新疆新華水電投資股份有限公司 ■ 崔文利

0 引言

在如今的度電補貼時代，評價一個光伏電站的好壞，其實是發(fā)電量的角力。這涉及到光伏電站的各類產(chǎn)品設(shè)備選型、系統(tǒng)方案設(shè)計、建設(shè)、施工、運維等各層面和環(huán)節(jié)。受技術(shù)水平影響，提高組件發(fā)電效率與降低系統(tǒng)成本不可能在短時間內(nèi)達到和實現(xiàn)。因此，提升光伏電站的發(fā)電量，改善空間就集中在設(shè)計更優(yōu)系統(tǒng)方案、提升建設(shè)施工質(zhì)量、提升運維效率等方面。目前主流的系統(tǒng)方案有兩種：集中式方案和組串式方案。結(jié)合作者長期從事的工作和研究，就兩種方案的發(fā)電量及影響因素進行比較分析。

1 組串式逆變器與集中式逆變器轉(zhuǎn)換效率比較

逆變器將組串發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，逆變器轉(zhuǎn)換效率的高低直接影響到最終上網(wǎng)電量的多少。設(shè)備方面，在組件效率一定的情況下，提升逆變器的轉(zhuǎn)換效率是提升發(fā)電量的關(guān)鍵一環(huán)。當前，不同廠家的逆變器轉(zhuǎn)換效率都達到了相當高的水平。那么不同逆變器在光伏電站運行過程中的實際表現(xiàn)如何，作者選擇了國內(nèi)知名的集中式和組串式廠家，并結(jié)合實際參與的電站項目，對集中式方案和組串式方案兩種逆變器的實際效率曲線進行了比較。

實際電站運行效率測試結(jié)果表明：在不同負載等級下，組串式逆變器較集中式逆變器轉(zhuǎn)換效率高0.5%～1%。另外，當組串工作電壓升高，組串式逆變器逆變轉(zhuǎn)換效率隨之升高；而集中式逆變器隨著組串電壓升高，效率出現(xiàn)了下降?；诖?，在冬季時，低溫導(dǎo)致組串電壓升高，組串式逆變器相對集中式逆變器的優(yōu)勢會更加明顯，這也與電站實際發(fā)電量數(shù)據(jù)比較結(jié)果保持一致。

圖1 組串式逆變器效率曲線

圖2 集中式逆變器效率曲線

2 并網(wǎng)發(fā)電時長比較

根據(jù)電站的數(shù)據(jù)記錄，對電站內(nèi)集中式方案和組串式方案兩種逆變器的開關(guān)機時間和并網(wǎng)運行時長進行了比較，發(fā)現(xiàn)組串式逆變器在實際運行中弱光發(fā)電能力相對集中式逆變器更優(yōu)，具體表現(xiàn)為：早晨開機和發(fā)電時間均早于集中式逆變器；傍晚關(guān)機和下網(wǎng)時間普遍晚于集中式逆變器。在不同天氣條件下，早晨發(fā)電提前的時間從2～30 min不等，傍晚關(guān)機和下網(wǎng)延后的時間從2～10 min不等。因此增加了發(fā)電時長，提升了發(fā)電量。圖3、圖4為2015年3月7～30日組串式與集中式逆變器的實際觀測數(shù)據(jù)曲線圖。

圖3 組串式與集中式逆變器開始并網(wǎng)發(fā)電時間比較

圖4 組串式與集中式逆變器下網(wǎng)停止發(fā)電時間比較

3 組串式逆變器多路MPPT提升發(fā)電量

在光伏電站，因為早晚太陽高度較低，因此會存在前后遮擋。遮擋直接造成了輻照減少，影響發(fā)電量。如果受遮擋組串與未受遮擋組串被接入了同1路MPPT，因不同組串間最大功率點電壓不同，必然造成組串間的并聯(lián)適配，進一步損失發(fā)電量。尤其在冬季，因太陽高度角較低，遮擋影響范圍大，遮擋時間長，引起的發(fā)電量損失為一年中最大。

圖5 光伏電站的遮擋現(xiàn)象

業(yè)內(nèi)主流組串式逆變器每臺可支持3路MPPT，每路MPPT最多接入2個組串，通過合理設(shè)計接線方式，可很好地應(yīng)對遮擋，減輕和避免組串間的并聯(lián)失配現(xiàn)象，從而減少和避免發(fā)電量損失。而集中式逆變器將100個，甚至更多組串均接入1路MPPT，不同組串最大功率點電壓不同，因此不可避免的導(dǎo)致了嚴重的組串失配及發(fā)電量損失。根據(jù)遮擋發(fā)生時組串的I-V曲線，可更直觀地看出遮擋導(dǎo)致最大功率點變化趨勢，及并聯(lián)失配導(dǎo)致的嚴重發(fā)電量損失。

圖6 遮擋組串P-V、I-V曲線

由圖6可知，組串一旦局部被遮擋就會形成多峰的情況，此時組串式逆變器因具有多路MPPT，且接入組串數(shù)量少，可準確追蹤到組串的最大功率點，最大限度挖掘該組串的輸出功率，組串之間無影響。而集中式逆變器由于同1路MPPT內(nèi)組串并聯(lián)數(shù)量較多，遮擋組串和未遮擋組串最大功率點電壓不同，組串工作電壓被限制在所有組串均壓后的一個較高電壓水平，此時，遮擋組串幾乎無功率輸出，未遮擋組串的輸出功率也會損失。最終的結(jié)果是，整個子陣(電站)發(fā)電量損失嚴重。筆者曾對在北緯38°附近的一個地面電站進行過研究，電站采用8 m的前后排間距，前后排遮擋發(fā)生的時間集中在冬至日前后各一個半月，具體時間大致在前一年的11月1日～次年2月10日。遮擋現(xiàn)象最嚴重時，對發(fā)電量影響可達8%。

