光伏電站的優化分析

孫濤

摘 要：托電公司光伏電站，采用不經蓄電池儲能直流逆變后直接并入交流電網的運行方式，其技術具有波動性大和間歇較長的特點。實際運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，在光電轉換的發電過程及逆變并網的用電過程中存在能源利用率和轉化效率較低以及輸配電損耗較大等現象。本文通過總結光伏電站在運行過程中的問題，對其如何實現優化進行簡單分析。

關鍵詞：光伏電站；優化；轉化；損耗

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

1 前言

光伏發電，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體多晶硅電池的光電轉換所激發光生載流子被電極吸收形成光電流的能量轉化過程。在石化能源短缺、環境污染嚴重背景下，太陽能作為清潔可再生能源用于光伏發電的產業對于國家發展戰略上調整能源結構，實現可持續發展，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，總裝機容量為10MWp，分為10個1MWp發電并網單元。每個單元2臺500kW并網逆變器，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個單元經匯流箱五五并聯為兩路電源后，接至水廠6Kv A、B兩個工作段，至此并入廠用電網。

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，進行光電轉換后不經蓄電池儲能，將245Wp的電能經匯流箱并聯送至并網逆變器，逆變器將450V-820V的直流電逆變為315V的三相交流電，經升壓變升至6kV高壓后，直接并網。

3 光伏電站運行中的問題

3.1 積灰的問題

托電地處內蒙古中西部地區，常年風沙較大，降水較少，光伏電站積灰較多也是不爭的事實。電氣設備積灰對于光伏發電能效轉換是一個重要影響因素。

3.1.1 熱斑效應

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

3.1.2 溫升效應

灰塵與電池板導熱性差，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產生的熱耗溫度會升高，不良的散熱條件使光電轉換輸出變弱，導致系統的開路電壓降低，低于并網電壓時系統將跳閘脫網。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動板同樣也會因溫升效應導致大功率器件散熱不良而燒損。

3.1.3 腐蝕效應

具有酸堿性的灰塵，如托電的灰含硫含鋁量較高，電池板及設備電路板表面積灰，在潮氣環境下，將會發生酸堿鹽的電化腐蝕從而損壞電池板及設備電路板，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生故障。

3.2 發電質量及可靠性的問題

由于托電光伏電站采用不經蓄電池儲能，直流逆變后直接并入交流電網的運行方式，其技術具有波動性大和間歇較長的特點。在發電過程中容易產生諧波和三相不平衡電流等問題，從而造成系統電壓波動甚至閃變。由此，給光伏系統的發電質量造成極強的不穩定性影響，而且對光伏系統本身也產生威脅，從而引發跳閘脫網，影響電網可靠性。另外光伏系統本身電池板及線纜鋪設均處于露天環境，電池板支架、地基受風的應力、水土流失沉降等自然力作用發生變形甚至折斷，使電池板陣列角度、朝向、傾斜角等發生改變，甚至電池板發生破損，光電轉換的效率將隨之降低；大量的線纜直埋敷設與地下，且遠距離情況下存在較多中間接頭，絕緣性能受地下潮濕環境影響很大，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并帶來極大的維護工作量。

4 光伏電站的優化

實踐證明，以上問題的存在，很大程度上影響著光伏發電的效率和質量，不過，針對這些問題，光伏發電系統還有很多可以優化的空間，以下分析的幾方面辦法和技術在實際中現實運用，或可以達到節能降耗的目標。

4.1 清潔積灰，提高能量轉化效率

光伏電池板上積灰對于發電量的影響重大，尤其在低照輻度條件下，灰塵對發電量的影響更為明顯，據統計，電池板清潔后的發電單元比一個月未清潔電池板的發電單元，日均發電效率提高8%以上。粗略計算，10MWp的光伏電站，年發電量約為1600kWh，清潔后效率增加8%，則年均發電量可以增加128萬kWh電能，按年300天晴好推算，日均提高發電量4200kWh以上。按照托電煤耗指標每千瓦時電能320g標準煤折算，有效清潔的10MWp光伏電站，年可節約標準煤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，降低灰塵的負面效應影響，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 加強維護和技術改造，提高光伏電網可靠性

由于設計缺陷及施工質量的問題，光伏電站露天建設，存在電池板支架變形基礎開焊沉降、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器及交流接觸器燒損等等各種缺陷隱患，威脅著光伏發電系統設備的可靠安全。只有通過維護技術改造工作，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電設備的損耗及故障，實現優化運行。

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

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，可以降低破損及受潮的影響，出現問題也容易維護檢修。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，介質損耗增加，極易發生短路故障。

逆變器作為重要的功率轉化設備，其電力電子元器件較純粹的電力設備對運行環境及參數的要求更為嚴苛，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，導致功率單元、過電壓保護器、濾波器阻尼電阻、交流接觸器等時常發生過壓過流損壞。針對現場實際運行情況，維護方面就需要加強清掃和緊固，避免積灰散熱不良或腐蝕電路，并確保回路導電良好以免過熱；技改方面就是優化元件的參數和性能，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熱量來避免其過熱燒損。

5 結語

除常規技術手段，通過優化調節對光伏系統的控制來盡量克服自然因素以及分布式電源技術所帶來的負面影響，是目前國內外對光伏發電運用領域研究的重點，例如通過研究光電轉換與光照輻射強度和溫度的關系跟蹤太陽能最大功率輸出工作點，實時控制光伏設備工作點來獲得最大功率輸出；再如優化調度控制光伏出力與電網負荷，提高置信容量、合理無功補償、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換技術，系統控制分布式電源多變換器集群統一協作，克服相互之間不利影響，通過優化控制算法、元器件參數和脈寬調制驅動等實現諧波質量的控制，提高能量轉化效率和電能質量。這些方方面面的技術應用不一而足，目前仍有許多技術處于理論分析階段，但隨著科學技術與時俱進，光伏能源的利用必將得到更大的優化，更加清潔和高效。