太阳能光伏发电系统可靠性研究

2022-03-13黄坚坚覃贵芳

今日自动化 2022年12期

黄坚坚，农芒，覃贵芳

（1.合浦中电新能源有限公司，广西北海 536000；2.中能建广西开发投资有限公司，广西南宁 530000；3.广西水利电力职业技术学院电力工程系，广西南宁 530023）

随着全球石油能源、煤炭资源等一些不可再生化石能源日益枯竭，太阳能作为一种新兴的绿色可再生能源受到了社会各界的广泛关注。在第12个五年规划中，我国依然将太阳能光伏发电产业作为了重点新能源产业给予了高度的关注。2014年，国家能源局发布了关于光伏发电年度新增建设规模的相关报告，根据报告中的有关数据显示，当年全国的光伏发电设备装机总规模已经由1200×104kW 增加到了1400×104kW，同时，光伏发电站的发电规模也在逐步增加。由此可见国家对光伏发电产业给予的高度关注。

1 实践案例

浙江省慈溪市天河家园的注册小区总占地面积达到了六万多平方米，总建筑面积达到的13.4 m2。小区内部的光伏发电系统采用的是整体户型的方式，大致呈现出的南北朝向，该小区内部南北方都没有较为高大的建筑物，在光伏发电系统不存在遮挡的状况，并且，该小区所属的地理位置日照充足。小区住宅楼大多数是以高层为主，屋顶呈现出人字形的状态，计划要在天河家园20号楼屋顶安装太阳能电池板，并且建设小区的太阳能光伏发电站示范区域。

2 光伏发电系统的结构以及运行特征

光伏发电系统是能够直接将光能转化为电能的一种发电系统，而根据发电能源转化规律的不同，太阳能光伏发电又可以分为光伏发电以及光热发电两种类型。太阳能光伏发电系统也被简称为光电系统，这种光伏发电系统主要是利用半导体的光伏特性，将光能直接转化为电能的一种新型绿色发电技术。当前，随着我国光伏发电系统的应用优势不断凸显，这种发电系统已经被广泛应用在我国电力事业中，对于推动我国绿色经济的发展具有重要价值。

而在光伏发电系统的结构中，系统的可靠性主要是指特定的硬件系统以及软件系统在使用周期以及规定的环境条件和使用条件状况下，能够完成预设任务以及发电技术指标的能力。系统的可靠性主要包括了系统的设计可靠性、系统的使用寿命以及系统出现故障后的可维修性三个方面。

目前，我国的光伏发电系统可以根据并网发电运行，分为独立式光伏发电系统以及并网式光伏发电系统两种类型。独立式的光伏发电系统其实也被称为离网光伏发电系统，这种系统主要是由光伏列阵、DC/DC 变换器、DC/AC 变换器、蓄电池设备、控制器设备以及直流和交流负载系统构成的，独立式的光伏发电系统输出的电力主要用于设备自身负载运行。

并网式光伏发电系统主要是指将光伏发电系统输出的电能并入电力网络系统后的发电形式，并网光伏发电系统是在独立式光伏发电系统的基础上连接了电网构架，并网发电系统输出的直流电经过转换后可以形成与电网压力等同、频率等同且幅值相同的交流电，将交流电路并入到电网体系中。而光伏发电系统本身的设计可靠性、控制手段以及运行模式和子系统之间的相互干扰等因素，都可能会对光伏发电系统的运行可靠性产生不同程度的影响。

3 影响光伏发电系统运行可靠性的相关因素

3.1 系统的设计缺陷性因素

在实际的工程应用领域中，任何的硬件系统以及软件系统一旦完成设计，其设计的可靠性和稳定性就已经基本确定。而系统后期的安装、生产流程、使用模式以及维护管理也只能够尽最大的可能保障系统设计固有的可靠性。因此，解决系统设计方案中的缺陷性是确保系统运行可靠性最关键的切入点。光伏发电系统中，硬件系统的设计缺陷主要是相关电路设计不合理或检测保护电路功能不足等问题。光伏发电系统中涉及的主要电路包含了DC/DC 变换器、DC/AC 逆变器、电源电路、信号调整电路、继电保护装置电路、检测电路以及通信系统电路等。而硬件系统的设计缺陷性构成因素十分复杂，主要问题可以概括为以下几个方面。

