劉路　莊英軍

摘 要：隨著人類(lèi)社會(huì)的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)能源被不斷的消耗，同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。為了減少環(huán)境的污染，保證能源的可持續(xù)利用，就必須改變現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)，重視新能源的開(kāi)發(fā)和利用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的角度看，可再生資源是人類(lèi)未來(lái)的主要能源來(lái)源，因此，世界上很多國(guó)家都開(kāi)始重視太陽(yáng)能等新能源的開(kāi)發(fā)利用。在這些可再生資源中，光伏發(fā)電的發(fā)展速度最快，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電已經(jīng)成為可再生能源領(lǐng)域中繼風(fēng)力發(fā)電之后產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快、最大的產(chǎn)業(yè)。世界各國(guó)都非常重視太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國(guó)擁有豐富的太陽(yáng)能資源，對(duì)太陽(yáng)能的開(kāi)采具有很大的優(yōu)勢(shì)，因此，太陽(yáng)能光伏發(fā)電成為我國(guó)開(kāi)發(fā)新能源的重要內(nèi)容。太陽(yáng)能作為一種新型的可再生能源，近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用，光伏并網(wǎng)技術(shù)成為有效利用太陽(yáng)能發(fā)電的核心和關(guān)鍵。本文簡(jiǎn)述了光伏發(fā)電的發(fā)展史，總結(jié)了中國(guó)近十年的光伏電站運(yùn)行的概況，并分析了電站運(yùn)維過(guò)程中的發(fā)電單元故障及其改造升級(jí)方案。

關(guān)鍵詞：光伏電站、逆變器、改造、升級(jí)

一、太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

太陽(yáng)能是指太陽(yáng)光照所輻射的能量。目前太陽(yáng)能的利用主要有光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化轉(zhuǎn)化三種形式。太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換又分為光熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種，通常說(shuō)的太陽(yáng)能發(fā)電主要是指太陽(yáng)能光伏發(fā)電。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用半導(dǎo)體的光生伏打效應(yīng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的發(fā)電系統(tǒng)，其基本應(yīng)用形式主要分為獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)兩大類(lèi)。應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在航空航天、通訊系統(tǒng)、無(wú)電缺電地區(qū)和分布式發(fā)電、大型地面電站等。本文所講的光伏發(fā)電系統(tǒng)，即大規(guī)模民用級(jí)的光伏電站。一般的光伏電站主要是由光伏電池組件、匯流箱、逆變器和箱變組成。首先，通過(guò)光伏電池組件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電能，其次，再利用匯流箱將直流電匯集輸入到逆變器，逆變器將直流電轉(zhuǎn)變成交流電，通過(guò)升壓箱變輸送到電網(wǎng)，同時(shí)逆變器還可以穩(wěn)定電壓，改善光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。可以看出，逆變器是整個(gè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵一環(huán)，其穩(wěn)定性決定了光伏電站向電網(wǎng)發(fā)送的電能的數(shù)量與質(zhì)量，決定了整個(gè)電站的收益。

二、光伏并網(wǎng)逆變器發(fā)展簡(jiǎn)介

自1954年第一塊實(shí)用光伏電池問(wèn)世以來(lái)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。由于1973年的石油危機(jī)和90年代的環(huán)境污染問(wèn)題大大促進(jìn)了太陽(yáng)能光伏發(fā)電的發(fā)展。20世紀(jì)90年代，隨著西班牙、德國(guó)、意大利等國(guó)對(duì)本國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的大力扶持，全球光伏逆變器銷(xiāo)量不斷增加，光伏逆變器進(jìn)入一個(gè)快速增長(zhǎng)的階段。美國(guó)、日本也具有雄厚的工業(yè)基礎(chǔ)和先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)，他們?cè)陔娐方Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣和自動(dòng)控制設(shè)計(jì)方面具有很強(qiáng)的實(shí)力，依靠公司的品牌在光伏逆變器生產(chǎn)設(shè)計(jì)方面也具有很強(qiáng)的實(shí)力和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。國(guó)外主要逆變器廠商有：德國(guó)的SMA、KACO、奧地利的Fronius、加拿大的Power one等公司。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著中國(guó)光伏市場(chǎng)的逐步發(fā)展，國(guó)外逆變器廠商陸續(xù)在中國(guó)設(shè)立辦事處，逐步搶占中國(guó)市場(chǎng)。

