约束条件下的光伏发电设备监理的研究与应用

邹平国，张镇滔，李 刚，陈亚彬，李 强

(苏州热工研究院有限公司，苏州 215004)

0 引言

从长期来看，平价上网有利于可再生能源的技术进步和长期稳定发展，还可以促进国家能源转型的步伐变快；从短期来看，平价上网必然会提升项目管理的约束水平，尤其是促使项目投资方寻求采购低成本的设备，以满足项目内部收益率的要求。设备监理作为保障设备工程质量、进度、投资和安全的重要手段，是指根据国家有关法规、规章和技术标准，对设备形成的全过程和(或)最终形成的结果实施监督和控制，以确保设备制造及安装调试的质量，这在保障光伏发电项目的投运与收益等方面具有重要意义[1]。

根据国家发展和改革委员会、国家能源局于2019年1月7日联合发布的《关于积极推进风电、光伏发电无补贴平价上网有关工作的通知》(发改能源[2019]19号)的要求，我国光伏电站自该文件发布之日起，开始按照平价上网约束模式推进项目建设管理。一方面，在项目装机容量不变的情况下，光伏电站总投资已直接对照燃煤标杆上网电价进行核算，且投资规模大幅缩减；在土地成本及施工成本基本不变化的情况下，项目投资方需要尽可能采购“价低”的光伏发电设备，而“价低”带来的后果可能会导致设备采购质量急剧下降，最终影响项目的投资收益。另一方面，由于需要在极其受限的时间点前完成光伏发电项目的并网，在项目实施过程中一旦出现重大质量问题，项目的延期并网就已经直接导致了项目的失败。因此，在平价上网背景下，常规的设备监理理论方法面临挑战，监督方法的弹性受限，需要根据光伏电站建设时的约束条件进行有针对性地分析与研究。

本文针对在光伏发电平价上网背景下，光伏电站建设的约束条件下光伏发电设备监理的范围及监督方法进行了分析，并针对光伏发电设备批量生产的特点，在设备工程关键环节发挥设备监理应有的作用，避免因“价低”带来的“质次”问题，从而促进光伏发电项目按时投运，并保障光伏发电项目的投资收益。

1 约束条件下的光伏发电设备监理

1.1 妨碍设备监理目标实现的约束条件

项目投资、项目进度及项目质量之间存在着既对立又统一的关系[2-3]。光伏发电设备监理的目标是在可控成本条件下，促使光伏发电设备工程进度符合项目需求，设备质量满足国家有关法规、技术标准和设备采购技术要求。在政策推行平价上网的背景下，妨碍设备监理目标实现的约束条件及影响因素主要包括5个方面，即：投资总额约束、设备监理预算约束、电站并网进度节点约束、设备承包商诚信约束、技术标准约束。

1)投资总额约束。在土地成本与施工成本几乎无变化的情况下，投资硬约束主要是限制设备采购预算，需尽可能低价采购设备，但“价低”可能导致“质次”，从而可能导致所选设备承包商的技术水平、质量管理能力等均低于行业平均水平。设备监理机构需要开展对比分析，并为设备承包商的质量管理能力提供更多的技术支撑。

2)设备监理预算约束。投资硬约束还将限制光伏电站投资方对设备监理机构投入资源的多少，其要求设备监理机构在投入有限资源的条件下实现设备监理目标。

3)电站并网进度节点约束。进度节点硬约束会导致项目质量问题的处理周期的剩余时间不足，合同约定的支付手段和控制手段受限。

4)设备承包商诚信约束。我国光伏发电累计并网装机容量从2015年底的4218万kW增至2019年底的20468万kW，爆发式的增长带来的结果是设备承包商良莠不齐，偷工减料、弄虚作假的情况时有发生，项目投资方对此是“零容忍”。设备监理机构需针对设备承包商的诚信行为做出有针对性的监理。

5)技术标准约束。依据《国家鼓励实施设备监理的重大设备目录(2014年版)》(国质检质联[2014]60号)和《设备监理单位行业管理规范(2017年修订版)》(中设协通字[2017]10号)这2份文件的要求，光伏发电设备监理范围至少应包括光伏组件和光伏逆变器，并鼓励在设备监理过程中囊括机械设备、送出设备等。