（1）部分设计企业盲目控制成本，在设计光伏发电系统的硬件电路时，可能会采购到有质量问题的电子元件以及其他零部件。该小区有部分地方的光伏发电方式是，利用光伏组件代替屋顶和窗户，形成了光伏与建筑材料的集成产品。虽然这种产品实现了太阳能发电与建筑物之间的完美结合，但由于应用过程中安装人员没有重视对于电路电流、过电压以及电路保护工作的测试，导致电力系统在运行过程中存在保护功能不齐全的问题。系统一旦在运行过程中发现故障，无法以最快的速度检测到故障因素故障位置，严重情况下就可能会导致局部故障问题扩大范围出现连锁反应，甚至出现整个系统停止运行的事故。

（2）在独立式的光伏发电系统中，蓄电池构建是独立式光伏发电系统的重要构成部分。而蓄电池的使用效率以及使用寿命也决定了光伏发电系统的运行可靠性。该小区中应用了BIPV 光伏组件，这种光伏组件主要利用了两块玻璃高温真空状态下的Eva 的真空层压工艺，使太阳电池片始终在高度真空的状态下进行工作，有效地延长了太阳组件的应用寿命。但如果在系统设置过程中，并没有根据能量守恒定律或该地区历史数据中负载停电发生的概率，实现对功能的合理设计，就可能会导致光伏列阵的输出功率无法达到工作负载要求，在这样的状况下，蓄电池设备必须要进行自我放电来确保负载正常运行，长此以往，就可能会导致蓄电池设备深度放电而缩短蓄电池设备的使用寿命。

（3）光伏发电系统中涉及了信号调节、电源系统、电子控制设备线路检测、保护设备等，而光伏发电系统内部子电路的PCB 布局设计方式，以及子电路之间的布局合理性，也会影响到光伏发电系统的运行稳定性和可靠性。例如，DC/AC 逆变器在应用控制过程中，为了能够达到显着的逆变效果，通常情况下，会使得IGBT功率管的开关频率达到几万赫兹的程度，这种惊人的数据也会造成系统内出现大量的高频谐波分量，从而对电路的正常运行带来了巨大的干扰。

3.2 使用不当以及维护管理造成的运行不稳定问题

光伏发电系统的用户日常过程中的使用，以及操作流程和维护管理工作质量都影响着光伏发电系统的运行可靠性和使用寿命。尤其是在我国偏远的西部地区，独立式的光伏发电系统已经成为该地区光伏发电的主要形式。但由于受到了信息传递渠道的限制，导致当地居民以及工作人员缺乏必要的光伏发电系统产品使用以及维护常识，甚至还存在许多家庭在供电不足的条件下，会直接从光伏发电系统中的蓄电池设备上取电，导致光伏发电的蓄电池系统长期处于亏电运行的状态，严重影响了光伏发电系统中蓄电池的使用寿命。

3.3 内部元件的可靠性因素

光伏发电系统中包含了大量的电子元器件以及其他零部件设备，而这些电子元器件本身的质量以及使用稳定性，对于整个光伏发电系统的运行可靠性具有重大影响。光伏发电系统中包含的主要电子元件设备有太阳能电池设备、IGBT 功率管设备、运算放大器、继电气设备、通信设备以及连接设备、电容元件设备、电阻元件设备等。光伏发电系统是由每一个微小的电子元器件共同构成的，在运行过程中任何一个电子元器件出现运行故障问题，在没有及时排查或检修的情况下都可能会对光伏发电系统带来致命的影响，同时，电子元器件带病工作也会增加光伏发电系统的故障率，极大地降低了光伏发电系统的运行可靠性。

