太陽能光伏發電系統可靠性研究

黃堅堅，農 芒，覃貴芳

（1.合浦中電新能源有限公司，廣西北海 536000；2.中能建廣西開發投資有限公司，廣西南寧 530000；3.廣西水利電力職業技術學院電力工程系，廣西南寧 530023）

隨著全球石油能源、煤炭資源等一些不可再生化石能源日益枯竭，太陽能作為一種新興的綠色可再生能源受到了社會各界的廣泛關注。在第12個五年規劃中，我國依然將太陽能光伏發電產業作為了重點新能源產業給予了高度的關注。2014年，國家能源局發布了關于光伏發電年度新增建設規模的相關報告，根據報告中的有關數據顯示，當年全國的光伏發電設備裝機總規模已經由1200×104kW 增加到了1400×104kW，同時，光伏發電站的發電規模也在逐步增加。由此可見國家對光伏發電產業給予的高度關注。

1 實踐案例

浙江省慈溪市天河家園的注冊小區總占地面積達到了六萬多平方米，總建筑面積達到的13.4 m2。小區內部的光伏發電系統采用的是整體戶型的方式，大致呈現出的南北朝向，該小區內部南北方都沒有較為高大的建筑物，在光伏發電系統不存在遮擋的狀況，并且，該小區所屬的地理位置日照充足。小區住宅樓大多數是以高層為主，屋頂呈現出人字形的狀態，計劃要在天河家園20號樓屋頂安裝太陽能電池板，并且建設小區的太陽能光伏發電站示范區域。

2 光伏發電系統的結構以及運行特征

光伏發電系統是能夠直接將光能轉化為電能的一種發電系統，而根據發電能源轉化規律的不同，太陽能光伏發電又可以分為光伏發電以及光熱發電兩種類型。太陽能光伏發電系統也被簡稱為光電系統，這種光伏發電系統主要是利用半導體的光伏特性，將光能直接轉化為電能的一種新型綠色發電技術。當前，隨著我國光伏發電系統的應用優勢不斷凸顯，這種發電系統已經被廣泛應用在我國電力事業中，對于推動我國綠色經濟的發展具有重要價值。

而在光伏發電系統的結構中，系統的可靠性主要是指特定的硬件系統以及軟件系統在使用周期以及規定的環境條件和使用條件狀況下，能夠完成預設任務以及發電技術指標的能力。系統的可靠性主要包括了系統的設計可靠性、系統的使用壽命以及系統出現故障后的可維修性三個方面。

目前，我國的光伏發電系統可以根據并網發電運行，分為獨立式光伏發電系統以及并網式光伏發電系統兩種類型。獨立式的光伏發電系統其實也被稱為離網光伏發電系統，這種系統主要是由光伏列陣、DC/DC 變換器、DC/AC 變換器、蓄電池設備、控制器設備以及直流和交流負載系統構成的，獨立式的光伏發電系統輸出的電力主要用于設備自身負載運行。

并網式光伏發電系統主要是指將光伏發電系統輸出的電能并入電力網絡系統后的發電形式，并網光伏發電系統是在獨立式光伏發電系統的基礎上連接了電網構架，并網發電系統輸出的直流電經過轉換后可以形成與電網壓力等同、頻率等同且幅值相同的交流電，將交流電路并入到電網體系中。而光伏發電系統本身的設計可靠性、控制手段以及運行模式和子系統之間的相互干擾等因素，都可能會對光伏發電系統的運行可靠性產生不同程度的影響。

3 影響光伏發電系統運行可靠性的相關因素

3.1 系統的設計缺陷性因素

在實際的工程應用領域中，任何的硬件系統以及軟件系統一旦完成設計，其設計的可靠性和穩定性就已經基本確定。而系統后期的安裝、生產流程、使用模式以及維護管理也只能夠盡最大的可能保障系統設計固有的可靠性。因此，解決系統設計方案中的缺陷性是確保系統運行可靠性最關鍵的切入點。光伏發電系統中，硬件系統的設計缺陷主要是相關電路設計不合理或檢測保護電路功能不足等問題。光伏發電系統中涉及的主要電路包含了DC/DC 變換器、DC/AC 逆變器、電源電路、信號調整電路、繼電保護裝置電路、檢測電路以及通信系統電路等。而硬件系統的設計缺陷性構成因素十分復雜，主要問題可以概括為以下幾個方面。

