光伏电站运维现状分析

2024-02-10周亚男

太阳能 2024年1期

周亚男

(中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华北电力试验研究院，北京 100040)

0 引言

自2011 年以来，中国光伏产业发展迅猛，尤其是2016～2022 年，光伏发电年新增装机容量均不低于3000 万kW；2023 年前3 季度光伏发电新增装机容量更是达到12894 万kW，同比增长145%，具体增长情况如图1 所示。

图1 2011—2023 年前3 季度中国光伏发电总装机容量与年新增装机容量变化情况Fig. 1 Total installed capacity and annual newly added installed capacity changes of PV power generation in China from 2011 to first three quarters of 2023

据国家能源局统计数据显示，截至2023 年9 月底，全国光伏发电总装机容量已达到5.2 亿kW，其中，集中式光伏发电的总装机容量为2.95亿kW，分布式光伏发电的总装机容量为2.25亿kW；2023 年前3 季度，全国总光伏发电量为4369 亿kWh，同比增长33%；2022 年全国光伏发电平均利用率已达98.3%，同比提升0.3 个百分点。为了进一步加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系，2022 年5 月国家发展和改革委员会、国家能源局发布了《关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案》(国办函[2022] 39 号)，提出到2030 年中国风电、太阳能发电总装机容量达到12 亿kW 以上的目标。这一目标的提出将进一步促进中国光伏发电的快速发展。据国际能源署(IEA)此前的预测，到2027 年，光伏发电将超越煤电、天然气和水电，成为全球装机容量最大的电力来源。

虽然国内光伏电站的规模不断扩大，但在这一过程中，其建设与运行也暴露出了一些问题。比如，一些光伏电站开发企业为了抢占太阳能资源，人为缩短光伏电站的设计与建设时间，导致出现光伏电站前期设计不合理、施工质量不达标等问题[1]。从国内光伏电站实际运行情况来看，当前许多光伏电站的运维与管理还处于相对粗放的程度，且一些光伏电站的高技术水平运维人员配备不足，导致电站的后期运维困难。随着新能源发电走向高质量发展之路，光伏电站的精细化管理也受到越来越多的关注，光伏电站的提质增效也随之成为各大发电企业的工作重点。

为了进一步了解目前中国光伏电站运维中存在的问题，本文从云南省、贵州省、湖北省、宁夏回族自治区、山西省、内蒙古自治区、青海省、河北省、陕西省、四川省、上海市、新疆维吾尔自治区、江苏省、甘肃省、辽宁省、江西省这16 个地区选取46 个光伏电站作为研究对象，针对这些电站在2021 年的技术监督过程中在光伏电站技术管理、节能与光伏发电单元这3 个方面出现的重点问题进行详细统计分析，用于反映光伏电站的运维现状；并针对这些问题，从国家、行业标准与新技术角度给出相关建议。

1 光伏电站技术管理中存在的问题

本文选取的46 个光伏电站的规模大小不等，装机容量在1～50 MW 之间，投产时间最早的为2013 年，最晚的是2020 年。从技术管理方面来看，这些光伏电站存在4 类重要问题，出现总频次为40 次，问题的具体内容及占比如表1 所示。

表1 光伏电站在技术管理方面存在的重要问题的内容及其占比Table 1 Content and proportion of important issues in technical management of PV power stations

下文分别针对4 类重要问题进行分析。

1.1 未定期开展光伏电站无人机巡检

统计发现，2021 年46 个光伏电站中共有15个光伏电站未定期开展无人机巡检，问题类型占比为32.61%。

相比于人工巡检，无人机巡检通常可以发现更多问题，比如光伏组件内连接断开、光伏组件热斑、太阳电池碎裂、光伏组串缺失等缺陷与故障，且无人机巡检的效率、准确度和灵活性均更好。随着无人机性能的逐年提升，光伏电站巡检时由无人机巡检取代人工巡检，已逐步成为主要巡检方式[2]。

