太阳能光伏阵列出力异常的分析和处理

郑德国

浙江大唐国际江山新城热电有限责任公司 浙江江山 324100

1 分析背景

太阳能作为新能源和可再生能源,因清洁环保、永不衰竭的特点,受到世界各国的青睐,目前正迅速发展[1-3]。太阳能光伏发电技术是利用半导体材料发光产生伏特效应而将光能直接转换为电能的一种发电技术,发电过程简单,不消耗燃料,洁净无污染。光伏发电产业对于节约常规能源和保护自然环境而言有重要意义。

光伏电站的工作环境比较恶劣,导致各种异常工况和故障频发,如光伏组件设备故障、光伏阵列老化损坏、光伏阵列热斑现象等。光伏发电系统发生异常工况和故障,可能导致输出功率降低,影响整个光伏系统的安全性和发电效益。为进一步拓展太阳能发电空间,需要对光伏设备运行数据和运行工况进行分析,及时发现异常工况和故障,确认影响光伏发电效率的因素,采取针对性措施,在保证设备安全运行的前提下,提高太阳能发电效率,取得最佳经济效益[4]。

笔者对太阳能光伏阵列出力异常数据和电流下降原因进行分析,并提出解决方案。

2 正常运行数据

江山公司屋顶光伏项目总装机峰值容量为1 MW,采用峰值功率为315 W的单晶硅太阳能电池板,共计布置3 180块。屋顶光伏共有18个光伏阵列和18个逆变器,18个逆变器中,11个容量为60 kW,五个容量为40 kW,两个容量为50 kW。每六个光伏阵列并联组成一个光伏发电单元,共计三个光伏发电单元。每个光伏发电单元通过380 V光伏并网柜接入厂用电380 V母线,并网点分别为1号机组380 V工作1B段、化水380V工作B段、生活区380 V工作B段。江山公司屋顶光伏项目自投产以来,通过对光伏发电设备运行数据进行统计和分析,得到各逆变器转换效率在95%～98%之间,单晶硅太阳能电池板转换效率为17%左右。在晴天光照充足的条件下,各逆变器输出功率曲线呈抛物线状,如图1所示。

图1 正常逆变器输出功率曲线

3 异常运行数据

通过对各逆变器运行数据进行分析和对比,发现在晴天光照充足的时间段(11:00至15:00),1号燃机房和检修楼逆变器输出功率曲线有别于正常逆变器输出功率曲线,呈顶部有U形缺口的抛物线状,如图2所示。损失功率瞬时值为17 kW左右,约为正常值的1/3。

图2 异常逆变器输出功率曲线

4 异常数据分析

为查找上述逆变器发电功率突降的原因,以1号燃机房逆变器运行数据为例进行分析,解决太阳能光伏阵列出力异常问题。

1号燃机房屋顶单晶硅太阳能电池板总计235块,采用的逆变器功率为60 kW。逆变器输入支路共12路,分为四个接入模块——PV1、PV2、PV3、PV4。1号燃机房逆变器共有十路光伏发电支路,其中PV1接三路光伏发电支路,PV2接三路光伏发电支路,PV3接三路光伏发电支路,PV4接一路光伏发电支路。1号燃机房逆变器输入电压和电流曲线如图3所示。

图3 异常逆变器输入电压和电流曲线

白天,天气晴朗无云,环境温度为15 ℃,1号燃机房逆变器各支路从 6:37开始发电。随着光照强度的增大,逆变器各支路输入电压和电流上升,各支路输入电压和电流在10:53上升至逆变器输出功率突降前的峰值。

10:53至14:24时间段,随着光照强度的逐渐增大,1号燃机房逆变器各支路输入电压继续上升,升至865 V左右保持不变,但逆变器各支路输入电流开始下降,部分支路输入电流甚至降为零,逆变器输出功率也开始下降。

14:24开始,1号燃机房逆变器各支路输入电压开始下降,各支路输入电流开始恢复。14:53,逆变器各支路输入电流开始上升至逆变器输出功率降低前水平,同时逆变器输出功率上升。之后随着光照强度的减小,逆变器各支路输入电压和电流,以及逆变器输出功率同时下降。

对逆变器各支路输入电压和电流曲线进行分析,在天气晴朗、光照强度大的条件下,1号燃机房逆变器各支路输入电压曲线全天随光照强度的变化而呈抛物线状,输入电流曲线全天随光照强度的变化而呈顶部有U形缺口的抛物线状。可见,1号燃机房逆变器输出功率下降与各支路输入电流下降有关联。

5 电流下降原因分析

逆变器各支路输入电流下降的常见原因有外部光照强度变化、单晶硅太阳能电池板异常、支路线路故障、逆变器本身问题等[5],以下分别对上述原因进行分析。

5.1 外部因素

对1号燃机房逆变器输出功率历史曲线和历史天气情况进行分析,逆变器输出功率曲线突降一般发生在晴天阳光充足的11:00至15:00时间段,此时段光照强度为一天中最大。在此时段,天空云层较少或没有,可排除因云层遮挡太阳光而使单晶硅太阳能电池板输出电流下降的可能性。对1号燃机房单晶硅太阳能电池板表面进行检查,表面清洁且无杂物。1号燃机房顶单晶硅太阳能电池板位置较高,且周围环境空旷,单晶硅太阳能电池板表面无受其它建筑物遮挡而产生的阴影[6],均能正常吸收太阳光,因此排除逆变器各支路输入电流下降受光照强度变化影响的可能性。

