存量光伏電站的提質(zhì)增效方法

摘 要：早期光伏電站建設(shè)技術(shù)落后，設(shè)計水平和建設(shè)質(zhì)量不高，導致設(shè)備故障率高、發(fā)電能力差，但其所在地的太陽能資源豐富，且選址條件好，具有較大的挖掘潛力。因此，開展存量光伏電站提質(zhì)增效，是挖掘此類光伏電站的發(fā)電潛力、提高光伏電站系統(tǒng)效率，從而保障光伏電站盈利能力的有效措施。針對存量光伏電站存在的技術(shù)與設(shè)計缺陷，提出提質(zhì)增效的方法，包括4個步驟：資料收集、現(xiàn)場調(diào)研、數(shù)據(jù)挖掘、效果評價；并以山西省某100 MW存量光伏電站為例，實驗證明提質(zhì)增效后該光伏電站的系統(tǒng)效率提升顯著，驗證了該方法的有效性，為存量光伏電站提高經(jīng)濟效益提供了參考。

關(guān)鍵詞：光伏電站；提質(zhì)增效；場站特征；系統(tǒng)效率

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

2020年9月22日，習近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論上鄭重宣告：中國“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。2020年12月12日，習近平總書記在氣候雄心峰會上進一步強調(diào)：“到2030年，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億kW以上”。在國家政策推動下，國內(nèi)各光伏發(fā)電企業(yè)以“雙碳”為目標，重視新增光伏市場開發(fā)，然而忽略了存量光伏電站資產(chǎn)的保值，導致光伏電站精細化管理程度不夠，整體運行水平偏低。

截至2022年底，中國光伏發(fā)電累計裝機容量達到402.94 GW，存量光伏電站規(guī)模龐大，并且持續(xù)高速發(fā)展。這些存量光伏電站不僅具備顯著的太陽能資源優(yōu)勢，還享有電價優(yōu)勢，具有巨大的提質(zhì)增效潛力。推進存量光伏電站提質(zhì)增效，已成為光伏發(fā)電企業(yè)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、加快綠色低碳轉(zhuǎn)型的重點方向[1]。目前，針對光伏電站智能化運維的研究及應(yīng)用越來越廣泛，例如：無人機結(jié)合紅外技術(shù)、清掃機器人、智能診斷系統(tǒng)等，都是光伏電站提質(zhì)增效的有效手段。

本文通過對國內(nèi)不同類型、不同應(yīng)用場景、不同典型氣候區(qū)光伏電站的生產(chǎn)運行情況進行調(diào)研，深入分析存量光伏電站生產(chǎn)運行過程中存在的問題及解決方案，同時，對存量光伏電站提質(zhì)增效的方法進行總結(jié)，并結(jié)合具體案例進行驗證。

1" 光伏電站的特征

與火電、水電等傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，光伏電站具有以下特點：

1）類型多樣。光伏電站涵蓋了山地光伏電站、水面光伏電站、漁光互補電站、農(nóng)光互補電站、分布式光伏電站等多種類型，應(yīng)用場景廣泛。

2）設(shè)備數(shù)量多，占地面積大。由于光伏陣列能量密度較低，光伏電站通常需要大量設(shè)備，導致占地面積大，增加了管理和維護的復雜性。

3）運行工況復雜。光伏電站的戶外運行環(huán)境使其在不同氣候條件下的表現(xiàn)各異。比如：沿海地區(qū)的高濕度環(huán)境增加了光伏組件出現(xiàn)電勢誘導衰減（PID）的風險；在北方地區(qū)，光伏組件則面臨較大的風沙、灰塵影響。

4）光伏電站設(shè)備更新?lián)Q代快。光伏發(fā)電技術(shù)進步迅速，造成系統(tǒng)集成方面存在設(shè)備不匹配問題。

5）建設(shè)周期短。光伏電站從立項到并網(wǎng)的建設(shè)周期通常不超過1年，這種快速的建設(shè)施工過程有時會發(fā)生質(zhì)量監(jiān)督不到位的情況，造成項目投產(chǎn)后缺陷較多。

