光伏发电系统的运维优化策略浅析

安科瑞 程瑜  187 0211 2087

摘 要：阐述光伏发电系统运维中的问题和优化措施，包括光伏组件的精细化运维、汇流箱无线通信技术的应用、光伏系统中的逆变器维护、改善调压措施，从而保障光伏发电系统能够正常高效运行。

关键词：光伏发电，汇流技术，逆变器，调压措施

0 引言

太阳能光伏发电系统实现由光能到电能的转换，太阳能光伏发电系统大致由光伏组件阵列、直流汇流箱、逆变器、升压变压器和高压开关柜、继电保护设备、通信设备等组成，其总体结构复杂且一般长时间带电运行，运行中容易出现各种问题，所以需要对光伏发电系统运维情况进行分析，明确其薄弱点，采取针对性措施进行解决，确保光伏发电系统的高效安全稳定运行。

1 光伏发电系统运维中的问题

光伏组件运维难的问题。光伏电站组件数量众多，组件隐患不易被排查，其“带病”运行和低效运行，将对电站造成不可估量的损失，依现场为依据，主要有以下几个方面：（1）组件清洗不及时，西北春冬季风沙较大，组件表面浮沉不及时清理，将影响组件发电效率，减少项目收益。（2）近年，运维人员在光伏组件红外测温工作中，发现电站部分方阵所带组件热斑数量过多，较正常方阵逆变器功率及发电量对比，明显低于其他方阵。同时经过现场检查对比，单个组件出现上述状况，将影响整个组串发电量，同时该类隐患具有不通过仪器不易发现的问题。

光伏电站汇流箱排查难的问题。就目前存量电站而言，建站时间长达10余年，汇流箱通信均采用RS485通信，依现场实际情况进行分析，大部分汇流箱通信模块故障或通信线断线，汇流箱在线监控系统不能有效为电站运维人员提供准确的支路运行数据和故障信息，致使增加运维人员日常运维工作量，运维效率减低。

光伏电站逆变器运维中的难点。针对光伏电站发电系统单一，逆变器作为光伏电站主要的电能转换设备，数量多、集成化高，且长时间带电运行，加之高温、灰尘堆积、检修维护不到位等因素易造成电路板损坏、电容击穿等故障，往往造成逆变器故障长时间停机。同时，因运维人员专业化技术水平不高，对逆变器故障不能及时处理，大多情况需设备厂家到站进行维护。其间，造成逆变器长时间停机，进而影响项目收益。

影响电能质量的问题。正常情况下光伏发电系统的并网点并非稳定状态，电压、电流会辐照度等因素而变动。例如对于潮流条件较为复杂的情况来说，光伏发电过程中若是产生反向电流的情况，就会造成传输功率的下降、负载电压的上升，从而造成电压发生偏移。光伏发电作为电网电源点之一，其发展趋势会因多种因素随时发生变化，自主性难以控制。

2 光伏发电系统运维优化策略

光伏组件的精细化运维。（1）科学制定组件维护清洗计划。为了保证光伏组件的正常高效运行，需要定期对其进行彻底清洁，确保其对于太阳能的吸收能力。在清洁过程中要遵循相关规程，避免损坏组件。现阶段较为常用的清洗方法包括人工清洗组件、人工水洗、工程车辆清洗、机器人清洗等等。其中人工清洗组件主要是利用水车高压冲洗，此种方式更便于应用，但是一旦压力控制不合适就会造成光伏组件的损坏。还有通过机器人清洗则可以充分发挥人工智能等信息技术的优势，可以实现更加复杂环境的作业，具有较高的效率，但需要增加具体操作的灵活性和高额的成本。所以要根据具体项目的特点及所处季节环境、自然灾害等科学的制定出针对性的维护计划和措施，程度确保光伏组件的正常高效运行。（2）热斑现象的产生和避免。太阳能电池组件某部位被遮挡后长时间运营之后容易产生热斑问题，一方面给会限制光伏设备吸收太阳辐射，严重限制光能的转换，另一方面被遮挡处将会变为负载消耗产生的电能，发热导致电池组件产生不可逆的损坏，长此以往屏蔽层温度也会较大上升，容易造成表层受到破坏而产生热斑。为了能够消除热斑的问题，一方面要将覆盖在组件表面附着物质彻底清除掉，保持太阳能组件的清洁性，另一方面要对电池内部以及反向电流状态进行充分了解，必要情况下可以对组件功能进行优化，以数据统计为基础，按照已统计低效组件数据统计表定位拆除汇流箱异常支路所带全部光伏组件，然后将拆下的正常光伏组件集中安装，接入同源汇流箱，确保汇流箱各支路发电能力平均高效；由于低效组件拆除后剩余的空余支架则换装相同尺寸规格的组件接至同一汇流箱以实现核定上网容量，确保组件的有效工作。

