光伏直流匯流箱運行中各組件串支路輸入電壓出現偏差的預警方法分析

楊 晶

上海寶鋼節能環保技術有限公司

0 概述

當前，光伏發電技術的應用在我國能源結構轉型發展的進程中正發揮著十分重要的作用，光伏電站的建設規模也在迅猛增長，連續10年位居全球第一，新增裝機容量連續8年位居全球第一，全國累計光伏裝機容量達到約4.7 億kW，已發展成為僅次于火電的我國第二大發電容量規模。

伴隨光伏發電的大規模應用，如何確保高效穩定的電力輸出成了各發電企業共同關心的課題。在現階段，仍有部分光伏電站的運營效能達不到設計要求，尤其在早期建設的電站中，發電輸出偏低的現象相對較多，其中主要的原因在于直流發電設備存在缺陷而得不到及時解決。結合一些電站的運營統計和經驗分析，光伏組件和直流匯流箱的運行狀態是影響整個系統輸出能力的關鍵因素。本文從直流匯流箱的工作需求出發，在分析光伏組件運行特性的基礎上闡述容易產生的問題，并提出解決方案。

光伏電站的發電設備是晶體硅電池組件，多塊組件串聯成一路后產生較高的直流電壓，再將多路串聯的組件并行接入光伏直流匯流箱，匯流后再輸出直流電能至DC/AC 逆變器設備，最終產生交流電能接入電網，因此直流匯流箱是光伏發電系統中的重要中轉設備，發揮著不可或缺的作用，長期以來在技術和功能上也不斷地完善和革新。目前，為了提高光伏系統直流輸出的效率，設計人員通常會將匯流箱的輸出電壓提高，而根本的方法在于增加光伏組件串的串聯數量，在輸出功率不變的條件下，提高匯流箱的直流輸出電壓，能夠降低輸出電流，從而減少線路損失。

增加光伏組件串聯數量，提高直流輸出電壓，有利于提升系統工作效能，但對于匯流箱的運行也存在一定的隱患，因為增加并列支路的組件數量，同時也增加了各組串之間電壓不平衡的概率，最為顯著的是：當某一路組串的光伏組件出現故障，或者受外界影響時，引起輸入電壓下降，在并聯組串線路內將出現電壓偏差，進而產生電路環流，造成部分組件發熱，并降低匯流箱的輸出電壓（見圖1）。

圖1 光伏組串線路并聯接線示意圖

當U1＝U2時，匯流箱輸出電壓U＝U1；

當U1＞U2時，組串線路內出現環流IN，

匯流端輸出電壓

一般情況下，光伏組件的內阻較小，如果因為輻照或環境等因素引起各路組串之間出現微小的電壓偏差時，內部環流不會造成光伏組件的過度發熱，但如果組件出現性能故障，例如硅電池片產生隱裂、斷柵或電流分檔不均時，將造成輸出電壓顯著下降，引起電路環流增大，進而削弱光伏方陣的輸出能力，并引起內部線路損耗增大，發熱增加，嚴重時會燒毀元件，甚至在組件接線盒處或匯流箱進出線處產生過熱，灼毀設備。

1 解決思路與理論依據

為消除光伏組件方陣因內部環流造成的系統輸出能力下降，并嚴格消除隱患、杜絕設備事故，有必要完善針對光伏方陣運行的報警監測手段，但組件數量多，排列密集，受工作環境和成本的限制，目前還沒有技術方案能夠實現對每一塊光伏組件進行在線的運行監測。而直流匯流箱作為光伏方陣的第一站匯集中轉點，具備條件對每一路光伏組件進行監測控制，因此可以作為突破點，通過完善匯流箱的報警監測功能，在組件串線路內出現電路環流時能夠準確提示運維人員，及時處理出現問題的光伏組件，防止整個光伏方陣的輸出能力下降，進而也避免了缺陷長期存在可能會引起的設備事故，本文將就此提出基本的方法和思路。

目前，光伏直流匯流箱已經具備比較完善的報警、通信和數據傳輸功能，在光伏電站運行時，運維人員可以監控每一路的光伏組串的工作電流、輸出功率和通信狀態，這對進一步加強對光伏組串的監測控制提供了基礎，以下將提出具體的解決思路、參數分析方法以及計算依據。

1)目前光伏匯流箱還沒有采用單路組串電壓的檢測技術，通常只有總輸出電壓和各光伏組串的輸入電流傳輸至PLC 監控系統，因此還不能直接利用各支路組串的直流電壓來衡量環流的影響。

