智能光伏解决方案与集中式方案技术对比专题之安装运维对比

智能光伏解决方案与集中式方案技术对比专题之四：安装运维对比华为技术有限公司2015 年 5 月文档名称文档密级外部公开信息第 i 页目 录目 录 . i第 1 章 安全性、可靠性对比 11.1 集中式方案分析 . 11.2 智能光伏方案分析 . 1第 2 章 运维难度、故障定位精准度对比 22.1 集中式方案分析 . 22.2 智能光伏方案分析 . 3第 3 章 故障影响范围及损失程度对比 43.1 集中式方案分析 . 43.2 智能光伏方案分析 . 53.3 对比结果 . 5第 4 章 故障修复难度对比 64.1 集中式方案分析 . 64.2 智能光伏方案分析 . 7文档名称文档密级外部公开信息2016-4-6 华为保密信息，未经授权禁止扩散 第 1 页第 1章 安全性、可靠性对比电站的安全运行及防火工作极其重要， 而熔丝过热及直流拉弧是起火的重大风险来源。1.1 集中式方案分析组串输出需要通过直流汇流箱并联，再经过直流柜， 100 多串组串并联在一起，直流环节长，且每一汇流箱每一组串必须使用熔丝。按每串 20 块 250Wp组件串联计算， 1MW 的光伏子阵使用直流熔丝数量达到 400 个， 10MW 用量则达到 4000 个。所有直流汇流箱内直流节点更高达 20000 个。如此庞大的直流熔丝用量和节点数量导致熔丝或节点过热烧坏绝缘保护外壳（层） ，甚至引发直流拉弧起火的风险倍增。直流侧短路电流来自电池组件，短路电流分布范围广（几 A～ 1.5kA） ，在短路电流不够大（受光照、天气的影响）时，不能快速熔断熔丝，但短路电流可能大于熔断器的额定电流，导致绝缘部分过热、损坏，最终引起明火。例如， 12A的熔断器承载 20A 电流， 需要持续 1000S才能熔断， 但熔断前绝缘部分就可能因过温受到损伤，电流继续冲击时就失去了绝缘保护，导致起弧燃烧。1.2 智能光伏方案分析智能光伏方案没有直流汇流箱， 在直流侧， 每一路组串都直接接入智能光伏文档名称文档密级外部公开信息2016-4-6 华为保密信息，未经授权禁止扩散 第 2 页控制器，无熔丝，直流环节短且、节点少，做到了主动安全设计与防护，有效抑制拉弧现象，避免起火事故发生；在交流侧，短路电流来自电网侧，短路电流较大（ 10kA～ 20kA） ，一旦发生异常，交流汇流箱内断路器会瞬时脱扣，将危害降至最低。第 2章 运维难度、故障定位精准度对比2.1 集中式方案分析对于集中式方案， 多数电站的汇流箱与逆变器非同一厂家生产， 通讯匹配困难、 质量参差不齐。 国内光伏电站目前普遍存在直流汇流箱故障率高、 汇流箱通讯可靠性较低、 数据信号不准确甚至错误导致无法通信的情况， 因此难以准确得知每个组串的工作状态。 即使通过其他方面或手段发现异常， 也难以快速准确定位并解决问题。因此， 为掌握光伏区每一组串工作状态， 当前的检测方法是： 找到区内每一个直流汇流箱， 打开汇流箱， 用手持电流钳表测量每个组串的工作电流来确认组串的状态。 但在部分电站， 由于直流汇流箱内直流线缆过于紧密， 直流钳表无法卡入， 导致无法测量。 运维人员不得不断开直流汇流箱开关和对应组串熔丝， 再逐串检测组串的电压和熔丝的状态。 检查工作量大， 现场运维繁琐且困难、 缓慢，在给运维人员带来巨大工作量和技术要求的同时， 也会危及运维人员的人身安全。图 4 直流汇流箱内密集的直流线缆文档名称文档密级外部公开信息2016-4-6 华为保密信息，未经授权禁止扩散 第 3 页在检查期间， 开关被断开， 影响了电站发电。 假设单块组件最大功率为 250W，20 块一串，一个 16 进 1 汇流箱装机容量即为 16× 5kW=80kW，完全检查一个汇流箱并记录共需 10min（ 0.17） 。 