太陽能光伏陣列出力異常的分析和處理

鄭德國

浙江大唐國際江山新城熱電有限責(zé)任公司 浙江江山 324100

1 分析背景

太陽能作為新能源和可再生能源,因清潔環(huán)保、永不衰竭的特點(diǎn),受到世界各國的青睞,目前正迅速發(fā)展[1-3]。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是利用半導(dǎo)體材料發(fā)光產(chǎn)生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電技術(shù),發(fā)電過程簡單,不消耗燃料,潔凈無污染。光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)對(duì)于節(jié)約常規(guī)能源和保護(hù)自然環(huán)境而言有重要意義。

光伏電站的工作環(huán)境比較惡劣,導(dǎo)致各種異常工況和故障頻發(fā),如光伏組件設(shè)備故障、光伏陣列老化損壞、光伏陣列熱斑現(xiàn)象等。光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生異常工況和故障,可能導(dǎo)致輸出功率降低,影響整個(gè)光伏系統(tǒng)的安全性和發(fā)電效益。為進(jìn)一步拓展太陽能發(fā)電空間,需要對(duì)光伏設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和運(yùn)行工況進(jìn)行分析,及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常工況和故障,確認(rèn)影響光伏發(fā)電效率的因素,采取針對(duì)性措施,在保證設(shè)備安全運(yùn)行的前提下,提高太陽能發(fā)電效率,取得最佳經(jīng)濟(jì)效益[4]。

筆者對(duì)太陽能光伏陣列出力異常數(shù)據(jù)和電流下降原因進(jìn)行分析,并提出解決方案。

2 正常運(yùn)行數(shù)據(jù)

江山公司屋頂光伏項(xiàng)目總裝機(jī)峰值容量為1 MW,采用峰值功率為315 W的單晶硅太陽能電池板,共計(jì)布置3 180塊。屋頂光伏共有18個(gè)光伏陣列和18個(gè)逆變器,18個(gè)逆變器中,11個(gè)容量為60 kW,五個(gè)容量為40 kW,兩個(gè)容量為50 kW。每六個(gè)光伏陣列并聯(lián)組成一個(gè)光伏發(fā)電單元,共計(jì)三個(gè)光伏發(fā)電單元。每個(gè)光伏發(fā)電單元通過380 V光伏并網(wǎng)柜接入廠用電380 V母線,并網(wǎng)點(diǎn)分別為1號(hào)機(jī)組380 V工作1B段、化水380V工作B段、生活區(qū)380 V工作B段。江山公司屋頂光伏項(xiàng)目自投產(chǎn)以來,通過對(duì)光伏發(fā)電設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,得到各逆變器轉(zhuǎn)換效率在95%～98%之間,單晶硅太陽能電池板轉(zhuǎn)換效率為17%左右。在晴天光照充足的條件下,各逆變器輸出功率曲線呈拋物線狀,如圖1所示。

圖1 正常逆變器輸出功率曲線

3 異常運(yùn)行數(shù)據(jù)

通過對(duì)各逆變器運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在晴天光照充足的時(shí)間段(11:00至15:00),1號(hào)燃機(jī)房和檢修樓逆變器輸出功率曲線有別于正常逆變器輸出功率曲線,呈頂部有U形缺口的拋物線狀,如圖2所示。損失功率瞬時(shí)值為17 kW左右,約為正常值的1/3。

圖2 異常逆變器輸出功率曲線

4 異常數(shù)據(jù)分析

為查找上述逆變器發(fā)電功率突降的原因,以1號(hào)燃機(jī)房逆變器運(yùn)行數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析,解決太陽能光伏陣列出力異常問題。

1號(hào)燃機(jī)房屋頂單晶硅太陽能電池板總計(jì)235塊,采用的逆變器功率為60 kW。逆變器輸入支路共12路,分為四個(gè)接入模塊——PV1、PV2、PV3、PV4。1號(hào)燃機(jī)房逆變器共有十路光伏發(fā)電支路,其中PV1接三路光伏發(fā)電支路,PV2接三路光伏發(fā)電支路,PV3接三路光伏發(fā)電支路,PV4接一路光伏發(fā)電支路。1號(hào)燃機(jī)房逆變器輸入電壓和電流曲線如圖3所示。

圖3 異常逆變器輸入電壓和電流曲線

白天,天氣晴朗無云,環(huán)境溫度為15 ℃,1號(hào)燃機(jī)房逆變器各支路從 6:37開始發(fā)電。隨著光照強(qiáng)度的增大,逆變器各支路輸入電壓和電流上升,各支路輸入電壓和電流在10:53上升至逆變器輸出功率突降前的峰值。

