分布式光伏项目施工常见的技术问题分析与解决方案

引言

自2013年下半年国家推出专项补贴政策以来,分布式光伏发电项目得到了快速发展。2021年我国光伏行业继续高歌猛进,制造端、应用端、进出口都取得了快速增长。2021年中国光伏发电量3259亿kw·h,较上年增加648亿kw·h,同比增长24.8%,约占全国全年总发电量的4.0%。提高项目发电量是众多投资商关注的焦点,而解决施工中遇到的技术问题则成为重中之重。

1建设分布式光伏项目的意义及工程流程

分布式光伏发电指在用户场地附近建设,运行方式为自发自用、多余电量上网。分布式光伏发电遵循因地制宜、清洁高效、分散布局、就近利用的原则,充分利用当地太阳能资源,替代和减少化石能源消耗,对碳达峰和碳中和的目标达成具有重要意义。

分布式光伏发电工程流程包括设计、屋面部分施工、地面部分施工、工程验收、后期运营等。

2常见的技术问题及其解决方案

2.1诱导电势衰减

PID代表潜在的光伏电池板组件诱导电势衰减,是一种降低光伏电池发电性能的过程。在正常情况下阳光释放电子,然后流向逆变器,但PID会阻止此过程的发生。PID和太阳能电池中与接地相关的负电压相关,这主要是变压器隔离型逆变器的缺失造成的:另外,面板暴露的负电压越大,PID效应越强。目前,行业内公认PID效应对光伏组件功率有重要影响,尤其是面对如高温、高湿等复杂环境时,PID效应还会加重。

针对PID产生原因,可以从组件端和逆变器端两方面来进行预防和修复。对组件端而言,组件出厂前应进行PID测试,预判光伏组件在使用过程中是否会发生PID效应。PID测试标准有IEC62804光伏组件性能测试、IEC61730光伏组件安全测试等。投资方可以要求厂家在出售组件时提供相应的PID测试报告。

对逆变器而言,主要有以下三种解决方案:

(1)采用负极接地方法,消除组件负极对地的负压。这种方案适用于隔离型光伏逆变器,包括高频隔离型逆变器和工频隔离型逆变器,负极接地后,消除了组件对地的负压,可以有效抑制PID现象:而针对非隔离型光伏逆变器,则需要外加隔离变压器之后实现负极接地。

(2)采用虚拟中性点接地方案,消除组件负极对地的负压。这种方案适用于由多台组串式光伏逆变器构成的集中式光伏电站,通过抬升虚拟中性点的电位,使逆变器的组串负极对地电压接近于零电位,从而实现PID抑制功能。

(3)采用正向偏置电压方案,抑制PID效应。这种方案适用于组串式光伏逆变器构成的屋顶光伏电站,采用逆变器内置或外置防PID的修复功能模块,该模块由交流侧来供电,在光伏组串正负极加正向偏置电压来修复PID效应,可提供自动模式、夜间模式和连续模式三种输出方式,一般默认为自动模式,自动模式输出为系统最高电压。

综上,逆变器厂家可采用虚拟接地方案及选配内置或外置防PID功能模块:组件工厂则可采用耐候性更佳的原辅材料进行封装,增大内部电池与外部电路的绝缘电阻,减少漏电流现象。

2.2组件安装角度

在屋顶建设太阳能光伏电站,不能像地面电站那样设计最佳倾角,另外还需要考虑前后遮挡间距。为了便于光伏组件和屋顶结合,一般都在屋面上直接平铺支架,北半球铺朝南面,南半球铺朝北面,这样才能最大效率利用光能。在实际中应重点关注如下:北坡一般抬高支架,但需要分析抬高方案的成本与收益、灰尘清洗和风雪清扫的便利性:如果屋顶租赁成本较高或者能拿到更多对容量的补贴,可以通过适当降低倾角来增加容量。

2.3组件的隐裂

隐裂是晶体硅光伏组件一种较为常见的缺点,是一些肉眼不可见的纤细破裂(micro二crack)。晶硅组件因为其自身晶体结构的特性,许多环节都可能形成电池片隐裂。

隐裂发生的根本原因包括:电池片在焊接、层压、装框或搬运、检测等进程中会受外力的作用,当参数设置不妥、设备故障或操作不妥时会形成隐裂:电池片在低温下没有通过预热,然后在短时间内突然遇到高温后胀大以致形成隐裂,如焊接温度过高、层压温度等参数设置不合理。德国哈默林太阳能研究所的研究表明,发电量损失会随隐裂的数量增加而增大。

对此,可以采取的措施包括:

