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,因清潔環保、永不衰竭的特點,受到世界各國的青睞,目前正迅速發展[1-3]。太陽能光伏發電技術是利用半導體材料發光產生伏特效應而將光能直接轉換為電能的一種發電技術,發電過程簡單,不消耗燃料,潔凈無污染。光伏發電產業對于節約常規能源和保護自然環境而言有重要意義。

光伏電站的工作環境比較惡劣,導致各種異常工況和故障頻發,如光伏組件設備故障、光伏陣列老化損壞、光伏陣列熱斑現象等。光伏發電系統發生異常工況和故障,可能導致輸出功率降低,影響整個光伏系統的安全性和發電效益。為進一步拓展太陽能發電空間,需要對光伏設備運行數據和運行工況進行分析,及時發現異常工況和故障,確認影響光伏發電效率的因素,采取針對性措施,在保證設備安全運行的前提下,提高太陽能發電效率,取得最佳經濟效益[4]。

筆者對太陽能光伏陣列出力異常數據和電流下降原因進行分析,并提出解決方案。

2 正常運行數據

江山公司屋頂光伏項目總裝機峰值容量為1 MW,采用峰值功率為315 W的單晶硅太陽能電池板,共計布置3 180塊。屋頂光伏共有18個光伏陣列和18個逆變器,18個逆變器中,11個容量為60 kW,五個容量為40 kW,兩個容量為50 kW。每六個光伏陣列并聯組成一個光伏發電單元,共計三個光伏發電單元。每個光伏發電單元通過380 V光伏并網柜接入廠用電380 V母線,并網點分別為1號機組380 V工作1B段、化水380V工作B段、生活區380 V工作B段。江山公司屋頂光伏項目自投產以來,通過對光伏發電設備運行數據進行統計和分析,得到各逆變器轉換效率在95%～98%之間,單晶硅太陽能電池板轉換效率為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 異常運行數據

通過對各逆變器運行數據進行分析和對比,發現在晴天光照充足的時間段(11:00至15:00),1號燃機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 異常數據分析

為查找上述逆變器發電功率突降的原因,以1號燃機房逆變器運行數據為例進行分析,解決太陽能光伏陣列出力異常問題。

1號燃機房屋頂單晶硅太陽能電池板總計235塊,采用的逆變器功率為60 kW。逆變器輸入支路共12路,分為四個接入模塊——PV1、PV2、PV3、PV4。1號燃機房逆變器共有十路光伏發電支路,其中PV1接三路光伏發電支路,PV2接三路光伏發電支路,PV3接三路光伏發電支路,PV4接一路光伏發電支路。1號燃機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,環境溫度為15 ℃,1號燃機房逆變器各支路從 6:37開始發電。隨著光照強度的增大,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時間段,隨著光照強度的逐漸增大,1號燃機房逆變器各支路輸入電壓繼續上升,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號燃機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。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,同時逆變器輸出功率上升。之后隨著光照強度的減小,逆變器各支路輸入電壓和電流,以及逆變器輸出功率同時下降。

對逆變器各支路輸入電壓和電流曲線進行分析,在天氣晴朗、光照強度大的條件下,1號燃機房逆變器各支路輸入電壓曲線全天隨光照強度的變化而呈拋物線狀,輸入電流曲線全天隨光照強度的變化而呈頂部有U形缺口的拋物線狀。可見,1號燃機房逆變器輸出功率下降與各支路輸入電流下降有關聯。

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],以下分別對上述原因進行分析。

5.1 外部因素

對1號燃機房逆變器輸出功率歷史曲線和歷史天氣情況進行分析,逆變器輸出功率曲線突降一般發生在晴天陽光充足的11:00至15:00時間段,此時段光照強度為一天中最大。在此時段,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1號燃機房單晶硅太陽能電池板表面進行檢查,表面清潔且無雜物。1號燃機房頂單晶硅太陽能電池板位置較高,且周圍環境空曠,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度變化影響的可能性。

5.2 設備因素

對1號燃機房單晶硅太陽能電池板及線路進行檢查,外觀上無破碎現象,也無熱斑現象[7],單晶硅太陽能電池板運行正常。對各支路線路和接頭進行檢查,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。對各支路線路進行檢測,無開路和接地現象。對各支路保險進行檢查和測量,各支路正負極保險均未熔斷。由此排除逆變器各支路輸入電流下降是受設備異常因素影響的可能性。

5.3 電池片內部損壞

單晶硅太陽能電池板電池片內部質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,局部雜質含量過高等[8]。當存在上述缺陷時,電池片會變成負載,被其它電池片反向充電。當故障電池片增多時,會在同一最大功率點跟蹤控制支路中引起倒掛現象,電壓高的支路會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,并且不會恢復。分析1號燃機房逆變器各支路運行數據曲線,逆變器同一最大功率點跟蹤控制的各支路電流同時變化,電流曲線為先升高再降低最后恢復,由此可以排除逆變器各支路電流下降是受電池片內部損壞影響的可能性。

5.4 逆變器

逆變器主要由前級的直流-直流變換器和后級的直流-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,后級的直流-交流逆變器將直流母線上的直流電轉換為正弦交流電。逆變器控制系統保證并網逆變器輸出的交流電與電網的交流電電壓、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并監控直流母線的電壓。經過最大功率點跟蹤控制,對參考電壓和單晶硅太陽能電池板實際電壓進行比較,誤差經過比例積分調節后,用于產生脈寬調制驅動波形。其中,直流母線檢測電壓閉環回路只有在直流母線電壓高于上限電壓設定值時才起作用,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,當直流母線電壓高于上限電壓設定值時,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,則直流母線傳輸的功率下降,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時間段是一天中光照強度最大的時間段,這一時間段內1號燃機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而上升。

6 解決方案

現場檢查1號燃機房頂單晶硅太陽能電池板布置情況,發現部分支路所串聯單晶硅太陽能電池板數量多達24塊,造成在晴天光照強度最大的時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,進而引發逆變器輸出功率下降的情況。通過數據分析,結合現場單晶硅太陽能電池板布置情況,調整逆變器支路數和各支路串聯單晶硅太陽能電池板數量,來解決1號燃機房逆變器輸出功率在晴天光照強度最大時間段下降的問題。將1號燃機房逆變器235塊單晶硅太陽能電池板重新連接,由原來的十路支路調整為11路支路,減少各支路串聯單晶硅太陽能電池板的數量,降低各單晶硅太陽能電池板在晴天光照強度最大時間段的輸出電壓,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,逆變器可在光照強度大的時間段正常工作。調整后1號燃機房單晶硅太陽能電池板接線方式見表1,解決了光照強度大的時間段逆變器輸出功率下降的問題,如圖6所示。

圖6 調整后逆變器輸出功率曲線

表1 調整后單晶硅太陽能電池板接線方式

7 結束語

筆者對太陽能光伏陣列出力異常進行了分析,提出了解決方案。太陽能發電設備受內外部因素的影響,運行數據具有多變性,因此對太陽能發電設備進行運行數據及異常分析,是光伏電站運維管理必不可少的工作,并且是優化電站設計、提高太陽能利用率的有效途徑,對光伏電站高效穩定運行、提高經濟效益具有重要作用。