（1）部分設計企業盲目控制成本，在設計光伏發電系統的硬件電路時，可能會采購到有質量問題的電子元件以及其他零部件。該小區有部分地方的光伏發電方式是，利用光伏組件代替屋頂和窗戶，形成了光伏與建筑材料的集成產品。雖然這種產品實現了太陽能發電與建筑物之間的完美結合，但由于應用過程中安裝人員沒有重視對于電路電流、過電壓以及電路保護工作的測試，導致電力系統在運行過程中存在保護功能不齊全的問題。系統一旦在運行過程中發現故障，無法以最快的速度檢測到故障因素故障位置，嚴重情況下就可能會導致局部故障問題擴大范圍出現連鎖反應，甚至出現整個系統停止運行的事故。

（2）在獨立式的光伏發電系統中，蓄電池構建是獨立式光伏發電系統的重要構成部分。而蓄電池的使用效率以及使用壽命也決定了光伏發電系統的運行可靠性。該小區中應用了BIPV 光伏組件，這種光伏組件主要利用了兩塊玻璃高溫真空狀態下的Eva 的真空層壓工藝，使太陽電池片始終在高度真空的狀態下進行工作，有效地延長了太陽組件的應用壽命。但如果在系統設置過程中，并沒有根據能量守恒定律或該地區歷史數據中負載停電發生的概率，實現對功能的合理設計，就可能會導致光伏列陣的輸出功率無法達到工作負載要求，在這樣的狀況下，蓄電池設備必須要進行自我放電來確保負載正常運行，長此以往，就可能會導致蓄電池設備深度放電而縮短蓄電池設備的使用壽命。

（3）光伏發電系統中涉及了信號調節、電源系統、電子控制設備線路檢測、保護設備等，而光伏發電系統內部子電路的PCB 布局設計方式，以及子電路之間的布局合理性，也會影響到光伏發電系統的運行穩定性和可靠性。例如，DC/AC 逆變器在應用控制過程中，為了能夠達到顯著的逆變效果，通常情況下，會使得IGBT功率管的開關頻率達到幾萬赫茲的程度，這種驚人的數據也會造成系統內出現大量的高頻諧波分量，從而對電路的正常運行帶來了巨大的干擾。

3.2 使用不當以及維護管理造成的運行不穩定問題

光伏發電系統的用戶日常過程中的使用，以及操作流程和維護管理工作質量都影響著光伏發電系統的運行可靠性和使用壽命。尤其是在我國偏遠的西部地區，獨立式的光伏發電系統已經成為該地區光伏發電的主要形式。但由于受到了信息傳遞渠道的限制，導致當地居民以及工作人員缺乏必要的光伏發電系統產品使用以及維護常識，甚至還存在許多家庭在供電不足的條件下，會直接從光伏發電系統中的蓄電池設備上取電，導致光伏發電的蓄電池系統長期處于虧電運行的狀態，嚴重影響了光伏發電系統中蓄電池的使用壽命。

3.3 內部元件的可靠性因素

光伏發電系統中包含了大量的電子元器件以及其他零部件設備，而這些電子元器件本身的質量以及使用穩定性，對于整個光伏發電系統的運行可靠性具有重大影響。光伏發電系統中包含的主要電子元件設備有太陽能電池設備、IGBT 功率管設備、運算放大器、繼電氣設備、通信設備以及連接設備、電容元件設備、電阻元件設備等。光伏發電系統是由每一個微小的電子元器件共同構成的，在運行過程中任何一個電子元器件出現運行故障問題，在沒有及時排查或檢修的情況下都可能會對光伏發電系統帶來致命的影響，同時，電子元器件帶病工作也會增加光伏發電系統的故障率，極大地降低了光伏發電系統的運行可靠性。

當單個光伏電池組出現故障問題后，在旁路二極管的帶動作用下，整個光伏列陣依然可以正常運行，只有當光伏電池單個故障數量達到一定程度后，才會影響整個光伏列陣的工作效率。但是檢修管理人員在發生故障問題時無法準確且及時地判斷究竟是哪一塊光伏電池出現了故障現象，這樣就會導致光伏列陣長時間帶病工作，嚴重地影響了光伏發電系統的運行可靠性。通過數據分析發現，該小區中采用的BIPV 光伏組件，按照中空玻璃的制作工藝，經過中國建筑科學研究院的測試，熱傳系數大約為1.4 W/m2·K，相比于國家建筑材料的標準1.5 W/m2·K 還要低，雖然在應用過程中具有保溫節能的優勢，但內部元件的可靠性也具有較大的波動。

