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    光伏電站的優(yōu)化分析

    2018-08-29 11:00:10孫濤
    中國科技縱橫 2018年11期
    關(guān)鍵詞:光伏電站轉(zhuǎn)化損耗

    孫濤

    摘 要:托電公司光伏電站,采用不經(jīng)蓄電池儲能直流逆變后直接并入交流電網(wǎng)的運(yùn)行方式,其技術(shù)具有波動性大和間歇較長的特點(diǎn)。實(shí)際運(yùn)行中還存在電池板積塵、電纜漏電接地、回路元件故障等缺陷和隱患,所以,在光電轉(zhuǎn)換的發(fā)電過程及逆變并網(wǎng)的用電過程中存在能源利用率和轉(zhuǎn)化效率較低以及輸配電損耗較大等現(xiàn)象。本文通過總結(jié)光伏電站在運(yùn)行過程中的問題,對其如何實(shí)現(xiàn)優(yōu)化進(jìn)行簡單分析。

    關(guān)鍵詞:光伏電站;優(yōu)化;轉(zhuǎn)化;損耗

    中圖分類號:TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-2064(2018)11-0184-02

    1 前言

    光伏發(fā)電,是指將太陽光照中短波波長的光子所具有的高能量通過半導(dǎo)體多晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換所激發(fā)光生載流子被電極吸收形成光電流的能量轉(zhuǎn)化過程。在石化能源短缺、環(huán)境污染嚴(yán)重背景下,太陽能作為清潔可再生能源用于光伏發(fā)電的產(chǎn)業(yè)對于國家發(fā)展戰(zhàn)略上調(diào)整能源結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,有著舉足輕重的地位。

    2 托電公司光伏電站簡介

    托電公司在水源地自備水廠建有一座光伏電站,總裝機(jī)容量為10MWp,分為10個1MWp發(fā)電并網(wǎng)單元。每個單元2臺500kW并網(wǎng)逆變器,每個逆變器輸出315V三相交流電,通過該單元容量為1000kVA的升壓變壓升壓為6kV三相交流電,10個單元經(jīng)匯流箱五五并聯(lián)為兩路電源后,接至水廠6Kv A、B兩個工作段,至此并入廠用電網(wǎng)。

    總共4萬多塊電池板分布布置于水廠平流池、排泥池岸邊,有的直接布置漂浮于平流池水面上。每塊電池板接受光照,進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后不經(jīng)蓄電池儲能,將245Wp的電能經(jīng)匯流箱并聯(lián)送至并網(wǎng)逆變器,逆變器將450V-820V的直流電逆變?yōu)?15V的三相交流電,經(jīng)升壓變升至6kV高壓后,直接并網(wǎng)。

    3 光伏電站運(yùn)行中的問題

    3.1 積灰的問題

    托電地處內(nèi)蒙古中西部地區(qū),常年風(fēng)沙較大,降水較少,光伏電站積灰較多也是不爭的事實(shí)。電氣設(shè)備積灰對于光伏發(fā)電能效轉(zhuǎn)換是一個重要影響因素。

    3.1.1 熱斑效應(yīng)

    灰塵的組成包括土壤、巖石、動植物細(xì)屑等風(fēng)化顆粒及燃燒煙塵等,灰塵會遮蔽射達(dá)光伏電池板的光線,由于灰塵物理性質(zhì)有差異,且在電池板上分布不均勻,電池板因灰塵遮擋局部帶負(fù)電壓形成負(fù)載,伴隨光電流熱耗的增加,形成局部熱點(diǎn),即熱斑效應(yīng)。這種效應(yīng)能破壞電池板,導(dǎo)致電池板功率輸出損失甚至永久性的開路失效,另外熱斑效應(yīng)造成的功率輸出不平衡容易使系統(tǒng)其他組件損壞,如逆變器功率單元或濾波器阻尼電阻等。

    3.1.2 溫升效應(yīng)