汇流箱无线通信技术的应用。汇流箱是光伏电站电流汇集单元，汇流箱数据采集模块监视每个支路运行情况，所以汇流箱的通信是了解现场设备运行正常的关键所在，由于光伏发电项目占地面积广，汇流箱往往数量多，每次全面排查耗时较长、效率低。出现汇流箱通信故障时若按原通信方式恢复汇流箱通信，通信模块故障的需大量更换或维修通信模块，通信线断线的需要查找断线点，进行重新接线，投入人力成本较大，如果现场重新敷设通信线不但有需要大量人力、物力投入还不能保证长时间可靠通信。所以，现场大面积出线通信断线，可通过技改汇流箱无线通信，从而提高设备数据的可靠性，提高现场运维人员工作效率，深挖细查电站发电存量，提高站内整体发电量，增加电站收益。

光伏系统中的逆变器维护。对于光伏系统来说，逆变器是为主要的设备之一，其运行情况直接决定着整个光伏系统的正常运行，维护过程中要特别关注如下几方面：（1）对于逆变器直流汇集接线端子进行定期维护，检查各引线接头接触是否良好，接触点是否发热，有无烧伤痕迹，引线有无断股、折断现象，一旦发现存在以上情况要马上处理或更换。（2）逆变器开始并网运行前对其状态进行检测，包括：电网相序、PV绝缘阻抗、直流电压采样、交流电压采样、接触器状态、霍尔电流传感器等关键量。（3）保持电网电压处于逆变器正常运行范围，PV电压处于规定范围，以上两者任意一项超出规定范围逆变器将立即与电网断开，防止设备损坏。（4）定期巡查设备运行参数、运行方式、开关位置等是否正确，确保室内通风良好，冷却系统运转正常，进风口滤网无堵塞现象，无异常振动、异常声音和异常气味。

改善调压措施。光伏发电过程中要改善调压设备，从而确保并网的有效性。电网电压调节相对较为复杂，相关工作人员需要充分分析相应节点的具体特性以及实际运行情况，并且也要注意外部环境等方面的影响，以此为基础制定针对性的发电策略。（1）可利用优化负荷的方式来对系统电压进行调节，避免出现过电压的情况，在此过程中要对线路运行情况实施动态监控，不断对负荷进行优化调整，通过多次迭代实现预期目标。（2）采用具备负载稳压性能的设备，如逆变器、升压箱变等，确保其可以承载波动的电压，从而保证满运行要求。（3）装设无功补偿装置，通过动态无功补偿装置设定恒电压模式来保证系统电压的满足要求，从而确保电网的稳定运行。

3 安科瑞提供分布式光伏发电监测系统解决方案

3.1 概述

“十四五”期间，随着“双碳”目标提出及逐步落实，本就呈现出较好发展势头的分布式光伏发展有望大幅提速。就“十四五”光伏发展规划，发改委能源研究所可再生能源发展副主任陶冶表示，“双碳”目标意味着产业结构的调整，未来10年，新能源装机将保持在110GW以上的年增速，这里面包含集中式光伏电站和分布式光伏电站。相较于集中式电站来说，分布式对土地等自然资源没有依赖，各个地方的屋顶就是分布式电站的形成基础，在碳中和方案的可选项中，分布式光伏由于其灵活性必将被大力发展，目前已有河北、甘肃、安徽、浙江、陕西等9省发布关于分布式光伏整县推进工作的通知。

目前我国的两种分布式应用场景分别是：广大农村屋顶的户用光伏和工商业企业屋顶光伏，这两类分布式光伏电站今年都发展迅速。

3.2 相关标准

根据电网Q/GDW1480-2015 《分布式电源接入电网技术规定》：分布式电源并网电压等级可根据各并网点装机容量进行初步选择，如下：8kW及以下可接入220V；8kW~400kW可接入380V；400kW~6000kW可接入10kV；5000kW~30000kW以上可接入35kV。并网电压等级应根据电网条件，通过技术经济比选论证确定。若高低两级电压均具备接入条件，优先采用低电压等级接入。

