1 引言
中东部地区的土地较为稀缺，湖泊、水库、鱼塘受到了光伏电站开发者的青睐，越来越多的大型水面光伏电站陆续并网发电。大型水面光伏电站有何特点？逆变器如何选型？系统度电成本如何降低？一系列问题被置于投资者面前。本文结合大型水面光伏电站的两大特点及三大挑战，对电站设计中的关键技术、逆变器选型、系统布局等问题进行了深入探讨。
2 大型水面光伏电站的两大特点
• 特点一：组件安装面平坦，朝向一致，无遮挡等失配问题
无论是组件打桩安装或是漂浮于水面之上，安装面都十分平坦，朝向一致，基本不存在因遮挡和朝向不一致而带来的失配问题，和大型地面电站类似，如图1所示。
图1 组件安装面平坦，朝向一致
• 特点二：组件安装目前以固定打桩式为主，漂浮式处于示范阶段
固定打桩方式通常用在浅水区，如浅水鱼塘、煤矿塌陷区、小型湖泊等，如图2(a)。深水水域需考虑采用漂浮式安装方式，如图2(b)。目前固定打桩方式是主流应用形式，成熟案例较多，漂浮式多为容量较小的示范项目。
图2 水面光伏电站组件安装方式
3 大型水面光伏电站的三大挑战
• 挑战一：施工成本相对较高，投资收益下降
对于固定打桩方式，根据《10G409预应力混凝土管桩》设计要求：桩基底部进入池塘底不小于3m，上部桩端高出设计洪水位不小于0.4m。当水深3米，桩基高度至少需要6.4米，地桩建设成本较高。漂浮式方式，对浮体要求较高，需要考虑环保和25年使用寿命要求，因此，整体成本也较高。
• 挑战二：运维难度大，成本高，且受自然环境影响大
光伏组件铺设在水面之上，日常巡检需划船完成，如图3(a)所示，俗话说“水涨船高”，在丰水期，水面上涨，用于电缆走线的桥架可能阻挡船只前行，图3(b)所示。相反地，在枯水期，水面下退，淤泥较深，船只无法划行，人也无法行走，运维难度更大，图3(c)所示。在水草等植被生长旺季，水面被植物“侵占”，船只被阻挡，无法前往巡检，图3(d)所示。因此，在系统设计时需要充分考虑上述因素，确保后期维护的便利性，降低由于维护不及时带来的发电量损失。
图3 巡检难度大，受自然环境影响
• 挑战三：高湿盐雾环境，组件PID衰减加剧，对设备耐腐及防水能力要求更高
电站建设在水域，空气比较潮湿，组件易产生PID衰减。抽取某实际电站9-1区、10-1区及10-2区内的组件进行测试，结果表明：自2013年9月并网以来，发生PID的组件比例为24.5%，平均功率衰减34.8%，如表1所示。
表1 某实际电站组件发生PID的测试结果
| 抽取电站样本容量 | 1.6MW | 抽样结果 |
| 组件数量 | 6720 | 组件发生PID比例： 1645/6720=24.50 % |
| 发生PID组件数量 | 1645 | |
| 标称功率（W） | 240 | PID组件平均功率衰减： （240-156.5）/ 240=34.8 % |
| PID组件平均功率（W） | 156.5 | |
| PID最低功率（W） | 31W |
水面光伏电站的环境潮湿，组件发生PID衰减的现象更为严重，因此，系统设计除了要求组件具有抗PID能力外，还需要逆变器具备防PID的功能。
潮湿的环境也会加速腐蚀电气设备金属部件，如图4所示。同时存在水浪拍打在设备上的现象，对邻近水面安装的汇流箱等设备防水能力提出了更高的要求。因此，汇流箱、逆变器等设备的防护能力需经过精心设计和严格测试。
图4 高湿环境对水面光伏电站的影响
4 大型水面光伏电站智慧解决方案
4.1 水面光伏专用智能汇流箱+箱式逆变房的整体方案
根据大型水面光伏电站组件朝向一致，无遮挡等失配问题，容量一般较大，初始投资高，运维难度大，环境适应性要求高，设备防水耐腐蚀压力大等特点及挑战，阳光电源推出了采用水面光伏专用智能汇流箱+箱式逆变房的大型水面光伏电站智慧解决方案，如图5所示。
图5 阳光电源大型水面光伏电站智慧解决方案
大型水面光伏电站智慧解决方案在国内水面电站中已有很多成熟的应用案例，如图6所示。
图6 大型水面电站智慧解决方案的典型应用案例
4.2 水面光伏专用高防护智能汇流箱
• 直流输入采用具备IP67防护等级的MC端子，连接更可靠，安装更方便
阳光电源水面光伏专用智能汇流箱直流接入采用MC4端子，简单插接即可完成接线，安装简单，接线更可靠，减少现场施工量，MC端子的防护等级达IP67。