2" 光伏電站存在的問題

通過對不同類型、不同應(yīng)用場景、不同典型氣候區(qū)的光伏電站進行現(xiàn)場調(diào)研，對存量光伏電站的共性和個性問題進行了總結(jié)[2]，并提出解決方案。

2.1" 共性問題及解決方案

2.1.1" 灰塵損失

光伏電站普遍存在清洗頻次較低的問題，導致灰塵損失較大，如圖1所示，具體表現(xiàn)在：1）場站周邊存在煤礦或化工廠，導致光伏組件表面累積煤焦油類黏性物質(zhì)，光伏電站的系統(tǒng)效率中的灰塵損失嚴重；2）山地光伏電站由于分布范圍廣、環(huán)境惡劣、水資源短缺和工程設(shè)備無法進入光伏陣列等原因，常出現(xiàn)多年不清洗光伏組件的情況，導致光伏電站系統(tǒng)效率中的灰塵損失嚴重；3）屋頂分布式光伏電站的光伏組件傾斜角度小，底部長期積灰形成邊角彩虹紋；4）采用傾角可調(diào)固定式光伏支架的光伏組件由于夏季調(diào)整角度小，容易積灰；5）采用平單軸跟蹤式光伏支架的光伏組件由于夜間處于水平狀態(tài)，容易積灰。

2.1.2" 設(shè)備故障

光伏電站設(shè)備類型多、數(shù)量多，逆變器、匯流箱等設(shè)備故障率偏高，故障下的逆變器和匯流箱如圖2所示。部分設(shè)備由于廠家已經(jīng)退出市場，備品、備件短缺，導致故障發(fā)生后處理時間較長，造成發(fā)電量損失較大。

2.1.3" 出現(xiàn)零（低）電流支路

通常，光伏組串串聯(lián)的光伏組件數(shù)量較大，當存在MC4插頭燒損、保險絲熔斷、直流線纜斷路和光伏組件故障等情況時，會導致光伏子陣出現(xiàn)零（低）電流支路，如圖3所示。

2.1.4" 光伏支架故障

隨著技術(shù)的不斷進步，自動跟蹤式光伏支架的應(yīng)用越來越廣泛，但減速機故障、電機故障、控制模塊故障、轉(zhuǎn)動軸故障等故障均會影響跟蹤系統(tǒng)正常運行，進而影響光伏電站發(fā)電量。不同故障類型如圖4所示。

2.1.5" 陰影遮擋

部分光伏電站周圍草木長勢茂盛，由于除草不及時或鳥糞遮擋，導致光伏電站陰影遮擋損失較大，影響其發(fā)電量。其中，草木遮擋引起的陰影遮擋損失最為常見。不同光伏組件陰影遮擋情況，如圖5所示。

2.1.6" 小結(jié)

綜上所述，光伏電站的共性問題匯總及提出的解決方案如表1所示。

2.2" 個性問題及解決方案

不同類型光伏電站受所在地地形、地理位置、環(huán)境、設(shè)計方案等綜合因素的影響，所面臨的問題存在差異，具體如下。

1）水面光伏電站、漁光互補電站：由于濕度較大，光伏組件易產(chǎn)生PID現(xiàn)象，造成其輸出功率下降嚴重；此類光伏電站場址周圍飛鳥較多，鳥糞造成的光伏組件遮擋和熱斑問題較為嚴重；南方地區(qū)雨水豐沛，水面光伏電站周邊植被長勢茂盛，樹木對光伏組件的遮擋較為突出。

2）山地光伏電站：山地地區(qū)風力較大會導致光伏組件脫落，或產(chǎn)生隱裂問題；此類電站依地勢而建，光伏組件方位角差異導致前后排遮擋問題較為嚴重，光伏組串間匹配損失較大；雷電天氣較多，存在絕緣不好而造成集電線路故障頻繁的情況。

