光伏电站设备选型、土建施工、设备安装质量问题解决方案

 

引言

国家能源局最新数据显示，截至2015年9月底，全国光伏发电装机容量达到3795万千瓦， 1-9月全国新增光伏发电装机容量990万千瓦，同比增长161%。本文针对平原光伏电站在建设过程中的一些常见问题做了分析总结，希望对在建及拟建光伏电站提供有益的借鉴。

正文

伴随着中国市场的兴起，大批投资者纷纷进军光伏电站领域，由于部分投资者仅仅是因为看到国家给予光伏电站的巨大的优惠政策而投资光伏电站建设，未能对电站建设质量引起足够的重视，以至于许多已建成光伏电站存在较多的质量问题，严重影响电站经济效益。笔者仅从电站设备选型、土建施工、设备安装三方面加以分析，提出解决方案，为拟建或在建光伏电站工程提供一定的参考。

一、严把设备关，从源头抓起

    优良的设备质量是保证一个光伏电站全生命周期稳定运行的关键，近期一些光伏电站出现的质量问题已引起广泛关注,其中主要包括大型地面电站的组件负偏差、逆变器高故障率等，可以说，优质的设备选型是光伏电站质量控制的根本。

（一） 光伏组件

2013年，甘肃、新疆等地光伏电站组件开始出现蜗牛纹现象；2014年，青海、内蒙古、湖南、山东、河北等地光伏电站开始大面积出现蜗牛纹、闪电纹问题，最严重的地区蜗牛蚊及删线腐蚀出现比率达到95%，更有甚者，个别电站组件在尚未并网的情况下即有70%的组件出现蜗牛纹问题，严重威胁到光伏电站全生命周期高效稳定运行。

如何维持光伏组件稳定高效运行，笔者有三点建议：第一、减少光伏组件存在问题，如电池制造中加强现场监造，避免边缘短路、栅线局部短路、烧结度不够或过度、电池片选型不匹配等问题；第二，现场安装和搬运严格按照施工工艺进行，避免摆放不平错位、搬运时用头顶肩扛、安装时踩踏等问题；第三，选用高效优质光伏组件，合理布置光伏组串，需求组件逆变器最佳配比。

（二）逆变器选型

光伏逆变器是专用于太阳能光伏发电领域的逆变器，是光伏系统中不可缺少的核心部件之一，其最大的作用在于将太阳能电池所产生的直流电通过电力电子技术转换为能够直接并入电网、负载的交流能量。

光伏逆变器按照其应用场合可分为集中式逆变器、组串型逆变器及微型逆变器。

集中式逆变器具有便于管理、可靠性高、电能质量高、各种保护功能齐全、电站安全性高、有功率调节及低电压穿越能力强，电网调节性好等优点，也存在组件配置灵活性相对较差、内置直流熔丝存在起火风险、容易出现过载或轻载、失配或超配现象、维护工期长、对发电量影响较大等缺点。

组串式逆变器的优点是：组网结构简单、分布灵活、可充分利用不规则面积、组件不一致性对发电量影响小、运营维护简单，其缺点为：电子元器件多、可靠性稍差、风吹日晒容易导致外壳及散热片老化、直流分量大、总故障率高且后果较严重、零电压穿越能力差、施工时容易出现出现接错、反接、松接、虚接等问题。

微型逆变器将每个光伏组件与一个逆变器相连，同时每个组件有一个单独的MPPT跟踪，其优点是：安装简单、、投资节省、无直流部分设计及直流损耗、无直流高压、系统安全稳定性高，其缺点是：造价高、运维成本高。

综合以上分析可知，三种逆变器各有优缺点，光伏投资者应秉承“因地制宜、科学设计”的设计理念，针对不同的应用地点，应该选择不同类型的光伏逆变器，例如：对于大型地面电站推荐采用集中式逆变器；对于山地光伏电站宜采用多路MPPT集中式逆变器，部分内容量小、复杂地形的电站则应采用组串式逆变器；对于容量较大的屋顶光伏电站推荐使用组串式逆变器，户用屋顶光伏则可采用微型逆变器。对于平原光伏电站，在接近投资成本的情况下，笔者建议可根据实际情况采用集中式逆变器或组串式逆变器。

（三）电缆选型

在光伏发电系统中，电缆是配套电气设备的基础，其合理选型和敷设方式直接影响着整个发电系统，如果电缆的使用寿命无法与光伏电站设计使用年限相一致，将会导致系统的运维成本增高，发电效率下降。

