并网光伏电站基于汇流箱组串电流离散率的分析方法及应用

傅国轩，李雪，高旭冬

（1. 黄河上游水电开发有限责任公司，青海西宁 810000；2. 北京木联能软件股份有限公司，北京 100096）

在能源形势日益严峻的今天[1]，提倡绿色能源，优化能源结构，降低对煤炭等环境污染型资源的严重依赖得到社会的普遍认同。太阳能具有分布广泛、清洁环保、资源丰富等优势[2-3]，是传统发电的有益补充。鉴于其对环保与经济发展的重要性，各发达国家无不全力推动太阳能发电工作[4]。随着国家政策支持和智能电网建设[5]，近年来我国光伏产业发展迅速[6-7]，截至2013年底，全国光伏发电累计并网容量为1 942万kW，其中地面大型光伏电站并网容量为1 632万kW，分布式光伏发电项目并网容量为310万kW。

并网光伏电站主要包含光伏电池组件、汇流箱、逆变器等设备类型[8]，逆变器作为发电量的输出单元，逆变器所处的光伏方阵中普遍存在组串电流偏低、过低甚至部分组串电流为零的问题，从而严重影响光伏电站的发电量。即使是运行良好的逆变器，也仍存在部分组串电流偏低、过低甚至部分组串电流为零的问题。如何快速找到光伏方阵中普遍存在偏低、过低、为零的组串电流是首要解决的问题。为此，引入汇流箱组串电流离散率的概念，提出了基于汇流箱组串电流离散率的数据分析方法，可迅速定位汇流箱异常组串，帮助运维人员及时排除组串故障问题，达到提高光伏电站发电量的目的。

1 汇流箱组串电流离散率定义及分类

汇流箱组串电流离散率是指光伏电站某台逆变器所带汇流箱组串电流的离散率，它反映了该逆变器下所有汇流箱电池组串的整体运行情况，离散率数值越小，说明各汇流箱电池组串电流曲线越集中，发电情况越稳定。

某时刻（j时刻）汇流箱组串电流离散率计算公式为：

全天汇流箱组串电流离散率为该逆变器下汇流箱组串电流每个时刻离散率的加权平均值。根据光伏电站生产运维经验和文献[9]要求，汇流箱组串电流离散率取值范围可分为如下4个等级：

1）若汇流箱组串电流离散率取值范围在0～5%以内，说明汇流箱支路电流运行稳定。

2）若汇流箱组串电流离散率取值在5%～10%以内，说明汇流箱支路电流运行情况良好。

3）若汇流箱组串电流离散率取值在10%～20%以内，说明汇流箱支路电流运行情况有待提高。

4）若汇流箱支路电流离散率超过20%，说明汇流箱支路电流运行情况较差，影响电站发电量，必须进行整改。

2 汇流箱组串电流离散率应用

以我国西北地区某20 MW地面并网光伏电站2014年4月的实际生产运行数据为例，应用汇流箱组串电流离散率分析方法评估电站的发电情况。该电站在2014年4月份理论发电量384.999万kW·h，实际发电量275.437万kW·h，上网电量275.179万kW·h，发电量等效利用小时数为137.72 h（4.59 h/d），系统实际运行综合效率为71.48%。2014年4月该电站发电量趋势变化图如图1所示。

图1 2014年4月西北某光伏电站发电量趋势变化图Fig. 1 Change of the output of a PV power plant in Northwest in April 2014

由图1可见，电站日均发电量9.181万kW·h，其中2014年4月22日发电量最高，为13.514万kW·h；4月24日发电量最低，为1.223万kW·h。两者相差12.291万kW·h。分析4月份发电量最高和最低的一天汇流箱组串电流离散率如图2（a）和图2（b）所示。

图2 2014年4月22日和24日某电站汇流箱组串电流离散率分析图Fig. 2 Discrete rate analysis of the junction box branch current of a PV power station respectively on April 22 and April 24，2014

2014年4月22日（电站发电量最高）逆变器下汇流箱组串电流离散率如图2（a）所示。1台逆变器下的汇流箱组串电流离散率取值范围在0～5%之间，占2.5%；3台逆变器下的汇流箱组串电流的离散率在5%～10%之间，占7.5%；10台逆变器下的汇流箱组串电流离散率取值范围在10%～20%，占25%；26台逆变器下的汇流箱组串电流离散率取值大于20%，占65%。说明10台逆变器下的汇流箱电池组串运行情况有待提高，26台逆变器下的汇流箱电池组串运行情况较差，影响电站发电量，必须进行整改。

2014年4月24日（电站发电量最低）逆变器下的汇流箱组串电流离散率如图2（b）所示。8台逆变器下的汇流箱组串电流离散率在10%～20%之间，占20%；32台逆变器下的汇流箱组串电流离散率超过20%，占80%。说明8台逆变器下的汇流箱电池组串运行情况有待提高，32台逆变器下的汇流箱电池组串运行情况较差，影响电站发电量，必须进行整改。