4 提升光伏發電系統運行可靠性的有效措施

4.1 做好日常維護管理工作

光伏發電站的安裝地址一旦選定之后，該地區周邊的光照資源條件以及溫度環境因素是無法通過人為干預而改變的。該小區內部的樓層并不是很高，但周邊的光照條件卻很充足。因此，在確認該小區內部光伏發電系統的安裝位置后，也應該做好對于光伏發電系統的維護和管理工作，對于保障光伏發電系統的長效運行具有十分重要的價值。

（1）必須要確保光伏列陣相關設備表面的清潔程度，通過定期的清洗與檢測，確保線路的連接緊密性，同時，應該及時修復光伏列陣表面受損的部位，保障光伏列陣能夠長時間最大限度地吸取光照。

（2）針對獨立式的光伏發電系統，還應該注意對于蓄電池設備的保養工作，能夠保障蓄電池設備盡可能地處在恒溫的環境中，尤其是在冬季，還應該注重保溫設施的應用，并且定期為蓄電池設備進行充電，有效地延長蓄電池設備的使用壽命。

（3）應該對整個系統進行定期排查，尤其是針對電纜線路的連接可靠性以及固定基礎設施的老化問題進行檢測，一旦發生故障問題還應該及時確認故障問題的位置以及故障原因，采取針對性的故障處理措施進行維修和管理。

4.2 選擇質量上乘的系統電子元器件

電子元器件是構成光伏發電系統最為微小的單元，電子元器件的質量問題與光伏發電系統的運行可靠性之間具有密不可分的關系。因此，光伏發電企業更應該把握好電子元器件采購的質量關，不能過度或盲目地節約成本而采購有質量問題的電子元器件。針對電子元器件的采購，廠家還應該建立起更加健全的廠商篩選檢查機制以及電子元器件產品的質量評估制度，這樣才能夠從源頭上控制電子元器件的應用質量和采購質量。

4.3 優化光伏發電系統的設計方案

光伏發電系統的設計優化方案主要可以從硬件設計優化方案和軟件設計優化方案兩個方面著手。硬件系統的優化設計如下。

（1）必須要完善硬件系統的應用功能，還應該增加必要線路以及重點線路的檢測保護電路系統，例如，針對過電壓和過電流以及孤島檢測電路進行檢測設施安裝。在硬件設備的外部安裝避雷針等防護措施，避免由于外界極端惡劣自然條件帶來的影響。

（2）在DC/DC 變換器、DC/AC 逆變器的設計工作中，盡可能地采用集成式的芯片或者體積較為微小的模塊，這樣就能夠減少對于外圍電子元器件的應用，有效地提升光伏發電系統的運行可靠性。

（3）必須要確保電路板的布局合理性，避免電路板在運行過程中輸出信號與輸入信號和電源信號之間的交叉干擾，通過加強子電路與子電路之間的抗干擾設計，降低電路之間的交叉干擾問題，還可以通過非接觸式隔離墻弱電控制設備，避免大功率器件在運行過程中溫度過高而影響到其他電子元件設備。

（4）對于光伏發電系統運行核心功能的子電路還應該采用冗余設計的原則，在關鍵的子電路中，增加一組或一組以上性質和功能相同的子電路系統，這樣當關鍵子電路系統在運行過程中出現故障問題時，冗余子電路系統就可以代替發生故障問題的子電路系統持續性的工作，有效地維護光伏發電系統的運行穩定性。而在軟件設計的優化方面，可以通過進一步升級系統的控制算法，有效地提升對于系統最大運行功率點的跟蹤控制以及穩定度維持，這樣就能夠有效地降低系統內部功率運行的波動性，保障系統運行的持續穩定性。

5 結束語

影響光伏發電系統運行可靠性的因素眾多，因此，針對光伏發電系統可靠性問題的分析和改善，需要站在較為全面和綜合的角度，通過進一步完善光伏發電系統的硬件設計以及軟件設計、注重對光伏發電系統后期的維修管理工作、保障光伏發電系統內部元器件的應用質量等方式，為光伏發電系統的設計可靠性以及運行穩定性助力。