大型并網光伏電站檢測結果分析

中檢集團南方電子產品測試(深圳)有限公司 ■ 連乾鈞 王健全

一 引言

隨著常規化石能源日益衰竭，尋找新的替代能源成為世界性問題。自進入20世紀以來，世界各國把發展清潔能源作為本國可持續發展的重要實施戰略。隨著我國科技的發展，風能、太陽能、生物能、核能等一系列新型能源開始大規模的應用，在一定程度上改變了固有能源的消費格局。太陽能產業的飛速發展下，我國已成為世界上最大的光伏組件生產國，但是光伏產品主要用于出口，國內光伏發電裝機總量所占比例非常小。2007年我國能源比例如圖1所示。

圖1 2007年我國能源比例

自2011年以來，我國的光伏產業面臨著前所未有的危機，盲目的光伏投資熱潮使國內產能嚴重過剩，產品消費過度依賴國外市場，美國及歐洲的雙反調查使我國光伏產業進入寒冬期，眾多中小企業倒閉，光伏巨頭也瀕臨破產。

為了進一步促進光伏產業健康持續發展，我國相繼出臺了一系列光伏補貼政策，包括大力推進分布式光伏發電、推動國內應用、減少對出口的依賴、完善上網電價定價機制、加大政府專項補貼、健全市場化機制等。相關政策的出臺表明我國政府對光伏產業扶持的決心，在促進光伏產業調整的同時，加大國內光伏發電的應用。因此在未來一段時間內，國內將掀起光伏建設的熱潮。

大型光伏并網電站是我國光伏產品的主要應用方式之一。針對已并網發電的光伏電站測試后發現，光伏電站存在一系列的問題，嚴重影響電站的發電量和使用壽命，不僅影響光伏電站的社會效應，還會直接影響到電站業主的經濟收益。筆者結合近年來對我國大型荒漠光伏并網電站的測試情況，總結了目前光伏電站普遍存在的問題，以供相關人員參考。

二 光伏電站的基本組成

光伏電站主要由光伏組件、匯流箱、逆變器、升壓變壓器、監控系統等組成。通過將一定數量的光伏組件串聯連接成光伏組串，并將之引入到匯流箱，再由匯流箱輸出接入逆變器，由逆變器進行直/交流轉換，經變壓器升壓后接入電網。由于大型光伏電站建設周期長、規模大，為了便于管理維護，一般大型光伏電站分模塊化規劃管理，較常見的是將1MW光伏陣列劃分為一個基本發電單元。

三 主要檢測對象及檢測內容

1 光伏組件

光伏組件是直接將太陽能轉化成電能的元件，是光伏電站最重要的組成部分。光伏組件的性能和使用壽命直接影響到電站的發電效率和發電量，對光伏組件的檢測涉及到組件的最大輸出功率、絕緣性及隱裂等測試。

2 光伏陣列

通過將一定數量的組件固定在安裝支架上，將光伏組件按照串/并模式連接后輸出至匯流箱輸入端。安裝支架的主要作用是支撐組件按照一定角度接受陽光照射，目前較主流的安裝支架包括固定式、單軸跟蹤式、雙軸跟蹤式。

3 匯流箱

匯流箱的主要功能是將地理位置分散的光伏陣列輸出電量匯集在一起后接入逆變器中，在光伏電站中起到銜接的作用，即將光伏陣列的輸出電量送至逆變器的輸入端。因此針對匯流箱，主要的檢測項目是排查匯流箱的分路故障和通信暢通，同時還要考慮使用的安全性能。

4 逆變器

逆變器的主要功能是將光伏組件發出的直流電轉換成交流電，同時還要保證交流輸出的電能質量符合電網公司的并網要求。逆變器采用的MPPT追蹤算法，轉換效率也會影響到光伏組件的發電效率，因此在對逆變器檢測時，不僅需要對逆變器的電能質量進行檢測分析，還應對逆變器的MPPT追蹤精度及逆變器的轉換效率進行測試。

5 升壓變壓器

升壓變壓器的主要作用是將逆變器輸出的電壓升至電網接入需要的電壓。相對光伏電站的其他元件，升壓變壓器的制作技術相對成熟，性能也較穩定，主要對其效率測試即可。

四 常見現象及分析

1 光伏組件輸出功率嚴重衰減

通過對并網一段時間的電站進行測試后發現，組件輸出功率出現較大衰減，造成組件衰減的原因較多，包括：

(1)組件的電池片品質差，經過長期使用后，缺陷擴大，在電池片內部形成新的復合中心，導致電池片的轉換效率降低；

(2)不良組件供應商以次充好，組件的實際輸出功率達不到組件標稱的額定功率；

(3)組件封裝材料不能滿足組件長期耐候性要求，在長期使用后，封裝材料出現老化，特別是聚合物類材料，如組件封裝使用的EVA材料，在室外長期老化作用下，自身降解產生色變元素，導致組件的透光率降低，使組件的受光強度降低，進而導致組件的整體輸出降低；