3）屋頂分布式光伏電站：工業(yè)園區(qū)的屋頂環(huán)境污染較為嚴重，灰塵損失較大。

4）沙戈荒光伏電站：風沙較大，光伏組件灰塵損失較為嚴重；且自動跟蹤式光伏支架跟蹤系統(tǒng)中的減速機易進沙，導致減速器故障較多，運行卡頓。

不同類型光伏電站存在的突出問題及解決方案具體如表2所示。

3" 提質(zhì)增效方法

光伏電站提質(zhì)增效主要是指運用創(chuàng)新的管理手段與技術(shù)手段，提高電站質(zhì)量、增加發(fā)電效率、降低生產(chǎn)能耗，在發(fā)電利用小時數(shù)、系統(tǒng)效率、平準化度電成本（LCOE）等核心指標上有所提升。不同類型光伏電站在設(shè)備、運行環(huán)境等方面存在顯著差異，因此提質(zhì)增效需要結(jié)合光伏電站的實際運行情況，有針對性的開展工作，無法通過一套標準方案來推廣復制。以“現(xiàn)場調(diào)研+現(xiàn)場檢測+數(shù)據(jù)診斷”相結(jié)合的方式，分析影響光伏電站發(fā)電量的主要因素，并針對性提出解決方案，跟蹤并指導場站整改落實。具體方法如下：

1）通過采集光伏電站基本信息，結(jié)合光伏電站的設(shè)計方案，利用軟件模擬光伏電站的理論發(fā)電量，并與實際發(fā)電量進行對比，從而評估實際發(fā)電水平和提升潛力。

2）開展光伏電站全方位診斷，保障電站安全高效運行。從設(shè)計、建設(shè)、運維等全方位進行檢查，從光伏電站設(shè)計的合理性、建設(shè)質(zhì)量、安全隱患、設(shè)備運行情況及現(xiàn)場運維情況，診斷光伏電站存在的問題，提出建議方案，指導光伏電站運維和技改。

3）結(jié)合氣候特征、光伏電站類型和設(shè)備選型，開展提質(zhì)增效工作。①氣候特征方面，位于南方地區(qū)的光伏電站重點關(guān)注鳥糞、草木遮擋，以及設(shè)備絕緣阻抗；位于北方地區(qū)的光伏電站重點關(guān)注降雪對發(fā)電量的影響。②光伏電站類型方面，水面光伏電站重點關(guān)注光伏組件PID效應(yīng)，山地光伏電站重點關(guān)注陰影遮擋和光伏組件隱裂情況，屋頂光伏電站重點關(guān)注灰塵損失。③設(shè)備選型方面，集中式逆變器重點關(guān)注設(shè)備故障率，自動跟蹤式光伏支架重點關(guān)注控制策略。

4）采用“現(xiàn)場調(diào)研+電站測試+數(shù)據(jù)分析”相結(jié)合的方法，精準定位影響光伏電站發(fā)電情況的主要因素。光伏電站現(xiàn)場對監(jiān)控系統(tǒng)實時和歷史發(fā)電數(shù)據(jù)進行分析，對發(fā)電量較低的光伏子陣針對性開展現(xiàn)場調(diào)研和測試工作，分析發(fā)電量偏低的主要原因，從而針對性提出提質(zhì)增效措施。

5）以數(shù)據(jù)挖掘為核心，挖掘光伏電站潛在的隱性問題。目前大部分光伏電站對監(jiān)控系統(tǒng)暴露的顯性問題都能及時消缺，但存在的隱性問題很難發(fā)現(xiàn)，如逆變器低效運行、光伏組件衰減過大，通過對光伏電站發(fā)電數(shù)據(jù)進行深度挖掘，多維度分析，解決影響光伏電站發(fā)電性能的隱性問題，提升發(fā)電能力。

4" 典型案例分析

以山西省某100 MW存量山地光伏電站為例進行案例分析，該項目于2018年12月全裝機容量并網(wǎng)，實際裝機容量為100.57 MW，現(xiàn)場環(huán)境條件復雜，光伏子陣分布地域跨度較大。光伏組件包含單面和雙面光伏組件，逆變器包含組串式逆變器和集散式逆變器，光伏支架包含傾角固定式、傾角可調(diào)固定式和平單軸跟蹤式光伏支架。從資料收集、現(xiàn)場調(diào)研、數(shù)據(jù)挖掘、效果評價4個方面對該項目開展提質(zhì)增效工作。