    灰塵與電池板導(dǎo)熱性差,灰塵的覆蓋會影響電池板表面的散熱,電池板本身由于電熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱耗溫度會升高,不良的散熱條件使光電轉(zhuǎn)換輸出變?nèi)酰瑢?dǎo)致系統(tǒng)的開路電壓降低,低于并網(wǎng)電壓時系統(tǒng)將跳閘脫網(wǎng)。不光電池板,逆變器的功率單元對于散熱的要求也很高,灰塵積聚于功率單元控制驅(qū)動板同樣也會因溫升效應(yīng)導(dǎo)致大功率器件散熱不良而燒損。

    3.1.3 腐蝕效應(yīng)

    具有酸堿性的灰塵,如托電的灰含硫含鋁量較高,電池板及設(shè)備電路板表面積灰,在潮氣環(huán)境下,將會發(fā)生酸堿鹽的電化腐蝕從而損壞電池板及設(shè)備電路板,這將使光電元件和功率元件短路或開路,造成能量的損耗甚至發(fā)生故障。

    3.2 發(fā)電質(zhì)量及可靠性的問題

    由于托電光伏電站采用不經(jīng)蓄電池儲能,直流逆變后直接并入交流電網(wǎng)的運(yùn)行方式,其技術(shù)具有波動性大和間歇較長的特點(diǎn)。在發(fā)電過程中容易產(chǎn)生諧波和三相不平衡電流等問題,從而造成系統(tǒng)電壓波動甚至閃變。由此,給光伏系統(tǒng)的發(fā)電質(zhì)量造成極強(qiáng)的不穩(wěn)定性影響,而且對光伏系統(tǒng)本身也產(chǎn)生威脅,從而引發(fā)跳閘脫網(wǎng),影響電網(wǎng)可靠性。另外光伏系統(tǒng)本身電池板及線纜鋪設(shè)均處于露天環(huán)境,電池板支架、地基受風(fēng)的應(yīng)力、水土流失沉降等自然力作用發(fā)生變形甚至折斷,使電池板陣列角度、朝向、傾斜角等發(fā)生改變,甚至電池板發(fā)生破損,光電轉(zhuǎn)換的效率將隨之降低;大量的線纜直埋敷設(shè)與地下,且遠(yuǎn)距離情況下存在較多中間接頭,絕緣性能受地下潮濕環(huán)境影響很大,直流接地故障和電纜接頭短路故障會造成大量的電能損耗浪費(fèi)并帶來極大的維護(hù)工作量。

    4 光伏電站的優(yōu)化

    實(shí)踐證明,以上問題的存在,很大程度上影響著光伏發(fā)電的效率和質(zhì)量,不過,針對這些問題,光伏發(fā)電系統(tǒng)還有很多可以優(yōu)化的空間,以下分析的幾方面辦法和技術(shù)在實(shí)際中現(xiàn)實(shí)運(yùn)用,或可以達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。

    4.1 清潔積灰,提高能量轉(zhuǎn)化效率

    光伏電池板上積灰對于發(fā)電量的影響重大,尤其在低照輻度條件下,灰塵對發(fā)電量的影響更為明顯,據(jù)統(tǒng)計,電池板清潔后的發(fā)電單元比一個月未清潔電池板的發(fā)電單元,日均發(fā)電效率提高8%以上。粗略計算,10MWp的光伏電站,年發(fā)電量約為1600kWh,清潔后效率增加8%,則年均發(fā)電量可以增加128萬kWh電能,按年300天晴好推算,日均提高發(fā)電量4200kWh以上。按照托電煤耗指標(biāo)每千瓦時電能320g標(biāo)準(zhǔn)煤折算,有效清潔的10MWp光伏電站,年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤460噸,每年可減少碳氧化物和氮氧化物排放上千噸。另外,有效清潔電池板,降低灰塵的負(fù)面效應(yīng)影響,可以顯著提高電池板以及其他功率組件和濾波元件的使用壽命。

    4.2 加強(qiáng)維護(hù)和技術(shù)改造,提高光伏電網(wǎng)可靠性

    由于設(shè)計缺陷及施工質(zhì)量的問題,光伏電站露天建設(shè),存在電池板支架變形基礎(chǔ)開焊沉降、電池板下枯草失火燒損電池板及線纜、直埋電纜直流接地、電纜中間頭受潮短路、功率單元過熱燒損、濾波器電阻電容電抗燒損、逆變回路過電壓保護(hù)器及交流接觸器燒損等等各種缺陷隱患,威脅著光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備的可靠安全。只有通過維護(hù)技術(shù)改造工作,致力于消除這些隱患和缺陷,才可以行之有效的降低光伏發(fā)電設(shè)備的損耗及故障,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行。

