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光伏電站的精細化運維:低效單元的分析和治理

光伏電站的精細化運維:低效單元的分析和治理

 

由于光伏電站組件和組串數量龐大,電站在實際運行過程中,由于組件本身質量問題、惡劣環境影響、前期設計施工缺陷等因素,各個組串逆變器或匯流箱發電單元不可避免會存在低效發電的現象,低效發電單元的查找、分析和解決對于電站的發電量提升具有非常重要的意義,為了推動行業內光伏電站運維人員對低效單元的關注,本文主要思想是基于O2O運維理念,引導運維人員有效利用集中監控系統進行線上分析和線下診斷,能夠開展低效單元的查找和分析處理工作。
低效發電單元特征和排查思路
■低效發電單元:由某組串的組件固定屬性決定的,即某組串存在低效組件或存在低功率混裝組件后,該組串對應的逆變器(inverter)連續若干天的發電量或發電小時數同正常組串相比較會一直偏低,一般不會存在忽高忽低的現象。
■組串低效運行:環境因素、施工因素、設計(Design)因素、朝向問題、電網限電、其他等。
在查找低效組串之前,運維人員需對電站基本情況非常熟悉,如電站裝機容量、逆變器型號、逆變器的接入組串數量、每一串的組件數量、組件規格等太陽能是一種可再生能源。是指太陽的熱輻射能(參見熱能傳播的三種方式:輻射),主要表現就是常說的太陽光線。在現代一般用作發電或者為熱水器提供能源對于使用組串式逆變器的電站,需先對該所有逆變器進行分析,查找低效逆變器發電單元。為快速定位低效單元,這里以組串式逆變器或直流匯流箱作為一個初步排查單元,再通過現場核實或其他診斷方法,鎖定到某個組串支路或組件。當然,該思路也適用于使用匯流箱的集中式電站,以下的思路和方法不一定要照搬,在現場巡檢也可以根據自己的經驗來判斷,雖然查找的過程因人而異,采取不同的方法而得到相同的結果也是認可的。
通過數據分析和現場勘查來分析逆變器低效發電的簡單思路:
1)步:利用后臺分析各個逆變器的容量是否和實際容量一致,對于不一致的情況需要重新進行配置,導出各個逆變器近一個月左右的的日有效發電小時數數據(需要根據實際的逆變器方陣容量進行計算,以防錯誤的結果帶來誤判,這一點非常重要,每個電站都應編制組串容量信息表,即組串逆變器編號、接入組串數量,組件串聯數、組件功率等級等,一定要和現場一一核實),判斷存在低效的逆變器,原始(Original)數據需保存。
2)第二:鎖定低效組串或組件:
①通過在監控系統、離散率分析、電流對標分析等線上診斷。
②如果不通過后臺系統,也可以按照自己的思路,跳過線上離散率分析等,直接通過現場排查來分析引起逆變器低效發電的原因。
3)第三:根據第二步現場診斷周邊環境,必要時進行電壓電流測試,分析原因(從內因和外因入手),進行相關記錄(拍照)太陽能企業是太陽內部連續不斷的核聚變反應過程產生的能量。地球軌道上的平均太陽輻射強度為1,369w/㎡。地球赤道周長為40,076千米,從而可計算出,地球獲得的能量可達173,000TW。在海平面上的標準峰值強度為1kw/m2,地球表面某一點24h的年平均輻射強度為0.20kw/㎡,相當于有102,000TW 的能量
4)第四:提出解決措施及評估可操作性,根據可行的措施,對低效組串進行整改,做好相應的記錄。
對于集中式逆變器的電站,可通過以下方法:
1)以集中式逆變器(inverter)為分析單元,通過連續一個月的逆變器發電小時數分析存在低效的逆變器單元。
2)對于低效逆變器單元,導出歷史5分鐘支路電流數據(data),使用組串電流離散率分析(Analyse)太陽能光伏發電是根據光生伏特效應原理,利用太陽電池將太陽光能直接轉化為電能。不論是獨立使用還是并網發電,光伏發電系統主要由太陽電池板(組件)、控制器和逆變器三大部分組成,它們主要由電子元器件構成,但不涉及機械部件重點關注離散率較大的組串。倘若離散率正常,但是該匯流箱的支路整體電流偏低的(通過下文的電流對標法),這種情況需要現場核實具體原因,支路組件低效的可能性(Possibility)較大。
對于存在限電的西部電站,當光伏出力超過了省調下發的計劃出力時段,不建議進行數據分析。此時限電造成的因素(factor)很難排除(Remove)。因此需要等到輻光照強度較好時段,光伏出力小于AG計劃出力值時,進行分析或通過查詢歷史發電數據,選擇全天限電比例非常小的時段進行分析。
低效組串或組件位置鎖定方法
1線上診斷方法
線上診斷目的是對電站的低效發電單元(組件或組串)進行初步分析并篩選,特別是發電小時數比較方法,而組串電流離散率分析、電流對標等方法需要運維人員具備一定的大數據(data)(Data Mining)分析能力。運維人員可通過線下診斷來判斷,可能需要輔以一定的測試手段(如萬用表、鉗形表等測試工具),或通過查看組串周邊環境,是否存在陰影遮擋等進行確認,分析低效的原因。
1.1 監控系統瞬時分析
如所示為某子陣逆變器,從圖可知,第5支路、第6支路存在工作電壓偏低,電壓值僅290V作用,正常支路的電壓為587V作用,但是電流基本和其余支路一致。這種情況下,運維人員需要攜帶萬用表、鉗形表等工具到現場檢查此兩路支路存在的問題。

