光伏电站的节能优化简析

光伏电站的节能优化简析
摘要：光伏电站，采用不经蓄电池储能直流逆变后直接并入交流电网的运行方式，其技术具有波动性大和间歇较长的
特点。实际运行中还存在电池板积尘、电缆漏电接地、硬件机械故障等缺陷隐患，所以，在光电转换的发电过程及逆
变并网的用电过程中存在能源利用率和转化效率较低以及输配电损耗较大等现象。本文通过总结光伏电站在运行过程
中的问题，对其如何实现节能优化进行简单分析。
关键词：光伏电站 节能优化 转化 损耗
1 前言
光伏发电，是指将太阳光照中短波波长的光子所具有的高能量通过半导体多晶硅电池的光电转
换所激发光生载流子被电极吸收形成光电流的能量转化过程。在石化能源短缺、环境污染严重背景
下，太阳能作为清洁可再生能源用于光伏发电的产业对于国家发展战略上调整能源结构，实现可持
续发展，有着举足轻重的地位。但是，光伏发电也有其局限性，昼夜交替及光照强度等不受人力控
制的自然因素使其具有间歇较长、波动性大的特点，光电转换的过程还受灰尘温度等影响，作为分
布式电源在输配电方面线缆较多等因素，使光伏电站在太阳能的转化利用过程中存在较大的浪费和
损耗。本文通过总结光伏电站在运行过程中的问题，对其如何实现节能优化进行简单分析。
2公司光伏电站简介
公司在黄河水源地自备水厂新建一座光伏电站，总装机容量为10MWp,分为10个1MWp发电并网
单元。每个单元2台500kW并网逆变器，每个逆变器输出315V三相交流电，通过1600A的断路器引
至低压母线，2路逆变器出线通过低压母线连接到该单元1000kVA升压变压器的低压绕组上，经升
压变升压为6kV高压，通过6kV转接箱将1-5单元、6-10单元五五并联为两路电源后，经水厂二级
泵站两个6kV开关柜，实现与6Kv A、B两个工作段的并网。
总共4万多块电池板分布布置于水厂平流池、排泥池岸边，有的直接布置漂浮于平流池水面上。
每块电池板接受光照，进行光电转换后不经蓄电池储能，将245Wp的电能经汇流箱并联送至并网逆
变器，逆变器将450V-820V的直流电逆变为315V的三相交流电，经升压变升至6kV高压后，直接并
网。
3 光伏电站运行中的问题
3.1电池板积灰的问题
公司地处内蒙古中西部地区，常年风沙较大，降水较少，光伏电站积灰较多也是不争的事实。
电池板的积灰对于光伏发电能效转换是一个重要影响因素。
3.1.1热斑效应
灰尘的组成包括土壤、岩石、动植物细屑等风化颗粒及燃烧烟尘等，灰尘会遮蔽射达光伏电池
板的光线，由于灰尘物理性质有差异，且在电池板上分布不均匀，电池板因灰尘遮挡局部带负电压
形成负载，伴随光电流热耗的增加，形成局部热点，即热斑效应。这种效应能破坏电池板，导致电
池板功率输出损失甚至永久性的开路失效，另外热斑效应造成的功率输出不平衡容易使系统其他组
件如滤波器阻尼电阻等烧损。
3.1.2温升效应
灰尘与电池板导热性差，灰尘的覆盖会影响电池板表面的散热，电池板本身由于光生载流子、
光电流等电热效应产生的热耗及太阳光照中长波光子带来的热量而温度升高时，不良的散热条件使
光电转换输出变弱，导致系统的开路电压降低，致使系统最大输出功率下降，一定条件下系统将跳
闸脱网甚至瘫痪。不光电池板，逆变器的功率单元对于散热的要求也很高，灰尘积聚于功率单元控
制驱动板同样也会因温升效应导致大功率器件散热不良而烧损。
3.1.3腐蚀效应
具有酸碱性的灰尘沉积到电池板表面，将会侵蚀电池板面使其粗糙不平，这将进一步有利于灰
尘的积累，增加对光的遮挡、反射，降低透过率，从而降低光电转换能效。同理，如果腐蚀性灰尘
腐蚀逆变器功率单元控制驱动板，则可能造成集成电路板短路烧损。
3.2 发电质量的问题
由于托电光伏电站采用不经蓄电池储能，直流逆变后直接并入交流电网的运行方式，其技术具
有波动性大和间歇较长的特点。在发电过程中容易产生谐波和三相不平衡电流等问题，从而造成系
统电压波动甚至闪变。由此，给光伏系统的发电质量造成极强的不稳定性影响，而且对光伏系统本
身也产生威胁，特别是对并网逆变器功率单元的大功率器件的冲击，极易造成过载烧损，从而引发
跳闸脱网，影响电网可靠性。
3.3光伏电网的可靠性问题
大规模的光伏发电在输电及并网过程中会对电网产生一些不良影响，例如光伏发电的间歇性出