由2014年4月22日和4月24日的离散率统计数据可以看出，2014年4月22日汇流箱电池组串运行稳定性明显优于2014年4月24日，可见汇流箱电池组串运行稳定性是影响发电量主要因素之一，如何提高汇流箱电池组串运行稳定性是需要解决的首要问题。

2.1 异常电流组串定位

提高汇流箱电池组串运行稳定性在于消除汇流箱异常组串电流，应用汇流箱组串电流离散率分析方法快速定位电流偏低、为零的异常电池组串，分析该电站2014年4月24日（电站发电量最低）逆变器下汇流箱组串电流离散率，查看离散率在10%～20%之间、大于20%汇流箱组串电流，通过逆变器实时监测数据定位异常电流组串。其中，2014年4月24日15号子阵逆变柜02下的汇流箱组串电流离散率为53.92%，其汇流箱组串电流实时监测数据如图3所示。由图3可见15号子阵逆变柜02下的05号、12号、13号、15号汇流箱下i13、i14、i15、i16支路电流为0；09号汇流箱i12、i13、i14、i15、i16支路电流为0。

2014年4月24日03号子阵逆变柜02下的汇流箱组串电流离散率为17.85%，其汇流箱组串电流实时监测数据如图4所示。由图4可见，4月24日03号子阵逆变柜A下的15号汇流箱i5支路电流为0。查看组串电流离散率大于10%的其他38台逆变器下的汇流箱组串电流实时监测数据，共发现284条异常电流组串，其中，280条电池组串电流为0，4条组串电流偏低。

综上所述，4月24日该电站异常电流组串为284条，其中，280条电池组串电流为0，4条组串电流偏低，电池组串的平均发电量为3 kW·h。全站正常工作逆变器下的电池组串共4 474条，总发电量为1.223万kW·h。如果所有电流异常的电池组串发电量均达到当日平均发电量水平，则本电站在4月24日因组串电流异常导致的损失电量为0.085万kW·h，若对284条电流异常组串进行消缺，电站发电量可提升6.95%。

图3 2014年4月24日某电站15号子阵逆变柜02的实时监测数据Fig.3 Real-time monitoring data on No.15 sub arrays of No 02 inverter cabinet 02 of a PV power plant on April 24，2014

图4 2014年4月24日某电站03号子阵逆变柜02的实时监测数据Fig. 4 Real-time monitoring data on No. 03 sub arrays of No 02 inverter cabinet 02 of a PV power plant on April 24，2014

2.2 损失电量评估

发电量是评估光伏电站经济效益的重要指标，造成光伏电站电量损失的原因有多种，如灰尘损失、线路损失等。本文主要分析由于异常组串电流造成的电量损失，重点评估西北地区某20 MW地面并网光伏电站2014年4月由于组串电流异常造成的电量损失情况，该电站2014年4月理论发电量384.999万kW·h，实际发电量275.437万kW·h，上网电量275.179万kW·h，系统实际运行综合效率为71.48%。统计该光伏电站2014年4月份的异常电流组串数量，若所有电流异常的电池组串发电量均达到当日平均发电量水平，则该电站异常电流组串造成的损失电量如表1所示。

表1中2014年4月份异常电流组串为8 068条，占电站组串总数量的6.01%，该电站由于组串电流异常造成的损失电量为17.345万kW·h。若对电流异常组串及时进行消缺，则电站发电量可提升6.30%。由此可见，异常组串的及时消缺对提升光伏电站发电量具有重要意义。

3 结论

本文结合光伏电站的生产运行特点，提出了基于汇流箱组串电流离散率的分析方法，并以我国西北地区某20 MW地面并网光伏电站2014年4月的实际生产运行数据为例，通过分析该电站汇流箱组串电流离散率，定位电流偏低和电流为0的异常组串，评估由于组串电流异常造成的电量损失。其主要结论归纳如下：

1）并网光伏电站基于汇流箱组串电流离散率的分析方法，主要是通过分析光伏电站汇流箱组串电流离散率，找到组串电流离散率大于10%的逆变器，进一步查看该逆变器下的汇流箱组串电流实时监测数据，快速定位电流偏低和电流为0的异常电流组串，并及时进行消缺，提高电站发电量。

2）本文提出了光伏电站因组串电流异常造成的损失电量评估方法，对光伏电站产能分析和评估具有重要意义。

3）2014年4月，西北地区某20 MW地面并网光伏电站实际发电量275.437 万kW·h，上网电量275.179万kW·h，系统实际运行综合效率为71.48%，应用汇流箱组串电流离散率分析方法定位异常电流组串共8 068条，占电站组串总数量的6.01%。经过统计分析，由于组串电流异常造成的损失电量为17.345万kW·h，若对电流异常组串及时消缺，则电站发电量可提升6.30%，综合效率可提升到77.78%。

表1 2014年4月份异常电流组串损失电量评估Tab. 1 Assessment of loss of power of abnormal current branch in April 2014

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