大型水面光伏電站智慧解決方案

    1 引言

　　中東部地區(qū)的土地較為稀缺，湖泊、水庫、魚塘受到了光伏電站開發(fā)者的青睞，越來越多的大型水面光伏電站陸續(xù)并網(wǎng)發(fā)電。大型水面光伏電站有何特點？逆變器如何選型？系統(tǒng)度電成本如何降低？一系列問題被置于投資者面前。本文結合大型水面光伏電站的兩大特點及三大挑戰(zhàn)，對電站設計中的關鍵技術、逆變器選型、系統(tǒng)布局等問題進行了深入探討。

　　2 大型水面光伏電站的兩大特點

　　特點一：組件安裝面平坦，朝向一致，無遮擋等失配問題

　　無論是組件打樁安裝或是漂浮于水面之上，安裝面都十分平坦，朝向一致，基本不存在因遮擋和朝向不一致而帶來的失配問題，和大型地面電站類似，如圖1所示。

　　圖1 組件安裝面平坦，朝向一致

　　特點二：組件安裝目前以固定打樁式為主，漂浮式處于示范階段

　　固定打樁方式通常用在淺水區(qū)，如淺水魚塘、煤礦塌陷區(qū)、小型湖泊等，如圖2(a)。深水水域需考慮采用漂浮式安裝方式，如圖2(b)。目前固定打樁方式是主流應用形式，成熟案例較多，漂浮式多為容量較小的示范項目。

　　圖2 水面光伏電站組件安裝方式

　　3 大型水面光伏電站的三大挑戰(zhàn)

　　挑戰(zhàn)一：施工成本相對較高，投資收益下降

　　對于固定打樁方式，根據(jù)《10G409預應力混凝土管樁》設計要求：樁基底部進入池塘底不小于3m，上部樁端高出設計洪水位不小于0.4m。當水深3米，樁基高度至少需要6.4米，地樁建設成本較高。漂浮式方式，對浮體要求較高，需要考慮環(huán)保和25年使用壽命要求，因此，整體成本也較高。

　　挑戰(zhàn)二：運維難度大，成本高，且受自然環(huán)境影響大

　　光伏組件鋪設在水面之上，日常巡檢需劃船完成，如圖3(a)所示，俗話說“水漲船高”，在豐水期，水面上漲，用于電纜走線的橋架可能阻擋船只前行，圖3(b)所示。相反地，在枯水期，水面下退，淤泥較深，船只無法劃行，人也無法行走，運維難度更大，圖3(c)所示。在水草等植被生長旺季，水面被植物“侵占”，船只被阻擋，無法前往巡檢，圖3(d)所示。因此，在系統(tǒng)設計時需要充分考慮上述因素，確保后期維護的便利性，降低由于維護不及時帶來的發(fā)電量損失。

　　圖3 巡檢難度大，受自然環(huán)境影響

　　挑戰(zhàn)三：高濕鹽霧環(huán)境，組件PID衰減加劇，對設備耐腐及防水能力要求更高

　　電站建設在水域，空氣比較潮濕，組件易產(chǎn)生PID衰減。抽取某實際電站9-1區(qū)、10-1區(qū)及10-2區(qū)內(nèi)的組件進行測試，結果表明：自2013年9月并網(wǎng)以來，發(fā)生PID的組件比例為24.5%，平均功率衰減34.8%，如表1所示。

　　水面光伏電站的環(huán)境潮濕，組件發(fā)生PID衰減的現(xiàn)象更為嚴重，因此，系統(tǒng)設計除了要求組件具有抗PID能力外，還需要逆變器具備防PID的功能。

　　潮濕的環(huán)境也會加速腐蝕電氣設備金屬部件，如圖4所示。同時存在水浪拍打在設備上的現(xiàn)象，對鄰近水面安裝的匯流箱等設備防水能力提出了更高的要求。因此，匯流箱、逆變器等設備的防護能力需經(jīng)過精心設計和嚴格測試。

　　圖4 高濕環(huán)境對水面光伏電站的影響

　　4 大型水面光伏電站智慧解決方案

　　4.1 水面光伏專用智能匯流箱+箱式逆變房的整體方案

　　根據(jù)大型水面光伏電站組件朝向一致，無遮擋等失配問題，容量一般較大，初始投資高，運維難度大，環(huán)境適應性要求高，設備防水耐腐蝕壓力大等特點及挑戰(zhàn)，陽光電源推出了采用水面光伏專用智能匯流箱+箱式逆變房的大型水面光伏電站智慧解決方案，如圖5所示。