无人机巡检可通过搭载多光谱相机进行光伏组件数据的快速采集，通过对光伏组件红外图像进行分析处理，实现其缺陷的准确定位；同时，结合可见光图像可实现对光伏组件缺陷类型的判别，指导光伏电站运维人员对存在缺陷的光伏组件采取适当的修复手段[3]，有效保障光伏电站的安全、高效运行。此外，基于光伏电站的站内情况及电站的电子地图，无人机可实现自主寻找最优巡径和避障控制功能，为其进一步在复杂地形光伏电站中的应用提供技术保障[4]。

但实际上很多光伏电站并未采用无人机巡检技术，一方面是因为光伏电站自身条件不具备采用无人机巡检技术，或者不具备对无人机巡检结果进行分析处理的能力，无法自主开展无人机巡检工作；另一方面是因为成本较高，若通过寻求外部技术力量开展无人机巡检，则光伏电站运维成本会相应增加，对于一些运维资金不充足的光伏电站而言，定期开展无人机巡检的意愿就不会很强。

结合无人机巡检技术的优势与其在光伏电站中已相对成熟的应用现状，建议还不具备无人机自主巡检的光伏电站针对该项技术开展相关技术人员的培训，培养自主操作无人机巡检与检后数据处理分析的能力，并在此基础上构建光伏电站无人机巡检结果数据库，这样有利于光伏电站的后期高质量运维。

1.2 不重视光伏电站工程移交生产工作

统计发现，46 个光伏电站中共有13 个光伏电站在工程移交生产工作方面存在问题，问题类型占比为28.26%。

工程试运和移交生产验收内容及这期间需要开展的测试等工作均在GB/T 50796—2012《光伏发电工程验收规范》中有明确规定。在这些方面存在问题的光伏电站主要表现为不重视工程移交生产工作，导致此类工作开展不到位，出现光伏场区内未完工现象较为严重的情况，比如，部分角度调节连杆、角度调节液压杆、光伏组件等设备未完成全部安装，升压站内部分尾工未完成，未定期开展光伏发电量核算和光伏组件、逆变器等设备的测试。

上述问题的出现会给光伏电站后期运维造成不良影响，新建光伏电站投运生产前必须认真对待工程移交生产工作，尽量避免此类问题的出现。

1.3 未按设计要求及时调整固定可调式光伏支架倾角

统计发现，46 个光伏电站中共有31 个光伏电站的光伏支架为固定可调式光伏支架，其中，7 个光伏电站出现了固定可调式光伏支架倾角未按设计要求及时调整的技术管理问题，问题类型占比为22.58%。

对不同设计装机容量的并网、离网光伏发电系统进行光伏支架优化设计时，可根据不同安装地点的气象、太阳辐照量数据库资料，结合设备、材料及人工成本，从技术性、经济性等诸多方面优选出可靠性和可操作性较好的一种光伏支架方案[5]。

固定可调式光伏支架是通过调整光伏支架倾角来保证光伏组件可以获得更多的太阳辐射，相较于固定不可调式光伏支架，固定可调式光伏支架可以提高光伏电站的全年发电量。但在光伏电站实际运行过程中，固定可调式光伏支架的倾角调整情况并不理想，这主要是因为固定可调式光伏支架的主体结构与固定不可调式光伏支架的大体相同，有些光伏电站会直接将固定可调式光伏支架作为固定不可调式光伏支架使用，而当固定可调式光伏支架的调节机构缺少维护时，其会卡涩不易调整，导致减少了调整次数。此外，有的光伏电站所处地形复杂，全站调整一次倾角所耗人力与时间过多，出于管理人员积极性或成本原因，也会导致此类光伏电站的光伏组件安装倾角未按照可行性研究报告中设计角度调整。上述情况均会造成光伏电站发电量损失，以及出现综合系统效率达不到设计值的问题。

选取出现此类问题光伏电站中的1 个光伏电站，其可行性研究报告显示，该光伏电站每年需要调整4 次所有光伏支架的倾角，最短的调整时间间隔为2 个月，其全年的光伏支架倾角调整计划如表2 所示。