力可以导致电网电压波动，无旋转惯量的电流源接入是的电网稳定性降低等，另外光伏系统本身电
池板及线缆铺设均处于露天环境，电池板受风其支架应力变形甚至折断，电池板阵列角度、朝向、
倾斜角等发生改变，光电转换的效率将随之降低；大量的线缆防护存在漏洞及隐患，漏电及接地故
障会带来大量的电能损耗和浪费。
4 光伏电站的节能优化
实践证明，以上问题的存在，很大程度上影响着光伏发电的效率和质量，不过，针对这些问题，
光伏发电系统还有很多可以优化的空间，以下分析的几方面办法和技术若在实际中现实运用，或可
以达到节能降耗的目标。
4.1清洁积灰，提高能量转化效率
研究表明，光伏电池板上积灰对于发电量的影响重大，，尤其在低照辐度条件下，灰尘对发电量
的影响更为明显，有实验证明，对15日未清洁的光伏阵列进行清洁后，发电量明显提高，实验期间
日均发电效率提高8%以上。粗略计算，10MWp的光伏电站，年发电量约为1600kWh，清洁后效率增
加8%，则年均发电量可以增加128万kWh电能，按年300天晴好推算，日均提高发电量4200kWh以
上。按照托电煤耗指标每千瓦时电能320g标准煤折算，有效清洁的10MWp光伏电站，年可节约标准
煤460吨，每年可减少碳氧化物和氮氧化物排放上千吨。另外，有效清洁电池板，降低灰尘的负面
效应影响，可以显著提高电池板以及其他功率组件和滤波元件的使用寿命。
4.2优化控制，提高电能质量
利用各种技术手段，通过优化调节对光伏系统的控制来尽量克服自然因素以及分布式电源技术
所带来的负面影响，是目前国内外对光伏发电运用领域研究的重点，例如通过研究光电转换与光照
辐射强度和温度的关系跟踪太阳能最大功率输出工作点，实时控制光伏设备工作点来获得最大功率
输出；再如优化调度控制光伏出力与电网负荷，提高置信容量、合理无功补偿、改善波动性，提高
综合资源利用降低综合损耗；又如采用更高性能转换技术，系统控制分布式电源多变换器集群统一
协作，克服相互之间不利影响，通过优化控制算法、元器件参数和脉宽调制驱动等实现谐波质量的
控制，提高能量转化效率和电能质量。等等这些方面的技术应用不一而足，但针对托电光伏电站的
应用技术需经过较长时间的统计分析、详细计算和试验论证方能得出结论获得成果，目前的理论分
析应用依然处于摸索阶段。
4.3加强维护和技术改造，提高光伏电网可靠性
由于设计缺陷及施工质量的问题，光伏电站露天建设，存在诸如电池板被风吹落、被飞沙走石
击碎、电池板支架受风应力变形、底座开焊、直埋电缆破皮接地烧损、电缆井渗水浸泡中间接头、
直流电缆受潮漏电接地等等或大或小的缺陷隐患，威胁着光伏发电系统设备的可靠安全。维护和技
术改造工作致力于消除这些隐患和缺陷，可以行之有效的降低光伏发电设备及电能的损耗。
电池板作为电源应属重中之重，光伏电池板阵列的朝向及倾斜角直接关系到光照资源的最大化
利用，在最优化计算设计其分布布置的前提下，还需要考虑统计最大风力作用于电池板受风面积情
况下的应力因素，对电池板及其支架的固定进行相应力学设计并可靠的紧固和焊接，尤其对于水上
光伏电池板的固定施工标准要求应更为严格。
电缆作为输电载体受电通道，线路损耗不容忽视。直埋电缆必须按照标准进行铺设，否则在填
埋过程中发生破皮漏电甚至接地短路，对于电能损耗及用电可靠性影响巨大。技改条件允许应尽量
改为桥架铺设，对于桥架内电缆应做好防水防雨防护，即使出现问题也容易维护检修。对于高压电
缆中间接头的电缆井，必须做好防水措施，否则一旦下雨渗漏，电缆井并将积水，积水浸泡电缆接
头，绝缘受潮，泄漏电流增大，介质损耗增加，不仅影响能耗指标，且严重威胁用电安全。
6 结语
本文以“价值思维”和“效益导向”为出发点，对光伏电站的节能优化进行了简单分析。光伏
发电技术根本上是进行光和电的能量转化，所以优化节能是从转化效率和控制损耗两方面来分析的，
结合托电光伏电站运行中存在的问题，分析得出影响转化效率及能量损耗的主要因素，着眼于日常
维护及技术改造手段来消除或削弱这些影响因素，以实现优化节能的目的。同时，在实际生产的运
用和实践过程中，将继续深入研究，以求得到更加切实可行、行之有效、效果显著的优化节能措施
和办法。