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淺談集裝箱式光伏逆變器之發展
時間:2019-05-18 瀏覽:307次


在近兩年的光伏電站建設中,集裝箱式光伏逆變器已經成功地從名不見經傳、被拋棄發展到現今成為主流的光伏逆變器室解決方案。其特點是采用集裝箱,在工廠階段就將所有設備集成到里面,現場只需要做土建基礎固定集裝箱即可。這種設備的好處在于制造工期短、施工工期短、成本低。然而,就集裝箱式光伏逆變器本身技術成熟性,以及是否適用于我國等問題卻很少被關注和重視。

   鑒于最近集裝箱式逆變站在中西部的電站出現了數次故障,甚至導致電站發生火災,給國家財產和人身安全帶來了隱患,筆者就集裝箱式光伏逆變器的發展、集裝箱式光伏逆變器解決了哪些問題及集裝箱式光伏逆變器暴露的一些問題進行剖析,拋磚引玉,供業界參考和討論。

 

1 集裝箱式光伏逆變器之前世今生

   筆者由于在設計院工作的原因,參與了很多光伏項目方案的編寫、設備選型及技術對比等工作。就集裝箱式光伏逆變器本身而言,這種設備很早就有了。最初用于大型地面電站大概是在2009~2010年,主要推出的公司有SMA、KACO、西門子等國外一線品牌,主要使用地點是歐洲各國。

而我國光伏起步較晚,真正大型地面電站是從2008年的敦煌特許權招標開始,實際則是2010年才開始并網了一小部分。期間,集裝箱式光伏逆變器從未被認可過,一是由于其當時價格較高,二是排風散熱等問題難以解決。一直到2011年8月,國家出臺了1.15元電價及1元電價的具體執行時間,導致西北很多業主為了在當年年底前搶到電價,來不及考慮光伏逆變器排風、散熱,以及技術成熟性等問題。因為晚并網一天,就意味著整個電站的投資收益率下降將近1個點,時間就是金錢被得到了最充分的詮釋,出現過“通往西北的火車上坐的都是光伏人”的壯舉。而此時的集裝箱式光伏逆變器,成功地解決了業主們冬季建設逆變器室施工周期長、施工成本極高的問題,其應用量幾乎是一瞬間達到了和室內型逆變器持平的狀態。由于具備了安裝量,國內主流逆變器廠商的集裝箱式機房成本很快因成本平攤而降低,集裝箱式光伏逆變器也由此得到了長足的發展。然而其本身散熱難、后期維護成本高等問題,卻很少再次被關注或得到全面解決。

 

2 國內外集裝箱式光伏逆變器之應用場所分析

在歐洲,集裝箱式光伏逆變器之所以能得到廣泛應用,主要是因為其勞動力成本較高,而集裝箱式光伏逆變器很好地解決了這一問題,只需要2個工人和1臺工程吊裝車就解決蓋房子的所有問題。但是,歐洲光伏發電廠的廠址條件要遠遠好于國內的條件,其光伏占地是允許使用耕地的。去過歐洲光伏電站的人會知道,他們最頭疼的問題是夏天電站的草長的太長了,割草是一個很重要的工作,而不是像國內這樣清掃設備間的沙子;而且整個歐洲都沒什么荒漠化戈壁、沙漠及沙塵暴天氣。所以,集裝箱式光伏逆變器在應用中并未發現有太多問題,而且按照歐洲對產品設備的要求,其集裝箱的質量要遠遠好于國產的。

日本由于2012年福島危機,加快了建設新能源發電站的步伐,推出42日元/kWh的電價,使得日本也出現了將近1年的搶裝潮。不過日本的建筑法規定了如果要建房屋,就必須要進行相當復雜且周期長的審批,復雜到你不得不放棄這個項目。所以日本人為了變通,同樣想到了集裝箱式光伏逆變器,很好地解決了這一問題,集裝箱式光伏逆變器由此得到了廣泛應用。但是日本人的確是嚴謹的,他們為了解決逆變器的散熱問題,單獨在逆變器室內部裝設了空調進行散熱,且對集裝箱式光伏逆變器進行了很多改造。所以,可以說他們的集裝箱式光伏逆變器以降低發電量、提高成本保證了設備的安全性和先進性。

在中國,特別是西北地區,集裝箱式光伏逆變器的發展最主要的目的就是為了縮短工期搶電價。另外,由于中國人工成本普遍偏低,集裝箱式光伏逆變器想要得到長足的發展,就必須既要滿足工期短,又要滿足價格低。而中國主要地面光伏電站集中在西北地區,以寧夏、內蒙古、甘肅、青海、新疆等地為主,主要的土地類型為國有未利用荒地、沙漠及工業園區等,設備使用環境比國外的惡劣很多,這其實與集裝箱式機房應用場所的要求是背道而馳的,如果再不重視環境對集裝箱式光伏逆變器的影響,則會出現非常嚴重的后果。