1.2 约束条件下的光伏发电设备监理的范围分析

1.2.1 设备监理的范围

光伏发电设备包括光伏组件，光伏支架，汇流箱，逆变器，箱式变压器(或逆变器-箱式变压器一体机)，电缆，主变压器，气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)/敞开式开关设备(AIS)，无功补偿装置(SVG)，以及中、高压开关柜等[4]。除升压站区域的设备外，光伏发电设备的生产方式基本属于批量生产型，这与火电、核电等电力工业中设备单台或小批量的生产方式不同，设备的质量管控方式也会有所不同[5]。

为便于进行设备监理必要性分析，由光伏电站投资人、设备监理专业技术人员从技术标准约束、设备投资额、可更换性、并网影响，以及以往工程的角度进行质量反馈几方面进行综合评分，评分总分为10分，以2分作为分档。评分时，“技术标准约束”是依据《国家鼓励实施设备监理的重大设备目录(2014年版)》(国质检质联[2014]60号)和《设备监理单位行业管理规范(2017年修订版)》(中设协通字[2017]10号)这2份文件进行判断；“设备投资额”是以投资额最大为评分最高；“可更换性”是以最难以更换为评分最高；“并网影响”是以对并网影响最大为评分最高；“以往工程的角度进行质量反馈”是以质量问题关注度高为评分最高。设备监理必要性分析得分表如表1所示。

根据表1的得分结果，在所投入资源受限并考虑技术标准约束条件的情况下，建议设备监理范围选择总得分在30分以上(即监理必要性为“高”“中”)的设备，即优先选择对主变压器、箱式变压器(或逆变器-箱式变压器一体机)、光伏组件、逆变器、光伏支架进行设备监理。

表1 设备监理必要性分析得分表Table 1 Score table of equipment supervision necessity analysis

1.2.2 设备监理的阶段范围

1台设备投运前需要经历以下几个阶段：设计选型、设备采购、设备制造、设备安装与调试等[1]，设备监理的阶段范围较广，应包括以上几个阶段，下文进行详细分析。

1)设计选型与设备采购阶段。按照当前我国设备监理的常规做法，设计选型与设备采购主要由项目建设方进行管控，一般不委托设备监理机构提供技术支持。然而在设备采购过程中，设备承包商的选择又将直接影响到后续设备监理的实施。因此，为保证设备的供货质量，在条件允许的情况下，建议项目建设方在设计选型与设备采购阶段设置“合格设备承包商名录”或对潜在的设备承包商进行技术能力源地评审，从源头保证设备承包商具备足够的技术管理能力和诚信度。

2)设备制造阶段。该阶段是设备监理的重点阶段之一，设备的原材料/元器件是否合格、装配制造工艺是否合规、隐蔽工程是否合规、设备出厂性能是否符合设计要求等关键节点的监督均需要在这一阶段进行实施。

3)设备安装与调试阶段。由于设备的包装与运输、设备的安装过程均对光伏组件这一核心设备的影响较大，包装与运输不当、设备安装不当均易造成光伏组件大面积隐裂等问题，进而引起光伏组件的热斑效应，甚至有发生火灾的风险；而且光伏组件的安装规范性还将对光伏阵列的串、并联损耗产生影响，最终还会影响光伏电站的发电量[6-8]。

综上所述，在约束条件下，虽然光伏发电设备监理阶段应覆盖设计造型与设备采购阶段、设备制造阶段、设备安装与调试阶段，但核心是做好设备制造阶段及针对易损件的设备安装与调试阶段的设备监理。

1.3 设备监理的方法分析

1.3.1 变压器设备制造过程的监理

从设备分析来看，在约束条件下，变压器设备质量会直接影响光伏发电设备监理项目目标的实现。在设备承包商的技术能力、质量管理水平均低于行业平均水平的情况下，更需要设备监理机构的专业监理工程师具备对设备承包商的技术、质量管控进行适当帮助的能力，使设备承包商可以按时、保质供货；同时，设备监理机构也需要防范设备承包商偷工减料和弄虚作假。

变压器设备制造过程的监理主要包括原材料及元器件监控，制造、装配工艺监控，试验过程监控，以及最终检查的见证4部分内容。下文对这些内容进行详细分析。

1)原材料及元器件监控。由于变压器设备原材料及元器件成本占设备成本的比例较高，硅钢片品牌及规格型号、电磁线材质及元器件品牌直接关系到变压器设备的制造成本，且原材料及元器件一旦封入变压器箱体，很难再次复检，这往往是设备承包商偷工减料、弄虚作假的重点部件。因此，对原材料及元器件进行及时有效地监控，可大幅降低后续工序的质量整改需求。

