直埋電纜直流接地、電纜中間頭受潮短路、功率單元過熱燒損、濾波器電阻電容電抗燒損、逆變回路過電壓保護(hù)器及交流接觸器燒損等等各種缺陷隱患，威脅著光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備的可靠安全。只有通過維護(hù)技術(shù)改造工作，致力于消除這些隱患和缺陷，才可以行之有效的降低光伏發(fā)電設(shè)備的損耗及故障，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行。

電池板作為電源應(yīng)屬重中之重，光伏電池板陣列的朝向及傾斜角直接關(guān)系到光照資源的最大化利用，所以必須定期檢查維護(hù)，電池板及其支架、基礎(chǔ)必須進(jìn)行可靠的緊固和焊接，個別還需調(diào)整支架以適應(yīng)基礎(chǔ)沉降，還有對于水上單元的光伏陣列，其浮板和地錨的加固應(yīng)格外提高標(biāo)準(zhǔn)。另外，電池板下方野生的雜草，在農(nóng)民燒荒或意外失火時會引發(fā)火災(zāi)，燒損大量電池板及線纜，必須定期進(jìn)行除草并清理雜物。

電纜作為輸電載體受電通道，線路損耗及故障不容忽視。直埋電纜破損造成直流接地查找困難，對于電能損耗及用電可靠性影響巨大。技改為橋架或槽盒架空鋪設(shè)，可以降低破損及受潮的影響，出現(xiàn)問題也容易維護(hù)檢修。對于高壓電纜中間接頭的電纜井，一方面加高井沿、做防水封堵及涂層治漏，另一方面還需定期檢查抽水，以防電纜井積水，積水浸泡電纜接頭，絕緣受潮，泄漏電流增大，介質(zhì)損耗增加，極易發(fā)生短路故障。

逆變器作為重要的功率轉(zhuǎn)化設(shè)備，其電力電子元器件較純粹的電力設(shè)備對運(yùn)行環(huán)境及參數(shù)的要求更為嚴(yán)苛，所以諸如灰塵對元件的散熱腐蝕影響、電壓電流波動、諧波干擾過濾等因素更加敏感，導(dǎo)致功率單元、過電壓保護(hù)器、濾波器阻尼電阻、交流接觸器等時常發(fā)生過壓過流損壞。針對現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況，維護(hù)方面就需要加強(qiáng)清掃和緊固，避免積灰散熱不良或腐蝕電路，并確?；芈穼?dǎo)電良好以免過熱；技改方面就是優(yōu)化元件的參數(shù)和性能，增加容量降低損耗，如降低阻尼電阻的阻值，減少其濾波電流的發(fā)熱量來避免其過熱燒損。

5 結(jié)語

除常規(guī)技術(shù)手段，通過優(yōu)化調(diào)節(jié)對光伏系統(tǒng)的控制來盡量克服自然因素以及分布式電源技術(shù)所帶來的負(fù)面影響，是目前國內(nèi)外對光伏發(fā)電運(yùn)用領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，例如通過研究光電轉(zhuǎn)換與光照輻射強(qiáng)度和溫度的關(guān)系跟蹤太陽能最大功率輸出工作點(diǎn)，實(shí)時控制光伏設(shè)備工作點(diǎn)來獲得最大功率輸出；再如優(yōu)化調(diào)度控制光伏出力與電網(wǎng)負(fù)荷，提高置信容量、合理無功補(bǔ)償、改善波動性，提高綜合資源利用降低綜合損耗；又如采用更高性能轉(zhuǎn)換技術(shù)，系統(tǒng)控制分布式電源多變換器集群統(tǒng)一協(xié)作，克服相互之間不利影響，通過優(yōu)化控制算法、元器件參數(shù)和脈寬調(diào)制驅(qū)動等實(shí)現(xiàn)諧波質(zhì)量的控制，提高能量轉(zhuǎn)化效率和電能質(zhì)量。這些方方面面的技術(shù)應(yīng)用不一而足，目前仍有許多技術(shù)處于理論分析階段，但隨著科學(xué)技術(shù)與時俱進(jìn)，光伏能源的利用必將得到更大的優(yōu)化，更加清潔和高效。