表2 某光伏电站的全年光伏支架倾角调整计划Table 2 Annual PV bracket inclination adjustment plan for a PV power station

从该光伏电站2021 年7 月的现场实际情况来看，其17 个光伏子阵中仅有7 个光伏子阵的光伏支架倾角为13°，其余10 光伏子阵的光伏支架倾角仍为50°。由此可知，该光伏电站在4 月和5 月时，其光伏支架倾角也未按照设计要求调整为24°。根据该光伏电站实际发电能力估算，7月时光伏支架倾角为50°与其为13°时的发电量相差幅度可达15%～20%，未按设计进行光伏组件倾角调整已严重降低光伏组件发电能力。

在光伏电站建设前期的可行性研究阶段，针对光伏支架形式进行经济性比选时，建议将光伏支架倾角调整困难问题带来的成本增加与收益减少部分也考虑在内。

1.4 光伏电站的实际系统效率与可行性研究报告中数值偏差较大

统计发现，46 个光伏电站中有5 个光伏电站出现了实际的光伏电站系统效率(PR)与可行性研究报告中的数值偏差较大的问题，且主要出现在新投产的一部分光伏电站中，问题类型占比为10.87%。

光伏电站系统效率是评价光伏发电系统性能的关键指标，是光伏发电系统实际输出功率与理论输出功率的比值，即整个光伏发电系统在扣除所有损耗(包括太阳辐照损失、线损、器件损耗、灰尘损耗、热损耗等)后实际输入到电网的功率与理论输出功率的比值。光伏电站运营过程中需要掌握这一指标的真实值，若与设计值偏差较大，则需要根据偏差对影响因素进行逐一分析，以找出重要影响因素，然后有针对性进行系统效率提升。

从上述5 个光伏电站中选取1 个，根据该光伏电站的上网电量和太阳辐照度数据，可计算得到该光伏电站在2021 年8 月的系统效率为112.3%，显然该数据失真，且与可行性研究报告中的数值偏差较大。从剩下的4 个光伏电站中再选取1 个光伏电站，根据该光伏电站的上网电量和太阳辐照度数据，可计算得到该光伏电站2021 年前7 个月的系统效率为78.15%，而该光伏电站可行性研究报告中对应的值为81.6%。

上述两个光伏电站的系统效率分别存在数据失真和数值偏低两种情况。针对数据失真问题，建议此类光伏电站每月至少检查和维护一次辐照仪，确保气象站检测仪器数据准确；如果出现光伏电站系统效率明显比可行性研究报告中数值偏低的情况，此类光伏电站可根据相应数据开展功率预测模型优化升级、系统效率计算过程具体分析等方式寻求解决方案。

2 光伏电站节能中存在的问题

从节能方面来看，所选光伏电站存在5 类重要问题，出现总频次为64 次，具体如表3 所示。

表3 光伏电站在节能方面存在的重要问题的内容及其占比Table 3 Content and proportion of important energy saving issues in PV power stations

2.1 未开展光伏组件功率衰减及相关效率计算

统计发现，46 个光伏电站中有17 个光伏电站出现了未开展光伏组件功率衰减检测的问题，问题类型占比为36.96%，有16 个光伏电站出现了未开展逆变器转换效率检测的问题，问题类型占比为34.78%，有19 个光伏电站出现了未开展光伏电站系统效率计算的问题，问题类型占比高达41.30%。

在光伏电站运维过程中，通过开展光伏组件功率衰减、逆变器转换效率检测能及时发现光伏组件及逆变器存在的问题，有助于及时更换效率低下的设备，有效提高发电效率。而光伏电站系统效率是评价光伏发电系统性能的关键指标，光伏电站应定期开展相关数据的计算与分析，若发现异常，及时排查处理，可提高光伏电站发电效率。有条件的光伏电站可建立运维数据在线监测与计算平台，这样可以保证光伏电站关键参数的及时获取与处理，有助于快速了解电站当前运行状态。

