度電補貼時代：發電量的角力

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，其實是發電量的角力。這涉及到光伏電站的各類產品設備選型、系統方案設計、建設、施工、運維等各層面和環節。受技術水平影響，提高組件發電效率與降低系統成本不可能在短時間內達到和實現。因此，提升光伏電站的發電量，改善空間就集中在設計更優系統方案、提升建設施工質量、提升運維效率等方面。目前主流的系統方案有兩種：集中式方案和組串式方案。結合作者長期從事的工作和研究，就兩種方案的發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換效率比較

逆變器將組串發出的直流電轉換成交流電，逆變器轉換效率的高低直接影響到最終上網電量的多少。設備方面，在組件效率一定的情況下，提升逆變器的轉換效率是提升發電量的關鍵一環。當前，不同廠家的逆變器轉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如何，作者選擇了國內知名的集中式和組串式廠家，并結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，效率出現了下降。基于此，在冬季時，低溫導致組串電壓升高，組串式逆變器相對集中式逆變器的優勢會更加明顯，這也與電站實際發電量數據比較結果保持一致。

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 并網發電時長比較

根據電站的數據記錄，對電站內集中式方案和組串式方案兩種逆變器的開關機時間和并網運行時長進行了比較，發現組串式逆變器在實際運行中弱光發電能力相對集中式逆變器更優，具體表現為：早晨開機和發電時間均早于集中式逆變器；傍晚關機和下網時間普遍晚于集中式逆變器。在不同天氣條件下，早晨發電提前的時間從2～30 min不等，傍晚關機和下網延后的時間從2～10 min不等。因此增加了發電時長，提升了發電量。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據曲線圖。

圖3 組串式與集中式逆變器開始并網發電時間比較

圖4 組串式與集中式逆變器下網停止發電時間比較

3 組串式逆變器多路MPPT提升發電量

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適配，進一步損失發電量。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，引起的發電量損失為一年中最大。

圖5 光伏電站的遮擋現象

業內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，通過合理設計接線方式，可很好地應對遮擋，減輕和避免組串間的并聯失配現象，從而減少和避免發電量損失。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，因此不可避免的導致了嚴重的組串失配及發電量損失。根據遮擋發生時組串的I-V曲線，可更直觀地看出遮擋導致最大功率點變化趨勢，及并聯失配導致的嚴重發電量損失。

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內組串并聯數量較多，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。最終的結果是，整個子陣(電站)發電量損失嚴重。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。遮擋現象最嚴重時，對發電量影響可達8%。

圖7 集中式方案單路MPPT發電量損失示意圖

4 運維效率及其對發電量影響的比較

電站建成后，優質而高效的運維是保障和提升光伏電站發電量的關鍵。運維工作的難易程度及工作量也直接關系到電站運行階段運維成效、人員及設備的再投入等。運維成效直接關系光伏電站是否能夠取得預期收益，人員及設備投入則關系電站運行階段的運行成本。當前不少光伏電站在方案設計階段，考慮更多的是如何提升發電量，同時降低電站的投資建設成本，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工程，運維工作更是貫穿光伏電站25年的整個生命周期。可以說，運維工作決定了電站未來的收益能否如期達到，關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組串級監控，能否實現網上運維，提升運維工作的效率，及時發現并處理電站故障，保障電站運行安全，保證發電量。

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，導致實際上報的數據存在較大誤差，在組串出現故障時，依然難以準確判斷故障點。因此多數情況，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。目前有統計顯示，國內光伏電站60%的故障出現在直流側，組串故障發生后，運維人員幾乎不可能在第一時間發現和處理，多數故障處于不可知、不可控的狀態。對于電站來說，此類故障輕則損失發電量，重則會危及電站的運行安全。因此，對于組串的監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、可靠地監測到每個組串的狀態，從而能幫助工作人員及時發現故障并快速解決。甚至通過大數據分析，還能主動預判故障，真正做到運維智能化，這也是以精準的數據為基礎的。

5 組串式方案與集中式方案系統效率角力

目前業界傳統的集中式系統效率一般可達到76%，主要損失為光伏陣列損失和系統故障損失。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 集中式方案系統效率

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

圖9 組串式方案系統效率

表1 集中式和組串式發電量對比(直流容量10 MW)

以筆者參與設計建設的電站為例，該電站規模為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，電站并網后，記錄從2015年1月28日～4月25日的發電量數據，歸一化后的計算結果表明，組串式方案較集中式方案發電量提升4.33%。

6 總結

提升光伏電站系統效率是整個行業的重點難題。目前業內組串式光伏電站解決方案在提升發電量、提高系統效率方面有所突破。組串式逆變器多路MPPT解決了組串失配等造成的發電量損失。另外組串式逆變器實現了對每串電池板的可靠精確監測，為將來實現精細化運維提供物理基礎，減少了光伏陣列損失和系統故障對發電量的損失。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，使電站系統更加優化、清晰、簡單，系統可靠性更高，最終提升電站發電量，在度電補貼時代為電站投資者帶來更多價值回報。