后臺某電站組串逆變器各路電流電壓顯示值

1.2 離散率分析
利用后臺管理系統將低效逆變器的各路支路電流、電壓等數據同正常的逆變器進行比較,查找電流或電壓較低的組串。以某電站為例,如某方陣逆變器發電小時數低,需要分析組串電流離散率。電流離散率的分析好選擇晴天,即輻照度較好的天氣。因為陰雨天,組串電流較小,組串之間的差異很難反映出來。如通過觀察該逆變器每一路的電流數據,發現15:00-18:00時段,第2路電流偏低,因此可將問題鎖定到第2支路,需要記下該逆變器的組串編號,待到現場核查,心里面需要有一個預判。按照經驗,如果組串的電流在中午輻照較好時段是正常值,而在下午時段較低,有可能(maybe)是由于遮擋引起。(如果我們能通過監控系統的實時數據發現問題,這樣好,現場就僅僅核查下就可以了,工作開展就有針對性了。如果后臺實時監控數據無法判斷,就可到現場去排查)。
1.3 電流對標分析
如果從離散率分析無法鎖定某個組串的時候,我們需要進一步分析發電小時數偏低是否是因為組串電流整體偏低引起。如果逆變器對應的組串整體電流偏低,那么組串電流離散率就可能是正常的,單從離散率判斷就有失偏頗;即離散率正常的不一定就沒有問題,離散率不正常的就一定有問題,這一點需要運維人員注意。
電流對標的目的就是從組串的實際特性出發,發現實際真正存在問題的組串。一般情況下,我們需要尋找輻光照強度比較穩定的日期或時段。如果輻照度不穩定,忽高忽低,對我們的分析會帶來影響,主要是擔心輻照變化較快時,組串逆變器(inverter)的實際跟蹤響應精度有差異,得到的輸出電流不一定能反映實際輻照下的輸出電流,這樣會對我們的判斷帶來影響。電流對標的前提是組串之間的組件型號必須一致,高功率(high power)的組件相對低功率的組件輸出電流要大一些,但是它們的等級不同,無法形成對比。實際分析時將平均電流比較低的組串逆變器和電流比較高的組串逆變器形成對比。如果發現偏差較大,就需要調取組串容量信息表,核查該組串采用的組件功率,如果電流偏低是因為采用低功率的組件引起,就注明一下,如果采用的組件型號和高電流的組件型號一致,那么就說明了低電流的組串是存在一定問題的,需要我們到現場核實。
1.4 線上診斷小結
1)核實系統后臺逆變器容量是否存在問題。如果無誤,按后臺自動計算的發電小時數。如果系統后臺容量錯誤,需要按實際的逆變器容量計算發電小時數。
2)從系統后臺導出各個逆變器近一個月的發電小時數(如果容量不正確,按實際容量計算),從小到大進行排名,篩選小時數排名靠前的逆變器。
3)線上初步診斷:選擇輻照較好的天氣,導出低效逆變器5分鐘歷史數據(主要是組串各支路電流(Electron flow)),得到各支路的電流離散率。如果離散率正常,說明該逆變器組串支路整體電流偏低,可以用上文介紹的電流對標法進行確認。
2線下診斷方法
1.1 查看周邊環境
主要查看該組串逆變器(inverter)對應的組串是否存在外在環境的影響,如陰影遮擋、灰塵遮蔽、雜草、鐵塔、電線桿等。對于山地光伏電站,查看該組串是否處于山坳中,組串的朝向是否正南,組串的安裝傾角是否和其他組串一致,并積極拍照留存。
1.2 測試組串或組件
線上后臺系統診斷出來的電流(Electron flow)偏低組串,用鉗形表測試(TestMeasure)的電流值可能(maybe)會和后臺存在偏差。查看光伏組件是否受損,如組件玻璃面、組件內部電池是否碎裂、接線盒、光伏線纜絕緣(insulated)等。查看組串接線是否錯誤,接線錯誤很可能會導致某組串電壓偏低。用鉗形電流表測試組串逆變器對應組串的各支路工作電流,同時測試發電較好的逆變器作為對標,記錄測試的組串編號和其測試數據用于后續分析。若有紅外熱像儀,可檢測是否存在熱斑組件、開路電壓是否正常、組件接線盒旁路晶體二極管發熱是否嚴重等。