(4)組件存在失效電池片，主要是體現在電池片的隱裂。以并網2年的電站為例，組件功率出現大幅度衰減(見表1)，經排查，組件出現大量隱裂和破碎的電池片，如圖2所示。

表1 功率對比表

圖2 組件隱裂照片

2 熱斑現象

當組件受到局部遮擋或組件電池片電流出現較大失配時，被遮擋或電流失配的電池片會產生反向偏壓，導致該電池片消耗其他電池片所產生的電能，使整個組件輸出功率降低，甚至沒有輸出。問題電池片在消耗電能的同時產生熱量，組件產生的電能越高，問題電池片產生的溫度就越高，溫度過高可燒穿電池片，甚至導致組件著火。組件生產商為了降低熱斑的嚴重后果，一般會并聯一定數量的旁路二極管，以降低熱斑效應對組件的影響。

圖3 組件的熱斑發熱現象

圖4 電池片破裂導致熱斑現象

從對以往光伏電站檢測的結果來看，熱斑是電站普遍存在的現象。熱斑產生的原因大致有：組件表面有遮擋；組件電池片部分失效；組件出廠時，電池片錯檔搭配，導致電流輸出失配；組件制作工藝控制不當，導致組件電池片輸出差異。

熱斑的危害不僅使組件出現局部過熱，發生熱斑的電池片產生的反向偏壓也會導致旁路二極管的導通，繼而引起組件單電池串的短路，即發生熱斑的電池串不參與組件的功率輸出。筆者在相同的測試條件下對發生熱斑的組件和正常工作的組件進行測試后對比分析：發生熱斑的組件要比正常工作時的組件功率下降了13%，填充因子下降了10%。從圖5所示兩者的I-V曲線上來看，發生熱斑組件在其最大功率點時出現明顯下降趨勢。

表2 組件功率對比

由于組件是串聯成支路接入匯流箱的，根據串聯電路的工作原理，支路最終輸出的工作電流由所在串聯電路中組件最小輸出電流決定，因此熱斑效應不僅造成組件的輸出功率降低，同時也降低了支路的輸出功率。

圖5 組件I-V曲線

據筆者對西北某大型電站進行檢測后發現，電站約有10%的光伏陣列存在熱斑效應，已嚴重影響電站的發電量。

這里需要說明的是，并不是組件表面有了遮擋一定會產生熱斑現象，熱斑現象的產生需要電池片產生反向偏壓，當受遮擋或失效的電池片所產生的短路電流小于組件產生的工作電流時才會產生熱斑效應。

3 光伏陣列遮擋

設計光伏陣列的間距需要考慮到電站所處的地理位置，包括經緯度等信息，設計原則考慮到太陽照射角度及太陽運行規律，一般需要滿足在冬至時節09:00～15:00間沒有遮擋。但由于后期施工不當，或電站固有的建筑物造成組件有遮擋。

對遮擋組件進行檢測后發現，組件表現為熱斑現象，組件局部有發熱。

圖8 遮擋組件的I-V曲線

4 組件表面灰塵

大型光伏電站多集中在我國西北地區，西北地區多為溫帶大陸性氣候，常年干燥，多有揚沙天氣，如不及時清洗組件表面會積累較多塵土，不僅影響組件的透光率，嚴重者還會造成組件熱斑現象。由于灰塵的堆積無規則性，組件受灰塵影響程度不一致，造成組件的輸出差異，最終會影響到匯流箱之間的輸出差異，繼而影響到逆變器的MPPT追蹤精度。筆者對相同組件污漬和清潔后進行測試發現，嚴重灰塵的遮擋會對組件輸出功率造成較大影響。

表3 表面污漬對組件輸出功率的影響

5 光伏陣列的并聯損耗

光伏電站通常會將若干個光伏組串并聯后輸出至逆變器的輸入端，根據匯流箱設計的不同，每個匯流箱會由6支路、8支路、10支路等不同規格的組串并聯組成。按照理想情況，匯流箱的整體輸出應為所屬各支路之和，但是由于組件存在個體輸出差異性，同時由于光伏陣列位置布局造成的線損差異等因素的影響，使整體匯流箱的輸出小于各支路之和。并聯損耗越大，就意味著越多的功率損耗在陣列上。

通過對不同并網時間和不同設計方案的光伏電站對比測試發現，并聯損耗最高的可達20%，最低的可達到2%。

造成并聯損耗過大的原因除了組件自身差異性外，還包括：組件表面的臟污，相同組串的組件存在不同臟污程度，加劇組件的輸出差異；在組件安裝期間，沒有考慮將輸出相近的組件組成同一組串；陣列存在故障組件；陣列組件存在局部遮擋。