 

3 國內集裝箱式光伏逆變器存在的3大問題

1)說不清的運維量。

集裝箱式光伏逆變器解決了安裝時的問題,卻帶來了后期運維及壽命短的問題。正常來說,如果將集裝箱式光伏逆變器放置在環境較好,沙塵、粉塵、 腐蝕性較小的地方時,其壽命可以達到20年,甚至30年;但如果是在環境較差的地方,其壽命要遠遠小于這個數值,筆者從目前國內主流的集裝箱機房廠家中了解到,壽命有可能不超過12年。若要延長壽命,就必須增加足夠的后期運營維護量。在后期的維護工作中,5年左右刷漆要改為2~3年刷一次,以減少其內涂膜脫落面積;2~3個月更換一次防塵網,以減少因進風量少導致的散熱不暢問題,甚至還要頻繁更換風扇。而對于逆變器室來說,由于其空間較大,發生更換風扇的概率較小。這些新增加的運維量到底有多大?廠家不會告訴業主真實的答案,甚至連壽命都不能那么確定,業主只能自己承擔其中的風險。業主所知道的只是運維肯定有,壽命則聽天由命吧。

2)被降低的可靠性及效率。

目前集裝箱式機房宣稱防護等級普遍為IP54,但因機房普遍采用直通風式散熱方案,實際只能達到IP44或者更低,無法阻擋灰塵和腐蝕性氣體進入逆變器;而灰塵在逆變器內電路板、端子排等的累積會造成爬電距離減小,最終造成放電、起火等安全風險,這是在西北地區發生過的真實案例。

筆者曾經在夏天去過寧夏某個集裝箱式光伏逆變器室,打開房門后,熱浪涌動,溫度高達50 ℃以上,而室外溫度只有30多度。房間小、散熱慢是一個原因,另一個原因則與其本身箱體材料有關。集裝箱機房普遍采用EPS或巖棉保溫板進行隔熱,根據集裝箱散熱方案和散熱能力的不同,集裝箱內部溫升將達到3~10 ℃,而對于散熱設計不良的機房,機房內溫升將達到10 ℃。一般根據逆變器降額策略,在機房內溫度超過50 ℃時功率就會開始下降,即應用在超過40 ℃高溫地區時,逆變器輸出功率將無法達到滿載,嚴重影響發電量。

3)未被充分考慮的維護空間。

從運輸條件的要求來看,集裝箱式光伏逆變器必須實現在當地集裝箱內部進行維護。但實際限于集裝箱的尺寸約束,以及某些廠商逆變器本身高難度的維護要求,使得逆變器內部部件在集裝箱內難以維護,導致其本地維護工作量很大且難以進行。

在日本,集裝箱式光伏逆變器內部設備距離柜門的寬度、逆變器等電氣設備與集裝箱內壁之間的距離都有明確要求,目的就是要保證足夠的設備維護空間,這些在日本JIS規范里都有詳細描述。而在德國等歐洲國家,由于采用二級室外直流匯流的緣故,所以沒有直流柜在一體化機房中,空間相對要充裕很多;即便如此,還是在柜前、柜后設置了相對充裕的空間,且集裝箱門要容易拆卸,以方便后期設備維護。

縱覽目前國內的集裝箱式光伏逆變器,普遍采用20尺標準集裝箱,甚至更小的集裝箱改造作為逆變器機房,其內部前后空間只有2.2 m,而逆變器深度普遍達到0.8 m;逆變器前面預留1.0 m維護通道,后面就只有0.4 m維護空間。狹小的空間對于逆變器和集裝箱內通信柜、配電箱等設備的維護將是一件很困難的事情。很難想象,如果某一臺逆變器設備壞了以后,需要現場更換較大的元器件并維護時,技術工程師將是在一個多么狹小的空間中進行維護。盡管這種逆變器大故障或更換元器件目前還沒怎么發生,但是從電氣設備使用壽命來說,10年是最長質保期,10年后元器件更換是必然的,可以確信地說,10年后的運維量和運維難度將因空間太小而被加大很多。

綜上所述,集裝箱逆變器方案在運維、可靠性、散熱等方面存在諸多不足之處。其能否發揮好自身產品特點,很大程度上取決于環境的影響、逆變器廠家或集裝箱廠家的產品質量和技術先進性,不是每一個地方都適用集裝箱式光伏逆變器,也不是每家的集裝箱式光伏逆變器都沒有問題。一般光伏電站的運營至少是20年,除了發電量外,業主在投資光伏電站上,會考慮初始建設成本,但更應注重電站的長期壽命、安全可靠和運維總成本。如何保障20年長期的電站收益,設備選型時就必須要考慮周期內的后期運維成本。這些問題是值得我們深思和研究的。

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