2)制造、装配工艺监控。变压器的器身制造、装配工艺的严谨性及防金属异物控制可有效提升变压器的出厂性能，从而可减少漏油的可能性、降低空载/负载的损耗，以及避免局部放电测试的超标。

3)试验过程监控。变压器试验是在实验室条件下对变压器各方面性能进行的全方位检测，以验证其是否满足设备采购技术的协议要求。该节点的监控已被列入设备监理机构的监督重点，主要从人员资格、检测仪器校验、待测变压器器件的完备性(避免将专用试验件用于产品件测试)、检测规范性、电力试验条件等方面进行全要素的监控。

4)最终检查的见证。主要是对变压器试验结束后的吊芯检查过程进行见证，对控制柜、附件装配质量及防异物控制情况进行再确认，对出厂文件资料完整性与准确性进行核查。

1.3.2 批量生产型设备制造过程的监理

光伏组件、逆变器、光伏支架均属于批量生产型设备，批量生产型设备质量的监理与火电、核电等电力工业中单台或小批量生产型设备存在较大不同。若批量生产型设备发生质量问题，将导致其生产的产品批量不合格，且质量整改过程相当于重新生产一批产品。在平价上网背景约束下，批量生产型设备的质量问题整改难度更大，甚至存在工程建设中倒逼项目建设方降低质量标准来接收产品的情况。

设备监理过程需从工厂审核、原材料/元器件复核、整体性能测试、关键工序巡检、产线成品抽检等角度出发，采取审核、见证、巡视监督及平行检验等综合手段进行监督，且监督与检验手段的角度不同，侧重点也各有不同。

1)工厂审核。在批量型生产设备开始制造前，专业监理工程师应对工厂质量控制体系及检验标准进行完整梳理，以判断工厂产能、原材料储备、人力资源储备、型式试验覆盖性、生产工艺规范要求与采购技术协议的匹配性，以及检验执行标准与采购技术协议的匹配性等是否足以完成采购合同。这是根据批量生产型设备的生产特点采取的专用监督与检验手段。

2)原材料/元器件复核。光伏支架用钢板材料，光伏组件用太阳电池、背板材料，逆变器用断路器和IGBT模块等原材料/元器件的品牌一直是业内质量关注的重点。专业监理工程师应采取质量证明文件审查、实物的品牌及尺寸核查等方式进行见证。

3)整体性能测试。本监督与检验手段主要针对光伏组件。尽管设备型式试验或检验认证报告已对光伏组件的环境适应性及主要性能参数进行了证明，但在持续批量生产的状态下，物料清单(BOM)存在变更的需求，且原、辅材料生产线本身存在阶段性质量波动的可能。为保证光伏组件长期运行性能的可靠性，对按当前BOM配置的光伏组件进行实验室抽检测试尤为必要，这是防止所供应的光伏组件存在功率衰减过快、机械荷载/机械强度不足等质量问题出现的重要手段。

4)关键工序巡检。鉴于产品批量生产这一特点，部分工序的环境参数发生变化、工人责任心发生变化均会对产品的最终质量产生较大影响，比如光伏组件的焊接质量、光伏支架的喷砂镀锌质量、逆变器元器件间的装配间距，以及设备出厂例行试验参数设置等一直是质量问题频发的环节。关键工序巡检见证可降低不合格产品的数量。

5)产线成品抽检。光伏组件、光伏支架、逆变器这类设备的每条产线的产能都在数百至数千块(套、台)不等，且根据生产工序的安排，均对产品在厂内做了100%检测，但因产品数量巨大，这类检测依然存在漏检、检测仪器误报、检测人员误读等问题。在设备监理预算约束下，宜按照国家标准GB/T 2828.1-2012《计数抽样检验程序 第1部分：按接收质量限(AQL)检索的逐批检验抽样计划》的要求，按班次计检验批对产品进行抽检，在出现产品不合格数量超标的情况时，再对整批次产品全部进行重新检验，从而最大程度地减少对供货节奏的影响，促进设备监理项目目标的实现。

1.3.3 光伏组件安装过程的监理

由于光伏组件易碎，因此包装与运输、安装过程的不规范均易对光伏组件产生影响，如产生隐裂、背板划伤等，从而影响光伏组件最终的发电性能。通常光伏电站的工程监理不涉及针对设备性能损伤的检测，因此由设备监理机构针对包装与运输、安装过程对光伏组件质量产生的影响进行检测评估。