Q/GDW1480-2015 《分布式电源接入电网技术规定》

GB/T 29319-2012 《光伏发电系统接入配电网技术规定》

GB 50797-2012 《光伏发电站设计规范》

Q/GDW1617-2015 《光伏电站接入电网技术规定》

JGJ203-2010 《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》

3.3 解决方案

（1）交流220V并网

交流220V并网的光伏发电系统多用于居民屋顶光伏发电，装机功率在8kW左右。户用光伏电站今年发展非常迅猛，根据能源局网站提供的数据，截至2021年6月底，全国累计纳入2021年财政补贴规模户用光伏项目装机容量为586.14万千瓦，这相当于6个月在居民屋顶建造了四分之一个三峡水电站。

部分小型光伏电站为自发自用，余电不上网模式，这种类型的光伏电站需要安装防逆流保护装置，避免往电网输送电能。光伏电站规模较小，而且比较分散，对于光伏电站的管理者来说，通过云平台来管理此类光伏电站非常有必要，安科瑞在这类光伏电站提供的解决方案包括以下方面：

名称	图片	型号	功能
智能网关		ANet-1E1S1-4G	嵌入式linux系统，网络通讯方式具备Socket方式，支持XML格式压缩上传，提供AES加密及MD5身份认证等安全需求，支持断点续传，支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104协议
防逆流装置 （选用）		ACR10R-D10TE	防止光伏系统向电网输送功率，用于单相光伏发电系统
光伏运维云平台		AcrelCloud-PV	监测光伏发电功率、发电量、功率曲线、发电日月年报表、设备信息、故障报警、气象数据等

（2）交流380V并网

根据电网Q/GDW1480-2015 《分布式电源接入电网技术规定》，8kW~400kW可380V并网，这类分布式光伏多为工商业企业屋顶光伏，自发自用，余电上网。分布式光伏接入配电网前，应明确计量点，计量点设置除应考虑产权分界点外，还应考虑分布式电源出口与用户自用电线路处。每个计量点均应装设双向电能计量装置，其设备配置和技术要求符合 DL/T 448 的相关规定，以及 相关标准、规程要求。电能表采用智能电能表，技术性能应满足电网公司关于智能电能表的相关标准。用于结算和考核的分布式电源计量装置，应安装采集设备，接入用电信息采集系统，实现用电信息的远程自动采集。

光伏阵列接入组串式光伏逆变器，或者通过汇流箱接入逆变器，然后接入企业380V电网，实现自发自用，余电上网。在380V并网点前需要安装计量电表用于计量光伏发电量，同时在企业电网和公共电网连接处也需要安装双向计量电表，用于计量企业上网电量，数据均应上传供电部门用电信息采集系统，用于光伏发电补贴和上网电量结算。

部分光伏电站并网点需要监测并网点电能质量，包括电源频率、电源电压的大小、电压不平衡、电压骤升/骤降/中断、快速电压变化、谐波/间谐波THD、闪变等，需要安装单独的电能质量监测装置。部分光伏电站为自发自用，余电不上网模式，这种类型的光伏电站需要安装防逆流保护装置，避免往电网输送电能。

这种并网模式单体光伏电站规模适中，可通过云平台采用光伏发电数据和储能系统运行数据，安科瑞在这类光伏电站提供的解决方案包括以下方面：

名称	图片	型号	功能
智能网关		ANet-1E2S1-4G	嵌入式linux系统，网络通讯方式具备Socket方式，支持XML格式压缩上传，提供AES加密及MD5身份认证等安全需求，支持断点续传，支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104协议
防逆流装置		ACR10R-D10TE4	防止光伏系统向电网输送功率，用于三相光伏发电系统
直流电表		DJSF1352	电压输入DC750V，电流输入DC300A/75mV，在分布式光伏项目中适用于储能回路等直流信号设备电量测量和电能计量使用
静态无功补偿		ANSVG100-400	光伏并网时主要提供有功功率，这样市电侧有功减少，而无功不变，这样会导致功率因数降低，通过无功补偿装置可以提高系统功率因数。
电能质量监测		APQM-E	电网频率 ,电压、电流有效值,有功功率、无功功率、视在功率及功率因数,电压偏差,频率偏差,三相电压不平衡度、三相电流不平衡度；三相电压、电流各序分量；基波电压、电流，功率、功率因数、相位等,谐波（2～50 次）。包括电压、电流的总谐波畸变率、各次谐波电压、电流含有率、有效值、功率等,谐波群 ,间谐波 电压波动、闪变。可输入57.7V/100V 或 220V/380V 。
光伏运维云平台		AcrelCloud-PV	监测光伏发电功率、发电量、功率曲线、发电日月年报表、设备信息、故障报警、气象数据等

