新疆新華水電投資股份有限公司 ■ 崔文利

0 引言

在如今的度電補(bǔ)貼時(shí)代，評(píng)價(jià)一個(gè)光伏電站的好壞，其實(shí)是發(fā)電量的角力。這涉及到光伏電站的各類產(chǎn)品設(shè)備選型、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、建設(shè)、施工、運(yùn)維等各層面和環(huán)節(jié)。受技術(shù)水平影響，提高組件發(fā)電效率與降低系統(tǒng)成本不可能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到和實(shí)現(xiàn)。因此，提升光伏電站的發(fā)電量，改善空間就集中在設(shè)計(jì)更優(yōu)系統(tǒng)方案、提升建設(shè)施工質(zhì)量、提升運(yùn)維效率等方面。目前主流的系統(tǒng)方案有兩種：集中式方案和組串式方案。結(jié)合作者長期從事的工作和研究，就兩種方案的發(fā)電量及影響因素進(jìn)行比較分析。

1 組串式逆變器與集中式逆變器轉(zhuǎn)換效率比較

逆變器將組串發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，逆變器轉(zhuǎn)換效率的高低直接影響到最終上網(wǎng)電量的多少。設(shè)備方面，在組件效率一定的情況下，提升逆變器的轉(zhuǎn)換效率是提升發(fā)電量的關(guān)鍵一環(huán)。當(dāng)前，不同廠家的逆變器轉(zhuǎn)換效率都達(dá)到了相當(dāng)高的水平。那么不同逆變器在光伏電站運(yùn)行過程中的實(shí)際表現(xiàn)如何，作者選擇了國內(nèi)知名的集中式和組串式廠家，并結(jié)合實(shí)際參與的電站項(xiàng)目，對(duì)集中式方案和組串式方案兩種逆變器的實(shí)際效率曲線進(jìn)行了比較。

實(shí)際電站運(yùn)行效率測試結(jié)果表明：在不同負(fù)載等級(jí)下，組串式逆變器較集中式逆變器轉(zhuǎn)換效率高0.5%～1%。另外，當(dāng)組串工作電壓升高，組串式逆變器逆變轉(zhuǎn)換效率隨之升高；而集中式逆變器隨著組串電壓升高，效率出現(xiàn)了下降?；诖?，在冬季時(shí)，低溫導(dǎo)致組串電壓升高，組串式逆變器相對(duì)集中式逆變器的優(yōu)勢(shì)會(huì)更加明顯，這也與電站實(shí)際發(fā)電量數(shù)據(jù)比較結(jié)果保持一致。

圖1 組串式逆變器效率曲線

圖2 集中式逆變器效率曲線

2 并網(wǎng)發(fā)電時(shí)長比較

根據(jù)電站的數(shù)據(jù)記錄，對(duì)電站內(nèi)集中式方案和組串式方案兩種逆變器的開關(guān)機(jī)時(shí)間和并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)長進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)組串式逆變器在實(shí)際運(yùn)行中弱光發(fā)電能力相對(duì)集中式逆變器更優(yōu)，具體表現(xiàn)為：早晨開機(jī)和發(fā)電時(shí)間均早于集中式逆變器；傍晚關(guān)機(jī)和下網(wǎng)時(shí)間普遍晚于集中式逆變器。在不同天氣條件下，早晨發(fā)電提前的時(shí)間從2～30 min不等，傍晚關(guān)機(jī)和下網(wǎng)延后的時(shí)間從2～10 min不等。因此增加了發(fā)電時(shí)長，提升了發(fā)電量。圖3、圖4為2015年3月7～30日組串式與集中式逆變器的實(shí)際觀測數(shù)據(jù)曲線圖。

圖3 組串式與集中式逆變器開始并網(wǎng)發(fā)電時(shí)間比較

圖4 組串式與集中式逆變器下網(wǎng)停止發(fā)電時(shí)間比較

3 組串式逆變器多路MPPT提升發(fā)電量

在光伏電站，因?yàn)樵缤硖柛叨容^低，因此會(huì)存在前后遮擋。遮擋直接造成了輻照減少，影響發(fā)電量。如果受遮擋組串與未受遮擋組串被接入了同1路MPPT，因不同組串間最大功率點(diǎn)電壓不同，必然造成組串間的并聯(lián)適配，進(jìn)一步損失發(fā)電量。尤其在冬季，因太陽高度角較低，遮擋影響范圍大，遮擋時(shí)間長，引起的發(fā)電量損失為一年中最大。