3低效處理措施
■組串MPPT接線優化:目前組串優化器,一般是兩路組串一個MPPT,查看逆變器輸入端的光伏電纜是否留有余量,如果有余量,因此可將低效的組串放入同一個MPPT。尤其是對于未接滿組串的逆變器而言,要充分利空余接線端子。必要的情況下,需要使用光伏電纜和M4連接頭連接組串。
■草木遮擋問題:對于南方地區,在雨季時段,草木茂盛,方陣周邊出現大面積雜草,此時需要重點關注(follow),合理調整我們的排查重點,制定適宜的除草計劃。在日常巡檢發現某組件存在零星的雜草遮擋時,需要立即清除。另外除草工具及時配備,出現磨損及時更換,除草時注意人身安全。
■更改接線方式:對于豎裝雙排安裝的支架類型,傳統的U型接線存在的弊端會使得整個支架的光伏組件受到前排方陣的陰影遮擋損失,特別是冬季,遮擋影響更大。因此可將接線方式改成“一”字形,即相鄰的支架上排組件相互串聯成一個組串,下排組件連成一個組串,需要準備足夠的線纜和M4連接頭。
■加裝功率優化器:需要各個電站統計可安裝功率優化器的組串或組件單元,主要是高大鐵塔、電線桿、組件左右前后遮擋、女兒墻遮擋(分布式電站)、綜合樓遮擋部分組件、樹木遮擋(在樹木無法砍伐的情況下)等陰影遮擋,統計遮擋所能影響到的組件數量。
4低效處理案例介紹
如圖2為某山地光伏電站,其組件縱向雙排安裝并采用了型接線方式,山地光伏電站的設計相對于傳統的荒漠電站是有一定挑戰的。由于地勢起伏不定,坡面的方位角和坡角也不盡相同,組件前后左右無遮擋間距是難以兼顧到方方面面,特別是復雜的山地,坡面種類可能有十幾種,甚至二十多種之多。某些區域的前后距離可能過小,那么前排對后排產生了一定的陰影遮擋,尤其是冬季、初春等太陽高度角較低的時段。從運維層面而言,無論是先天性的設計和施工不足、還是外界的遮擋影響,傳統的型接線方式存在一定的缺陷。
表1所示,在改造前,對逆變器的日發電量數據進行統計分析(Analyse),時間跨度長達5個多月,我們發現,實驗逆變器比對標逆變器發電小時數差異約-1.65%,鑒于其下排組件易受到一定程度的遮擋影響,經過評估后,對其進行了接線方式的精細化改造。而改造后,該逆變器的發電小時數差異則降為-0.16%,發電量提升幅度達1.5%左右。單臺組串逆變器改造后平均每天提升發電小時數0.05h,折合發電量1.82度,全年提升665度電,即單臺逆變器全年的發電小時數提升20h。如果陣列前后自陰影遮擋或其他障礙物遮擋的程度越大,可提升的空間就越大,雖然該數字對于單臺逆變器而言,可能是微小的,但是如果電站的逆變器數量達到1000臺,那么每天可提升的電量會預計達到1000度電以上,一年就是36萬度以上。
表1 逆變器改造前后發電小時數對比

5小結

光伏電站的低效單元分析和處理是一個長期工作,屬于精細化管理和運維范疇,而傳統的粗放式運維和管理模式對于低效的分析處理將是一個很大的挑戰,因此低效單元的分析和處理離不開智能化監控系統和數據(data)分析處理平臺。文中從低效的定義、低效的種類以及組串逆變器(inverter)、集中逆變器等不同類型的電站如何去查找分析低效單元進行了詳細的闡述,并在后通過典型案例進行了經濟效益(benefit)評估,希望通過本文能夠給國內的電站專業化運維起到拋磚引玉的作用。
(注:本文內容屬于原創文章,代表個人經驗觀點,未經作者允許,自媒體(We Media)和相關人員嚴禁對部分或全部內容進行抄襲和同義編輯用于個人表述,嚴禁使用文中觀點和內容用于其他用途)。
作者:陳建國


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