(1)安装前红外检查。光伏组件在装卸、运输、搬运、安装过程中,未按照要求卸货、堆放、吊装、开箱等都有可能产生隐裂。检查工具一般为EL测试仪,随机抽检比例在万分之五左右。

(2)安装过程中采取适当的控制措施。在搬运过程中要防止包装箱倾斜致使组件受力不均,发生隐裂:适当增加托盘的强度,防止其因强度不够或者泡水导致搬运过程中托盘变形,使得组件表面受力,从而产生隐裂:组件运输过程中应严防叉车司机暴力装卸、运输车辆出现大幅颠簸:组件安装过程中应避免单人背组件、头部顶组件、安装踩踏组件的情况发生,组件安装要遵循自左而右、自上而下的顺序:组件搬运时,必须做到两人抬一块组件,必要时使用简易周转车进行整箱转运:组件摆放时,禁止将组件放置或依靠在坚硬的不平整的表面,应做到开箱后立即安装,避免组件散放在工程现场:安装完成、并网之前,需要再次进行EL抽测。

(3)及时处理隐裂组件。后期运维过程中要定期进行EL测试,发现问题及时更换处理,避免其影响系统的整体发电效率。

2.4大数据运维技术引入

分布式光伏电站因其容量一般都不大,没有专门的运维人员或运维人员数量很少。另外,分布式电站大都处于生产厂房的屋顶,组件容易严重积灰。同时,因新能源行业处在高景气周期,运维阶段还存在人员流失率高、经验和知识不易积累传递等问题。

针对上述问题,可以引入大数据技术。大数据技术可以对光伏电站的生产报表进行集中化管理,根据现场实际生产情况,自动生成运维日常报表:可以对光伏电站环境监测仪、箱变、逆变器、光伏组串等主要设备进行监控,获取各设备运行参数值,并通过数据分析及时确定状态异常点,实现对各个设备的实时在线管控,进而实现设备故障智能预警。同时,采用智能手持设备以及GPs等技术,可以形成智能化运维巡检模式,规范巡检流程,实现高效运维巡检,避免人为失误的发生。

2.5线损控制

线损是指电能通过输电线路传输而产生的损耗,在电力网络中除输电线路外,还有变压器等其他输变电设备也会产生电能损耗。线损是由电力传输中有功功率的损耗造成的,主要包括三部分:(1)电流流经有电阻的导线造成的有功功率损耗。(2)线路有电压,而线间和线对接之间的绝缘有漏电,造成有功功率损耗。(3)电晕损耗:架空输电线路带电部分的电晕放电造成的有功功率损耗。正常情况下,后两部分一般只占极小的分量。

线损可以分为:

(1)统计线损。统计线损是指根据电能表的读数计算出来的线损,是供电量和售电量两者之间的差值。

(2)理论线损。根据供电设备的参数和电力网当时的运行方式及潮流分布和负荷情况,由理论计算得出的线损叫理论线损,又称技术线损,其准确程度取决于电网设备参数的准确度、代表日运行数据的合理性及理论计算的准确性。

(3)管理线损。由计量设备误差引起的线损以及由于管理不善和失误等原因造成的线损,如窃电和抄表核算过程中漏错抄、错算等原因造成的线损。

(4)经济线损。由于变压器实际负载率较低,配电网中的固定损耗一般在50%~70%,处于经济负荷电流值以下运行,线路实际线损率未达到经济线损率。当负荷电流小于经济负荷电流时,线损率随着负荷电流的增加而降低:当负荷电流超过经济负荷电流时,负荷电流增加则线损也增加。因此,电网运行应保持在经济负荷电流左右一个区域内,这个区域可以称为经济负荷电流区。

(5)定额线损。根据电力网实际线损,结合下一考核期内电网结构、负荷潮流情况以及降损措施安排情况,经过测算确认的标准线损指标。

对光伏系统而言,其线缆损耗是指由于电缆压降导致的欧姆损耗,主要包括从组件直流输出到逆变器之间的直流损耗、从逆变器交流输出端到变压器再到并网柜之间的交流损耗。

一般投资商要求把线缆损耗控制在2%以内,采取的主要措施包括:

(1)选择合适的材料和线径。铜和铝是制造导线和变压器中导体的主要原料,可以通过设计合理规格的导线及其线径来达到降低线损率的目的。考虑到铝铜价格相差颇大,目前地面电站大都选用铝芯电缆以降低工程造价,部分电站甚至选用铝变压器。因铝铜接头不好处理,屋顶光伏项目则较少采用铝缆,但随着屋面资源越来越稀少,屋面使用成本越来越高,分布式光伏使用铝缆的案例会越来越多。同时,以降损为主要考虑因素,可以尽量选择横截面比较大的导线,但这意味着工程成本会相应增加。因此,分布式光伏投资方应综合考虑,选择最为适当的导线。