圖5 光伏電站的遮擋現(xiàn)象

業(yè)內(nèi)主流組串式逆變器每臺(tái)可支持3路MPPT，每路MPPT最多接入2個(gè)組串，通過合理設(shè)計(jì)接線方式，可很好地應(yīng)對(duì)遮擋，減輕和避免組串間的并聯(lián)失配現(xiàn)象，從而減少和避免發(fā)電量損失。而集中式逆變器將100個(gè)，甚至更多組串均接入1路MPPT，不同組串最大功率點(diǎn)電壓不同，因此不可避免的導(dǎo)致了嚴(yán)重的組串失配及發(fā)電量損失。根據(jù)遮擋發(fā)生時(shí)組串的I-V曲線，可更直觀地看出遮擋導(dǎo)致最大功率點(diǎn)變化趨勢(shì)，及并聯(lián)失配導(dǎo)致的嚴(yán)重發(fā)電量損失。

圖6 遮擋組串P-V、I-V曲線

由圖6可知，組串一旦局部被遮擋就會(huì)形成多峰的情況，此時(shí)組串式逆變器因具有多路MPPT，且接入組串?dāng)?shù)量少，可準(zhǔn)確追蹤到組串的最大功率點(diǎn)，最大限度挖掘該組串的輸出功率，組串之間無影響。而集中式逆變器由于同1路MPPT內(nèi)組串并聯(lián)數(shù)量較多，遮擋組串和未遮擋組串最大功率點(diǎn)電壓不同，組串工作電壓被限制在所有組串均壓后的一個(gè)較高電壓水平，此時(shí)，遮擋組串幾乎無功率輸出，未遮擋組串的輸出功率也會(huì)損失。最終的結(jié)果是，整個(gè)子陣(電站)發(fā)電量損失嚴(yán)重。筆者曾對(duì)在北緯38°附近的一個(gè)地面電站進(jìn)行過研究，電站采用8 m的前后排間距，前后排遮擋發(fā)生的時(shí)間集中在冬至日前后各一個(gè)半月，具體時(shí)間大致在前一年的11月1日～次年2月10日。遮擋現(xiàn)象最嚴(yán)重時(shí)，對(duì)發(fā)電量影響可達(dá)8%。

圖7 集中式方案單路MPPT發(fā)電量損失示意圖

4 運(yùn)維效率及其對(duì)發(fā)電量影響的比較

電站建成后，優(yōu)質(zhì)而高效的運(yùn)維是保障和提升光伏電站發(fā)電量的關(guān)鍵。運(yùn)維工作的難易程度及工作量也直接關(guān)系到電站運(yùn)行階段運(yùn)維成效、人員及設(shè)備的再投入等。運(yùn)維成效直接關(guān)系光伏電站是否能夠取得預(yù)期收益，人員及設(shè)備投入則關(guān)系電站運(yùn)行階段的運(yùn)行成本。當(dāng)前不少光伏電站在方案設(shè)計(jì)階段，考慮更多的是如何提升發(fā)電量，同時(shí)降低電站的投資建設(shè)成本，至于電站后期的運(yùn)維工作則考慮相對(duì)較少。但光伏電站是一個(gè)系統(tǒng)工程，運(yùn)維工作更是貫穿光伏電站25年的整個(gè)生命周期。可以說，運(yùn)維工作決定了電站未來的收益能否如期達(dá)到，關(guān)系到電站的運(yùn)行安全等各方面。

當(dāng)前光伏電站運(yùn)維工作的最大難點(diǎn)在于能否實(shí)現(xiàn)組串級(jí)監(jiān)控，能否實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上運(yùn)維，提升運(yùn)維工作的效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理電站故障，保障電站運(yùn)行安全，保證發(fā)電量。