5.2 设备因素

对1号燃机房单晶硅太阳能电池板及线路进行检查,外观上无破碎现象,也无热斑现象[7],单晶硅太阳能电池板运行正常。对各支路线路和接头进行检查,各支路电缆无破损和断开情况,各线路连接器接头连接正常。对各支路线路进行检测,无开路和接地现象。对各支路保险进行检查和测量,各支路正负极保险均未熔断。由此排除逆变器各支路输入电流下降是受设备异常因素影响的可能性。

5.3 电池片内部损坏

单晶硅太阳能电池板电池片内部质量问题可能引起单晶硅太阳能电池板输出电流下降,如电池片存在裂纹、破碎、局部短路,镀锡铜带开焊、断裂,局部杂质含量过高等[8]。当存在上述缺陷时,电池片会变成负载,被其它电池片反向充电。当故障电池片增多时,会在同一最大功率点跟踪控制支路中引起倒挂现象,电压高的支路会向电压低的支路充电,充电支路的电流保持不变或略有下降,而被充电的支路电流下降,甚至可能为负,并且不会恢复。分析1号燃机房逆变器各支路运行数据曲线,逆变器同一最大功率点跟踪控制的各支路电流同时变化,电流曲线为先升高再降低最后恢复,由此可以排除逆变器各支路电流下降是受电池片内部损坏影响的可能性。

5.4 逆变器

逆变器主要由前级的直流-直流变换器和后级的直流-交流逆变器组成,这两部分通过直流母线相连接[9]。前级的直流-直流变换器将单晶硅太阳能电池板输送的电能变换为400 V直流电,后级的直流-交流逆变器将直流母线上的直流电转换为正弦交流电。逆变器控制系统保证并网逆变器输出的交流电与电网的交流电电压、频率、相位相同[10]。逆变器原理框图如图4所示。

图4 逆变器原理框图

直流-直流变换器需要完成跟踪最大功率点并监控直流母线的电压。经过最大功率点跟踪控制,对参考电压和单晶硅太阳能电池板实际电压进行比较,误差经过比例积分调节后,用于产生脉宽调制驱动波形。其中,直流母线检测电压闭环回路只有在直流母线电压高于上限电压设定值时才起作用,目的是防止直流母线电压过高而损坏主电路器件[11-12]。换言之,当直流母线电压高于上限电压设定值时,要求控制器迅速减小单晶硅太阳能电池板的输出电流,从而降低输出功率,则直流母线传输的功率下降,最终使直流母线的电压下降。直流-直流变换器控制流程如图5所示。

图5 直流-直流变换器控制流程

天气晴朗的11:00至15:00时间段是一天中光照强度最大的时间段,这一时间段内1号燃机房逆变器各支路输入电压最高约为865 V,而逆变器的输入电压工作范围为250～800 V,由此造成直流母线电压超压。为保证直流母线电压稳定,控制器迅速减小逆变器各支路的输入电流,从而降低逆变器的输出功率。待光照强度减小后,逆变器各支路输入电压下降至正常值,直流母线电压不再超压,控制器增大各支路的输入电流,逆变器的输出功率进而上升。

6 解决方案

现场检查1号燃机房顶单晶硅太阳能电池板布置情况,发现部分支路所串联单晶硅太阳能电池板数量多达24块,造成在晴天光照强度最大的时间段单晶硅太阳能电池板输出电压过高,逆变器直流母线超压,进而引发逆变器输出功率下降的情况。通过数据分析,结合现场单晶硅太阳能电池板布置情况,调整逆变器支路数和各支路串联单晶硅太阳能电池板数量,来解决1号燃机房逆变器输出功率在晴天光照强度最大时间段下降的问题。将1号燃机房逆变器235块单晶硅太阳能电池板重新连接,由原来的十路支路调整为11路支路,减少各支路串联单晶硅太阳能电池板的数量,降低各单晶硅太阳能电池板在晴天光照强度最大时间段的输出电压,避免逆变器直流母线超压而引起逆变器输出功率下降的情况。调整后各单晶硅太阳能电池板满足逆变器输入电压要求,逆变器可在光照强度大的时间段正常工作。调整后1号燃机房单晶硅太阳能电池板接线方式见表1,解决了光照强度大的时间段逆变器输出功率下降的问题,如图6所示。

图6 调整后逆变器输出功率曲线

表1 调整后单晶硅太阳能电池板接线方式

7 结束语

笔者对太阳能光伏阵列出力异常进行了分析,提出了解决方案。太阳能发电设备受内外部因素的影响,运行数据具有多变性,因此对太阳能发电设备进行运行数据及异常分析,是光伏电站运维管理必不可少的工作,并且是优化电站设计、提高太阳能利用率的有效途径,对光伏电站高效稳定运行、提高经济效益具有重要作用。