4.1" 資料收集

收集光伏電站的基本信息和歷史運行數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，主要包括：光伏電站的建設(shè)時間、裝機容量、容配比、設(shè)備情況、發(fā)電量、太陽輻照量、棄光電量、缺陷（即故障）記錄等。

4.2" 現(xiàn)場調(diào)研

對光伏電站的設(shè)計合理性、建設(shè)質(zhì)量、設(shè)備運行狀況、安全隱患等進行全方位式的檢查，對灰塵損失，光伏組件衰減特性，熱斑特性，隱裂特性，光伏組串的電壓、電流、絕緣電阻等關(guān)鍵指標進行現(xiàn)場測試。

4.3" 數(shù)據(jù)挖掘

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，結(jié)合現(xiàn)場采集的歷史發(fā)電數(shù)據(jù)，重點從系統(tǒng)效率、最大輸出功率、棄光率、故障損失、遮擋損失、運行電流離散率等多個維度進行數(shù)據(jù)挖掘，找出隱形問題。

4.4" 效果評價

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)據(jù)挖掘，發(fā)現(xiàn)該光伏電站主要存在以下關(guān)鍵問題：灰塵損失較大；逆變器無功功率過高影響有功功率輸出；傾角可調(diào)式光伏支架調(diào)整策略不合理；組串式逆變器的MPPT模塊未最大化利用，以及集電線路掉電頻繁。

4.4.1" "灰塵損失較大

由于光伏電站場址周邊為煤礦區(qū)，臨近煤礦區(qū)域的光伏組件污染嚴重；傾角可調(diào)固定式光伏支架因夏季調(diào)整角度小的原因，容易積灰，導致灰塵損失較大，如圖6所示。

1）整改措施：優(yōu)化清洗策略。增加臨近煤礦區(qū)域光伏組件清洗頻次，增加至每月清洗1次，同樣，將采用傾角可調(diào)固定式光伏支架的光伏組件在夏季的清洗頻次增加至每月1次；其他區(qū)域的清洗頻次不變。

2）整改效果：清洗頻次調(diào)整后，光伏電站整體發(fā)電量提升約3%。

4.4.2" 逆變器輸出的無功功率影響有功功率輸出

部分地區(qū)電網(wǎng)要求逆變器輸出較高比例的無功功率，造成逆變器必須降低其有功功率，導致逆變器發(fā)電能力被限制，從而影響光伏電站的總發(fā)電量。

1）整改措施：加強電網(wǎng)溝通，降低逆變器輸出無功功率的限定值，或降低母線電壓，減少無功功率輸出。

2）整改效果：逆變器無功功率降低，最大輸出功率限值由74.4 kW提升到了77.3 kW，光伏電站總發(fā)電量提升1.03%。整改前后逆變器輸出功率特性圖對比如圖7所示。

4.4.3" 傾角可調(diào)固定式光伏支架調(diào)整策略不佳

傾角可調(diào)固定式光伏支架的傾角根據(jù)廠家建議設(shè)置，未根據(jù)實際光照條件進行優(yōu)化調(diào)整，影響發(fā)電效率。

1）整改措施：綜合考慮實際工況下灰塵損失、遮擋損失等，制定最優(yōu)的角度調(diào)整策略，通過理論模擬，建議傾角從原來的12°優(yōu)化調(diào)整為17°，如圖8所示。