（3）10kV或35kV并网

根据《能源局关于2019年风电、光伏发电项目建设有关事项通知》 （国发新能〔2019〕49号），对于需要补贴的新建工商业分布式光伏发电项目，需要满足单点并网装机容量小于6兆瓦且为非户用的要求，支持在符合电网运行安全技术要求的前提下，通过内部多点接入配电系统。

此类分布式光伏装机容量一般比较大，需要通过升压变压器升压后接入电网。由于装机容量较大，可能对公共电网造成比较大的干扰，因此供电部门对于此规模的分布式光伏电站稳控系统、电能质量以及和调度的通信要求都比较高。

光伏电站并网点需要监测并网点电能质量，包括电源频率、电源电压的大小、电压不平衡、电压骤升/骤降/中断、快速电压变化、谐波/间谐波THD、闪变等，需要安装单独的电能质量监测装置。

上图为一个1MW分布式光伏电站的示意图，光伏阵列接入光伏汇流箱，经过直流柜汇流后接入集中式逆变器(直流柜根据情况可不设置)，经过升压变压器升压至10kV或35kV后并入中压电网。由于光伏电站装机容量比较大，涉及到的保护和测控设备比较多，主要如下表：

名称	图片	型号	功能	应用
汇流箱		APV光伏汇流箱	防护等级为IP65,满足室内外安装要求； 采用霍尔传感器，隔离测量，16路输入； 耐压DC1kV,熔断电流可选择； 可选电压测量功能,测量电压DC 1kV； 具有RS485通讯接口，ModBus-RTU通讯协议； 可根据客户需求配用国内外知名品牌厂家的光伏直流断路器，光伏直流熔断器、防雷保护器等元件。	应用于6MW以下光伏变电站
微机保护测控装置		AM5SE	适用于35kV和10kV电压等级的线路保护测控、变压器差动、后备保护测控等功能
电能质量监测		APQM-E	电网频率 ,电压、电流有效值,有功功率、无功功率、视在功率及功率因数,电压偏差,频率偏差,三相电压不平衡度、三相电流不平衡度；三相电压、电流各序分量；基波电压、电流，功率、功率因数、相位等,谐波（2～50 次）。包括电压、电流的总谐波畸变率、各次谐波电压、电流含有率、有效值、功率等,谐波群 ,间谐波 电压波动、闪变。可输入57.7V/100V 或 220V/380V 。
弧光保护装置		ARB5	集保护、测量、控制、监测、通讯、故障录波、事件记录等多种功能于一体,准确实时监测弧光信号，保护电流，适用于中低压等级电网的 弧光故障迅速切除装置。
直流电表		DJSF1352	电压输入DC750V，电流输入DC300A/75mV，在分布式光伏项目中适用于储能回路等直流信号设备电量测量和电能计量使用
多功能电表		APM800	各电压等级全电气参数测量、计量和状态量采集
智能网关		ANet-1E2S1-4G	嵌入式linux系统，网络通讯方式具备Socket方式，支持XML格式压缩上传，提供AES加密及MD5身份认证等安全需求，支持断点续传，支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104协议，支持和调度系统远动通讯。
电力监控系统		Acrel-2000Z	电力监控系统，实现对光伏发电站遥测、遥信、遥控、异常报警、故障记录和分析等功能，接收调度系统指令对光伏电站进行调节和控制。
光伏运维云平台		AcrelCloud-PV	监测光伏发电功率、发电量、功率曲线、发电日月年报表、设备信息、故障报警、气象数据等

系统功能设计

安科瑞电光伏电站监控软件采用Acrel-2000Z，是安科瑞电气股份有限公司总结多年的开发、实践经验和大量的用户需求而设计针对用户配电系统和光伏电站的实时监控系统。