假设当时组串处于半载工作状态， 断电检查一个汇流箱引起的发电量损失为 80kW× 50%× 0.17h=6.8kWh。一个 30MW 的电站拥有 400 多个汇流箱，全部巡检一次将花费大量时间，并损失数千 kWh 的发电量。再合并计算人工、车辆等成本投入，巡检所消耗的运维费用将十分可观。 此种情况在山地电站表现会更加明显。 需要特别注意的是，这样的巡检方式并不可靠， 易产生人为疏忽， 比如检查完成后忘记合闸， 影响更多发电量。目前不少电站的运维人员只有几个人， 面对几十 MW甚至上百 MW的庞大电站，将难以全面检查到每个光伏子阵， 更难以细致到每个组串， 所以一些电站的汇流箱巡检约半年一次。 这样的巡检频次， 难以发现电站运行过程中存在的细小问题，虽然细微，但长期累积引起的发电量损失和危害却不可轻视。目前国内光伏电站有关直流汇流箱运维的数据如下：1） 直流汇流箱内的熔丝 ：易损耗，维护工作量大，部分电站每月有总熔丝1%左右的维护量；且因工作量大，检修时容易出现工作疏漏，影响后续发电量。2） 直流汇流箱数据准确性与通讯可靠性 ：直流电流检测精度低，误差大于5%，弱光时难以分辨组件失效与否，不利于进行组件管理；直流汇流箱通讯故障率高、效果不佳，容易断链，导致数据无法上传，通讯失效后，组串监控和管理便处于完全失控状态，除非再次巡检发现并处理。2.2 智能光伏方案分析对于智能光伏方案， 逆变器对每个组串的电压、 电流及其他工作参数均有高精度的采样测量， 测量精度达到 5‰ 。利用电站的通信系统，通过后台便可远程随时查看每个组串的工作状态和参数， 实现远程巡检， 智能运维。 对于逆变器或组串异常，智能监控系统会主动进行告警上报，故障定位快速、精准，整个过程操作安全、无需断电、不影响发电量，将巡检、运维成本降至极低水平。文档名称文档密级外部公开信息2016-4-6 华为保密信息，未经授权禁止扩散 第 4 页第 3章 故障影响范围及损失程度对比电站建成运行一定时间后，各种因素导致的故障逐渐显现。3.1 集中式方案分析就采用集中式方案的光伏系统的各节点及设备而言，不考虑组件自身因素、施工接线因素及自然因素的破坏， 直流汇流箱和逆变器故障是导致发电量损失的重要源头。如前文所述， 直流汇流箱故障在当前光伏电站所有故障中表现较为突出。 一个 1MW 的光伏子阵，一个组串（假设采用 20 块 250Wp 组件，共 5kW）因熔丝故障不发电，即影响整个子阵发电量约 0.5%；如果一个汇流箱（ 16 进 1 出，合计功率 80kW）故障，即导致涉及该汇流箱的所有组串都不能正常发电，将影响整个子阵发电量约 8%。因汇流箱通信可靠性低，运维人员难以在故障发生的第一时间发现故障、 处理故障。 多数故障往往在巡检时或累计影响较大时才被发现，但此时故障引起的发电量损失已按千、万计算。如果一台逆变器遭遇故障而影响发电， 将导致整个子阵约 50%的发电量损失。集中式逆变器必须由专业人员检测维修， 配件体积大、 重量重， 从故障发现到故文档名称文档密级外部公开信息2016-4-6 华为保密信息，未经授权禁止扩散 第 5 页障定位，再到故障解除，周期漫长。按日均发电 4h 计算，一台 500kW 的逆变器在故障期间（从故障到解除，按 15d 计算）损失的发电量为 500kW× 4h/d ×15d=30000kWh。按照上网电价 1 元 /kWh 计算，故障期间损失达到 3 万元。3.2 智能光伏方案分析同样不考虑组件自身因素、 施工接线因素及自然因素的破坏， 采用智能光伏方案的光伏系统因没有直流汇流箱， 无熔丝， 系统整体可靠性大幅提升， 几乎只有在遭遇逆变器故障时才会导致发电量损失。智能光伏控制器体积小，重量轻，通常电站都备有备品备件，可以在故障发生当天立即更换。