2）整改效果：通過優(yōu)化調(diào)整光伏支架傾角，光伏電站整體發(fā)電量提升了0.3%。

4.4.4" 組串式逆變器MPPT未最大化利用

山地光伏電站通常依地勢建設(shè)，方位角不一致、前后排遮擋等問題嚴重，更容易產(chǎn)生匹配損失，導致組串式逆變器MPPT模塊未最大化利用，如圖9所示。

1）整改措施：對未接滿光伏組串的組串式逆變器進行優(yōu)化，確保組串式逆變器每個MPPT模塊充分利用，從而減少匹配損失。

2）整改效果：對逆變器各支路接入的光伏組串進行優(yōu)化后，各支路電流的離散率從2.62%下降到2.27%，下降了0.35%，如圖10所示。

4.4.5" 集電線路掉電

山地的雷暴天氣較多，建于此種區(qū)域的光伏電站的絕緣性能下降會造成集電線路故障；另外，架空線電纜頭未固定，由引流線承載其重量，在大風天氣擺動幅度較大，造成集電線路掉電。

1）整改措施：對電纜頭進行固定，加強線路巡檢，檢查線路避雷線、避雷器和接地極，檢查電纜頭發(fā)熱情況和絕緣子放電情況，并定期對集電線路進行巡檢。

2）整改效果：技改后未發(fā)生集電線路掉電問題。

4.5" 提質(zhì)增效效果

對該光伏電站進行提質(zhì)增效的時間為2020年6—9月底，對提質(zhì)增效后的光伏電站發(fā)電能力進行分析，與2019年9—11月各月的發(fā)電情況進行對比，結(jié)果如圖12所示。與2019年相比，2020年同期發(fā)電效率都有所提升，9—11月分別提升了6.11%、9.95%、8.19%，提質(zhì)增效效果顯著。

對提質(zhì)增效后光伏電站近2年的發(fā)電情況進行持續(xù)跟蹤，分析結(jié)果如表3所示。

通過提質(zhì)增效，光伏電站的系統(tǒng)效率有明顯提升，并且一直保持較高發(fā)電水平。

5" 結(jié)論

本文總結(jié)了存量光伏電站在生產(chǎn)運行過程中存在的問題，包括：灰塵損失、設(shè)備故障、光伏支架故障等共性問題和不同光伏電站存在的個性問題，并提出了解決方法。同時，提出了一套系統(tǒng)的光伏電站提質(zhì)增效方法，涵蓋資料收集、現(xiàn)場調(diào)研、數(shù)據(jù)挖掘和效果評價4個步驟。通過具體案例，展示了提質(zhì)增效措施的實施效果：提質(zhì)增效后，2020年9—11月光伏電站的系統(tǒng)效率較2019年同期分別提升了6.11%、9.95%和8.19%，證明了該方法的有效性。

該方法可精準定位影響光伏電站發(fā)電情況的主要因素，強調(diào)了持續(xù)監(jiān)測和評估的重要性，針對性提出解決方案，指導光伏電站提質(zhì)增效，挖掘電站發(fā)電潛能。不僅為存量光伏電站的提質(zhì)增效提供了理論依據(jù)和實踐指導，也為光伏行業(yè)的未來發(fā)展提供經(jīng)驗。

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METHODS FOR IMPROVING QUALITY AND EFFICIENCY OF EXISTING PV POWER STATIONS

He Jiajia，Xia Haiyang，Zhang Guo，Wang Zhengyang，Xi Yu

（SPIC Qinghai Photovoltaic Industry Innovation Center Co.，Ltd.，Xi'an 710000，China）

Abstract：Early PV power stations suffer from outdated equipment technology，low design standards，and poor construction quality，leading to high equipment failure rates and the PV power stations have poor power generation capabilities. However，the locations of PV power stations have abundant solar energy resources and good site selection conditions，presenting significant potential for development. Therefore，carrying out quality improvement and efficiency enhancement of existing PV power stations is an effective measure to tap the power generation potential，continuously improve the system efficiency and power generation capacity of the power stations，and thus ensure the profitability of PV power stations. This paper proposes methods for quality improvement and efficiency enhancement of existing PV power stations，including data analysis，on-site investigation，and data mining，accurately positioning the problem in four steps. Taking a 100 MW existing power station in Shanxi Province as an example，this paper demonstrates that the system power generation efficiency has been significantly improved after quality improvement and efficiency enhancement，verifying the effectiveness of the method and providing reference for improving the economic benefits of existing PV power stations.

Keywords：PV power stations；improving quality and efficiency；station characteristics；system efficiency