陳軼
摘 要: 隨著國家大力推進和落實“節(jié)約、清潔、安全”三大能源戰(zhàn)略方針和“節(jié)能優(yōu)先、綠色低碳、立足國內(nèi)、創(chuàng)新驅(qū)動”四大能源發(fā)展戰(zhàn)略,我國的光伏發(fā)電新增發(fā)電裝機量不斷增加,但是制約光伏發(fā)電發(fā)展的因素很多,如何做好光伏發(fā)電系統(tǒng)的維護和故障診斷工作,延長光伏組件的使用壽命,以此維持光伏電站的正常運行是一個非常重要的課題。
關(guān)鍵詞: 光伏發(fā)電 設(shè)備故障 光伏陳列 光伏逆變器
隨著國家大力推進和落實“節(jié)約、清潔、安全”三大能源戰(zhàn)略方針和“節(jié)能優(yōu)先、綠色低碳、立足國內(nèi)、創(chuàng)新驅(qū)動”四大能源發(fā)展戰(zhàn)略,我國的光伏發(fā)電新增發(fā)電裝機量不斷增加。但是制約光伏發(fā)電發(fā)展的因素很多,例如光伏電站的優(yōu)化及其運行成本的問題。目前世界上普遍認為各種光伏組件的平均壽命為15至25年,而影響光伏組件壽命的因素有:光伏電池效率衰減;組件脫焊;組件內(nèi)部連接帶斷裂;熱斑損壞;惡劣氣候(風沙)破壞,這些將嚴重影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此,如何做好光伏發(fā)電系統(tǒng)的維護和故障診斷工作,延長光伏組件的使用壽命,以此維持光伏電站的正常運行就顯得尤為重要。近年來光伏發(fā)電系統(tǒng)的故障診斷被越來越多的專家學者關(guān)注,進行了大量的研究工作。
大型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能光伏組件(光伏陣列)、直流防雷匯流箱、直流防雷控制柜、并網(wǎng)逆變器、交流防雷配電柜及變壓器等一系列電氣設(shè)備組成。表1分析了這些主要設(shè)備的常見故障和故障診斷方法。
大型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)前期一次性投入大,投資回收緩慢,特別是大型的地面光伏電站占地大,雖有規(guī)模效益但輸電成本高。因此在設(shè)計時就要考慮多方面因素來控制成本。例如在光伏電站投入運行前,采用抗風沙、自潔能力強、抗紫外、抗老化、耐高溫的光伏組件;要采用多機并聯(lián)方式、大型光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的控制調(diào)度策略、MPPT尋優(yōu)算法等以此實現(xiàn)成本的控制和降低。而在光伏電站投入運行以后,對光伏電站設(shè)備良好的維護和及時的故障診斷就顯得尤為重要,只有這樣才能保證電站系統(tǒng)設(shè)備穩(wěn)定、持續(xù)、高效地發(fā)電。
在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的眾多設(shè)備中,太陽能光伏組件(光伏陣列)和并網(wǎng)逆變器是核心部件,關(guān)系到電站能否正常的運行,而據(jù)已有的研究數(shù)據(jù)表明,這兩個器件是最容易發(fā)生故障的。
1.光伏陣列故障
太陽能電池組件是將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌雽w器件,是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心組成部分。以2011年四季度青海省一個10MW的光伏電站的裝機總成本測算,其光伏組件一項的成本就占總成本的55%以上。對于光伏陣列而言,產(chǎn)生的故障主要來自于以下幾方面,具體故障及產(chǎn)生原因如表2所示。