单台逆变器故障时，最多影响 6 串组串 （按照每串 20 块 250Wp 组件串联计算， 每个组串功率为 5kW） ，即使 6 串组串满发，按照日均发电 4h 计算，因逆变器故障导致的发电量损失为5kW× 6× 4h/d × 1d=120kWh。按照上网电价 1 元 /kWh 计算，故障导致发电损失为 120 元。考虑更极端的情况， 电站无备品备件， 需厂家直接发货更换， 按照物流时间7 d 计算，故障导致发电损失为 120 元 /d × 7d=840 元。3.3 对比结果两种方案对比计算数据见表 1。表 1 两种方案对比计算数据方案类别故障类别集中式方案 智能光伏方案检测难度发电量损失影响故障发生至修复引起损失/ 元故障发生至修复引起损失/ 元发电量损失影响检测难度组串故障 难 5‰据故障持续时间确定，通常持续时间≥ 1 月据故障持续时间确定，通常持续时间≤ 1 d 5‰ 易直流汇流箱故障 难 8% 据故障持续时间确定，通常持续/ / / 文档名称文档密级外部公开信息2016-4-6 华为保密信息，未经授权禁止扩散 第 6 页注： 1. 组串每串按 20 块 250Wp 组件串联计算，每个组串功率 5kW；2. 直流汇流箱按 16 进 1 出计算，每个汇流箱合计功率 80kW；3. 日均发电按 4h 计算，集中逆变器修复时间按 15d 计算，上网电价按 1 元 /kWh 计算。从表 1 可以看出， 相比集中式方案故障损失动辄上万的情况， 智能光伏方案优势显而易见， 其因故障导致的损失仅相当于集中式方案的几百分之一到几十分之一。第 4章 故障修复难度对比两种的方案特点不同， 自然也导致了故障修复难度的差异。 光伏电站所有组串全部投入后，故障修复工作主要集中在电站运行期间的线路故障及设备故障。线路故障受施工质量、 人为破坏、 自然力破坏等因素影响。 设备故障包含汇流箱故障及逆变器故障。4.1 集中式方案分析直流汇流箱内原件轻小、数量少，线路简单，一旦故障准确定位后，修复难度不大；其修复困难集中表现为故障侦测或发现困难。对于逆变器故障， 因集中式逆变器体积大、 重量重， 内部许多元器件也同样具有此类特点，部分元件重量甚至达到数十或上百 kg，给维护修复工作造成了较大程度的不便和麻烦。 这也是电站建设时集中式逆变器采用整体吊装的部分原因所在。时间≥ 1 月交流汇流箱故障 / / / 故障率极低，且故障发生即有告警， 提醒运维人员处理，影响及损失几乎可忽略不计易逆变器故障 易 50% 30000 120（有备品时）840（无备品时）3% 易文档名称文档密级外部公开信息2016-4-6 华为保密信息，未经授权禁止扩散 第 7 页图 6 集中式逆变器吊装对于集中式逆变器方案， 电站通常不会留存任何的备品备件， 且集中式逆变器的维修必须由生产厂家售后人员完成。 因此在故障发生后， 必须要首先等待厂家人员前往电站定位问题；待问题定位后，确定维修方案及需要更换的元器件，然后再由逆变器厂家发货至电站现场， 维修人员选用一定搬运车辆或工具将新的元器件搬运至逆变器房（箱）进行更换。一旦集中式逆变器出现故障，粗略估算整个维修过程将长达 15d，甚至更久，维修难度大、耗时长、费力多，还严重影响电站发电量。4.2 智能光伏方案分析智能光伏方案无直流汇流箱， 所用交流汇流箱出现故障的概率几乎为零， 甚至部分电站弃用汇流箱， 将智能光伏控制器交流输出直接连接至箱变低压侧母线。因此， 智能光伏方案的设备故障主要是智能光伏控制器的自身故障。 相较于集中式逆变器的庞然大物，智能光伏控制器显得异常轻灵小巧，其拆装、接线只需 2人协作即可完成，且不必专业人员操作。因此，确认故障发生后，可根据精准的告警信息提示， 立即启用备品替换故障智能光伏控制器， 使电站短时间内全部恢复正常，将发电量损失降至最低。文档名称文档密级外部公开信息2016-4-6 华为保密信息，未经授权禁止扩散 第 8 页