10:53至14:24時(shí)間段,隨著光照強(qiáng)度的逐漸增大,1號(hào)燃機(jī)房逆變器各支路輸入電壓繼續(xù)上升,升至865 V左右保持不變,但逆變器各支路輸入電流開始下降,部分支路輸入電流甚至降為零,逆變器輸出功率也開始下降。

14:24開始,1號(hào)燃機(jī)房逆變器各支路輸入電壓開始下降,各支路輸入電流開始恢復(fù)。14:53,逆變器各支路輸入電流開始上升至逆變器輸出功率降低前水平,同時(shí)逆變器輸出功率上升。之后隨著光照強(qiáng)度的減小,逆變器各支路輸入電壓和電流,以及逆變器輸出功率同時(shí)下降。

對(duì)逆變器各支路輸入電壓和電流曲線進(jìn)行分析,在天氣晴朗、光照強(qiáng)度大的條件下,1號(hào)燃機(jī)房逆變器各支路輸入電壓曲線全天隨光照強(qiáng)度的變化而呈拋物線狀,輸入電流曲線全天隨光照強(qiáng)度的變化而呈頂部有U形缺口的拋物線狀?？梢?1號(hào)燃機(jī)房逆變器輸出功率下降與各支路輸入電流下降有關(guān)聯(lián)。

5 電流下降原因分析

逆變器各支路輸入電流下降的常見原因有外部光照強(qiáng)度變化、單晶硅太陽能電池板異常、支路線路故障、逆變器本身問題等[5],以下分別對(duì)上述原因進(jìn)行分析。

5.1 外部因素

對(duì)1號(hào)燃機(jī)房逆變器輸出功率歷史曲線和歷史天氣情況進(jìn)行分析,逆變器輸出功率曲線突降一般發(fā)生在晴天陽光充足的11:00至15:00時(shí)間段,此時(shí)段光照強(qiáng)度為一天中最大。在此時(shí)段,天空云層較少或沒有,可排除因云層遮擋太陽光而使單晶硅太陽能電池板輸出電流下降的可能性。對(duì)1號(hào)燃機(jī)房單晶硅太陽能電池板表面進(jìn)行檢查,表面清潔且無雜物。1號(hào)燃機(jī)房頂單晶硅太陽能電池板位置較高,且周圍環(huán)境空曠,單晶硅太陽能電池板表面無受其它建筑物遮擋而產(chǎn)生的陰影[6],均能正常吸收太陽光,因此排除逆變器各支路輸入電流下降受光照強(qiáng)度變化影響的可能性。

5.2 設(shè)備因素

對(duì)1號(hào)燃機(jī)房單晶硅太陽能電池板及線路進(jìn)行檢查,外觀上無破碎現(xiàn)象,也無熱斑現(xiàn)象[7],單晶硅太陽能電池板運(yùn)行正常。對(duì)各支路線路和接頭進(jìn)行檢查,各支路電纜無破損和斷開情況,各線路連接器接頭連接正常。對(duì)各支路線路進(jìn)行檢測(cè),無開路和接地現(xiàn)象。對(duì)各支路保險(xiǎn)進(jìn)行檢查和測(cè)量,各支路正負(fù)極保險(xiǎn)均未熔斷。由此排除逆變器各支路輸入電流下降是受設(shè)備異常因素影響的可能性。

5.3 電池片內(nèi)部損壞

單晶硅太陽能電池板電池片內(nèi)部質(zhì)量問題可能引起單晶硅太陽能電池板輸出電流下降,如電池片存在裂紋、破碎、局部短路,鍍錫銅帶開焊、斷裂,局部雜質(zhì)含量過高等[8]。當(dāng)存在上述缺陷時(shí),電池片會(huì)變成負(fù)載,被其它電池片反向充電。當(dāng)故障電池片增多時(shí),會(huì)在同一最大功率點(diǎn)跟蹤控制支路中引起倒掛現(xiàn)象,電壓高的支路會(huì)向電壓低的支路充電,充電支路的電流保持不變或略有下降,而被充電的支路電流下降,甚至可能為負(fù),并且不會(huì)恢復(fù)。分析1號(hào)燃機(jī)房逆變器各支路運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線,逆變器同一最大功率點(diǎn)跟蹤控制的各支路電流同時(shí)變化,電流曲線為先升高再降低最后恢復(fù),由此可以排除逆變器各支路電流下降是受電池片內(nèi)部損壞影響的可能性。