图7 IP67防护等级MC4端子，操作方便，连接更可靠
• IP67防护等级，耐腐蚀能力强，适应于高湿盐雾环境
水面光伏专用智能汇流箱具备IP67高防护等级，意味着设备短时浸入水中时，不会有水浸入箱体内部，可抵抗浪花拍打。汇流箱外壳采用的镀锌钢板是国内外知名厂家的高品质钢板产品，并施涂三层重防腐涂层（富锌底漆、环氧中间漆、丙烯酸面漆），总厚度达到280微米以上，保证在高湿高盐雾环境下不会腐蚀。汇流箱所有相互搭接、相互焊接的结构件之间都处在合理的腐蚀电极电位差以内，确保长时间使用也不出现电偶腐蚀问题。
• 组串检测精度0.5%，支持无线通讯，降低通讯电缆成本
水面光伏专用智能汇流箱可实时检测直流电压和每个组串的电流信号，检测精度0.5%，可结合大数据平台对每个组串的运行状态进行分析和健康度诊断，快速发现并定位异常组串，降低水面光伏的运维难度。
水面光伏专用智能汇流箱具备无线通讯功能，解决了水面光伏电站中直流汇流箱的通讯布线问题，节省了通讯电缆和施工成本。
图8 水面光伏专用智能汇流箱的组串检测精度0.5%
4.3 逆变器
• 箱式逆变房
1MW箱式逆变房已成为较为成熟的应用方式，如图6所示。随着技术不断进步，集中式逆变器单机容量不断提高，对1000V系统，单个方阵2.5MW是最佳容量选择，系统性价比最优。为了进一步提高逆变器、变压器、监控等部件之间的兼容性，集成中压系统的数字化箱式逆变房是主流发展趋势，并在欧美等光伏应用发达地区获得了广泛应用。因此，本方案推荐单机2.5MW集成变压器、环网柜等中压部件的一体化解决方案，如图9所示。
图9 2.5MW箱式逆变房，实现单元内部件监控及控制，统一接口
• 系统布局方案
考虑到后期维护的便利性，在对电站布局时应尽量将设备放置于道路两边。阳光电源大型水面光伏电站智慧解决方案将集中式逆变器放置于维护通道两旁，水面光伏专用智能汇流箱沿子阵边缘摆放，当逆变器或汇流箱出现故障时，运维人员驾车即可抵达故障点，响应时间短，可减少因故障停机造成的发电量损失，如图10(a)所示。
图10 大型水面光伏电站布局方案
大型水面光伏电站采用2.5MW子阵较1MW布局面积增大，传输距离增加，若子阵内全部采用70mm2直流线缆汇流，则系统损耗增加，若全部选用120mm2的线缆，则线缆成本增加。为此，阳光电源采用3种电缆匹配的设计方案来实现线缆成本与损耗的平衡，即根据汇流箱到逆变器的距离，将2.5MW子阵划分为3类区域，分别采用70mm2、95mm2和120mm2三种线径直流电缆，如图10(b)。
• 基于虚拟电位的PID防护及修复，减少发电量损失
高湿环境加剧了光伏组件的PID衰减，电站系统设计和选型时，除了选择具备抗PID能力的组件外，还需要选择具备防PID功能的逆变器。阳光电源逆变器采用了基于虚拟电位的专利防/反PID方案，可有效解决组件在潮湿环境下易发生PID衰减的问题，并可对已发生PID现象的组件进行修复，如图11所示。
图11 阳光电源基于虚拟电位的专利防/反PID方案
1）案例1：抑制组件PID衰减，减少发电量损失
选取某实际电站9-1区与9-2区光伏方阵，其中两区在同一地点，各种条件基本相同，9-1区采用的500kW集中式逆变器不具备防PID能力，而9-2区采用的500kW集中式逆变器具备防PID能力。通过测试发现：具备防PID能力的逆变器可以有效地防止组件PID衰减，大幅度降低发电量损失，如表2所示。
| 测试时间 | 9-1区的500kW逆变器（ 不具备 防PID能力） | 9-2区的500kW逆变器（ 具备 防PID能力） | 发电量差异（%） |
| 2014年1月 | 24718.20 kWh | 24815.70 kWh | 0.39 |
| 2014年2月 | 22775.60 kWh | 22846.70 kWh | 0.31 |
| 2014年3月 | 49305.20 kWh | 49409.30 kWh | 0.21 |
| 2014年4月 | 53236.50 kWh | 53661.30 kWh | 0.79 |
| 2014年5月 | 62506.60 kWh | 63441.50 kWh | 1.47 |