　　圖5 陽光電源大型水面光伏電站智慧解決方案

　　大型水面光伏電站智慧解決方案在國內(nèi)水面電站中已有很多成熟的應用案例，如圖6所示。

　　圖6 大型水面電站智慧解決方案的典型應用案例

　　4.2 水面光伏專用高防護智能匯流箱

　　直流輸入采用具備IP67防護等級的MC端子，連接更可靠，安裝更方便

　　陽光電源水面光伏專用智能匯流箱直流接入采用MC4端子，簡單插接即可完成接線，安裝簡單，接線更可靠，減少現(xiàn)場施工量，MC端子的防護等級達IP67。

　　圖7 IP67防護等級MC4端子，操作方便，連接更可靠

　　IP67防護等級，耐腐蝕能力強，適應于高濕鹽霧環(huán)境

　　水面光伏專用智能匯流箱具備IP67高防護等級，意味著設備短時浸入水中時，不會有水浸入箱體內(nèi)部，可抵抗浪花拍打。匯流箱外殼采用的鍍鋅鋼板是國內(nèi)外知名廠家的高品質(zhì)鋼板產(chǎn)品，并施涂三層重防腐涂層（富鋅底漆、環(huán)氧中間漆、丙烯酸面漆），總厚度達到280微米以上，保證在高濕高鹽霧環(huán)境下不會腐蝕。匯流箱所有相互搭接、相互焊接的結構件之間都處在合理的腐蝕電極電位差以內(nèi)，確保長時間使用也不出現(xiàn)電偶腐蝕問題。

　　組串檢測精度0.5%，支持無線通訊，降低通訊電纜成本

　　水面光伏專用智能匯流箱可實時檢測直流電壓和每個組串的電流信號，檢測精度0.5%，可結合大數(shù)據(jù)平臺對每個組串的運行狀態(tài)進行分析和健康度診斷，快速發(fā)現(xiàn)并定位異常組串，降低水面光伏的運維難度。

　　水面光伏專用智能匯流箱具備無線通訊功能，解決了水面光伏電站中直流匯流箱的通訊布線問題，節(jié)省了通訊電纜和施工成本。

　　圖8 水面光伏專用智能匯流箱的組串檢測精度0.5%

　　4.3 逆變器

　　箱式逆變房

　　1MW箱式逆變房已成為較為成熟的應用方式，如圖6所示。隨著技術不斷進步，集中式逆變器單機容量不斷提高，對1000V系統(tǒng)，單個方陣2.5MW是******容量選擇，系統(tǒng)性價比最優(yōu)。為了進一步提高逆變器、變壓器、監(jiān)控等部件之間的兼容性，集成中壓系統(tǒng)的數(shù)字化箱式逆變房是主流發(fā)展趨勢，并在歐美等光伏應用發(fā)達地區(qū)獲得了廣泛應用。因此，本方案推薦單機2.5MW集成變壓器、環(huán)網(wǎng)柜等中壓部件的一體化解決方案，如圖9所示。

　　圖9 2.5MW箱式逆變房，實現(xiàn)單元內(nèi)部件監(jiān)控及控制，統(tǒng)一接口

　　系統(tǒng)布局方案

　　考慮到后期維護的便利性，在對電站布局時應盡量將設備放置于道路兩邊。陽光電源大型水面光伏電站智慧解決方案將集中式逆變器放置于維護通道兩旁，水面光伏專用智能匯流箱沿子陣邊緣擺放，當逆變器或匯流箱出現(xiàn)故障時，運維人員駕車即可抵達故障點，響應時間短，可減少因故障停機造成的發(fā)電量損失，如圖10(a)所示。

　　圖10 大型水面光伏電站布局方案

　　大型水面光伏電站采用2.5MW子陣較1MW布局面積增大，傳輸距離增加，若子陣內(nèi)全部采用70mm2直流線纜匯流，則系統(tǒng)損耗增加，若全部選用120mm2的線纜，則線纜成本增加。為此，陽光電源采用3種電纜匹配的設計方案來實現(xiàn)線纜成本與損耗的平衡，即根據(jù)匯流箱到逆變器的距離，將2.5MW子陣劃分為3類區(qū)域，分別采用70mm2、95mm2和120mm2三種線徑直流電纜，如圖10(b)。

　　基于虛擬電位的PID防護及修復，減少發(fā)電量損失

　　高濕環(huán)境加劇了光伏組件的PID衰減，電站系統(tǒng)設計和選型時，除了選擇具備抗PID能力的組件外，還需要選擇具備防PID功能的逆變器。陽光電源逆變器采用了基于虛擬電位的專利防/反PID方案，可有效解決組件在潮濕環(huán)境下易發(fā)生PID衰減的問題，并可對已發(fā)生PID現(xiàn)象的組件進行修復，如圖11所示。

