光伏电站发电单元的改造与升级

刘路　庄英军

摘 要：随着人类社会的不断进步，传统能源被不断的消耗，同时也带来了严重的环境问题。为了减少环境的污染，保证能源的可持续利用，就必须改变现有的能源结构，重视新能源的开发和利用。从长远发展的角度看，可再生资源是人类未来的主要能源来源，因此，世界上很多国家都开始重视太阳能等新能源的开发利用。在这些可再生资源中，光伏发电的发展速度最快，而太阳能光伏发电已经成为可再生能源领域中继风力发电之后产业化发展最快、最大的产业。世界各国都非常重视太阳能光伏产业的发展，我国拥有丰富的太阳能资源，对太阳能的开采具有很大的优势，因此，太阳能光伏发电成为我国开发新能源的重要内容。太阳能作为一种新型的可再生能源，近年来得到了广泛的应用，光伏并网技术成为有效利用太阳能发电的核心和关键。本文简述了光伏发电的发展史，总结了中国近十年的光伏电站运行的概况，并分析了电站运维过程中的发电单元故障及其改造升级方案。

关键词：光伏电站、逆变器、改造、升级

一、太阳能光伏发电系统简介

太阳能是指太阳光照所辐射的能量。目前太阳能的利用主要有光热转换、光电转换和光化转化三种形式。太阳能光电转换又分为光热发电和光伏发电两种，通常说的太阳能发电主要是指太阳能光伏发电。

太阳能光伏发电系统是利用半导体的光生伏打效应进行光电转换的发电系统，其基本应用形式主要分为独立发电系统和并网发电系统两大类。应用领域主要集中在航空航天、通讯系统、无电缺电地区和分布式发电、大型地面电站等。本文所讲的光伏发电系统，即大规模民用级的光伏电站。一般的光伏电站主要是由光伏电池组件、汇流箱、逆变器和箱变组成。首先，通过光伏电池组件将太阳能转化为直流电能，其次，再利用汇流箱将直流电汇集输入到逆变器，逆变器将直流电转变成交流电，通过升压箱变输送到电网，同时逆变器还可以稳定电压，改善光伏发电系统的供电质量。可以看出，逆变器是整个系统中最关键一环，其稳定性决定了光伏电站向电网发送的电能的数量与质量，决定了整个电站的收益。

二、光伏并网逆变器发展简介

自1954年第一块实用光伏电池问世以来，太阳能光伏发电取得了长足的进步。由于1973年的石油危机和90年代的环境污染问题大大促进了太阳能光伏发电的发展。20世纪90年代，随着西班牙、德国、意大利等国对本国光伏产业的大力扶持，全球光伏逆变器销量不断增加，光伏逆变器进入一个快速增长的阶段。美国、日本也具有雄厚的工业基础和先进的半导体技术，他们在电路结构设计、电气和自动控制设计方面具有很强的实力，依靠公司的品牌在光伏逆变器生产设计方面也具有很强的实力和竞争优势。国外主要逆变器厂商有：德国的SMA、KACO、奥地利的Fronius、加拿大的Power one等公司。进入21世纪后，随着中国光伏市场的逐步发展，国外逆变器厂商陆续在中国设立办事处，逐步抢占中国市场。

在中国，从20世纪80年代开始对光伏逆变器进行研究 和开发，由于终端市场启动时间比较晚，国内光伏逆变器厂商普遍规模较小，结构、工艺、做工、性能稳定性等指标跟国外一流企业有一定的差距。 2009年7月21日，财政部、科技部、国家能源局联合发布了《关于实施金太阳示范工程的通知》，国家将以财政补助的方式推进国内光伏电站的发展。这一政策极大地促进了国内逆变器厂家的发展，因为国外厂商普遍存在成本高、交货周期长等障碍，使得国内厂商逐步占领了国外厂商在中国市场的份额。

经过多年的发展，国内出现了较多知名的逆变器厂商，像合肥阳光、山东奥太、无锡上能、特变电工等，其生产的光伏逆变器无论是在工艺、做工，还是在电网友好性、稳定性等方面均已接近国际知名厂商，而且售价远远低于它们的价格，售后服务质量高且及时。

三、近十年光伏电站的运维情况

光伏电站的设计寿命是25年，其中光伏组件和其他器件寿命应该可以达到，逆变器作为光伏电站的核心器件，设计寿命也应该达到25年。自2009年国家发布“金太阳”工程起，大大小小的光伏逆变器厂商如雨后春笋般出现，专业研究和开发光伏发电系统逆变器的厂家并不多，导致“金太阳”工程的质量也是有高有低。电站型光伏逆变器，其系统犹如一个独立的“人”，包括主回路系统、控制系统、供电系统、通风散热系统，五大系统相辅相成，一个出问题会导致整个逆变器的故障。笔者从事光伏逆变器的研究已近7年，凭以往经验列出光伏逆变器运行过程中的较常见故障：①主回路中逆变模块故障，逆变模块由IGBT、散热器、母排、直流支撑电容组成，某些厂商为了降低成本，IGBT数量减配，散热器工艺不过关、母排本该是叠层母排，改换为正极铜排，负极铜排和绝缘片叠加在一起的低成本方案，母线支撑电容不使用寿命长的膜电容，反而用低成本的电解电容；②通风散热系统故障：因为内部的IGBT模块、滤波电抗器在逆变器运行过程中会产生大量的热能，如果通风系统设计的不好，逆变器产生的热能不能及时排出设备外部，将会使IGBT内部芯片结温过高，损坏IGBT。

四、逆变器升级改造综述

笔者二人在以往的工作经历中整改升级了不下7家国内外厂商电站型光伏逆变器，这些厂商都是因为成本问题宣布破产，导致售后服务停止。对于上述低成本的逆变模块，采取的方案是IGBT模块数量扩容，更换较高质量的散热器、叠层母排、薄膜电容组件，这样在通风系统良好的情况下，可以有效降低逆变单元的故障率，增加光伏电站收益；对于通风散熱系统设计不良的逆变器，采取的措施是水冷系统改风冷系统，风冷系统升级改造，具体做法是设计独立风道，每个逆变单元单独使用一个风道，滤波电抗器作热隔离处理，单独设计散热风道。这样作可以保证在不动土建的情况下，使用最低的成本来降低光伏逆变器的故障率。

五、总结

现在光伏行业竞争已经进入白热化，直接导致了光伏逆变器厂商的在市场占有率的重新洗牌，水冷光伏逆变器已经完全退出中国市场，某些知名厂商宣布破产，更不要提2009年中国市场起步后发展起来的中小企业。因为当时做出的质保周期较长，在技术不过关、毛利率降低的情况下，很多企业由于成本问题无法维持自身设备的售后服务，这就造成了在光伏电站在寿命时限内，存在无法发电的案列。光伏电站也在积极的处理，在不侵害厂商的权益前提下，可以向国内知名厂商，像合肥阳光、山东奥太，寻求解决方案，对电站现有的逆变器进行改造升级，保证电站的最大收益。