艾默生SSL0500B型光伏逆變器通風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制方式的研究和改進(jìn)

國(guó)家電投集團(tuán)河北電力有限公司承德分公司 ■ 劉志廣 劉彬彬

0 引言

近年來(lái)，受?chē)?guó)家相關(guān)政策的影響，太陽(yáng)能光伏發(fā)電行業(yè)迅速崛起，已成為諸多能源供給形式中非常重要的組成部分。目前，在幾乎所有的太陽(yáng)能光伏發(fā)電形式中，逆變器是必定使用且非常重要的電氣設(shè)備之一，其運(yùn)行情況的好壞直接影響整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)效率的高低。而通風(fēng)機(jī)幾乎是所有光伏逆變器必備且非常重要的附屬設(shè)備，起到為逆變器功率模塊散熱、冷卻、除塵的重要作用，因此，通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性直接影響著逆變器運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和使用壽命。部分早期的逆變器由于設(shè)計(jì)上的一些欠缺，在通風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制方式上存在一些不合理的地方，如果能對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制方式進(jìn)行改進(jìn)，不但能夠保證逆變器安全穩(wěn)定運(yùn)行，還能降低通風(fēng)機(jī)維護(hù)成本、節(jié)約通風(fēng)機(jī)用電量、提高發(fā)電效益。

1 現(xiàn)狀分析

國(guó)家電投集團(tuán)正北溝光伏電站項(xiàng)目的光伏裝機(jī)容量為100 MWp，分兩期建設(shè)完成。一期光伏裝機(jī)容量為20 MWp，全部使用艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司生產(chǎn)的SSL0500B型集中式光伏逆變器，每臺(tái)逆變器額定容量為500 kW，共計(jì)40臺(tái)。每臺(tái)逆變器自帶1臺(tái)R4D450-AK01-01型通風(fēng)機(jī)，通風(fēng)機(jī)額定功率為740 W，轉(zhuǎn)速為1350 r/min，無(wú)檔調(diào)速，恒功率運(yùn)行。

通風(fēng)機(jī)主要起為逆變器功率模塊散熱、冷卻、除塵的作用，其運(yùn)行控制邏輯如下：

1)通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)控制邏輯：逆變器總控模塊對(duì)10個(gè)功率模塊運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，當(dāng)檢測(cè)到10個(gè)功率模塊中任意1個(gè)模塊并網(wǎng)啟動(dòng)時(shí)，總控模塊即調(diào)度通風(fēng)機(jī)控制單板繼電器吸合，通風(fēng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)行。通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)控制流程如圖1所示。

2)通風(fēng)機(jī)停止控制邏輯：逆變器總控模塊對(duì)10個(gè)功率模塊運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，當(dāng)檢測(cè)到10個(gè)功率模塊全部離網(wǎng)時(shí)，總控模塊即調(diào)度通風(fēng)機(jī)控制單板繼電器斷開(kāi)，通風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。通風(fēng)機(jī)停止控制流程如圖2所示。

圖1 通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)控制流程

圖2 通風(fēng)機(jī)停止控制流程

從原通風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制邏輯可以看出，通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間和逆變器的運(yùn)行時(shí)間是一致的。這種方式的不合理之處在于即使逆變器功率很低，只有1個(gè)模塊并網(wǎng)時(shí)，通風(fēng)機(jī)仍是運(yùn)行的。在承德地區(qū)，每年11月到次年2月期間，天氣干冷，環(huán)境溫度基本在0 ℃以下，逆變器功率模塊內(nèi)部溫度很低，幾乎不需要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行來(lái)散熱。此時(shí)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行不僅自身零部件磨損較大，而且浪費(fèi)了發(fā)電量，所以有必要對(duì)逆變器通風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制方式進(jìn)行改進(jìn)。