光伏发电系统电缆选型应按照电压等级、允许工作电流、允许电压降、短路热稳定性、经济电流密度及敷设环境条件因素等进行选取。考虑到大型光伏电站多建于沙漠、濒海、滩涂、戈壁等自然条件恶劣的地区，占地面积大，电缆基本采取直埋方式敷设，对电缆的耐热阻燃、防紫外线、耐臭氧、耐酸碱、抗盐雾等性能具有较高的要求，对于高盐雾滩涂地区，建议不排除使用海缆或其它特制电缆。

二、搞好土建施工，从基础做起

土建，一般是指土建工程，土建工程是指一切和水、土、文化有关的基础建设的计划、建造和维修。现在的土建工程大都专指小土建专业，包括住宅、公共建筑、构筑物等的一次建设，如降水、挖土方、打地基、浇筑柱梁板墙等维护结构的浇筑与砌筑工程及其配套的钢筋、简单装饰等。俗话说，一切要从基础做起，笔者认为，光伏电站工程要从土建抓起。随着大型光伏电站项目逐渐增多，光伏电站建设要面临不同的地貌特性，对土建施工工艺有着不同的要求，土建施工，看似简单，实则复杂，包括：1）光伏组件支架基础、2）光伏组件支架结构、3）光伏区、管理区生产生活区构建筑物基础及结构，是光伏电站工程建设质量的根本。

作为新兴产业，光伏电站建设工程一线工程技术人员往往比较缺乏，施工管理团队在项目施工技术指导、质量把关上经验不够丰富，会出现这样那样的问题。这就要求业主在电站建设质量管理过程中，严格细致，有针对性地进行扎实有效的管理，才能确保我们工程质量达到预期目标。

    （一）积水问题

受土地资源限制，较多平原光伏电站建于近海滩涂地区，地下水位较高，一般为0.5-1.0米，且长期处于饱和状态，雨季下大雨或连续降雨时往往无法自行吸收或排出；容易形成场区内涝、电缆沟积水等问题，严重时会影响电气设备稳定运行。

积水问题主要发生在滩涂平原光伏电站，光伏方阵布置较集中，地面积水很难采用蒸发、自流排出。

笔者对建于近海滩涂地区的光伏电站提出如下建议：

1）对于已建成光伏电站，采用内堵、外防、输水方案进行治理，对电缆沟渗漏处，使用堵漏剂对渗漏处进行封堵，漏点封堵成功后再使用高强度水泥对电缆沟进行整体全封堵，最后使用混凝土对电缆沟再进行加固，保证封堵严密，混凝土压实，出浆平滑；基础周围土层进行夯实硬化，外围挖掘环形泄水沟，使雨水及时通过主排水沟排出；光伏厂区按照地势挖掘横向或纵向的排水沟，将场区内积水依地势排入排水渠。

2）对于新建光伏电站，加大对设计、施工环节的重视，应结合滩涂地区的自然气候，参照30年NASA数据及当地气象局数据，充分考虑当地30年不遇降雨、50年不遇洪涝灾害进行排水设计，包括设置满足场区排水需求的雨水泵房，合理设计场区排水沟渠，适当抬高逆变器（室）及箱变基础，使箱变电缆室及逆变器电缆沟高出地下水的水平面，尽量避免电缆室及电缆沟道内存水，同时做好电缆室封堵，防止设备触头挂硝。施工过程中，严格规范施工过程管理，按照施工工艺要求，保证混凝土配比、浇筑振捣密实度及浇筑厚度，振捣程度、基坑回填满足施工工艺要求。

（二）风载荷问题

风载荷是大型光伏电站中作用力最大的作用力载荷，无论何种光伏电站，风载荷都是需要考虑的主要因素，这一点在大型荒漠电站中尤其重要。如何采取必要的防风措施，避免风载荷对光伏支架系统的破坏，保证光伏电站正常运行是每一个业主必须面对的问题。

针对大型荒漠电站出现的风沙问题，笔者给出如下建议：

1）组件桩基设计过程中，充分考虑荒漠地区土质相对松软，持力层较深的实际情况，选择合理桩型，增加桩基长度，使其具有足够的抗拔力和耐张力。

2）组件支架设计过程中，充分考虑环境因素，合理使用钢材，使其具有足够的耐张力，维持光伏组件支架固定牢靠。

3）由于我国大型荒漠电站集中于西北地区，而西北地区的以北风和西北风为主，对支架系统的破坏力巨大，应考虑光伏电站外围东、西、北三面就近设置1-2米的防风墙或防风网，使电站支架系统所受风载荷降低。值得注意的是，为防止防风墙在极大的风载荷下垮塌，应考虑每间隔一段距离，设置侧向支撑，并在风口处进行加固、留导流口。