在中國(guó)，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始對(duì)光伏逆變器進(jìn)行研究 和開(kāi)發(fā)，由于終端市場(chǎng)啟動(dòng)時(shí)間比較晚，國(guó)內(nèi)光伏逆變器廠商普遍規(guī)模較小，結(jié)構(gòu)、工藝、做工、性能穩(wěn)定性等指標(biāo)跟國(guó)外一流企業(yè)有一定的差距。 2009年7月21日，財(cái)政部、科技部、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于實(shí)施金太陽(yáng)示范工程的通知》，國(guó)家將以財(cái)政補(bǔ)助的方式推進(jìn)國(guó)內(nèi)光伏電站的發(fā)展。這一政策極大地促進(jìn)了國(guó)內(nèi)逆變器廠家的發(fā)展，因?yàn)閲?guó)外廠商普遍存在成本高、交貨周期長(zhǎng)等障礙，使得國(guó)內(nèi)廠商逐步占領(lǐng)了國(guó)外廠商在中國(guó)市場(chǎng)的份額。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了較多知名的逆變器廠商，像合肥陽(yáng)光、山東奧太、無(wú)錫上能、特變電工等，其生產(chǎn)的光伏逆變器無(wú)論是在工藝、做工，還是在電網(wǎng)友好性、穩(wěn)定性等方面均已接近國(guó)際知名廠商，而且售價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于它們的價(jià)格，售后服務(wù)質(zhì)量高且及時(shí)。

三、近十年光伏電站的運(yùn)維情況

光伏電站的設(shè)計(jì)壽命是25年，其中光伏組件和其他器件壽命應(yīng)該可以達(dá)到，逆變器作為光伏電站的核心器件，設(shè)計(jì)壽命也應(yīng)該達(dá)到25年。自2009年國(guó)家發(fā)布“金太陽(yáng)”工程起，大大小小的光伏逆變器廠商如雨后春筍般出現(xiàn)，專(zhuān)業(yè)研究和開(kāi)發(fā)光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的廠家并不多，導(dǎo)致“金太陽(yáng)”工程的質(zhì)量也是有高有低。電站型光伏逆變器，其系統(tǒng)猶如一個(gè)獨(dú)立的“人”，包括主回路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通風(fēng)散熱系統(tǒng)，五大系統(tǒng)相輔相成，一個(gè)出問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致整個(gè)逆變器的故障。筆者從事光伏逆變器的研究已近7年，憑以往經(jīng)驗(yàn)列出光伏逆變器運(yùn)行過(guò)程中的較常見(jiàn)故障：①主回路中逆變模塊故障，逆變模塊由IGBT、散熱器、母排、直流支撐電容組成，某些廠商為了降低成本，IGBT數(shù)量減配，散熱器工藝不過(guò)關(guān)、母排本該是疊層母排，改換為正極銅排，負(fù)極銅排和絕緣片疊加在一起的低成本方案，母線支撐電容不使用壽命長(zhǎng)的膜電容，反而用低成本的電解電容；②通風(fēng)散熱系統(tǒng)故障：因?yàn)閮?nèi)部的IGBT模塊、濾波電抗器在逆變器運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，如果通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不好，逆變器產(chǎn)生的熱能不能及時(shí)排出設(shè)備外部，將會(huì)使IGBT內(nèi)部芯片結(jié)溫過(guò)高，損壞IGBT。

四、逆變器升級(jí)改造綜述

筆者二人在以往的工作經(jīng)歷中整改升級(jí)了不下7家國(guó)內(nèi)外廠商電站型光伏逆變器，這些廠商都是因?yàn)槌杀締?wèn)題宣布破產(chǎn)，導(dǎo)致售后服務(wù)停止。對(duì)于上述低成本的逆變模塊，采取的方案是IGBT模塊數(shù)量擴(kuò)容，更換較高質(zhì)量的散熱器、疊層母排、薄膜電容組件，這樣在通風(fēng)系統(tǒng)良好的情況下，可以有效降低逆變單元的故障率，增加光伏電站收益；對(duì)于通風(fēng)散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)不良的逆變器，采取的措施是水冷系統(tǒng)改風(fēng)冷系統(tǒng)，風(fēng)冷系統(tǒng)升級(jí)改造，具體做法是設(shè)計(jì)獨(dú)立風(fēng)道，每個(gè)逆變單元單獨(dú)使用一個(gè)風(fēng)道，濾波電抗器作熱隔離處理，單獨(dú)設(shè)計(jì)散熱風(fēng)道。這樣作可以保證在不動(dòng)土建的情況下，使用最低的成本來(lái)降低光伏逆變器的故障率。

五、總結(jié)

現(xiàn)在光伏行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)進(jìn)入白熱化，直接導(dǎo)致了光伏逆變器廠商的在市場(chǎng)占有率的重新洗牌，水冷光伏逆變器已經(jīng)完全退出中國(guó)市場(chǎng)，某些知名廠商宣布破產(chǎn)，更不要提2009年中國(guó)市場(chǎng)起步后發(fā)展起來(lái)的中小企業(yè)。因?yàn)楫?dāng)時(shí)做出的質(zhì)保周期較長(zhǎng)，在技術(shù)不過(guò)關(guān)、毛利率降低的情況下，很多企業(yè)由于成本問(wèn)題無(wú)法維持自身設(shè)備的售后服務(wù)，這就造成了在光伏電站在壽命時(shí)限內(nèi)，存在無(wú)法發(fā)電的案列。光伏電站也在積極的處理，在不侵害廠商的權(quán)益前提下，可以向國(guó)內(nèi)知名廠商，像合肥陽(yáng)光、山東奧太，尋求解決方案，對(duì)電站現(xiàn)有的逆變器進(jìn)行改造升級(jí)，保證電站的最大收益。