光伏电站的优化分析

孙涛

摘 要：托电公司光伏电站，采用不经蓄电池储能直流逆变后直接并入交流电网的运行方式，其技术具有波动性大和间歇较长的特点。实际运行中还存在电池板积尘、电缆漏电接地、回路元件故障等缺陷和隐患，所以，在光电转换的发电过程及逆变并网的用电过程中存在能源利用率和转化效率较低以及输配电损耗较大等现象。本文通过总结光伏电站在运行过程中的问题，对其如何实现优化进行简单分析。

关键词：光伏电站；优化；转化；损耗

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）11-0184-02

1 前言

光伏发电，是指将太阳光照中短波波长的光子所具有的高能量通过半导体多晶硅电池的光电转换所激发光生载流子被电极吸收形成光电流的能量转化过程。在石化能源短缺、环境污染严重背景下，太阳能作为清洁可再生能源用于光伏发电的产业对于国家发展战略上调整能源结构，实现可持续发展，有着举足轻重的地位。

2 托电公司光伏电站简介

托电公司在水源地自备水厂建有一座光伏电站，总装机容量为10MWp，分为10个1MWp发电并网单元。每个单元2台500kW并网逆变器，每个逆变器输出315V三相交流电，通过该单元容量为1000kVA的升压变压升压为6kV三相交流电，10个单元经汇流箱五五并联为两路电源后，接至水厂6Kv A、B两个工作段，至此并入厂用电网。

总共4万多块电池板分布布置于水厂平流池、排泥池岸边，有的直接布置漂浮于平流池水面上。每块电池板接受光照，进行光电转换后不经蓄电池储能，将245Wp的电能经汇流箱并联送至并网逆变器，逆变器将450V-820V的直流电逆变为315V的三相交流电，经升压变升至6kV高压后，直接并网。

3 光伏电站运行中的问题

3.1 积灰的问题

托电地处内蒙古中西部地区，常年风沙较大，降水较少，光伏电站积灰较多也是不争的事实。电气设备积灰对于光伏发电能效转换是一个重要影响因素。

3.1.1 热斑效应

灰尘的组成包括土壤、岩石、动植物细屑等风化颗粒及燃烧烟尘等，灰尘会遮蔽射达光伏电池板的光线，由于灰尘物理性质有差异，且在电池板上分布不均匀，电池板因灰尘遮挡局部带负电压形成负载，伴随光电流热耗的增加，形成局部热点，即热斑效应。这种效应能破坏电池板，导致电池板功率输出损失甚至永久性的开路失效，另外热斑效应造成的功率输出不平衡容易使系统其他组件损坏，如逆变器功率单元或滤波器阻尼电阻等。

3.1.2 温升效应

灰尘与电池板导热性差，灰尘的覆盖会影响电池板表面的散热，电池板本身由于电热效应产生的热耗温度会升高，不良的散热条件使光电转换输出变弱，导致系统的开路电压降低，低于并网电压时系统将跳闸脱网。不光电池板，逆变器的功率单元对于散热的要求也很高，灰尘积聚于功率单元控制驱动板同样也会因温升效应导致大功率器件散热不良而烧损。

3.1.3 腐蚀效应

具有酸碱性的灰尘，如托电的灰含硫含铝量较高，电池板及设备电路板表面积灰，在潮气环境下，将会发生酸碱盐的电化腐蚀从而损坏电池板及设备电路板，这将使光电元件和功率元件短路或开路，造成能量的损耗甚至发生故障。

3.2 发电质量及可靠性的问题

由于托电光伏电站采用不经蓄电池储能，直流逆变后直接并入交流电网的运行方式，其技术具有波动性大和间歇较长的特点。在发电过程中容易产生谐波和三相不平衡电流等问题，从而造成系统电压波动甚至闪变。由此，给光伏系统的发电质量造成极强的不稳定性影响，而且对光伏系统本身也产生威胁，从而引发跳闸脱网，影响电网可靠性。另外光伏系统本身电池板及线缆铺设均处于露天环境，电池板支架、地基受风的应力、水土流失沉降等自然力作用发生变形甚至折断，使电池板阵列角度、朝向、倾斜角等发生改变，甚至电池板发生破损，光电转换的效率将随之降低；大量的线缆直埋敷设与地下，且远距离情况下存在较多中间接头，绝缘性能受地下潮湿环境影响很大，直流接地故障和电缆接头短路故障会造成大量的电能损耗浪费并带来极大的维护工作量。