    電池板作為電源應(yīng)屬重中之重,光伏電池板陣列的朝向及傾斜角直接關(guān)系到光照資源的最大化利用,所以必須定期檢查維護(hù),電池板及其支架、基礎(chǔ)必須進(jìn)行可靠的緊固和焊接,個別還需調(diào)整支架以適應(yīng)基礎(chǔ)沉降,還有對于水上單元的光伏陣列,其浮板和地錨的加固應(yīng)格外提高標(biāo)準(zhǔn)。另外,電池板下方野生的雜草,在農(nóng)民燒荒或意外失火時會引發(fā)火災(zāi),燒損大量電池板及線纜,必須定期進(jìn)行除草并清理雜物。

    電纜作為輸電載體受電通道,線路損耗及故障不容忽視。直埋電纜破損造成直流接地查找困難,對于電能損耗及用電可靠性影響巨大。技改為橋架或槽盒架空鋪設(shè),可以降低破損及受潮的影響,出現(xiàn)問題也容易維護(hù)檢修。對于高壓電纜中間接頭的電纜井,一方面加高井沿、做防水封堵及涂層治漏,另一方面還需定期檢查抽水,以防電纜井積水,積水浸泡電纜接頭,絕緣受潮,泄漏電流增大,介質(zhì)損耗增加,極易發(fā)生短路故障。

    逆變器作為重要的功率轉(zhuǎn)化設(shè)備,其電力電子元器件較純粹的電力設(shè)備對運(yùn)行環(huán)境及參數(shù)的要求更為嚴(yán)苛,所以諸如灰塵對元件的散熱腐蝕影響、電壓電流波動、諧波干擾過濾等因素更加敏感,導(dǎo)致功率單元、過電壓保護(hù)器、濾波器阻尼電阻、交流接觸器等時常發(fā)生過壓過流損壞。針對現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況,維護(hù)方面就需要加強(qiáng)清掃和緊固,避免積灰散熱不良或腐蝕電路,并確?;芈穼?dǎo)電良好以免過熱;技改方面就是優(yōu)化元件的參數(shù)和性能,增加容量降低損耗,如降低阻尼電阻的阻值,減少其濾波電流的發(fā)熱量來避免其過熱燒損。

    5 結(jié)語

    除常規(guī)技術(shù)手段,通過優(yōu)化調(diào)節(jié)對光伏系統(tǒng)的控制來盡量克服自然因素以及分布式電源技術(shù)所帶來的負(fù)面影響,是目前國內(nèi)外對光伏發(fā)電運(yùn)用領(lǐng)域研究的重點(diǎn),例如通過研究光電轉(zhuǎn)換與光照輻射強(qiáng)度和溫度的關(guān)系跟蹤太陽能最大功率輸出工作點(diǎn),實(shí)時控制光伏設(shè)備工作點(diǎn)來獲得最大功率輸出;再如優(yōu)化調(diào)度控制光伏出力與電網(wǎng)負(fù)荷,提高置信容量、合理無功補(bǔ)償、改善波動性,提高綜合資源利用降低綜合損耗;又如采用更高性能轉(zhuǎn)換技術(shù),系統(tǒng)控制分布式電源多變換器集群統(tǒng)一協(xié)作,克服相互之間不利影響,通過優(yōu)化控制算法、元器件參數(shù)和脈寬調(diào)制驅(qū)動等實(shí)現(xiàn)諧波質(zhì)量的控制,提高能量轉(zhuǎn)化效率和電能質(zhì)量。這些方方面面的技術(shù)應(yīng)用不一而足,目前仍有許多技術(shù)處于理論分析階段,但隨著科學(xué)技術(shù)與時俱進(jìn),光伏能源的利用必將得到更大的優(yōu)化,更加清潔和高效。

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