作者：张清小 葛庆
出版社：中国铁道出版社
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光伏电站运行与维护试读：
前言
FOREWORD
光伏电站的运行与维护简称光伏电站的运维，是以光伏发电系统安全为基础，通过预防性、周期性维护及定期的设备性能测试等手段，科学合理地对光伏电站进行管理，以保障整个光伏电站的安全、稳定、高效运行，从而保证投资者的收益回报。
随着光伏电站建设规模和数量的不断增加，光伏电站的建设质量问题、安全问题也慢慢呈现出来，这使越来越多的光伏电站面临运维难题；设计缺陷、设备质量缺陷、施工不规范等问题也给光伏电站的运行与维护带来了严峻挑战。此外，国内不同光伏电站的运维水平良莠不齐，严重影响了光伏电站的投资收益，再加上业主对电站高性能运行要求的不断深化，专业运维已经成为光伏电站高效工作的前提和保障。
本书围绕大型地面并网光伏电站和分布式并网光伏电站，从光伏电站的分类、组成结构和特点、光伏电站的运行与维护管理、运维过程中的常用工具及智能化运维技术、运维过程的常见故障及分析、光伏电站监控系统等方面来组织编写，全书共分7章，内容包括：大型地面并网光伏电站概述、大型地面并网光伏电站的主要设备、大型地面并网光伏电站的运行与维护管理、分布式并网光伏电站概述、分布式并网光伏电站的运行与维护、光伏电站运行与维护的常用工具、光伏电站监控系统设计，另外每章后还附有习题，可帮助学生巩固所学知识。
本书由张清小、葛庆任主编，万嘉萍、龚根平、章小庆、卢绍群任副主编。具体编写分工：第1、2章由湖南理工职业技术学院张清小编写；第3章由湖南理工职业技术学院葛庆编写；第4章由江西新能源科技职业学院章小庆编写；第5章由湖南理工职业技术学院龚根平编写；第6章由湖南理工职业技术学院卢绍群编写；第7章由江西新能源科技职业学院万嘉萍编写。本书的部分图形和数据表格由滕东、卢明轩、黄志伟等同学参与编辑，全书由张清小统稿，浙江瑞亚能源科技有限公司李毅斌总经理主审。
本书在编写过程中得到了北京新大陆时代教育科技有限公司陆胜洁总经理、王水钟经理，浙江瑞亚能源科技有限公司易潮总经理，湖南理工职业技术学院黄建华，衢州职业技术学院廖东进等人的大力支持和帮助，在此表示衷心的感谢。
本书在编写过程中还参考了大量的书籍和论文，在此对相关书籍和论文的作者致以诚挚的谢意。
由于编者水平有限，加之时间仓促，书中疏漏与不足之处在所难免，恳请读者批评指正。
编者2016年7月第1章大型地面并网光伏电站概述
学习目标
● 了解光伏电站的定义和分类。
● 了解大型地面并网光伏电站的定义和分类。
● 了解大型地面并网光伏电站的组成、结构和特点。
● 了解大型地面并网光伏电站的发展面临的问题。
本章简介
光伏电站种类繁多，形式多样，特点各异。本章在简要介绍光伏电站分类和特点的基础上，重点阐述了集中式地面大型并网光伏电站和分布式并网光伏电站的定义、分类、组成、结构及特点，并简要分析了集中式大型地面并网光伏电站与分布式并网光伏电站的不同点，为后续讲解集中式大型地面并网光伏电站及分布式并网光伏电站的运行与维护奠定基础。1.1光伏电站的分类及组成结构和特点1.1.1 光伏电站的分类
1.按光伏电站是否并网来划分
按光伏电站是否并网可以分为离网光伏电站和并网光伏电站。其中，并网光伏电站又可以分为地面大型并网光伏电站和分布式并网光伏电站，离网光伏电站和并网光伏电站的具体分类如图1-1所示。
2.按装机容量来划分
按装机容量来划分可以分为小型光伏电站、中型光伏电站和大型光伏电站，其中，小型光伏电站是指装机容量小于或等于1MWp的光伏电站；中型光伏电站是指装机容量大于1MWp，小于或等于30MWp的光伏电站；大型光伏电站是指装机容量大于30MWp的光伏电站。