4 光伏电站的优化

实践证明，以上问题的存在，很大程度上影响着光伏发电的效率和质量，不过，针对这些问题，光伏发电系统还有很多可以优化的空间，以下分析的几方面办法和技术在实际中现实运用，或可以达到节能降耗的目标。

4.1 清洁积灰，提高能量转化效率

光伏电池板上积灰对于发电量的影响重大，尤其在低照辐度条件下，灰塵对发电量的影响更为明显，据统计，电池板清洁后的发电单元比一个月未清洁电池板的发电单元，日均发电效率提高8%以上。粗略计算，10MWp的光伏电站，年发电量约为1600kWh，清洁后效率增加8%，则年均发电量可以增加128万kWh电能，按年300天晴好推算，日均提高发电量4200kWh以上。按照托电煤耗指标每千瓦时电能320g标准煤折算，有效清洁的10MWp光伏电站，年可节约标准煤460吨，每年可减少碳氧化物和氮氧化物排放上千吨。另外，有效清洁电池板，降低灰尘的负面效应影响，可以显著提高电池板以及其他功率组件和滤波元件的使用寿命。

4.2 加强维护和技术改造，提高光伏电网可靠性

由于设计缺陷及施工质量的问题，光伏电站露天建设，存在电池板支架变形基础开焊沉降、电池板下枯草失火烧损电池板及线缆、直埋电缆直流接地、电缆中间头受潮短路、功率单元过热烧损、滤波器电阻电容电抗烧损、逆变回路过电压保护器及交流接触器烧损等等各种缺陷隐患，威胁着光伏发电系统设备的可靠安全。只有通过维护技术改造工作，致力于消除这些隐患和缺陷，才可以行之有效的降低光伏发电设备的损耗及故障，实现优化运行。

电池板作为电源应属重中之重，光伏电池板阵列的朝向及倾斜角直接关系到光照资源的最大化利用，所以必须定期检查维护，电池板及其支架、基础必须进行可靠的紧固和焊接，个别还需调整支架以适应基础沉降，还有对于水上单元的光伏阵列，其浮板和地锚的加固应格外提高标准。另外，电池板下方野生的杂草，在农民烧荒或意外失火时会引发火灾，烧损大量电池板及线缆，必须定期进行除草并清理杂物。

电缆作为输电载体受电通道，线路损耗及故障不容忽视。直埋电缆破损造成直流接地查找困难，对于电能损耗及用电可靠性影响巨大。技改为桥架或槽盒架空铺设，可以降低破损及受潮的影响，出现问题也容易维护检修。对于高压电缆中间接头的电缆井，一方面加高井沿、做防水封堵及涂层治漏，另一方面还需定期检查抽水，以防电缆井积水，积水浸泡电缆接头，绝缘受潮，泄漏电流增大，介质损耗增加，极易发生短路故障。

逆变器作为重要的功率转化设备，其电力电子元器件较纯粹的电力设备对运行环境及参数的要求更为严苛，所以诸如灰尘对元件的散热腐蚀影响、电压电流波动、谐波干扰过滤等因素更加敏感，导致功率单元、过电压保护器、滤波器阻尼电阻、交流接触器等时常发生过压过流损坏。针对现场实际运行情况，维护方面就需要加强清扫和紧固，避免积灰散热不良或腐蚀电路，并确保回路导电良好以免过热；技改方面就是优化元件的参数和性能，增加容量降低损耗，如降低阻尼电阻的阻值，减少其滤波电流的发热量来避免其过热烧损。

5 结语

除常规技术手段，通过优化调节对光伏系统的控制来尽量克服自然因素以及分布式电源技术所带来的负面影响，是目前国内外对光伏发电运用领域研究的重点，例如通过研究光电转换与光照辐射强度和温度的关系跟踪太阳能最大功率输出工作点，实时控制光伏设备工作点来获得最大功率输出；再如优化调度控制光伏出力与电网负荷，提高置信容量、合理无功补偿、改善波动性，提高综合资源利用降低综合损耗；又如采用更高性能转换技术，系统控制分布式电源多变换器集群统一协作，克服相互之间不利影响，通过优化控制算法、元器件参数和脉宽调制驱动等实现谐波质量的控制，提高能量转化效率和电能质量。这些方方面面的技术应用不一而足，目前仍有许多技术处于理论分析阶段，但随著科学技术与时俱进，光伏能源的利用必将得到更大的优化，更加清洁和高效。