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光伏发电集中式方案和组串式方案比较分析

2015-11-27 09:55:23      点击:

       在如今的度电补贴时代,评价一个电站的好坏,其实是发电量的角力。这涉及到光伏电站的各类产品设备选型、系统方案设计、建设、施工、运维等各层面和环节。受技术水平影响,提高组件发电效率与降低系统成本不可能在短时间内达到和实现。因此,提升光伏电站的发电量,改善空间就集中在设计更优系统方案、提升建设施工质量、提升运维效率等方面。目前主流的系统方案有两种:集中式方案和组串式方案。结合作者长期从事的工作和研究,就两种方案的发电量及影响因素进行比较分析。

  1、组串式逆变器与集中式逆变器转换效率比较

  逆变器将组串发出的直流电转换成交流电,逆变器转换效率的高低直接影响到最终上网电量的多少。设备方面,在组件效率一定的情况下,提升逆变器的转换效率是提升发电量的关键一环。当前,不同厂家的逆变器转换效率都达到了相当高的水平。那么不同逆变器在光伏电站运行过程中的实际表现如何,作者选择了国内知名的集中式和组串式厂家,并结合实际参与的电站项目,对集中式方案和组串式方案两种逆变器的实际效率曲线进行了比较。

  实际电站运行效率测试结果表明:在不同负载等级下,组串式逆变器较集中式逆变器转换效率高0.5%~1%。另外,当组串工作电压升高,组串式逆变器逆变转换效率随之升高;而集中式逆变器随着组串电压升高,效率出现了下降。基于此,在冬季时,低温导致组串电压升高,组串式逆变器相对集中式逆变器的优势会更加明显,这也与电站实际发电量数据比较结果保持一致。

  2、并网发电时长比较

  根据电站的数据记录,对电站内集中式方案和组串式方案两种逆变器的开关机时间和并网运行时长进行了比较,发现组串式逆变器在实际运行中弱光发电能力相对集中式逆变器更优,具体表现为:早晨开机和发电时间均早于集中式逆变器;傍晚关机和下网时间普遍晚于集中式逆变器。在不同天气条件下,早晨发电提前的时间从2~30min不等,傍晚关机和下网延后的时间从2~10min不等。因此增加了发电时长,提升了发电量。图3、图4为2015年3月7~30日组串式与集中式逆变器的实际观测数据曲线图。

  3、组串式逆变器多路MPPT提升发电量

  在光伏电站,因为早晚太阳高度较低,因此会存在前后遮挡。遮挡直接造成了辐照减少,影响发电量。如果受遮挡组串与未受遮挡组串被接入了同1路MPPT,因不同组串间最大功率点电压不同,必然造成组串间的并联适配,进一步损失发电量。尤其在冬季,因太阳高度角较低,遮挡影响范围大,遮挡时间长,引起的发电量损失为一年中最大。

  业内主流组串式逆变器每台可支持3路MPPT,每路MPPT最多接入2个组串,通过合理设计接线方式,可很好地应对遮挡,减轻和避免组串间的并联失配现象,从而减少和避免发电量损失。而集中式逆变器将100个,甚至更多组串均接入1路MPPT,不同组串最大功率点电压不同,因此不可避免的导致了严重的组串失配及发电量损失。根据遮挡发生时组串的I-V曲线,可更直观地看出遮挡导致最大功率点变化趋势,及并联失配导致的严重发电量损失。

  由图6可知,组串一旦局部被遮挡就会形成多峰的情况,此时组串式逆变器因具有多路MPPT,且接入组串数量少,可准确追踪到组串的最大功率点,最大限度挖掘该组串的输出功率,组串之间无影响。而集中式逆变器由于同1路MPPT内组串并联数量较多,遮挡组串和未遮挡组串最大功率点电压不同,组串工作电压被限制在所有组串均压后的一个较高电压水平,此时,遮挡组串几乎无功率输出,未遮挡组串的输出功率也会损失。最终的结果是,整个子阵(电站)发电量损失严重。笔者曾对在北纬38°附近的一个地面电站进行过研究,电站采用8m的前后排间距,前后排遮挡发生的时间集中在冬至日前后各一个半月,具体时间大致在前一年的11月1日~次年2月10日。遮挡现象最严重时,对发电量影响可达8%。