2 改進(jìn)措施

根據(jù)逆變器硬件情況及通風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，經(jīng)過(guò)對(duì)逆變器發(fā)電量、環(huán)境溫度等條件的統(tǒng)計(jì)研究分析，改進(jìn)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制方式基本有3種選擇。

2.1 溫控式

以逆變器裝置內(nèi)部環(huán)境溫度為判據(jù)來(lái)控制通風(fēng)機(jī)的啟停，即溫控式。逆變器本身帶有很多溫度測(cè)點(diǎn)：1)功率模塊內(nèi)部有很多測(cè)點(diǎn)，但這些測(cè)點(diǎn)多是與功率器件相連接，主要是觸發(fā)硬件的過(guò)溫告警或高溫脫扣的；而且有10個(gè)功率模塊、數(shù)十個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，在控制上和設(shè)計(jì)上不容易實(shí)現(xiàn)。2)逆變器裝置內(nèi)部帶有一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，是用來(lái)監(jiān)測(cè)逆變器內(nèi)部環(huán)境溫度的。如果以此測(cè)點(diǎn)為判據(jù)，當(dāng)通風(fēng)機(jī)不運(yùn)行時(shí)，功率模塊運(yùn)行時(shí)散出的熱量會(huì)使逆變器內(nèi)部環(huán)境溫度升高，相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到溫度升高超過(guò)某一定值時(shí)，通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)將熱量抽出，使內(nèi)部環(huán)境溫度保持在正常范圍。顯然，以此為判據(jù)，比較符合控制邏輯，且不需要添加硬件，只需做軟件上的修改，設(shè)計(jì)上比較容易實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于設(shè)置控制溫度值為多少較為合適，在統(tǒng)計(jì)分析了2016年3～10月的環(huán)境溫度、輻照度和逆變器發(fā)電量的基礎(chǔ)上得出結(jié)論，認(rèn)為控制值在35～45 ℃之間較為合理。但由于45 ℃是逆變器硬件老化程度測(cè)試的環(huán)境溫度，即如果設(shè)備長(zhǎng)期在45 ℃環(huán)境中運(yùn)行，其相關(guān)元器件會(huì)達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將溫度控制值暫定為40 ℃。

2.2 功控式

以逆變器總功率大小為判據(jù)來(lái)控制通風(fēng)機(jī)的啟停，即功控式。如果以逆變器功率值為控制條件，優(yōu)點(diǎn)是控制條件穩(wěn)定、安全性高，但缺點(diǎn)是適用性較低。例如在夏季環(huán)境溫度較高時(shí)，功率設(shè)置值不能太高；而在冬季環(huán)境溫度較低時(shí)，功率設(shè)置值又不宜太低，具有季節(jié)性特點(diǎn)。根據(jù)不同季節(jié)并結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，功率控制設(shè)定值在300～400 kW的范圍內(nèi)比較合理。

2.3 綜合控制式

以逆變器裝置內(nèi)部環(huán)境溫度和逆變器總功率大小兩個(gè)因素為判據(jù)來(lái)控制通風(fēng)機(jī)的啟停，即為綜合控制式。由前文分析可知，溫控式適用性強(qiáng)，但由于溫度測(cè)點(diǎn)單一，其穩(wěn)定性和安全性較差；而功控式雖然判據(jù)較為穩(wěn)定，但需季節(jié)性調(diào)整，不能普遍適用。綜合控制式是在綜合溫控式和功控式的優(yōu)缺點(diǎn)之后提出的，其控制邏輯是：當(dāng)逆變器內(nèi)部環(huán)境溫度和逆變器總功率2個(gè)控制條件中任意1個(gè)滿足設(shè)置值時(shí)，通風(fēng)機(jī)就會(huì)啟動(dòng)；當(dāng)2個(gè)控制條件同時(shí)不滿足設(shè)置值時(shí)，通風(fēng)機(jī)才停止運(yùn)行。綜合控制式不僅適用性強(qiáng)、安全性和穩(wěn)定性較高，而且還將功率模塊過(guò)溫告警納入到通風(fēng)機(jī)控制條件中，使逆變器運(yùn)行更加安全可靠。所以，本文采用綜合控制式，其控制邏輯如圖3所示。