图1-1 离网光伏电站和并网光伏电站的分类
3.按光伏电站接入电网的电压等级来划分
按光伏电站接入电网的电压等级来划分可以分为低压电网接入的光伏电站和中压电网、高压电网接入的光伏电站。其中，低压电网接入的光伏电站是指通过380V电压及以下等级接入电网的光伏电站，该类电站所发电能一般是即发即用、多余的电能送入电网；中压电网接入的光伏电站是指通过10kV或35kV电压等级接入电网的电站，该类光伏电站要通过升压装置将电能馈入电网；高压电网接入的光伏电站是指通过66kV及以上电压等级接入电网的光伏电站，该类电站也要通过升压装置才将电能馈入电网，并且要进行远距离的电能传输。1.1.2 光伏电站的组成结构和特点
1.离网光伏电站的组成结构和特点（1）离网光伏电站的组成结构
离网光伏电站主要由光伏阵列、控制器、蓄电池等组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。离网光伏电站包括边远地区的村庄供电系统、太阳能户用电源系统，通信信号电源、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。离网光伏电站的组成结构如图1-2所示。
图1-2 离网光伏电站的组成结构（2）离网光伏电站的特点
离网光伏电站适用于无电网供电或电网电力不稳定的地区。在阳光充足时，离网光伏电站产生的直流电储存在蓄电池中，用于夜间或阴雨天气时为用户负载提供电力。
2.并网光伏电站的组成结构和特点（1）并网光伏电站的组成结构
并网光伏电站由太阳能电池阵列、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、监控数据采集器等组成。其运行模式是在有太阳辐射的条件下，光伏电站中的光伏阵列将太阳能转换成直流电能，经过直流汇流箱送入直流配电柜，直流配电柜再将直流电送入并网逆变器逆变成交流电后，根据光伏电站接入电网技术规定和光伏电站容量确定光伏电站接入电网的电压等级，再经变压器升压后，接入电网。并网光伏电站的组成结构如图1-3所示。
图1-3 并网光伏电站的组成结构（2）并网光伏电站的特点
并网光伏电站可以分为大型地面并网光伏电站和分布式并网光伏电站，其中大型地面并网光伏电站的主要特点是将所发电能全部输送给电网，由电网统一调配给用户供电。这种电站投资大、建设周期长、占地面积大；而分布式并网光伏电站由于处于用户侧，光伏电站所发电能优先供给当地负载使用，多余的电能输入电网由电网统一调配给用户负载使用，这使得分布式光伏电站可以有效减少对电网供电的依赖及线路损耗。除此之外，分布式并网光伏电站具有投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏电站的主流。1.2大型地面并网光伏电站的组成结构和特点
大型地面并网光伏电站是一类充分利用荒漠、山丘等拥有丰富和相对稳定的太阳能资源的地面所构建的大型并网光伏电站，该类光伏电站将太阳能通过光伏组件转化为直流电，再通过直流汇流箱和直流配电柜将直流电送入集中式并网逆变器，集中式并网逆变器再将直流电能转化为与电网同频率、同相位的交流电后经高压配电系统并入电网。1.2.1 大型荒漠地面并网光伏电站的组成结构和特点
1.大型荒漠地面并网光伏电站的组成
大型荒漠地面并网光伏电站主要是由光伏阵列、智能汇流箱、集中式逆变器、变压器等组成，其相应的组成结构图如图1-4所示。
图1-4 大型荒漠地面并网光伏电站组成结构
2.大型荒漠地面并网光伏电站的特点