(2)汇流箱、逆变器等设备的位置尽量布置在几何中心。在负荷功率相同的情况下,供电半径越小,出线越多,则线损越低。因此,在进行回流箱和逆变器的平面布置图设计时,应尽量使主要设备居中,减少线缆的使用长度。

(3)控制线缆的运行温度。导线温度上升会造成电阻与线路损失,电阻随着温度的升高而增大,因此要设计合适的线径,同时对外露连接线缆进行穿管保护。

(4)使用质量较好的线缆和接线端子。

2.6污染控制

组件长期暴露在室外,长期运行会有灰尘堆积,落叶、鸟粪等覆盖,如组件附近有大树、烟筒、水箱等形成遮挡,组件的输出功率会有更大的下降。灰尘覆盖造成的功率损失有时会超过10%。另外,分布式项目大都建在工厂屋顶,因为喷涂、废气等生产工艺,屋面会存在各种污染。波士顿大学2014年的一项研究表明了环境及其中灰尘对发电量的影响,如图1所示。

针对污染因素的应对措施包括:(1)避开工厂污染的排放屋面区域:(2)平衡提高安装角度以便雨水冲洗的成本与组件平铺带来的多余容量收益:(3)调整烟筒污染物的排放方向:(4)针对灰尘,需要加强清洗,可以根据当地环境、下雨频率、清洗成本等因素确定清洗的频率:(5)针对顽固污染区域,可以采用化学药剂清洗,但清洗前应做小范围的测试,以免组件玻璃出现损伤。2.7系统防腐

分布式光伏项目的全生命周期超过20年,系统防腐对项目的运行安全和投资收益非常重要。

支架系统一般选用o235钢材,使用热镀锌加工,其防腐措施如下:(1)增加镀锌厚度。一般来说镀层越厚,全部腐蚀所需时间越长,建议热镀锌厚度增加至80um以上。(2)阴极保护措施。在存在腐蚀生产工艺的工厂安装组件时,支架可采用牺牲阳极的阴极保护措施。(3)多用螺栓连接,减少焊接数量。针对少量的焊接部位,可使用防腐蚀涂层。先用醇溶性无机富锌底漆打底及调平:中间层使用环氧云铁漆封闭以杜绝空气侵入底漆:丙烯酸聚氨酯面漆可以保证涂装质量,并能保护中间漆。

对变压器和逆变器的外壳而言,一般选用镀锌钢板制成,可以通过下列措施提高防腐性能:(1)选用耐腐蚀性能更好的铝合金:(2)采用酸洗磷化处理以便在钢板表面形成致密的耐腐蚀氧化膜。

2.8接地系统

由于屋面组件的边框采用铝合金、方阵面积很大、安装采用金属材料固定等因素,光伏系统容易遭受直接雷击,所以需要设置水平和垂直相结合的接地网。将安全接地、工作接地、防雷接地作为一个共用接地装置,接地电阻值按一般不大于4Q考虑。在沿组件方阵四周,可以采用热镀锌扁钢设置一圈水平接地带,然后通过接地扁铁引入接地体,接地体的埋设深度一般在0.6~0.8m。如果组件厂家没有在铝合金边框上留有用于安装接地线的螺栓孔,则需要重新开孔,然后用接地导线把外框和支架系统连接。

对屋面的直流汇流箱、逆变器及地面的室外变压器、配电柜等,则需要采取多种措施:

(1)对于沿直流输入线路或支架系统侵入的感应雷,可在汇流箱内分别在正极对地、负极对地间安装电涌专用保护器:在逆变器直流输入端正极对地、负极对地、正极对负极之间安装电涌专用保护器,实现差模和共模保护。

(2)光伏电站处于屋顶,占地面积较大、四周开阔,强电和弱电电缆在组件方阵之间穿插布置且裸露在户外,容易遭受直击雷,从而成为雷电感应耦合通道,通过布设电缆槽盒、桥架等能对电缆起到很好的屏蔽作用。另外,对于直埋电缆,应采用穿管保护。

(3)等电位连接。等电位连接能减少防雷空间内各金属系统之间的电位差。为减少组件方阵、配电设备及其电缆、送出线路之间的地电位反击,需要在防雷分区内、分区交界处采用连接线、扁钢等做等电位连接。

3结语

分布式光伏项目施工中遇到的技术问题众多,本文分析了施工中常见的技术问题,结合相关资料和现场经验,提出了相应的解决方案,可供行业人员参考。