(1)熱斑現(xiàn)象。在統(tǒng)一光照模式下,光伏陣列內(nèi)部各個模塊都承受正壓,工作狀態(tài)是對外輸出能量。而當其中某一組件被陰影遮擋時,該組件的輸出特性就發(fā)生了變化。由電路原理可知,當兩電流不等的電流源串聯(lián)時,電流大的電流源會向電流小的電流源倒灌電流。電流小的電流源接受倒灌電流,而承受反壓,其工作狀態(tài)即變?yōu)樽陨砦漳芰?。自身吸收能量所轉(zhuǎn)化的熱量不能及時散發(fā)掉,就會在光伏組件上形成熱點,對光伏陣列造成很大的損壞,這就是所謂的熱斑現(xiàn)象。如果該被遮擋的組件承受的反壓大于某一閥值時,則會使光伏組件內(nèi)的PN結(jié)雪崩擊穿,輸出電流會呈指數(shù)曲線上升,造成光伏陣列的永久損壞。
(2)功率器件電流過大,功率器件發(fā)熱。這些一般都是由于組件在運行過程中,由于老化等原因造成的器件內(nèi)部故障,一般發(fā)生概率較低。
(3)太陽能電池輸出電壓過低。這類故障有可能是由于光伏電池板損壞造成的,也有可能是由于光照不足造成的非故障性表現(xiàn)。
據(jù)研究數(shù)據(jù)表明,在以上幾種常見故障中,發(fā)生概率最高、產(chǎn)生危害最大的是第一種——熱斑現(xiàn)象。熱斑現(xiàn)象會嚴重損壞太陽能光伏組件,有光照的太陽能電池組件所產(chǎn)生的部分或全部能量,都可能被遮擋的組件所消耗。而且熱斑現(xiàn)象嚴重的地方局部溫度較高,有的甚至會超過150℃,導致組件局部區(qū)域燒毀或形成暗斑、焊點融化、封裝塑料老化、玻璃炸裂、焊帶腐蝕等永久性損壞,給組件的安全性和可靠性造成極大的隱患。
2.光伏逆變器故障
目前的光伏研究側(cè)重以逆變器為核心的逆變器并網(wǎng)控制、MPPT算法的應(yīng)用研究。然而逆變器的核心部件IGBT在過流、過壓、元器件過熱等情況下容易發(fā)生故障,并以功率管開路和短路故障最常見。絕緣門極雙極型晶體管IGBT是MOSFET和GTR雙極型晶體管的折中器件,結(jié)構(gòu)上和MOSFET很相似,但其工作原理更接近GTR,所以IGBT相當于是一個N溝道MOSFET驅(qū)動的PNP晶體管,它具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單、通態(tài)電壓低、耐壓高的優(yōu)點,但是其耐過流、過壓能力差,易損壞。當IGBT管的兩端電壓超過最大集——射極間電壓,或者其流過電流超過最大集電極電流,或是其運行功率超過在正常工作溫度下允許的最大耗散功率,則都有可能會導致開關(guān)管超過耐受極限而被擊穿或被燒毀,甚至是永久性的損壞。一旦逆變器的主電路功率開關(guān)管發(fā)生故障,光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運行就會嚴重受阻,甚至使此光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能無法被輸送給用戶使用,完成與大電網(wǎng)的并網(wǎng)。
IGBT的開路和短路故障占了很大的故障比例。造成開路的原因主要有兩方面:(1)由于過流被燒毀,從而導致開路;(2)驅(qū)動信號開路,這一般是由于接線不良或是驅(qū)動不良造成的。
造成短路的原因很多,主要有以下幾方面:(1)絕緣層被破壞,從而導致開關(guān)管反向擊穿;(2)誤操作、驅(qū)動指令錯誤;(3)不足的死區(qū)時間,造成功率管產(chǎn)生轉(zhuǎn)移電流而誤導通。
相對于開路故障,IGBT的短路故障已有成熟的檢測方案,即可以通過硬件電路去檢測IGBT的D-S壓降,從而精確地確定故障管。而且現(xiàn)有的逆變器系統(tǒng)中,生產(chǎn)廠家都設(shè)計過流檢測和保護裝置,因此能更快地進行故障診斷。
而IGBT的開路故障一般不會導致過流,但是會使逆變器輸出波形穩(wěn)態(tài)偏離工頻理想正弦波形,產(chǎn)生波形畸變。這樣會使總諧波率提高,并可能導致輸出電流不符合并網(wǎng)要求。若出現(xiàn)長時間的功率管開路故障,則可能造成直流側(cè)穩(wěn)壓電容被燒毀。
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