当单个光伏电池组出现故障问题后，在旁路二极管的带动作用下，整个光伏列阵依然可以正常运行，只有当光伏电池单个故障数量达到一定程度后，才会影响整个光伏列阵的工作效率。但是检修管理人员在发生故障问题时无法准确且及时地判断究竟是哪一块光伏电池出现了故障现象，这样就会导致光伏列阵长时间带病工作，严重地影响了光伏发电系统的运行可靠性。通过数据分析发现，该小区中采用的BIPV 光伏组件，按照中空玻璃的制作工艺，经过中国建筑科学研究院的测试，热传系数大约为1.4 W/m2·K，相比于国家建筑材料的标准1.5 W/m2·K 还要低，虽然在应用过程中具有保温节能的优势，但内部元件的可靠性也具有较大的波动。

4 提升光伏发电系统运行可靠性的有效措施

4.1 做好日常维护管理工作

光伏发电站的安装地址一旦选定之后，该地区周边的光照资源条件以及温度环境因素是无法通过人为干预而改变的。该小区内部的楼层并不是很高，但周边的光照条件却很充足。因此，在确认该小区内部光伏发电系统的安装位置后，也应该做好对于光伏发电系统的维护和管理工作，对于保障光伏发电系统的长效运行具有十分重要的价值。

（1）必须要确保光伏列阵相关设备表面的清洁程度，通过定期的清洗与检测，确保线路的连接紧密性，同时，应该及时修复光伏列阵表面受损的部位，保障光伏列阵能够长时间最大限度地吸取光照。

（2）针对独立式的光伏发电系统，还应该注意对于蓄电池设备的保养工作，能够保障蓄电池设备尽可能地处在恒温的环境中，尤其是在冬季，还应该注重保温设施的应用，并且定期为蓄电池设备进行充电，有效地延长蓄电池设备的使用寿命。

（3）应该对整个系统进行定期排查，尤其是针对电缆线路的连接可靠性以及固定基础设施的老化问题进行检测，一旦发生故障问题还应该及时确认故障问题的位置以及故障原因，采取针对性的故障处理措施进行维修和管理。

4.2 选择质量上乘的系统电子元器件

电子元器件是构成光伏发电系统最为微小的单元，电子元器件的质量问题与光伏发电系统的运行可靠性之间具有密不可分的关系。因此，光伏发电企业更应该把握好电子元器件采购的质量关，不能过度或盲目地节约成本而采购有质量问题的电子元器件。针对电子元器件的采购，厂家还应该建立起更加健全的厂商筛选检查机制以及电子元器件产品的质量评估制度，这样才能够从源头上控制电子元器件的应用质量和采购质量。

4.3 优化光伏发电系统的设计方案

光伏发电系统的设计优化方案主要可以从硬件设计优化方案和软件设计优化方案两个方面着手。硬件系统的优化设计如下。

（1）必须要完善硬件系统的应用功能，还应该增加必要线路以及重点线路的检测保护电路系统，例如，针对过电压和过电流以及孤岛检测电路进行检测设施安装。在硬件设备的外部安装避雷针等防护措施，避免由于外界极端恶劣自然条件带来的影响。

（2）在DC/DC 变换器、DC/AC 逆变器的设计工作中，尽可能地采用集成式的芯片或者体积较为微小的模块，这样就能够减少对于外围电子元器件的应用，有效地提升光伏发电系统的运行可靠性。

（3）必须要确保电路板的布局合理性，避免电路板在运行过程中输出信号与输入信号和电源信号之间的交叉干扰，通过加强子电路与子电路之间的抗干扰设计，降低电路之间的交叉干扰问题，还可以通过非接触式隔离墙弱电控制设备，避免大功率器件在运行过程中温度过高而影响到其他电子元件设备。

（4）对于光伏发电系统运行核心功能的子电路还应该采用冗余设计的原则，在关键的子电路中，增加一组或一组以上性质和功能相同的子电路系统，这样当关键子电路系统在运行过程中出现故障问题时，冗余子电路系统就可以代替发生故障问题的子电路系统持续性的工作，有效地维护光伏发电系统的运行稳定性。而在软件设计的优化方面，可以通过进一步升级系统的控制算法，有效地提升对于系统最大运行功率点的跟踪控制以及稳定度维持，这样就能够有效地降低系统内部功率运行的波动性，保障系统运行的持续稳定性。