但目前光伏電站存在的情況是：對(duì)于集中式方案，理論上智能匯流箱可檢測到每串的工作電流和并聯(lián)工作電壓；但實(shí)際項(xiàng)目中，由于匯流箱電流檢測精度低及通信不可靠，導(dǎo)致實(shí)際上報(bào)的數(shù)據(jù)存在較大誤差，在組串出現(xiàn)故障時(shí)，依然難以準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)。因此多數(shù)情況，對(duì)于集中式方案的組串運(yùn)維和巡檢，依然嚴(yán)重依賴人工。運(yùn)維工作量大、成本高、效率低。目前有統(tǒng)計(jì)顯示，國內(nèi)光伏電站60%的故障出現(xiàn)在直流側(cè)，組串故障發(fā)生后，運(yùn)維人員幾乎不可能在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)和處理，多數(shù)故障處于不可知、不可控的狀態(tài)。對(duì)于電站來說，此類故障輕則損失發(fā)電量，重則會(huì)危及電站的運(yùn)行安全。因此，對(duì)于組串的監(jiān)控和運(yùn)維幾乎成為當(dāng)前采用集中式方案的光伏電站的最大痛點(diǎn)。

相比之下，組串式逆變器由于其精度高，是集中式的6倍以上，可精確檢測到每串電池板的電壓、電流，可針對(duì)組串進(jìn)行智能的I-V、P-V曲線掃描，直觀、簡單、可靠地監(jiān)測到每個(gè)組串的狀態(tài)，從而能幫助工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并快速解決。甚至通過大數(shù)據(jù)分析，還能主動(dòng)預(yù)判故障，真正做到運(yùn)維智能化，這也是以精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。

5 組串式方案與集中式方案系統(tǒng)效率角力

目前業(yè)界傳統(tǒng)的集中式系統(tǒng)效率一般可達(dá)到76%，主要損失為光伏陣列損失和系統(tǒng)故障損失。而在山地光伏電站中，曾有光伏陣列損失達(dá)到14%的情況，主要包括：灰塵遮擋損失，溫度損失，早晚不可利用損失，組件、組串失配損失，陰影遮擋損失等。很多電站的系統(tǒng)故障損失也超過6%以上，主要包括：組件故障、匯流箱故障、熔絲故障、逆變器故障等。

圖8 集中式方案系統(tǒng)效率

通過實(shí)際的大量應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，組串式解決方案系統(tǒng)效率可達(dá)到80%以上，可有效降低光伏陣列損失和系統(tǒng)故障損失，使整個(gè)電站效率提升，發(fā)電量可提升3%～5%，提升電站投資收益。

圖9 組串式方案系統(tǒng)效率

表1 集中式和組串式發(fā)電量對(duì)比(直流容量10 MW)

以筆者參與設(shè)計(jì)建設(shè)的電站為例，該電站規(guī)模為20 MW，其中集中式和組串式各為10 MW，分別匯集成2條10 MW的集電線路。在匯集處裝有0.2 s級(jí)電表，電站并網(wǎng)后，記錄從2015年1月28日～4月25日的發(fā)電量數(shù)據(jù)，歸一化后的計(jì)算結(jié)果表明，組串式方案較集中式方案發(fā)電量提升4.33%。

6 總結(jié)

提升光伏電站系統(tǒng)效率是整個(gè)行業(yè)的重點(diǎn)難題。目前業(yè)內(nèi)組串式光伏電站解決方案在提升發(fā)電量、提高系統(tǒng)效率方面有所突破。組串式逆變器多路MPPT解決了組串失配等造成的發(fā)電量損失。另外組串式逆變器實(shí)現(xiàn)了對(duì)每串電池板的可靠精確監(jiān)測，為將來實(shí)現(xiàn)精細(xì)化運(yùn)維提供物理基礎(chǔ)，減少了光伏陣列損失和系統(tǒng)故障對(duì)發(fā)電量的損失。組串式解決方案做到了將光伏電站的各組成部分進(jìn)行細(xì)分、控制、評(píng)估，使電站系統(tǒng)更加優(yōu)化、清晰、簡單，系統(tǒng)可靠性更高，最終提升電站發(fā)電量，在度電補(bǔ)貼時(shí)代為電站投資者帶來更多價(jià)值回報(bào)。