5.4 逆變器

逆變器主要由前級(jí)的直流-直流變換器和后級(jí)的直流-交流逆變器組成,這兩部分通過直流母線相連接[9]。前級(jí)的直流-直流變換器將單晶硅太陽能電池板輸送的電能變換為400 V直流電,后級(jí)的直流-交流逆變器將直流母線上的直流電轉(zhuǎn)換為正弦交流電。逆變器控制系統(tǒng)保證并網(wǎng)逆變器輸出的交流電與電網(wǎng)的交流電電壓、頻率、相位相同[10]。逆變器原理框圖如圖4所示。

圖4 逆變器原理框圖

直流-直流變換器需要完成跟蹤最大功率點(diǎn)并監(jiān)控直流母線的電壓。經(jīng)過最大功率點(diǎn)跟蹤控制,對(duì)參考電壓和單晶硅太陽能電池板實(shí)際電壓進(jìn)行比較,誤差經(jīng)過比例積分調(diào)節(jié)后,用于產(chǎn)生脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)波形。其中,直流母線檢測(cè)電壓閉環(huán)回路只有在直流母線電壓高于上限電壓設(shè)定值時(shí)才起作用,目的是防止直流母線電壓過高而損壞主電路器件[11-12]。換言之,當(dāng)直流母線電壓高于上限電壓設(shè)定值時(shí),要求控制器迅速減小單晶硅太陽能電池板的輸出電流,從而降低輸出功率,則直流母線傳輸?shù)墓β氏陆?最終使直流母線的電壓下降。直流-直流變換器控制流程如圖5所示。

圖5 直流-直流變換器控制流程

天氣晴朗的11:00至15:00時(shí)間段是一天中光照強(qiáng)度最大的時(shí)間段,這一時(shí)間段內(nèi)1號(hào)燃機(jī)房逆變器各支路輸入電壓最高約為865 V,而逆變器的輸入電壓工作范圍為250～800 V,由此造成直流母線電壓超壓。為保證直流母線電壓穩(wěn)定,控制器迅速減小逆變器各支路的輸入電流,從而降低逆變器的輸出功率。待光照強(qiáng)度減小后,逆變器各支路輸入電壓下降至正常值,直流母線電壓不再超壓,控制器增大各支路的輸入電流,逆變器的輸出功率進(jìn)而上升。

6 解決方案

現(xiàn)場(chǎng)檢查1號(hào)燃機(jī)房頂單晶硅太陽能電池板布置情況,發(fā)現(xiàn)部分支路所串聯(lián)單晶硅太陽能電池板數(shù)量多達(dá)24塊,造成在晴天光照強(qiáng)度最大的時(shí)間段單晶硅太陽能電池板輸出電壓過高,逆變器直流母線超壓,進(jìn)而引發(fā)逆變器輸出功率下降的情況。通過數(shù)據(jù)分析,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)單晶硅太陽能電池板布置情況,調(diào)整逆變器支路數(shù)和各支路串聯(lián)單晶硅太陽能電池板數(shù)量,來解決1號(hào)燃機(jī)房逆變器輸出功率在晴天光照強(qiáng)度最大時(shí)間段下降的問題。將1號(hào)燃機(jī)房逆變器235塊單晶硅太陽能電池板重新連接,由原來的十路支路調(diào)整為11路支路,減少各支路串聯(lián)單晶硅太陽能電池板的數(shù)量,降低各單晶硅太陽能電池板在晴天光照強(qiáng)度最大時(shí)間段的輸出電壓,避免逆變器直流母線超壓而引起逆變器輸出功率下降的情況。調(diào)整后各單晶硅太陽能電池板滿足逆變器輸入電壓要求,逆變器可在光照強(qiáng)度大的時(shí)間段正常工作。調(diào)整后1號(hào)燃機(jī)房單晶硅太陽能電池板接線方式見表1,解決了光照強(qiáng)度大的時(shí)間段逆變器輸出功率下降的問題,如圖6所示。

圖6 調(diào)整后逆變器輸出功率曲線

表1 調(diào)整后單晶硅太陽能電池板接線方式

7 結(jié)束語

筆者對(duì)太陽能光伏陣列出力異常進(jìn)行了分析,提出了解決方案。太陽能發(fā)電設(shè)備受內(nèi)外部因素的影響,運(yùn)行數(shù)據(jù)具有多變性,因此對(duì)太陽能發(fā)電設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行數(shù)據(jù)及異常分析,是光伏電站運(yùn)維管理必不可少的工作,并且是優(yōu)化電站設(shè)計(jì)、提高太陽能利用率的有效途徑,對(duì)光伏電站高效穩(wěn)定運(yùn)行、提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要作用。