2.2 气象数据不准

统计发现，46 个光伏电站中有8 个光伏电站出现了气象数据不准确的问题，问题类型占比为17.39%。

光伏电站发电性能评估离不开准确的气象数据和太阳辐照度数据。在光伏电站监测系统中气象数据发挥着重要作用，精确的气象数据是评估光伏电站发电性能参数的关键。因此，每个光伏电站监测系统都需要一组气象监测传感器和几块不同种类的太阳辐射检测仪表，用于计算光伏电站核心评估指标。这些传感器与检测仪表组成了光伏电站气象站，其一般布置在箱式控制室顶部，配有固定爬梯，电站工作人员需定期检查和维护传感器与辐照仪，确保气象站检测仪器数据准确，并根据数据开展功率预测、“两个细则”考核、系统效率计算与分析工作。斜面辐照仪倾角未及时跟随光伏组件安装倾角调整、气象数据未上传至监测系统、辐照仪脏污、辐照仪被遮挡、气象站风向标和风速仪卡涩等问题均会造成气象数据不准确。

根据GB/T 38335—2019《光伏发电站运行规程》要求，及时调整辐照仪角度及更换损坏设备，确保气象数据稳定可靠，便于进行光伏电站运行情况分析。建议光伏电站每月定期开展气象站维护工作，保持辐照仪表面清洁，并保证气象站各项监测数据的准确。

2.3 光伏输出功率超短期预测与短期预测合格率不符合规范要求

统计发现，46 个光伏电站中有4 个光伏电站出现了光伏输出功率超短期预测与短期预测合格率不符合规范要求的问题，问题类型占比为8.70%。

GB/T 33599—2017《光伏发电站并网运行控制规范》与NB/T 10128—2019《光伏发电工程电气设计》中要求，光伏电站发电时段(不含输出功率受控时段)的短期预测月平均绝对误差应小于0.15，月合格率应大于80% ；超短期预测第4 h 月平均绝对误差应小于0.10，月合格率应大于85%。国内各区域电力监管机构也出台了相应的考核办法，对光伏电站的输出功率预测合格率进行考核，有些区域的能源监管局对光伏输出功率预测合格率甚至有更高的要求，比如，华北能源监管局在2022 年修订的《华北区域光伏电站并网运行管理实施细则》中规定，光伏电站中短期输出功率预测中的日前预测准确率应大于等于85%，超短期输出功率预测准确率应大于等于90%。此类考核费用占输出功率预测效果欠佳光伏电站总考核费用的比例较高，在本文选取的光伏电站中有的光伏电站的这一比例达到了95%。

事实上，近年来国内外很多学者和厂家在光伏电站输出功率预测准确性提升方面做了大量研究和尝试，也取得了不错的效果[6]。尤其是一些新技术、新算法的出现[7-11]，使输出功率预测在工程实际应用中的准确性得到不断提升。建议光伏电站拥有者多关注相关研究成果与厂家的相关新产品，适时进行预测模块的优化升级。

3 光伏发电单元存在的问题

光伏发电单元方面，所选光伏电站存在6 类重要问题，出现总频次为78 次，具体内容如表4 所示。

表4 光伏电站在光伏发电单元方面存在的重要问题的内容及其占比Table 4 Content and proportion of important issues in PV power generation unit in PV power stations

3.1 光伏组件存在遮挡、脏污、灰尘、破损、老化等问题

统计发现，46 个光伏电站中有38 个光伏电站出现了诸如光伏组件被植被、鸟粪、其他物体遮挡等问题，问题类型占比高达82.61%，属于所选光伏电站中比较高发的问题，也是国内光伏电站中比较常见的一类问题。有6 个光伏电站出现了光伏组件表面有脏污、灰尘问题，问题类型占比为13.04%。13 个光伏电站出现了光伏组件破损、老化问题，问题类型占比为28.26%。