為了減小并聯損耗，除了在組件安裝期間按照輸出性能相近組件安裝同一組串外，還需要電站維護人員加強對電站的日常維護，保證組件的表面清潔，及時更換故障組件，保證組串的一致性。

6 匯流箱分路故障

匯流箱技術相對簡單成熟，造成分路故障的原因主要為人為故障和設備故障。

比較常見的人為因素包括：工程施工期間，線路連接故障，包括連接點的松動、接觸不良，甚至正負極短接等現象；組串短路；組件間連接失效。

常見設備故障包括：熔斷器故障斷路；連接線故障斷路；隔離開關失效。

及時排查匯流箱的分路故障不僅可以提高電站正常運行效率，還可以避免因短路造成的安全隱患。

7 匯流箱存在的其他問題

因匯流箱長期置于室外，應具備良好的防水、防雷擊等性能。但因光伏產業的惡性競爭導致產品價格降低，為了降低生產成本，一些不良供應商采用較差材料或簡化設計結構，使產品的長期可靠性存在較大隱患。

8 逆變器的發電質量

逆變器的發電質量直接關系到電站的并網效果，電網公司為了減小光伏電站對電網的沖擊，對電能質量有較為嚴格的要求。相對光伏組件而言，光伏電站采用逆變器數量較少（一般采用500kW的規格），技術相對成熟，逆變器的故障主要體現在諧波分量、電壓不平衡度等不能滿足并網要求。

9 發電量差異

大型光伏電站一般設有監控室，維護人員可以通過在監控室的監測數據來掌握電站實時運轉狀況。監控設備一般是通過上傳逆變器的發電量數據來達到監控的目的，而通過筆者對某些電站的檢測結果發現，逆變器自身發電量監控數據與實際測試數據有較大差異。如果沒有及時進行調整，電站的實際發電量與監控數據會產生較大差異，使電站維護人員無法得到準確的發電量數據，無法了解電站的實際運轉狀況。

10 逆變器的MPPT追蹤精度

逆變器MPPT追蹤算法的合理性直接影響光伏組件的發電效率，同時逆變器的MPPT追蹤精度也會受到前端組件的影響，可以說兩者是相互作用相互影響的關系。通過對不同電站的測試后發現，逆變器MPPT追蹤精度的差異可導致電站2%～3%的效率損失。通過優化逆變器算法，在一定程度上可以提高電站的整體效率。

11 其他不規范現象

(1)電站基礎工程建設不規范，使組件陣列的支架在長期使用后出現傾斜，造成組件受光面不平行(圖9)，以致組件間的受光強度有差異，最終會影響組件功率輸出的差異。

圖9 光伏陣列平面傾斜

(2)支架的基礎土建埋深不夠，支架土埋部分經泥沙流失后，基礎支架露出地面(圖10)，造成整體支架不穩定，增加組件使用隱患。

圖10 基礎支架露出地面

(3)組件不規范安裝。組件的安裝方式一般可通過機械載荷等測試論證，組件安裝期間，要按照組件供應商提供的標準安裝方式進行規范安裝。不規范的安裝表現方式為：不在標準安裝位置進行安裝，使組件抗壓能力下降，造成組件邊框的變形甚至造成組件破裂（圖11）；安裝所用螺栓或壓塊沒有鎖緊，組件在風力較大且風向異常天氣時，容易造成組件邊框安裝位置的金屬疲勞，造成邊框變形或直接破損。

圖11 組件安裝孔破裂

五 小結

從對多個大型并網光伏電站的檢測結果來看，電站在運營過程中存在較多問題。這些問題已嚴重影響到電站的正常運轉，包括人為因素、環境因素、電站關鍵設備的產品品質因素等。

對測試結果進行分析發現，有很多制約因素是可以避免或改善的。通過加強對光伏組件、逆變器、匯流箱等光伏電站主要運營設備的質量監控，保證光伏電站所使用運行設備的品質；在電站建設期間，規范安裝組件過程，禁止野蠻安裝和不規范的二次運輸，最大限度保證運營設備的可靠性，同時對施工土建進行科學有效地設計和施工，保證基礎土建能滿足組件長期使用的要求；加強對電站的日常維護，特別是對線路故障的排查及對組件異常情況的及時處理，保證電站的有效運營，可定階段對電站進行全面復查，排除隱患，提高發電量。

大型光伏電站投資大，資金回收周期長，保證光伏電站的預期發電量不僅關乎電站業主的直接經濟利益，還關乎到投資人對光伏產業的認識。因此在我們把更多關注目光放在國內裝機規模的同時，更應該專注于如何保證電站的有效運營和提高發電效率。