　　圖11 陽光電源基于虛擬電位的專利防/反PID方案

　　1）案例1：抑制組件PID衰減，減少發(fā)電量損失

　　選取某實際電站9-1區(qū)與9-2區(qū)光伏方陣，其中兩區(qū)在同一地點，各種條件基本相同，9-1區(qū)采用的500kW集中式逆變器不具備防PID能力，而9-2區(qū)采用的500kW集中式逆變器具備防PID能力。通過測試發(fā)現(xiàn)：具備防PID能力的逆變器可以有效地防止組件PID衰減，大幅度降低發(fā)電量損失，如表2所示。

　　表2 防/反PID功能的逆變器可大幅度減少了因組件PID帶來的發(fā)電量損失

　　2）案例2：修復已發(fā)生PID衰減的組件，避免發(fā)電量損失

　　深圳某機場一期5.5MW光伏項目，由于電站建設前期逆變器未配置防/反PID模塊，造成組件出現(xiàn)不同程度衰減。通過裝設防/反PID模塊，經(jīng)過6個夜間（42小時）的修復后組件的各項參數(shù)恢復正常，有效地避免發(fā)電量損失，如表3所示。

　　表3 隨機挑選3塊組件，PID修復前后各項參數(shù)指標測試值

　　箱式逆變房經(jīng)嚴格防腐設計和驗證，保證設備安全應用，長壽命

　　箱式逆變房從每一個螺絲釘、連接件到整機等都經(jīng)過嚴格防腐設計和嚴酷的測試，確保設備耐腐蝕能力。例如集裝箱體采用海運******用鋼（corten A鋼），耐腐蝕性強。箱體外部使用具有抗腐蝕、耐磨損、防潮、耐高溫、耐候性等特性的優(yōu)質(zhì)油漆材料進行涂層，并采用三層油漆結構，確保箱體在高溫、鹽霧等惡劣環(huán)境下不受腐蝕，如圖12所示。在沿海、海南島、永興島、內(nèi)陸漁光互補等高濕高鹽霧電站現(xiàn)場，箱式逆變房已應用數(shù)年，未出現(xiàn)設備腐蝕生銹現(xiàn)象，現(xiàn)場運行穩(wěn)定可靠。

　　圖12 箱體采用三層油漆結構，耐腐蝕能力強

　　4.4 大型水面光伏電站智慧解決方案主要優(yōu)勢

　　陽光電源大型水面光伏電站智慧解決方案采用水面光伏專用智能匯流箱+箱式逆變房的整體方案，在大型水面電站應用的優(yōu)勢主要包括以下幾個方面：

　　系統(tǒng)簡潔，更高效

　　箱體內(nèi)部集成高效率集中式逆變器、變壓器及通訊監(jiān)控等設備，集成度高，縮短了逆變器到變壓器的交流線纜，減少了現(xiàn)場施工成本和周期，使系統(tǒng)效率至少提高1%以上。

　　高防護等級，更安全

　　水面光伏專用智能匯流箱防護等級可達IP67。集裝箱箱體采用海運******鋼，并采用3層油漆結構，設備耐腐蝕能力強。逆變器集成防/反PID防護模塊，有效應對組件潮濕應用環(huán)境下易發(fā)生PID的現(xiàn)象。

　　數(shù)字化，更智能

　　水面光伏專用智能匯流箱實時監(jiān)測每個組串信息，通過無線方案傳送至箱式逆變房內(nèi)部的單元控制器。單元控制器實時采集和分析子陣內(nèi)所有設備數(shù)據(jù)，通過在本地顯示屏顯示信息，且上傳至電站管理系統(tǒng)，實現(xiàn)光伏電站數(shù)字化和智能化管理。

　　低成本，高收益

　　相同規(guī)模電站，陽光電源大型水面光伏電站智慧解決方案可降低初始投資0.3元/W，綜合投資收益提升1%以上。

　　圖13 大型水面光伏電站投資成本對比

　　5 結論

　　大型水面光伏電站作為一種新的光伏模式，處于發(fā)展的初期階段，具有組件排布規(guī)則，無失配現(xiàn)象，并網(wǎng)規(guī)模大，后期運維難度大，環(huán)境潮濕，加劇組件PID及設備腐蝕等特點及挑戰(zhàn)。陽光電源大型水面光伏電站智慧解決方案采用水面光伏專用智能匯流箱+箱式逆變房的整體方案，水面光伏專用智能匯流箱具有防護等級高、耐腐蝕能力強、支持無線通訊等優(yōu)勢，箱式逆變房可沿道路放置便于后期運維、集成專利防/反PID模塊、初始投資成本低、耐腐蝕能力強等優(yōu)勢，較好地解決了大型水面光伏電站所面臨的挑戰(zhàn)，是大型水面光伏電站的******選擇。