光伏電站發電單元的改造與升級

劉路　莊英軍

摘 要：隨著人類社會的不斷進步，傳統能源被不斷的消耗，同時也帶來了嚴重的環境問題。為了減少環境的污染，保證能源的可持續利用，就必須改變現有的能源結構，重視新能源的開發和利用。從長遠發展的角度看，可再生資源是人類未來的主要能源來源，因此，世界上很多國家都開始重視太陽能等新能源的開發利用。在這些可再生資源中，光伏發電的發展速度最快，而太陽能光伏發電已經成為可再生能源領域中繼風力發電之后產業化發展最快、最大的產業。世界各國都非常重視太陽能光伏產業的發展，我國擁有豐富的太陽能資源，對太陽能的開采具有很大的優勢，因此，太陽能光伏發電成為我國開發新能源的重要內容。太陽能作為一種新型的可再生能源，近年來得到了廣泛的應用，光伏并網技術成為有效利用太陽能發電的核心和關鍵。本文簡述了光伏發電的發展史，總結了中國近十年的光伏電站運行的概況，并分析了電站運維過程中的發電單元故障及其改造升級方案。

關鍵詞：光伏電站、逆變器、改造、升級

一、太陽能光伏發電系統簡介

太陽能是指太陽光照所輻射的能量。目前太陽能的利用主要有光熱轉換、光電轉換和光化轉化三種形式。太陽能光電轉換又分為光熱發電和光伏發電兩種，通常說的太陽能發電主要是指太陽能光伏發電。

太陽能光伏發電系統是利用半導體的光生伏打效應進行光電轉換的發電系統，其基本應用形式主要分為獨立發電系統和并網發電系統兩大類。應用領域主要集中在航空航天、通訊系統、無電缺電地區和分布式發電、大型地面電站等。本文所講的光伏發電系統，即大規模民用級的光伏電站。一般的光伏電站主要是由光伏電池組件、匯流箱、逆變器和箱變組成。首先，通過光伏電池組件將太陽能轉化為直流電能，其次，再利用匯流箱將直流電匯集輸入到逆變器，逆變器將直流電轉變成交流電，通過升壓箱變輸送到電網，同時逆變器還可以穩定電壓，改善光伏發電系統的供電質量?？梢钥闯觯孀兤魇钦麄€系統中最關鍵一環，其穩定性決定了光伏電站向電網發送的電能的數量與質量，決定了整個電站的收益。

二、光伏并網逆變器發展簡介

自1954年第一塊實用光伏電池問世以來，太陽能光伏發電取得了長足的進步。由于1973年的石油危機和90年代的環境污染問題大大促進了太陽能光伏發電的發展。20世紀90年代，隨著西班牙、德國、意大利等國對本國光伏產業的大力扶持，全球光伏逆變器銷量不斷增加，光伏逆變器進入一個快速增長的階段。美國、日本也具有雄厚的工業基礎和先進的半導體技術，他們在電路結構設計、電氣和自動控制設計方面具有很強的實力，依靠公司的品牌在光伏逆變器生產設計方面也具有很強的實力和競爭優勢。國外主要逆變器廠商有：德國的SMA、KACO、奧地利的Fronius、加拿大的Power one等公司。進入21世紀后，隨著中國光伏市場的逐步發展，國外逆變器廠商陸續在中國設立辦事處，逐步搶占中國市場。

在中國，從20世紀80年代開始對光伏逆變器進行研究 和開發，由于終端市場啟動時間比較晚，國內光伏逆變器廠商普遍規模較小，結構、工藝、做工、性能穩定性等指標跟國外一流企業有一定的差距。 2009年7月21日，財政部、科技部、國家能源局聯合發布了《關于實施金太陽示范工程的通知》，國家將以財政補助的方式推進國內光伏電站的發展。這一政策極大地促進了國內逆變器廠家的發展，因為國外廠商普遍存在成本高、交貨周期長等障礙，使得國內廠商逐步占領了國外廠商在中國市場的份額。

經過多年的發展，國內出現了較多知名的逆變器廠商，像合肥陽光、山東奧太、無錫上能、特變電工等，其生產的光伏逆變器無論是在工藝、做工，還是在電網友好性、穩定性等方面均已接近國際知名廠商，而且售價遠遠低于它們的價格，售后服務質量高且及時。

三、近十年光伏電站的運維情況

光伏電站的設計壽命是25年，其中光伏組件和其他器件壽命應該可以達到，逆變器作為光伏電站的核心器件，設計壽命也應該達到25年。自2009年國家發布“金太陽”工程起，大大小小的光伏逆變器廠商如雨后春筍般出現，專業研究和開發光伏發電系統逆變器的廠家并不多，導致“金太陽”工程的質量也是有高有低。電站型光伏逆變器，其系統猶如一個獨立的“人”，包括主回路系統、控制系統、供電系統、通風散熱系統，五大系統相輔相成，一個出問題會導致整個逆變器的故障。筆者從事光伏逆變器的研究已近7年，憑以往經驗列出光伏逆變器運行過程中的較常見故障：①主回路中逆變模塊故障，逆變模塊由IGBT、散熱器、母排、直流支撐電容組成，某些廠商為了降低成本，IGBT數量減配，散熱器工藝不過關、母排本該是疊層母排，改換為正極銅排，負極銅排和絕緣片疊加在一起的低成本方案，母線支撐電容不使用壽命長的膜電容，反而用低成本的電解電容；②通風散熱系統故障：因為內部的IGBT模塊、濾波電抗器在逆變器運行過程中會產生大量的熱能，如果通風系統設計的不好，逆變器產生的熱能不能及時排出設備外部，將會使IGBT內部芯片結溫過高，損壞IGBT。

四、逆變器升級改造綜述

筆者二人在以往的工作經歷中整改升級了不下7家國內外廠商電站型光伏逆變器，這些廠商都是因為成本問題宣布破產，導致售后服務停止。對于上述低成本的逆變模塊，采取的方案是IGBT模塊數量擴容，更換較高質量的散熱器、疊層母排、薄膜電容組件，這樣在通風系統良好的情況下，可以有效降低逆變單元的故障率，增加光伏電站收益；對于通風散熱系統設計不良的逆變器，采取的措施是水冷系統改風冷系統，風冷系統升級改造，具體做法是設計獨立風道，每個逆變單元單獨使用一個風道，濾波電抗器作熱隔離處理，單獨設計散熱風道。這樣作可以保證在不動土建的情況下，使用最低的成本來降低光伏逆變器的故障率。

五、總結

現在光伏行業競爭已經進入白熱化，直接導致了光伏逆變器廠商的在市場占有率的重新洗牌，水冷光伏逆變器已經完全退出中國市場，某些知名廠商宣布破產，更不要提2009年中國市場起步后發展起來的中小企業。因為當時做出的質保周期較長，在技術不過關、毛利率降低的情況下，很多企業由于成本問題無法維持自身設備的售后服務，這就造成了在光伏電站在壽命時限內，存在無法發電的案列。光伏電站也在積極的處理，在不侵害廠商的權益前提下，可以向國內知名廠商，像合肥陽光、山東奧太，尋求解決方案，對電站現有的逆變器進行改造升級，保證電站的最大收益。