黃堅堅，農(nóng) 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(fā)投資有限公司，廣西南寧 530000；3.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)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(guān)注。在第12個五年規(guī)劃中，我國依然將太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)作為了重點新能源產(chǎn)業(yè)給予了高度的關(guān)注。2014年，國家能源局發(fā)布了關(guān)于光伏發(fā)電年度新增建設(shè)規(guī)模的相關(guān)報告，根據(jù)報告中的有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)年全國的光伏發(fā)電設(shè)備裝機(jī)總規(guī)模已經(jīng)由1200×104kW 增加到了1400×104kW，同時，光伏發(fā)電站的發(fā)電規(guī)模也在逐步增加。由此可見國家對光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)給予的高度關(guān)注。

1 實踐案例

浙江省慈溪市天河家園的注冊小區(qū)總占地面積達(dá)到了六萬多平方米，總建筑面積達(dá)到的13.4 m2。小區(qū)內(nèi)部的光伏發(fā)電系統(tǒng)采用的是整體戶型的方式，大致呈現(xiàn)出的南北朝向，該小區(qū)內(nèi)部南北方都沒有較為高大的建筑物，在光伏發(fā)電系統(tǒng)不存在遮擋的狀況，并且，該小區(qū)所屬的地理位置日照充足。小區(qū)住宅樓大多數(shù)是以高層為主，屋頂呈現(xiàn)出人字形的狀態(tài)，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(shè)小區(qū)的太陽能光伏發(fā)電站示范區(qū)域。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及運行特征

光伏發(fā)電系統(tǒng)是能夠直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電系統(tǒng)，而根據(jù)發(fā)電能源轉(zhuǎn)化規(guī)律的不同，太陽能光伏發(fā)電又可以分為光伏發(fā)電以及光熱發(fā)電兩種類型。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)也被簡稱為光電系統(tǒng)，這種光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是利用半導(dǎo)體的光伏特性，將光能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種新型綠色發(fā)電技術(shù)。當(dāng)前，隨著我國光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢不斷凸顯，這種發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在我國電力事業(yè)中，對于推動我國綠色經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要價值。

而在光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)的可靠性主要是指特定的硬件系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)在使用周期以及規(guī)定的環(huán)境條件和使用條件狀況下，能夠完成預(yù)設(shè)任務(wù)以及發(fā)電技術(shù)指標(biāo)的能力。系統(tǒng)的可靠性主要包括了系統(tǒng)的設(shè)計可靠性、系統(tǒng)的使用壽命以及系統(tǒng)出現(xiàn)故障后的可維修性三個方面。

目前，我國的光伏發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)并網(wǎng)發(fā)電運行，分為獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)以及并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)兩種類型。獨立式的光伏發(fā)電系統(tǒng)其實也被稱為離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，這種系統(tǒng)主要是由光伏列陣、DC/DC 變換器、DC/AC 變換器、蓄電池設(shè)備、控制器設(shè)備以及直流和交流負(fù)載系統(tǒng)構(gòu)成的，獨立式的光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電力主要用于設(shè)備自身負(fù)載運行。

并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是指將光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能并入電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)后的發(fā)電形式，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是在獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上連接了電網(wǎng)構(gòu)架，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出的直流電經(jīng)過轉(zhuǎn)換后可以形成與電網(wǎng)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(wǎng)體系中。而光伏發(fā)電系統(tǒng)本身的設(shè)計可靠性、控制手段以及運行模式和子系統(tǒng)之間的相互干擾等因素，都可能會對光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行可靠性產(chǎn)生不同程度的影響。

3 影響光伏發(fā)電系統(tǒng)運行可靠性的相關(guān)因素

3.1 系統(tǒng)的設(shè)計缺陷性因素

在實際的工程應(yīng)用領(lǐng)域中，任何的硬件系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)一旦完成設(shè)計，其設(shè)計的可靠性和穩(wěn)定性就已經(jīng)基本確定。而系統(tǒng)后期的安裝、生產(chǎn)流程、使用模式以及維護(hù)管理也只能夠盡最大的可能保障系統(tǒng)設(shè)計固有的可靠性。因此，解決系統(tǒng)設(shè)計方案中的缺陷性是確保系統(tǒng)運行可靠性最關(guān)鍵的切入點。光伏發(fā)電系統(tǒng)中，硬件系統(tǒng)的設(shè)計缺陷主要是相關(guān)電路設(shè)計不合理或檢測保護(hù)電路功能不足等問題。光伏發(fā)電系統(tǒng)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(diào)整電路、繼電保護(hù)裝置電路、檢測電路以及通信系統(tǒng)電路等。而硬件系統(tǒng)的設(shè)計缺陷性構(gòu)成因素十分復(fù)雜，主要問題可以概括為以下幾個方面。