光伏组件安装过程监理的主要内容包括：卸货监理、到货开箱抽检、安装后方阵检验等。

在设备监理预算约束下，光伏组件安装过程的监理宜按照工程区块的划分进行，将监督检测手段侧重于每个工程区块的首批(均按装机容量为1 MW的光伏组件计为1批)和中间数批已到货或已安装的光伏组件上，并按照国家标准GB/T 2828.1-2012的要求对上述已到货或已安装的光伏组件批次进行抽样检测，以便发现质量问题后可以及时整改。

2 约束条件下光伏发电设备监理的工程应用

以某公司的260 MW平价上网地面光伏发电项目为例，对约束条件下的光伏发电设备的监理进行了工程应用验证。该光伏发电项目的平价上网电价仅为0.3844元/kWh，项目总投资为13亿元，实际勘察设计、设备采购、工程施工采购(EPC)总金额仅为9.35亿元。项目开工日期为2019年9月中旬，在2019年12月底全装机容量并网，实际工程周期低于100天。

在光伏平价上网背景下，约束条件下设备监理的实施范围为光伏组件、光伏支架、逆变器、箱式变压器、主变压器；设备监理实施阶段范围的核心最佳选择为设备制造阶段和设备安装与调试阶段。

对在项目实施过程中出现的较为严重的典型问题进行分析并提出相应的解决方案。

1)由于主变压器承包商的制造技术、质量管理能力不足，设备监理机构对此有针对性地派出经验丰富的专家级设备监理工程师。设备监理工程师在监理实施过程中累计发布8份工作联系单，以促使主变压器承包商提升制造过程中的质量管控能力，从而保证了主变压器设备按期、保质交付。

2)在箱式变压器制造监理过程中，专业设备监理工程师严格控制偷工减料、弄虚作假问题，在发现低压线圈的“铝代铜”问题(如图1所示)后，专业设备监理工程师及时报告给项目投资方，并协调、督促设备承包商在第一时间重新生产制造。

图1 箱式变压器低压线圈的“铝代铜”问题Fig. 1 Problem of“aluminum replacing copper”in low voltage coils of box type transformer

3)通过整体性能测试，发现光伏组件功率衰减异常现象，及时摸排问题组件，确认问题组件的位置及数量，并单独划定区域放置或贴问题标签。

4)发现光伏支架批次性尺寸不合格、镀锌质量不佳等问题，并进行整批次返工及重检。

5)该项目累计划分了13个工程区块，通过对首批次光伏组件的安装质量进行抽检，发现第3个工程区块的光伏组件安装质量不合格率超标，督促施工单位剔除不合格光伏组件，进行经验反馈培训，并对第3个工程区块的光伏组件安装作业方式进行整改。

图2为EL检测设备拍摄的光伏组件电致发光状态下的照片。

图2 EL检测设备拍摄的光伏组件电致发光状态下的照片Fig. 2 Photo of PV modules in electroluminescent state taken by EL testing equipment

通过在该260 MW平价上网地面光伏发电项目采用光伏发电设备监理的结果表明，在有限资源投入下，有针对性地预防核心设备的质量缺陷，以及在早期发现并及时纠正重大质量问题，能够促使设备监理目标的圆满实现。

3 结论

本文对光伏发电平价上网背景下，约束条件下光伏发电设备监理的范围及监督方法进行了分析，得到以下结论：

1)在平价上网背景下，妨碍光伏发电设备监理目标实现的约束条件主要包括投资总额约束、设备监理预算约束、电站并网进度节点约束、设备承包商诚信约束和技术标准约束。

2)在约束条件下，应优先选择对主变压器、箱式变压器(或逆变器-箱式变压器一体机)、光伏组件、逆变器、光伏支架进行设备监理；光伏发电设备监理阶段的核心最佳选择为设备制造阶段及设备安装与调试阶段。

3)在约束条件下，针对变压器设备制造过程的监理应注意对设备承包商的技术能力、质量管控能力进行帮助，并防范设备承包商偷工减料、弄虚作假；针对批量生产型设备制造过程的监理，宜根据设备特点从工厂审核、原材料/元器件复核、整体性能测试、关键工序巡检、产线成品抽检等角度采取审核、见证、巡视监督及平行检验等综合手段进行监督；对光伏组件等易损设备安装过程的监理宜按照工程区块的划分进行，将监督检测工作侧重于每个工程区块的首批和中间数批已到货或已安装的设备。

通过对约束条件下光伏发电设备监理在260 MW平价上网地面光伏发电项目的应用验证，发现在有限资源投入下，有针对性地预防核心设备的质量缺陷，以及在早期发现并及时纠正重大质量问题，能够促使设备监理目标的圆满实现。