圖7 集中式方案單路MPPT發(fā)電量損失示意圖

4 運維效率及其對發(fā)電量影響的比較

電站建成后，優(yōu)質(zhì)而高效的運維是保障和提升光伏電站發(fā)電量的關(guān)鍵。運維工作的難易程度及工作量也直接關(guān)系到電站運行階段運維成效、人員及設(shè)備的再投入等。運維成效直接關(guān)系光伏電站是否能夠取得預(yù)期收益，人員及設(shè)備投入則關(guān)系電站運行階段的運行成本。當前不少光伏電站在方案設(shè)計階段，考慮更多的是如何提升發(fā)電量，同時降低電站的投資建設(shè)成本，至于電站后期的運維工作則考慮相對較少。但光伏電站是一個系統(tǒng)工程，運維工作更是貫穿光伏電站25年的整個生命周期?？梢哉f，運維工作決定了電站未來的收益能否如期達到，關(guān)系到電站的運行安全等各方面。

當前光伏電站運維工作的最大難點在于能否實現(xiàn)組串級監(jiān)控，能否實現(xiàn)網(wǎng)上運維，提升運維工作的效率，及時發(fā)現(xiàn)并處理電站故障，保障電站運行安全，保證發(fā)電量。

但目前光伏電站存在的情況是：對于集中式方案，理論上智能匯流箱可檢測到每串的工作電流和并聯(lián)工作電壓；但實際項目中，由于匯流箱電流檢測精度低及通信不可靠，導(dǎo)致實際上報的數(shù)據(jù)存在較大誤差，在組串出現(xiàn)故障時，依然難以準確判斷故障點。因此多數(shù)情況，對于集中式方案的組串運維和巡檢，依然嚴重依賴人工。運維工作量大、成本高、效率低。目前有統(tǒng)計顯示，國內(nèi)光伏電站60%的故障出現(xiàn)在直流側(cè)，組串故障發(fā)生后，運維人員幾乎不可能在第一時間發(fā)現(xiàn)和處理，多數(shù)故障處于不可知、不可控的狀態(tài)。對于電站來說，此類故障輕則損失發(fā)電量，重則會危及電站的運行安全。因此，對于組串的監(jiān)控和運維幾乎成為當前采用集中式方案的光伏電站的最大痛點。

相比之下，組串式逆變器由于其精度高，是集中式的6倍以上，可精確檢測到每串電池板的電壓、電流，可針對組串進行智能的I-V、P-V曲線掃描，直觀、簡單、可靠地監(jiān)測到每個組串的狀態(tài)，從而能幫助工作人員及時發(fā)現(xiàn)故障并快速解決。甚至通過大數(shù)據(jù)分析，還能主動預(yù)判故障，真正做到運維智能化，這也是以精準的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。

5 組串式方案與集中式方案系統(tǒng)效率角力

目前業(yè)界傳統(tǒng)的集中式系統(tǒng)效率一般可達到76%，主要損失為光伏陣列損失和系統(tǒng)故障損失。而在山地光伏電站中，曾有光伏陣列損失達到14%的情況，主要包括：灰塵遮擋損失，溫度損失，早晚不可利用損失，組件、組串失配損失，陰影遮擋損失等。很多電站的系統(tǒng)故障損失也超過6%以上，主要包括：組件故障、匯流箱故障、熔絲故障、逆變器故障等。

圖8 集中式方案系統(tǒng)效率

通過實際的大量應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，組串式解決方案系統(tǒng)效率可達到80%以上，可有效降低光伏陣列損失和系統(tǒng)故障損失，使整個電站效率提升，發(fā)電量可提升3%～5%，提升電站投資收益。

圖9 組串式方案系統(tǒng)效率

表1 集中式和組串式發(fā)電量對比(直流容量10 MW)

以筆者參與設(shè)計建設(shè)的電站為例，該電站規(guī)模為20 MW，其中集中式和組串式各為10 MW，分別匯集成2條10 MW的集電線路。在匯集處裝有0.2 s級電表，電站并網(wǎng)后，記錄從2015年1月28日～4月25日的發(fā)電量數(shù)據(jù)，歸一化后的計算結(jié)果表明，組串式方案較集中式方案發(fā)電量提升4.33%。

6 總結(jié)

提升光伏電站系統(tǒng)效率是整個行業(yè)的重點難題。目前業(yè)內(nèi)組串式光伏電站解決方案在提升發(fā)電量、提高系統(tǒng)效率方面有所突破。組串式逆變器多路MPPT解決了組串失配等造成的發(fā)電量損失。另外組串式逆變器實現(xiàn)了對每串電池板的可靠精確監(jiān)測，為將來實現(xiàn)精細化運維提供物理基礎(chǔ)，減少了光伏陣列損失和系統(tǒng)故障對發(fā)電量的損失。組串式解決方案做到了將光伏電站的各組成部分進行細分、控制、評估，使電站系統(tǒng)更加優(yōu)化、清晰、簡單，系統(tǒng)可靠性更高，最終提升電站發(fā)電量，在度電補貼時代為電站投資者帶來更多價值回報。