（1）部分設(shè)計企業(yè)盲目控制成本，在設(shè)計光伏發(fā)電系統(tǒng)的硬件電路時，可能會采購到有質(zhì)量問題的電子元件以及其他零部件。該小區(qū)有部分地方的光伏發(fā)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(chǎn)品。雖然這種產(chǎn)品實現(xiàn)了太陽能發(fā)電與建筑物之間的完美結(jié)合，但由于應(yīng)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(hù)工作的測試，導(dǎo)致電力系統(tǒng)在運行過程中存在保護(hù)功能不齊全的問題。系統(tǒng)一旦在運行過程中發(fā)現(xiàn)故障，無法以最快的速度檢測到故障因素故障位置，嚴(yán)重情況下就可能會導(dǎo)致局部故障問題擴(kuò)大范圍出現(xiàn)連鎖反應(yīng)，甚至出現(xiàn)整個系統(tǒng)停止運行的事故。

（2）在獨立式的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池構(gòu)建是獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要構(gòu)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(fā)電系統(tǒng)的運行可靠性。該小區(qū)中應(yīng)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(tài)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(tài)下進(jìn)行工作，有效地延長了太陽組件的應(yīng)用壽命。但如果在系統(tǒng)設(shè)置過程中，并沒有根據(jù)能量守恒定律或該地區(qū)歷史數(shù)據(jù)中負(fù)載停電發(fā)生的概率，實現(xiàn)對功能的合理設(shè)計，就可能會導(dǎo)致光伏列陣的輸出功率無法達(dá)到工作負(fù)載要求，在這樣的狀況下，蓄電池設(shè)備必須要進(jìn)行自我放電來確保負(fù)載正常運行，長此以往，就可能會導(dǎo)致蓄電池設(shè)備深度放電而縮短蓄電池設(shè)備的使用壽命。

（3）光伏發(fā)電系統(tǒng)中涉及了信號調(diào)節(jié)、電源系統(tǒng)、電子控制設(shè)備線路檢測、保護(hù)設(shè)備等，而光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部子電路的PCB 布局設(shè)計方式，以及子電路之間的布局合理性，也會影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和可靠性。例如，DC/AC 逆變器在應(yīng)用控制過程中，為了能夠達(dá)到顯著的逆變效果，通常情況下，會使得IGBT功率管的開關(guān)頻率達(dá)到幾萬赫茲的程度，這種驚人的數(shù)據(jù)也會造成系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)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(dāng)以及維護(hù)管理造成的運行不穩(wěn)定問題

光伏發(fā)電系統(tǒng)的用戶日常過程中的使用，以及操作流程和維護(hù)管理工作質(zhì)量都影響著光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行可靠性和使用壽命。尤其是在我國偏遠(yuǎn)的西部地區(qū)，獨立式的光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成為該地區(qū)光伏發(fā)電的主要形式。但由于受到了信息傳遞渠道的限制，導(dǎo)致當(dāng)?shù)鼐用褚约肮ぷ魅藛T缺乏必要的光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)品使用以及維護(hù)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(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池設(shè)備上取電，導(dǎo)致光伏發(fā)電的蓄電池系統(tǒng)長期處于虧電運行的狀態(tài)，嚴(yán)重影響了光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池的使用壽命。

3.3 內(nèi)部元件的可靠性因素

光伏發(fā)電系統(tǒng)中包含了大量的電子元器件以及其他零部件設(shè)備，而這些電子元器件本身的質(zhì)量以及使用穩(wěn)定性，對于整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行可靠性具有重大影響。光伏發(fā)電系統(tǒng)中包含的主要電子元件設(shè)備有太陽能電池設(shè)備、IGBT 功率管設(shè)備、運算放大器、繼電氣設(shè)備、通信設(shè)備以及連接設(shè)備、電容元件設(shè)備、電阻元件設(shè)備等。光伏發(fā)電系統(tǒng)是由每一個微小的電子元器件共同構(gòu)成的，在運行過程中任何一個電子元器件出現(xiàn)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(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)的故障率，極大地降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行可靠性。