大型荒漠地面并网光伏电站是利用广阔平坦的荒漠地面资源开发的光伏电站，该类电站规模大，一般大于6MW，电站逆变输出经过升压后直接馈入35kV、110kV、220kV或更高电压等级的高压输电网。因该类电站所处环境地势平坦，光伏组件朝向一致，无遮挡，故多采用集中式逆变器。大型荒漠地面并网光伏电站的主要特点是运维更经济和方便，采用集中式逆变器控制更能满足电网的接入要求。1.2.2 大型山丘地面并网光伏电站的组成结构和特点
大型山丘地面并网光伏电站是指利用山地、丘陵等资源开发的光伏电站，它可以分为存在组件朝向不一致或早晚遮挡问题的大型山丘地面并网光伏电站和地形非常复杂的大型山丘地面并网光伏电站。
1.存在组件朝向不一致或早晚遮挡问题的大型山丘地面并网光伏电站的组成结构和特点（1）组成结构
这种类型的光伏电站主要是由光伏阵列、智能汇流箱、集中式逆变器和变压器等组成，其相应的组成结构如图1-5所示。（2）特点
该类光伏电站规模大小不一，从几兆瓦（MW）到上百兆瓦不等，发电以并入高压电网为主，受地形影响，存在组件朝向不一致或早晚遮挡问题，因此这类电站的逆变器多采用具备MPPT（Maximum Power Point Tracking，最大功率点的跟踪）模式的集中式逆变器，每路MPPT能够跟踪100多千瓦的光伏组件，将同一朝向的光伏组件设计成一串，大大提升了施工便利性并有效解决了朝向和遮挡问题，同时共交流母线输出，具备集中式逆变器电网友好性的特点。
图1-5 存在组件朝向不一致或早晚遮挡问题的大型山丘地面并网光伏电站的组成结构
2.地形非常复杂的大型山丘地面并网光伏电站的组成结构和特点（1）组成结构
这种类型的光伏电站主要是由光伏阵列、组串式逆变器、交流配电柜和变压器等组成，其相应的组成结构图如图1-6所示。
图1-6 地形非常复杂的大型山丘地面并网光伏电站的组成结构图（2）特点
这种类型的并网光伏电站因为所选的山丘电站地形非常复杂，实现100多千瓦组件同一朝向铺设施工难度很大，所以一般会采用组串式逆变器作为补充。这种类型的并网光伏电站比地势平坦的并网光伏电站在电站容量方面要更小些，并网也是采用10kV或35kV接入公共电网或用户电网。1.3大型地面并网光伏电站发展面临的问题
2015年，我国光伏产业在低迷的能源市场中逆市上扬，新增装机容量达到15GW，并且超越德国成为全球光伏累积装机容量最高的国家。在国内、国际两个市场的强劲拉动下，光伏企业产能利用率得到有效提高，产业规模稳步增长，技术水平不断进步，企业利润率得到提升，光伏企业的“走出去”步伐也在不断加快。在政策引导和市场驱动下，我国光伏产业发展环境未来将持续向好，但对于大型地面并网光伏电站而言，仍然面临着较多的问题。主要表现在以下几方面：
①大规模光伏电站输出功率的随机波动性及不可准确预测性造成电力系统调度运行困难。尤其是我国西部太阳能资源丰富，光伏发电输出电量较多，但西部地区的工业及居民用电量不大。而在我国工业发达的东部地区，太阳能资源和光伏发电量不如西部，但用电需求量大，这种资源与需求逆向分布的情况，其有效利用难度之大在世界范围是罕见的，这就导致光伏电站发出的电量要进行大规模、远距离的西电东送，使得电力传输和调度的复杂性与困难度大大增加。
②大规模光伏发电并网，对系统安全稳定运行带来严重影响，使大电网安全面临威胁。近年来，国外大停电事故频发，造成了巨大的社会影响和经济损失，如表1-1所示。
表1-1 部分国家或地区电网事故表
③光伏发电核心控制技术为少数发达国家掌握，我国现有光伏电站设计、运行等技术和国外先进水平存在较大差距，且基本处于“自由运行”状态。
④电源结构性矛盾突出，规模化间歇性新能源发电并网要求火电机组深度调峰。