| 2014年6月 | 46448.00 kWh | 47815.00 kWh | 2.86 |
| 2014年7月 | 49849.30 kWh | 52273.40 kWh | 4.64 |
| 2014年8月 | 38767.20 kWh | 42084.50 kWh | 7.88 |
| 2014年9月 | 35628.20 kWh | 39457.70 kWh | 9.71 |
| 2014年10月 | 39079.90 kWh | 43493.00 kWh | 10.15 |
表2 防/反PID功能的逆变器可大幅度减少了因组件PID带来的发电量损失
2）案例2：修复已发生PID衰减的组件，避免发电量损失
深圳某机场一期5.5MW光伏项目，由于电站建设前期逆变器未配置防/反PID模块，造成组件出现不同程度衰减。通过装设防/反PID模块，经过6个夜间（42小时）的修复后组件的各项参数恢复正常，有效地避免发电量损失，如表3所示。
| 参数项目 | FF | Isc | Voc | Imax | Vmax | Pmax |
| 出厂标称参数值 | 0.74 | 8.65 | 37.5 | 8.14 | 29.5 | 240 |
| #1组件修复后参数值 | 0.737442 | 8.942478 | 37.079017 | 8.153286 | 29.990313 | 244.51959 |
| #2组件修复后参数值 | 0.73551 | 9.04986 | 37.234036 | 8.265967 | 29.983129 | 247.83955 |
| #3组件修复后参数值 | 0.744483 | 8.921388 | 37.21551 | 8.218413 | 30.076206 | 247.17868 |
表3 随机挑选3块组件，PID修复前后各项参数指标测试值
• 箱式逆变房经严格防腐设计和验证，保证设备安全应用，长寿命
箱式逆变房从每一个螺丝钉、连接件到整机等都经过严格防腐设计和严酷的测试，确保设备耐腐蚀能力。例如集装箱体采用海运首选用钢（corten A钢），耐腐蚀性强。箱体外部使用具有抗腐蚀、耐磨损、防潮、耐高温、耐候性等特性的优质油漆材料进行涂层，并采用三层油漆结构，确保箱体在高温、盐雾等恶劣环境下不受腐蚀，如图12所示。在沿海、海南岛、永兴岛、内陆渔光互补等高湿高盐雾电站现场，箱式逆变房已应用数年，未出现设备腐蚀生锈现象，现场运行稳定可靠。
图12 箱体采用三层油漆结构，耐腐蚀能力强
4.4 大型水面光伏电站智慧解决方案主要优势
阳光电源大型水面光伏电站智慧解决方案采用水面光伏专用智能汇流箱+箱式逆变房的整体方案，在大型水面电站应用的优势主要包括以下几个方面：
• 系统简洁，更高效
箱体内部集成高效率集中式逆变器、变压器及通讯监控等设备，集成度高，缩短了逆变器到变压器的交流线缆，减少了现场施工成本和周期，使系统效率至少提高1%以上。
• 高防护等级，更安全
水面光伏专用智能汇流箱防护等级可达IP67。集装箱箱体采用海运首选钢，并采用3层油漆结构，设备耐腐蚀能力强。逆变器集成防/反PID防护模块，有效应对组件潮湿应用环境下易发生PID的现象。
• 数字化，更智能
水面光伏专用智能汇流箱实时监测每个组串信息，通过无线方案传送至箱式逆变房内部的单元控制器。单元控制器实时采集和分析子阵内所有设备数据，通过在本地显示屏显示信息，且上传至电站管理系统，实现光伏电站数字化和智能化管理。
• 低成本，高收益
相同规模电站，阳光电源大型水面光伏电站智慧解决方案可降低初始投资0.3元/W，综合投资收益提升1%以上。
图13 大型水面光伏电站投资成本对比
5 结论
大型水面光伏电站作为一种新的光伏模式，处于发展的初期阶段，具有组件排布规则，无失配现象，并网规模大，后期运维难度大，环境潮湿，加剧组件PID及设备腐蚀等特点及挑战。阳光电源大型水面光伏电站智慧解决方案采用水面光伏专用智能汇流箱+箱式逆变房的整体方案，水面光伏专用智能汇流箱具有防护等级高、耐腐蚀能力强、支持无线通讯等优势，箱式逆变房可沿道路放置便于后期运维、集成专利防/反PID模块、初始投资成本低、耐腐蚀能力强等优势，较好地解决了大型水面光伏电站所面临的挑战，是大型水面光伏电站的最佳选择。