  4、电站运维效率及其对发电量影响的比较

  电站建成后,优质而高效的运维是保障和提升光伏电站发电量的关键。运维工作的难易程度及工作量也直接关系到电站运行阶段运维成效、人员及设备的再投入等。运维成效直接关系光伏电站是否能够取得预期收益,人员及设备投入则关系电站运行阶段的运行成本。当前不少光伏电站在方案设计阶段,考虑更多的是如何提升发电量,同时降低电站的投资建设成本,至于电站后期的运维工作则考虑相对较少。但光伏电站是一个系统工程,运维工作更是贯穿光伏电站25年的整个生命周期。可以说,运维工作决定了电站未来的收益能否如期达到,关系到电站的运行安全等各方面。

  当前光伏电站运维工作的最大难点在于能否实现组串级监控,能否实现网上运维,提升运维工作的效率,及时发现并处理电站故障,保障电站运行安全,保证发电量。

  但目前光伏电站存在的情况是:对于集中式方案,理论上智能汇流箱可检测到每串的工作电流和并联工作电压;但实际项目中,由于汇流箱电流检测精度低及通信不可靠,导致实际上报的数据存在较大误差,在组串出现故障时,依然难以准确判断故障点。因此多数情况,对于集中式方案的组串运维和巡检,依然严重依赖人工。运维工作量大、成本高、效率低。目前有统计显示,国内光伏电站60%的故障出现在直流侧,组串故障发生后,运维人员几乎不可能在第一时间发现和处理,多数故障处于不可知、不可控的状态。对于电站来说,此类故障轻则损失发电量,重则会危及电站的运行安全。因此,对于组串的监控和运维几乎成为当前采用集中式方案的光伏电站的最大痛点。

  相比之下,组串式逆变器由于其精度高,是集中式的6倍以上,可精确检测到每串电池板的电压、电流,可针对组串进行智能的I-V、P-V曲线扫描,直观、简单、可靠地监测到每个组串的状态,从而能帮助工作人员及时发现故障并快速解决。甚至通过大数据分析,还能主动预判故障,真正做到运维智能化,这也是以精准的数据为基础的。

  5、组串式方案与集中式方案系统效率角力

  目前业界传统的集中式系统效率一般可达到76%,主要损失为光伏阵列损失和系统故障损失。而在山地光伏电站中,曾有光伏阵列损失达到14%的情况,主要包括:灰尘遮挡损失,温度损失,早晚不可利用损失,组件、组串失配损失,阴影遮挡损失等。很多电站的系统故障损失也超过6%以上,主要包括:组件故障、汇流箱故障、熔丝故障、逆变器故障等。

  通过实际的大量应用发现,组串式解决方案系统效率可达到80%以上,可有效降低光伏阵列损失和系统故障损失,使整个电站效率提升,发电量可提升3%~5%,提升电站投资收益。

  以笔者参与设计建设的电站为例,该电站规模为20MW,其中集中式和组串式各为10MW,分别汇集成2条10MW的集电线路。在汇集处装有0.2s级电表,电站并网后,记录从2015年1月28日~4月25日的发电量数据,归一化后的计算结果表明,组串式方案较集中式方案发电量提升4.33%。

  6、总结

  提升光伏电站系统效率是整个行业的重点难题。目前业内组串式光伏电站解决方案在提升发电量、提高系统效率方面有所突破。组串式逆变器多路MPPT解决了组串失配等造成的发电量损失。另外组串式逆变器实现了对每串电池板的可靠精确监测,为将来实现精细化运维提供物理基础,减少了光伏阵列损失和系统故障对发电量的损失。组串式解决方案做到了将光伏电站的各组成部分进行细分、控制、评估,使电站系统更加优化、清晰、简单,系统可靠性更高,最终提升电站发电量,在度电补贴时代为电站投资者带来更多价值回报。 

     

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