4）此外，在支架系统后立柱上加装挡风板（带有大量圆孔的薄板，当气流通过时，降低风速，减少风的湍流），也可以增加支架系统的结构安全性，保证组件不会受到很大的风压。

（三）道路问题

大型地面光伏电站具有占地面积大、逆变器（室）分布较分散的特点，如何合理的设置电站道路，满足光伏电站施工运维的要求也是业主必须面对的问题。有些光伏电站往往认为只要完成施工即可，忽略了后期电站运维的使用，不能合理的设置道路，或者不注重道路建设质量，给电站后期运维造成极大的不便。

有些场站只设置施工道路，而且施工完成后没有加固，造成雨季期间降雨后场区道路泥泞，车辆无法正常通行，严重影响电站运维人员正常巡检。

还有一些场站忽视环形道路及直行道路互通设计，逆变器（室）发生事故时现场运维人员不能及时赶到，造成扩大事故，影响电站收益。

针对电站道路问题，笔者给出建议：

1）根据光伏场区实际情况设计光伏进站道路、施工道路，如果进站道路兼作施工道路，施工完成后一定要进行修复、加固，保持道路平整。整个光伏电站场区道路设计环形道路，道路之间要有交错。

2）针对光伏电站占地面积大，全部光伏场区硬化不具备条件的客观情况，重视道路质量问题，严格执行道路施工标准，控制道路坡度与平整度，在概算允许的范围内做到道路硬化处理（最低要求低级山皮石路面。道路路面宽度为4m，转弯半径为6.0m），以提高道路的承载能力，增加防水与排水能力，从源头解决道路质量问题。

3）道路定期维护可以延长路面使用寿命，受工程造价控制，光伏场区道路质量一般较差，只有加强维护，道路才能良好通行。

4）严格控制道路行驶车辆，除必要的巡检车辆外，严禁其他社会车辆、尤重型车辆通行。

三、抓好设备安装调试，确保工程顺利完工

可以说，要想确保一个光伏电站安全稳定运行25年，土建施工是基础，设备安装是关键。随着投运大型光伏电站的不断增加，由于设备安装工艺不合格而引发的事故层出不穷，必须引起投资方足够的重视。

（一） 隐蔽工程

光伏电站设备安装又分为隐蔽性工程安装和地面工程设备安装，隐蔽性工程安装主要包括接地网、直埋电缆等。2015年，某光伏电站由于敷设电缆时未按照规范进行敷设，造成施工中电缆护套被划伤，导致运行过程中雨水进入电缆内部，引发电缆事故，导致集电线路跳闸，影响光伏电站运行。

对于隐蔽性设备工程（电缆敷设、地埋电缆等）安装，应综合考虑工程条件、环境特点和电缆类型等因素，按安全可靠、便于维护的要求和技术经济合理的原则来选择，采取直埋敷设、穿管敷设、槽架内敷设、电缆沟敷设等敷设方式进行敷设： 1组件之间连接电缆及组串与汇流箱之间连接电缆，尽可能利用组件支架作为电缆敷设的通道支撑与固定，在易受到机械损伤的地方，应加保护管，同时避免在施工过程中，人为因素造成的机械拉伤； 2汇流箱至直流柜之间、逆变器至箱变之间的连接电缆以及与道路、水渠有交叉或需穿墙时需采用保护管敷设方式；3直埋电缆按照规范的要求，挖完直埋电缆沟后（电缆沟深度不应小于0.7m，穿越农田时不应小于1m，且电缆应埋在冻土层以下），采用铺砂垫层--敷设电缆--填砂--盖砖--回填夯实--埋设电缆桩的步骤进行敷设； 4采用电缆沟敷设电缆的情况下，应做到高低压电缆分开，交直流电缆分开，动力电缆和通信电缆分开的原则进行敷设； 5因地制宜设计合理可靠的防雷接地方案，如遇到接地网与直埋电缆同沟敷设的情况，一定要注意接地网需较直埋电缆埋深增加200毫米，且与直埋电缆分层隔开。

     （二）地面工程

与隐蔽工程相对应的是地面工程安装，包括支架安装、组件安装、逆变器安装、汇流箱安装、二次设备安装及其他电气设备安装。近年来，国内外均陆续报道了不少光伏电站的安全事故，多为各种原因引起的火灾、雷击、触电等，其中，比较多的案例是光伏电站起火、电气设备烧毁事故。2012年7月，德国某地的光伏电站发生火灾，2013年8月，天津某生态城服务中心的屋顶电站项目发生火灾，2015年5月，位于美国亚利桑那州的苹果公司Mesea数据中心发生火灾，虽然最后查明起火原因多为天气过热所致，但是，我们更应该从电站本身的建设、管理等方面深究原因。