遮挡、脏污、灰尘、破损、老化问题均会影响光伏组件发电性能，影响光伏电站发电量，而且遮挡、脏污、灰尘有时还会使光伏组件出现热斑，损坏光伏组件，更有甚者会发生火灾，对光伏电站安全运行造成威胁。有些光伏电站的光伏组件表面灰尘较多、污渍沉积严重，影响光伏组件透光率；有的光伏电站中光伏组件存在背板发黄、蜗牛纹、太阳电池银栅线腐蚀、焊带氧化等异常现象；甚至有的光伏组件出现了爆板破损问题。上述情况均会对光伏组件的安全运行造成隐患，影响发电量。

GB/T 50796—2012 与GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》中均有针对光伏组件遮挡的处理要求，当出现光伏组件被植被、鸟粪遮挡等情况时，建议光伏电站制定清扫、除草计划，定期清理光伏场区内杂草、鸟粪，使光伏组件无遮挡；针对铁塔遮挡区域的光伏组件需分析遮挡造成的热斑对光伏组件寿命及发电量的影响，当影响程度超过标准要求时，需迁移此区域光伏组件或优化调整遮挡线缆的走向，使光伏组件处于无遮挡状态，避免产生热斑效应。根据GB/T 36567—2018《光伏组件检修规程》中的规定，光伏电站还需定期对光伏组件进行检测，评估设备发电性能。建议巡检时发现顽固污渍后及时清理，避免产生热斑，造成光伏组件损坏，并及时联系光伏组件供应商，依据合同规定对存在异常情况的光伏组件进行售后理赔。此外，应根据光伏电站技术经济性评价结果，更换功率衰减严重的光伏组件或增加因功率衰减而损失的装机容量。

3.2 固定式光伏支架倾角偏差大或光伏组串方位角偏差大

统计发现，46 个光伏电站中有11 个光伏电站出现了固定式光伏支架倾角偏差大或组串方位角偏差大问题，问题类型占比为23.91%。

当固定式光伏支架中存在部分光伏支架倾角偏差较大，超过设计值要求范围时，会导致光伏支架上的光伏组件之间交叉形成夹角并产生相互遮挡现象，从而影响光伏电站发电量。有的光伏电站中存在同一串光伏组串内的光伏组件表面呈现波浪状起伏的情况，导致同一串光伏组串的方位角存在较大差异，从而产生电流失配现象，影响光伏组件发电性能。

GB/T 50796—2012 中规定光伏支架倾角需要根据设计值进行调整，建议光伏电站定期安排人员去现场查看光伏支架倾角是否符合设计值要求。关于光伏组串方位角的规定在GB 50797—2012 中有所体现，需保证光伏组串方位角一致。建议光伏电站定期对同一个光伏组串的方位角进行现场检查，对于偏差较大的光伏组串所在光伏支架平面进行调整，保证方位角的一致，避免电流失配。

3.3 未定期开展光伏组件相关抽样检测

统计发现，46 个光伏电站中有5 个光伏电站出现了未定期开展光伏组件EL 抽样检测问题，问题类型占比为10.87%；有5 个光伏电站出现了未定期进行光伏组件的电流I、电压V特性一致性抽样检测问题，问题类型占比为10.87%。

NB/T 32034—2016《光伏发电站现场组件检测规程》中规定，光伏电站每年需开展光伏组件EL 抽样检测，排查光伏组件是否存在隐裂、碎片及电势诱导衰减(PID)现象，当光伏组件运行安全或发电量受到影响时，应进行故障检修或更换光伏组件；若光伏组件检测后的EL 图像结果与光伏组件初始EL 图像相比无明显变化，则光伏组件符合要求。

建议光伏电站每3 个月进行一次光伏组件的I-V特性抽样检测，如果电流、电压测试结果与被测光伏组件的标称值偏差较大，则需要及时查明原因。当偏差超过5%时，应按照故障光伏组件的检修方式进行检修，并针对电流偏差或电压偏差大于5%的光伏组串中的所有光伏组件开展光电转换效率测试。