當(dāng)單個光伏電池組出現(xiàn)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(dāng)光伏電池單個故障數(shù)量達(dá)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(fā)生故障問題時無法準(zhǔn)確且及時地判斷究竟是哪一塊光伏電池出現(xiàn)了故障現(xiàn)象，這樣就會導(dǎo)致光伏列陣長時間帶病工作，嚴(yán)重地影響了光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行可靠性。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該小區(qū)中采用的BIPV 光伏組件，按照中空玻璃的制作工藝，經(jīng)過中國建筑科學(xué)研究院的測試，熱傳系數(shù)大約為1.4 W/m2·K，相比于國家建筑材料的標(biāo)準(zhǔn)1.5 W/m2·K 還要低，雖然在應(yīng)用過程中具有保溫節(jié)能的優(yōu)勢，但內(nèi)部元件的可靠性也具有較大的波動。

4 提升光伏發(fā)電系統(tǒng)運行可靠性的有效措施

4.1 做好日常維護(hù)管理工作

光伏發(fā)電站的安裝地址一旦選定之后，該地區(qū)周邊的光照資源條件以及溫度環(huán)境因素是無法通過人為干預(yù)而改變的。該小區(qū)內(nèi)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(rèn)該小區(qū)內(nèi)部光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝位置后，也應(yīng)該做好對于光伏發(fā)電系統(tǒng)的維護(hù)和管理工作，對于保障光伏發(fā)電系統(tǒng)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(guān)設(shè)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(yīng)該及時修復(fù)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(fā)電系統(tǒng)，還應(yīng)該注意對于蓄電池設(shè)備的保養(yǎng)工作，能夠保障蓄電池設(shè)備盡可能地處在恒溫的環(huán)境中，尤其是在冬季，還應(yīng)該注重保溫設(shè)施的應(yīng)用，并且定期為蓄電池設(shè)備進(jìn)行充電，有效地延長蓄電池設(shè)備的使用壽命。

（3）應(yīng)該對整個系統(tǒng)進(jìn)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(chǔ)設(shè)施的老化問題進(jìn)行檢測，一旦發(fā)生故障問題還應(yīng)該及時確認(rèn)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(jìn)行維修和管理。

4.2 選擇質(zhì)量上乘的系統(tǒng)電子元器件

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

4.3 優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計方案

光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化方案主要可以從硬件設(shè)計優(yōu)化方案和軟件設(shè)計優(yōu)化方案兩個方面著手。硬件系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計如下。

（1）必須要完善硬件系統(tǒng)的應(yīng)用功能，還應(yīng)該增加必要線路以及重點線路的檢測保護(hù)電路系統(tǒng)，例如，針對過電壓和過電流以及孤島檢測電路進(jìn)行檢測設(shè)施安裝。在硬件設(shè)備的外部安裝避雷針等防護(hù)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(shè)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(yīng)用，有效地提升光伏發(fā)電系統(tǒng)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(qiáng)子電路與子電路之間的抗干擾設(shè)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(shè)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(shè)備。

（4）對于光伏發(fā)電系統(tǒng)運行核心功能的子電路還應(yīng)該采用冗余設(shè)計的原則，在關(guān)鍵的子電路中，增加一組或一組以上性質(zhì)和功能相同的子電路系統(tǒng)，這樣當(dāng)關(guān)鍵子電路系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)故障問題時，冗余子電路系統(tǒng)就可以代替發(fā)生故障問題的子電路系統(tǒng)持續(xù)性的工作，有效地維護(hù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。而在軟件設(shè)計的優(yōu)化方面，可以通過進(jìn)一步升級系統(tǒng)的控制算法，有效地提升對于系統(tǒng)最大運行功率點的跟蹤控制以及穩(wěn)定度維持，這樣就能夠有效地降低系統(tǒng)內(nèi)部功率運行的波動性，保障系統(tǒng)運行的持續(xù)穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

影響光伏發(fā)電系統(tǒng)運行可靠性的因素眾多，因此，針對光伏發(fā)電系統(tǒng)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(jìn)一步完善光伏發(fā)電系統(tǒng)的硬件設(shè)計以及軟件設(shè)計、注重對光伏發(fā)電系統(tǒng)后期的維修管理工作、保障光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部元器件的應(yīng)用質(zhì)量等方式，為光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計可靠性以及運行穩(wěn)定性助力。