1）软件运行环境配置

服务器上安装Windows7操作系统。

2）光伏电站电力监控软件架构

软件采用C/S架构，实时采集光伏电站电流、电压、日/月/年/累计发电量和气象数据。

3）光伏电站电力监控软件功能

对光伏电站的整体信息进行监控，采用图形和数据的形式实时动态地展现电站概况、电站实时发电及发电统计信息。包括电站概括、环境参数、实时信息、发电量统计及发电量TOP10信息

通过主界面可以对光伏阵列现场环境进行实时监测与显示，如室外温度值、风速、风向、光照强度等。

a）通过对电站内一次及二次配电网络状态的监控，了解电站内各电气设备的运行情况及状态，并对电站的并网状态、有/ 无功功率流向情况等进行实时监控。

b）光伏组件分布监控

能够根据微逆变反应的数据显示各组太阳能电池板的工作状态（是否正常发电），根据组串式逆变器显示各光伏组串输出功率，分别计量两种两种逆变方式的发电量日发电量、日发电量曲线、月发电量柱状图、年发电量柱状图等，并对这两种方式发电量进行对比。

c）逆变器监控

组串式逆变器主要监测指标包括：

直流电压、直流电流、直流功率

交流电压、交流电流

逆变器内温度、时钟

频率、功率因数、当前发电功率

日发电量、累积发电量、累积CO2 减排量

电网电压过高、电网电压过低

电网频率过高、电网频率过低

直流电压过高、直流电压过低

逆变器过载、逆变器过热、逆变器短路

散热器过热

逆变器孤岛

DSP 故障、通讯故障等。

监控系统可绘制显示逆变器电压—时间曲线、功率—时间曲线等，直流侧输入电流实时曲线、交流侧逆变输出电流曲线，并采集与显示各逆变器日发电量等电参量；

d）交流汇流箱监控

交流汇流箱主要监测指标包括：

光伏组串输出直流电压、输出直流电流、输出直流功率

各路输入总发电功率、总发电量

汇流箱输出电流、汇流箱输出电压、汇流箱输出功率

电流监测允差报警

传输电缆/ 短路故障告警

空气开关状态、故障信息等

e）交流配电柜监控

交流配电柜主要监测指标包括：

光伏发电总输出有功功率、无功功率

功率因数、电压、电流

断路器故障信息、防雷器状态信息等

f）并网柜监控

通过对并网柜的监控，计量上网电量、内部用电量、电能质量、光伏发电系统有功和无功输出、发电量、功率因数、并网点的电压和频率、注入系统的电等参数，计算碳减排量，并折算成标准煤，计算发电收益。

g）环境参数监控

环境参数主要监测指标包括：

日照辐射

风速、风向

环境温度

太阳能电池板温度等

对比实际微逆或几种微逆输出指导电池板需要清洗等信息。

h）历史数据管理

监控系统可针对光伏发电现场的各种事件进行记录，如：通讯采集异常、开关变位、操作记录等，时间记录支持按类型查询，并可对越限报警值进行更改设置；

i）日发电趋势分析

系统提供了实时曲线和历史趋势两种曲线分析界面，可以反映出每天24小时内光伏发电量与该日日照强度，环境温度，风速等的波动情况。

j）故障报警

当电池板长时间输出功率偏低进行故障指示，建议运维人员前往现场检查是否有故障发生等；另外对于并网柜部分的主断路器分合闸状态进行监视，当出现开关变位及时报警，提醒运维人员。

4结语

近些年随着能源的需求不断增加，面临很多非可再生资源大量消耗和突出的环境污染问题，光伏发电等清洁能源的开发和应用不断加快。为了光伏发电系统能够正常高效运行，需要对其进行定期的运维分析，明确问题所在，采取针对性措施进行优化，确保光伏发电系统的正常运行，进一步促进清洁能源的发展。

参考文献：

【1】 闫妍.光伏发电系统运维优化策略研究[J].光源与照明,2022(09):60-62.

【2】 李云桥.新一代机器学习技术在大规模光伏系统无人机智能运维中的应用[J].电工技术, 2021(19):21-23+26.

【3】郭玲玲.光伏发电系统运维问题分析与优化策略研究[J].无线互联科技,2020,17(20):18-19.

【4】 连乾钧.光伏电站在线监测及故障诊断系统的设计与实现[D].吉林:吉林大学,2015.

【5】 姚远.微电网中光伏发电控制系统设计与实现[D].四川:电子科技大学,2021.

【6】 陈志文.光伏发电系统的运维优化策略分析

【7】 分布式光伏监控系统解决方案

审核编辑 黄宇