2)如果光伏組串內部出現環流時，各支路的輸入電流會出現差異，從另一個角度分析，如果光伏組件存在缺陷，其輸出電壓和電流必然會顯著降低。

3)結合以上分析，我們認為可以設計一種光伏匯流箱組串電流保護控制器，通過搭建新型的計算模型，以實現對組串環流的監測和報警控制。

2 電流保護控制器內部程序計算原理的設計與構思

2.1 匯流箱輸出功率差異分析

在正常運行情況下，匯流箱輸出功率計算值P=匯入組數S×(輸出總電壓U×組串平均電流I)

其中，組串平均電流I 應當明確計算前提。組串電流取實際值計算，選擇對象為電流偏差在10%范圍以內的組串的平均電流，如運行中有某些組串的電流超出此范圍，則不納入計算。輸出總電壓也取實際值計算（此處要注意，平均電流的計算不考慮10%偏差以外的組串，目的是為盡量選擇運行正常的組串，以利于得出準確接近于應產生的理論值，而在計算匯流箱輸出總功率時，需要計算全部組串，此時總功率與實際總功率的偏差會因為存在缺陷的組串體現出來）。

在此前提下，得出匯流箱理論上應輸出的功率值，如果計算功率和實際輸出功率的偏差增大，并增大到一定值時，控制器將提示故障信息。

2.2 匯流箱直流輸出電壓差異分析

1）計算匯流箱輸出電壓

匯流箱輸出電壓等同于組串的輸出電壓，可以依據“光伏組件工作電壓—輻照強度”關系曲線計算，據研究經驗，日輻照度≥300 Wh/m2時，組件輸出電壓達到額定工作電壓的85%，并隨輻照度成正比例變化［1］，見圖2。

圖2 光伏組件工作電壓-輻照關系曲線

因此可以計算匯流箱的輸出電壓U，

其中：

（1）日輻照度＜300 Wh/m2時，電流保護控制器功能屏蔽，因為低輻照度下運行參數的參考性不強，不利于問題分析。

（2）STC。光伏組件的標準測試條件，在此條件下：輻照度N=1 000 Wh/m2、溫度T=25 ℃。

（3）溫度修正系數μ，根據實際環境溫度與STC標準溫度的差值計算，通常組件電壓隨氣溫的變化關系為-0.5%/℃［2］。

當光伏組串內出現環流時，匯流箱實際輸出電壓下降，當實際電壓低于計算電壓一定程度時，電流保護控制器提示故障信息。

2）溫度報警

組串內出現環流時，并聯電路的溫度升高，因此可以在匯流箱內增設輔助溫度計，接至正負極接入的母排，并將溫度信號接入電流保護控制器，在運行中如母排溫度在短時間內顯著上升，并超過一定值時，由電流保護控制器提示故障信息。

以上為電流保護控制器功能設計的主要原理，控制器工作的根本方法在于將匯流箱理論輸出的參數值與實際運行參數值進行比較，通過比較結果來判斷光伏組件串是否存在缺陷，在設計計算中存在一個關鍵點：如何確定觸發控制報警的比較差值，過小可能會增加對監測系統的干擾，同時很難保證判斷是否真實存在缺陷，也會增加運維人員的工作負擔；過大可能會降低故障信息提示的及時度，不能快速響應，影響了工作效率。總而言之，如何確定還是需要結合直流匯流箱的運行參數分析，例如組串的額定輸出電壓，接入支路的數量等，設計報警程序時還必須考慮一定程度的時間延遲，利于運維人員確認偏差是否真實存在。

電流保護控制器可以安裝在匯流箱內部，并接入專用通信元件，或設計為集成模塊，直接將計算結果反饋至PLC系統，通過一定算法編寫程序。

3 技術可行性與展望

在當前，光伏電站的運維管理已成為一個十分重要的課題，而其中最困擾發電企業的問題是發電量偏低，達不到設計預期。在實際運行中，絕大部分的光伏電站因為組件的維護管理不到位造成輸出參數下降，整個系統效率無法達到預期效果，相應組件衰減、熱斑效應等缺陷普遍存在，因此如何改善光伏組件的運行維護是亟待解決的問題。

由于光伏電站內組件數量很多，難以實現一一監控，因此本文提出的技術創新從對直流匯流箱的運行監控入手，對匯流箱工作參數的邏輯控制建立一套計算模型，實現對光伏組件運行變化的監控，具體而言，可以幫助運維人員甄別存在缺陷的光伏組件串，最大限度縮小排查范圍，提高工作效率。

在光伏直流匯流箱內增設電流保護控制器，符合運行需求，也適應當前的實際應用情況，同時不會顯著增加設備成本，并且能夠有力地確保光伏系統運行效能，因此具備充分的可行性，也有很好的推廣前景。近幾年小容量的組串式逆變器在一定程度上取代了傳統的集中式逆變器，組串式逆變器本身就兼容了直流匯流和交流轉換的功能，同樣滿足配備電流保護控制器的條件，并且便于多種設備參數的采集、中轉和傳輸。