当前，大型地面并网光伏电站占据我国光伏装机总量的80％以上，但目前可再生能源发展规划与电网建设规划的统筹衔接出现了问题，区域电网结构的限制及外送通道建设滞后，导致大型地面并网光伏电站面临严峻的限电形势，限制地面并网光伏电站输出功率的现象十分严重，并出现了大范围、常态性的限电、弃光现象。据统计，2015年我国西北地区弃光率达到17.08％，其中，甘肃弃光问题突出，累计弃光电量26.19亿kW·h，约占全部弃光电量的56％，弃光率达到30.7％。新疆累计弃光电量15.08亿kW·h，约占全部弃光电量的32％，弃光率达到22％。
尽管当前大型地面并网光伏电站存在诸如上述的问题和挑战，现行政策也在向分布式并网发电倾斜，但鉴于中东部地区的资源状况，从长远及国内光伏产业的平衡及可持续发展来看，或仍将依赖于大规模建设西部大型并网光伏地面电站。习题
1.什么是光伏电站？光伏电站包含哪几类？
2.什么是大型地面并网光伏电站？大型地面并网光伏电站可以划分为几种类型？
3.大型荒漠地面并网光伏电站由什么组成？在结构上有什么特点？
4.大型山丘地面并网光伏电站由什么组成？在结构上有什么特点？
5.大型荒漠地面并网光伏电站与大型山丘地面并网光伏电站有哪些相同点？又有哪些不同点？
6.大型地面并网光伏电站目前存在哪些方面的困难和挑战？
7.大型地面并网光伏电站存在什么样的发展趋势？第2章大型地面并网光伏电站的主要设备
学习目标
● 掌握大型地面并网光伏电站的实物构成。
● 掌握大型地面并网光伏电站的建筑构成。
● 掌握大型地面并网光伏电站中主要设备的组成结构和功能。
● 掌握大型地面并网光伏电站中主要设备的常见故障分析的方法与技能。
本章简介
要运行和维护好一个大型地面并网光伏电站，必须熟练掌握这个大型地面并网光伏电站中各个设备的组成结构、功能、电气连接等，并针对各个设备进行故障预防、检测、检修及故障排除等工作，进而达到使该大型地面并网光伏电站高效、安全、经济、稳定运行的目的。
本章首先阐述了大型地面并网光伏电站的实物构成框架图及对应的实物效果图，然后依据实物框架图逐一介绍了电站中各个主要设备的组成结构、工作原理、功能和与其他设备间的电气连接，并对各主要设备的常见故障进行了阐述，最后针对设备故障进行了比较详细的分析。2.1大型地面并网光伏电站的实物构成和建筑构成2.1.1 大型地面并网光伏电站的实物构成
大型地面并网光伏电站的实物构成图如图2-1所示。从图中可以看出一个大型地面并网光伏电站一次设备一般包括光伏阵列、直流汇流箱、直流配电柜、集中式逆变器、箱式变压器、交流配电柜、主升压变压器、并网开关柜；二次设备和其他附属设备包括通信管理机、上位机和远程终端、站用电变压器（将电网电压降至380V或220V以供电站内部的设备和负载用电）、不间断电源等。
光伏电站以1MWp为一个光伏发电单元，每个单元通过逆变器整流逆变后输出315kV低压三相交流电，再通过一台1000kV·A箱式升压变压器升压后与站内集电线路相连，通过电缆线路送至站内35kV交流配电柜，交流配电柜将交流电送入至主升压变压器，通过主升压变压器将35kV的交流电升压至110kV，最后通过一个户内金属封闭铠装移开式并网开关柜送入110kV的电网。另外，站内设一台站用电变压器，为全站提供站用电源，站用电源分别为正常照明和事故照明用电源，正常照明电源取自站用电交流电源，事故照明电源取自事故照明切换箱，正常时由交流电源供电，交流电源消失时自动切换至直流蓄电池经逆变器供电。
图2-1 大型地面并网光伏电站的实物构成图
综合楼内，在主控室采用栅格灯作为正常照明，其他房间采用节能灯，屋外道路采用高压钠灯照明，在主控室、配电室及主要通道处设置事故照明，事故照明也采用荧光灯或节能灯，由事故照明切换箱供电。2.1.2 大型地面并网光伏电站的建筑构成