圖3 通風(fēng)機(jī)綜合控制式啟停邏輯流程

3 改進(jìn)措施的實(shí)施與效果

3.1 改進(jìn)措施實(shí)施

在最終確定以逆變器裝置內(nèi)部環(huán)境溫度和逆變器總功率為條件來(lái)控制通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的方式后，經(jīng)過(guò)與艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司軟件工程師協(xié)商，對(duì)逆變器軟件進(jìn)行升級(jí)，并在正北溝光伏電站組織進(jìn)行了試驗(yàn)實(shí)施，確定溫度控制定值設(shè)置為40 ℃，功率控制定值設(shè)置為400 kW。

目前，40臺(tái)艾默生SSL0500B型光伏逆變器已全部進(jìn)行了升級(jí)改造。改造過(guò)程中，出現(xiàn)了2臺(tái)逆變器每天早上不能正常并網(wǎng)的異常情況。后經(jīng)過(guò)與廠家共同研究分析，認(rèn)為由于逆變器機(jī)型較老，軟件在升級(jí)過(guò)程中可能出現(xiàn)個(gè)別不能兼容的現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生混亂，無(wú)法正常控制并網(wǎng)；后經(jīng)過(guò)更換總控模塊，逆變器恢復(fù)正常運(yùn)行。為方便統(tǒng)計(jì)分析改造后產(chǎn)生的效果，我們還要求廠家對(duì)監(jiān)控面板程序進(jìn)行了升級(jí)，增加了方便統(tǒng)計(jì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間的模塊，如圖4所示。

圖4 監(jiān)控面板程序升級(jí)后

3.2 改造后的效果分析

通風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制方式改造工作完成后，40臺(tái)逆變器及通風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況良好，未出現(xiàn)異常情況。為統(tǒng)計(jì)和分析改造完成后產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，選取11月21日～12月20日這段時(shí)間內(nèi)40臺(tái)逆變器通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如表1所示。

表1 11月21日～12月20日期間40臺(tái)逆變器通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)

由表1可以看出，通風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制方式改進(jìn)后，在11月21日～12月20日這段時(shí)間內(nèi)節(jié)約電量約7735 kWh，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約7735元。結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可以預(yù)測(cè)全年可以節(jié)約用電量約7.5萬(wàn)kWh，再加上通風(fēng)機(jī)維護(hù)量減少，產(chǎn)生的綜合經(jīng)濟(jì)效益約10萬(wàn)元。

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)艾默生SSL0500B型光伏逆變器通風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行跟蹤研究，分析出原運(yùn)行控制方式存在的不合理之處；在做了大量的統(tǒng)計(jì)研究分析后對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制方式進(jìn)行了改進(jìn)，將原來(lái)的自動(dòng)啟停式改為由溫度和功率共同控制的綜合控制式；并且通過(guò)實(shí)踐、觀察和統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間大幅度減少，總體運(yùn)行情況良好，初步達(dá)到了降低通風(fēng)機(jī)維護(hù)成本、節(jié)約用電量、提高發(fā)電效益的目的。SSL0500B型光伏逆變器通風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制方式改進(jìn)的做法在正北溝光伏電站的成功實(shí)施，為同地區(qū)同類型的光伏發(fā)電企業(yè)提供了很好的借鑒。

致謝：此次通風(fēng)機(jī)改造工作得到了上能電氣股份有限公司研發(fā)工程師陳永康的大力支持，作者在此表示衷心感謝。

[1] SSL0500B光伏并網(wǎng)逆變器用戶手冊(cè)V1.0[Z].艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司, 2012.

[2] 肖安昆.自動(dòng)控制系統(tǒng)及應(yīng)用[M].北京: 清華大學(xué)出版社,2007.