对于地面设备安装工程，笔者给出建议：

1） 支架安装应避免在雨雪的天气下进行,保证光伏支架的紧固度及偏差度在允许范围内，避免施工过程中进行气焊扩孔，以防止破坏支架镀锌层，焊接、防腐和接地工作严格按照设计进行施工。

2） 组件安装应注意避免电性能偏差较大的光伏组件安装在同一个组串内，接插件应连接牢固，组串间连接线应进行绑扎，整齐、美观，尽可能依据支架横梁进行敷设，安装和移动过程中杜绝拉扯导线，避免造成玻璃及背板的划伤或破损，相邻组件间若存在跨接线宜采用PVC管进行保护。

3） 光伏逆变器安装操作必须由专业技术人员完成，线缆必须连接牢固，满足当地以及国家电气标准，在安装之前，务必采用不透光材料将光伏电池板覆盖或断开直流侧断路器。

4） 由于汇流箱多安装于室外，汇流箱支架及固定螺栓应采用镀锌件，接线、接地应牢固、可靠，避免虚接、或漏接，在汇流箱的组串接引线连接前，将组串从中间断开，在确保没有电压的前提下开展接引工作。

5） 由于光伏电站存在扩建可能，电气二次系统安装时注意盘柜不宜焊死；安装过程应严格遵守《电气装置安装工程盘、柜及二次回路接线施工及验收规范》GB50171及设备制造厂的相关规定。

（三）防雷工程

通过专业机构专门针对光伏电站开展光伏电站质量安全风险监测显示； 如果光伏方阵没有可靠接地，可能导致组件边框带有高压，人员或动物靠近时，会有触电的危险；如果汇流箱和逆变器外壳没有可靠接地，容易造成维护人员带电操作，危及人身及设备安全。而且，由于光伏方阵占地面积较大，如果不能可靠接地，雷雨天气时容易引发雷击，造成设备损坏甚至组件及线路的燃烧。

所谓防雷接地系统就是指采取有效措施，防止直击雷、感应雷、雷电波对光伏电站的破坏，保证光伏电站长期稳定、安全、可靠的运行的系统。光伏电站防雷接地系统的可靠性将直接关系到电站是否存在遭雷击的风险。目前，国内对光伏电站的防雷接地措施尚无明确的设计要求，特别是无标准规定光伏电站的防雷接地是否必须采用独立接地的方式。为降低成本，国内已建设的分布式光伏电站仅有少数进行了独立接地，其余大部分与建筑物共用防雷接地系统。

笔者认为，对于大型地面光伏电站防雷系统来说，主要应防止直击雷、感应雷和雷电波，对直击雷的防护应包括对光伏场区组件阵列和光伏站区变电、监控设备的防护，防雷设备主要采用避雷针和避雷带。光伏阵列及相关设备要通过接地极有效接入到场区接地网，汇流箱，逆变器，交流配电柜都安装防雷器。在施工过程中要做到：1保证防雷接地所用材料有角钢、圆钢、扁钢符合设计规范，杜绝作业人员用错材质；2严格审核专业防雷接地队伍的资质等级，保证施工队的技术人员、班（组）长和带领实际操作的骨干人员必须持证上岗。3在施工过程中设置质量控制点，制定预控措施，实行动态监督，关键部位或工序实行旁站监理，保证施工质量；4建立操作人员自检、专职人员验收、监理工程师检查和确认的“三检”验收制度，及时做好防雷工程验收工作。

结语

光伏电站中建设过程中产生质量问题，无疑会降低光伏电站的输出性能，导致电站经济收益下降，甚至直接导致电站失效。要想保质保量的完成光伏电站工程的建设工作，各参建单位必须要应用光伏电站全生命周期理念，建立健全质量管理体系，严格按照设计标准进行施工，在设备选型、施工建设过程中进行严格的质量管控，进而保证我们在光伏电站长达25年的生命周期里能够安全稳定运行，尽可能降低潜在安全风险。

 

参考文献：

[1] 光伏发电站设计规范.中国计划出版社.2012.10.

[2] 电力工程电缆设计规范.人民出版社.2008.3.

[3] 光伏发电工程施工组织设计规范.中国计划出版社.2012.10

[4]国家能源局，《光伏发电运营监管暂行办法》，2013。

[5]国家发改委，《光伏电站性能检测与质量评估技术规范(征求意见稿)》，2014。