大型地面并网光伏电站在建筑构成方面可以划分为生产区和管理区，其中管理区主要包括一栋综合楼，综合楼内设置有办公室、会议室、餐厅、厨房和宿舍；生产区内主要包括光伏方阵和直流汇流箱部分、逆变房、综合楼，其中综合楼内设置有中控室（中控室包含监控用计算机、以太网工业监控机、通信管理机、通信电缆和光纤等）、高低压配电室、继电保护室、工具室。大型地面并网光伏电站的生产区建筑构成效果图如图2-2所示。图中的逆变房里安装了直流配电柜和集中式三相逆变器，升压房里安装有升压变压器、无功功率补偿设备等。生产区建筑构成效果图所对应的电气连接图如图2-3（a）和图2-3（b）所示。
如图2-3（b）所示，箱式变电站分别布置于太阳能电池方阵中，通过35kV电缆汇集至综合楼35kV配电室内，各个单元变压器及逆变器均放置于就地箱式变电站中。35kV配电室与站用配电室并排布置于站内生产管理区综合楼一层，35kV配电装置采用户内成套开关柜，单列布置。在综合楼设集中控制室实现对光伏设备及电气设备的遥测、遥控、遥信。箱式变电站35kV线路输出后配置一个微机线路距离保护柜，以保证该35kV线路发生故障时能够以较快时限切除故障；35kV母线配置一个微机母线保护柜，当35kV母线发生故障时能够快速切除母线故障，以保证系统的安全性；光伏电站系统侧配置一个微机型故障录波器柜，用于电站的线路保护、母线保护等开关量及电流、电压等模拟量信息的录波。
按照电能计量装置技术管理规程的有关规定，光伏电站至地区110kV变电站的线路出口，光伏电站站用变压器高压侧电量关口点，光伏电站主升压变压器高压侧都安装有电能计量表。
图2-2 大型地面并网光伏电站生产区建筑构成图
图2-3 生产区建筑构成效果图所对应的电气连接图
图2-3 生产区建筑构成效果图所对应的电气连接图（续）2.2大型地面并网光伏电站主要设备简介及常见故障分析2.2.1 光伏组件简介及常见故障分析
1.光伏组件的分类
光伏组件是将太阳光转化为电能的关键设备，目前光伏电站常用的电池组件主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜光伏组件。光伏电池分类的具体类型如图2-4所示。
图2-4 光伏电池组件的分类
2.光伏组件的特点
光伏组件中单晶硅电池组件的光电转换效率为15％左右，最高的达到24％，是目前所有种类的光伏电池组件中光电转换效率最高的，坚固耐用，使用寿命最高可达25年，但制作成本高；多晶硅电池组件的制作工艺与单晶硅电池相近，光电转换效率约14％，制作成本比单晶硅电池低，但使用寿命比单晶硅电池短；非晶硅电池组件是新型薄膜式电池组件，制作工艺与单晶硅和多晶硅电池的完全不同，制作成本低，弱光效应优于晶硅电池，但光电转换效率偏低，且衰减较快。光伏电站中主要的光伏组件的特点如表2-1所示。
表2-1 光伏电站中主要的光伏组件的特点
3.光伏方阵的分类和特点
由若干个光伏组件在机械和电气上按一定方式组装起来，并且由固定的支撑结构构成的直流发电单元称为光伏方阵。在光伏发电系统设计中，光伏方阵的安装方式对系统接收太阳总辐射量有很大影响，从而影响到光伏发电系统的发电能力。光伏方阵按照安装方式的不同可以分为固定式和跟踪式两种类型。固定式的光伏方阵分为水泥基础和地锚基础两种类型，如图2-5和图2-6所示。跟踪式的光伏方阵则可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种类型。
图2-5 固定式水泥基础
图2-6 固定式地锚基础
光伏方阵的单轴跟踪一般采用3种方式：第一种方式是旋转轴倾斜布置光伏方阵东西方向跟踪；第二种方式是旋转轴南北水平布置，光伏方阵东西跟踪；第三种方式是旋转轴东西水平布置，光伏方阵南北方向跟踪。这3种方式是南北方向或东西方向的单轴跟踪，工作原理基本相似。以单轴跟踪方式为例（见图2-7），单轴跟踪装置的旋转轴东西方向布置。控制器计算太阳角度的变化，控制旋转轴转动，使太阳能电池板作南北方向的俯仰运动，以跟踪太阳。采用这种跟踪方式，一天之中只有正午时刻太阳光与电池板相垂直，而在早上或下午太阳光线都是斜射。采用单轴跟踪的特点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集光线的效果并不理想。
光伏方阵的双轴跟踪中双轴指的是方位轴和俯仰轴，方位轴垂直于地面，俯仰轴垂直于方位轴。根据太阳角度的计算方法，工作时光伏方阵根据太阳位置的理论计算值，绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变光伏方阵的倾斜角。这种跟踪装置的跟踪准确度高，支持机构容易设计，但是在计算太阳角度的过程中容易出现误差，影响跟踪准确度。双轴跟踪原理示意图如图2-8所示。
图2-7 单轴跟踪原理示意图
图2-8 双轴跟踪原理示意图
单轴跟踪和双轴跟踪的安装效果图如图2-9和图2-10所示。
图2-9 单轴跟踪系统
图2-10 双轴跟踪系统
4.光伏组件的电气连接
光伏组件通过串联和并联连接后形成光伏方阵，光伏方阵再通过导线接入直流汇流箱，具体的电气连接图如图2-11所示。
5.光伏组件的组成和结构
光伏组件由焊带、钢化玻璃、EVA［Ethylene（乙烯）、Vinyl（乙烯基）、Acetate（醋酸盐）］胶膜、背板、铝型材边框、硅胶、接线盒、电池片等组成，相应的结构如图2-12所示。其中，钢化玻璃起支撑作用，能增强光伏组件的承重和载荷，透光、阻水、阻气、防腐蚀；铝型材边框用来保护玻璃边缘，加强光伏组件密封性能和提高光伏组件整体机械强度，便于光伏组件的安装和运输；EVA胶膜为热熔胶黏剂，封装电池片，将电池片、钢化玻璃、背板粘接在一起，具有一定粘接强度，能增强组件的抗冲击性能；背板作为背面保护封装材料，对阳光有反射作用，提高组件效率，耐老化、耐腐蚀、不透气，具有较高的红外发射率，还可降低光伏组件的工作温度；硅胶用于粘接、密封层压好的玻璃光伏组件，粘接接线盒和背板。
图2-11 光伏组件的电气连接图
图2-12 光伏组件的结构图
6.光伏组件的常见故障及分析（1）光伏组件的PID现象
PID（Potential Induced Degradation，电位诱发衰减）产生的原因是电池片和组件边框之间产生漏电流，最终导致光伏组件的电位衰减。
PID现象产生的原因：水汽进入组件，EVA胶膜水解出醋酸，醋酸与钢化玻璃中析出的碱反应产生钠离子，靠近光伏组件负极的电池片在负偏压的作用下产生漏电流，漏电流导致钠离子由钢化玻璃到电池片表面移动，导致光伏组件的电位衰减，从而影响光伏组件的性能。光伏组件PID产生过程示意图如图2-13所示。
图2-13 光伏组件PID产生过程示意图
防范PID衰减的方法有：采用质量更好的组件材料和升级制造工艺，提高EVA胶膜的可靠性，使光伏组件负极接地或给光伏组件施加正向偏压。（2）光伏组件的热斑效应
由于阴影、遮挡等原因导致光伏电池组件出现的热斑现象如图2-14所示。
图2-14 光伏组件的热斑现象
热斑效应是由于在一定条件下，一串联支路中被遮蔽的光伏电池组件将被当作负载消耗其他有光照的光伏电池组件所产生的能量，被遮蔽的光伏电池组件此时会发热。热斑效应使光伏电池组件的实际使用寿命至少减少10％。在实际使用光伏电池组件中，若热斑效应产生的温度超过了一定极限将会使光伏电池组件上的焊点熔化并毁坏栅线，长时间的热斑会对组件造成永久损坏。热斑效应产生的原因大致
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