光伏電站不同統計時段計算的發電量對比分析

艾英枝，王樣強，李霸軍，段靜靜

（1.北京木聯能軟件技術有限公司，北京 100085；2.中國水電顧問集團風電張北有限公司，河北張北 076450）

太陽能光伏發電作為無污染的發電技術，具有壽命長、發電不用水、運行可靠、資源永不枯竭、生產資料豐富等優點，正逐漸為世界各國所重視。目前測量儀器的分辨率各不相同，光伏系統設計時采用的數據的統計時段也不盡相同，這些在光伏工程應用中沒有明確標準。目前光伏電站設計時常用的軟件有PVSYST和retscreen軟件等，PVSYST軟件在氣象數據庫中保存的輻射量等數據統計時段一般為每小時，retscreen plus導入天氣數據時統計時段為每天，而目前我國光伏發電工程設計中一般采用每月的輻射量數據計算傾斜面上輻射量和電站理論發電量。統計時段不同，計算的電站發電量有多大差異，這方面的研究相對較少[1]。鑒于此，本文簡要介紹了光伏電站發電量計算的基本思路，針對某地的實際數據對不同統計時段的數據進行了光伏理論發電量分析計算，旨在得出不同統計時段測量的數據對于光伏工程設計而言，計算的發電量的區別，希望為光伏發電系統設計人員和決策人員提供參考。

1 光伏電站發電量計算的基本思路

雖然計算發電量的數據統計時間不同，但整體思路是一致的。

1.1 數據基礎

水平面總輻射、水平面散射輻射、水平面直接輻射、溫度、反射率等。

數據基礎指項目計算時需要的數據，包括數據來源如氣象站、衛星或測站；發電量計算開始時間和結束時間；統計時段如每月、每天、每小時、每10 min等。

1.2 傾斜面輻射量計算

傾斜面總輻射量HT由傾斜面直接輻射量Hbt、傾斜面天空散射量Hdi和傾斜面地面反射量Hrt3部分組成[2-4]。

式中，Hb為水平面上直射量；Hd為水平面上天空散射量；H為水平面上輻射總量；ρ為反射系數；Rb為斜面上直射量與水平面上直射量之比；KT為水平面直接輻射與大氣層外水平面太陽輻射之比。

傾斜面上任一時刻計算原理為

統計時段為每小時，將計算時刻與下一時刻之間的時間分成n份，并將Rb，i＞0與KT，i＞0的數值的平均值Rb與KT作為計算時刻的Rb及KT，根據式（1）~式（5）得出計算時刻傾斜面輻射量。統計時段為每日，根據文獻[5]將逐日輻射量分配到逐小時，根據統計時段為每小時的計算原理計算傾斜面輻射量。統計時段為每月，計算每月的日平均輻射量，根據統計時段為每日計算原理計算傾斜面輻射量。

1.3 設備選型

根據電站裝機、設備技術經濟綜合比較等因素，選擇電池組件、逆變器、匯流箱、配電柜等設備，其中電池組件、逆變器為系統最重要的設備。

1.4 電池組件串并聯

1.4.1 串聯個數

光伏系統子陣列是由電池組件串并聯組成，其中串聯個數需綜合考慮設備型號及項目現場氣候、地形地貌等條件，選取合適的串聯個數。

根據設備型號確定串聯個數范圍：

式中，Vdcmax為逆變器“最大直流電壓”；Vdcmin為逆變器“最大功率跟蹤（MPPT）范圍”最小值；Voc為電池組件標況下開路電壓；Vmp為電池組件標況下最佳工作電壓；N為電池組件串聯數。

根據項目的氣象條件確定1 a內最不利條件的時間。由于統計時段不同，選出最不利條件的方法不同。

式中，Um′為實際輻射量下的電池組件最佳工作電壓；Uoc′為實際輻射量下的電池組件開路電壓。

統計時段為每小時，將傾斜面上每小時總輻射量累加為每月的總輻射量。從12個數據中選出輻射量最大值和最小值對應的月份。再從最小值對應的月份中選出日輻射量最小的日期，從最大值對應的月份中選出日輻射量最大的日期。然后從日輻射量最小的日期中計算有輻射量數據的小時平均值，從日輻射量最大的日期中計算有輻射量數據的小時平均值。用輻射量最小的日期確定串聯個數范圍的小值，用輻射量最大的日期確定串聯個數范圍的大值。統計時段為每日與每月，利用傾斜面輻射量計算結果（將輻射量數據分到逐小時后計算的傾斜面輻射量），根據統計時段為每小時計算原理得出串聯個數。

1.4.2 并聯個數

并聯個數根據逆變器型號和電池組件串聯個數確定：

式中，N′為并聯個數；Pivt為逆變器額定輸出功率；p

為電池組件標況下得峰值功率；N為串聯個數。

1.5 電站發電量計算

電站發電量計算首先需要確定任意日照強度和溫度下的電池組件參數，包括：電池溫度、最佳工作電壓、最佳工作電流、開路電壓、短路電流，進而得出每個時間點的輸出功率和理論發電量[6-9]。

1.5.1 任意日照強度和溫度下的電池組件參數

采用下列模型確定[10-13]：

式中，T為實際輻射強度和環境溫度下的電池溫度，℃；Tair為環境溫度，℃；K為0.03℃·m2/W；S為輻射強度實際值，W/m2；ΔT為電池溫度實際值與標況下電池溫度的差值；Tref為標況下電池溫度，25℃；ΔS為輻射強度實際值與輻射強度標況值的差值；Sref為輻射強度標況值，1000 W/m2；e為自然對數的底數，取2.71828；a為補償系數，0.0025/℃；b為補償系數，0.0005/℃；c為補償系數，0.00288/℃；Isc、Im、Uoc、Um分別為標況下電池組件的短路電流，A；最佳工作電流，A；開路電壓，V；最佳工作電壓，V；Isc′、Im′、Uoc′、Um′分別為實際輻射強度和環境溫度下的短路電流，A；最佳工作電流，A；開路電壓，V；最佳工作電壓，V。

上述模型，由于對太陽電池特性的擬合的點數有限，其精度只能滿足通常的工程要求，經相關專家驗證，可以控制在6%的范圍內，這和世界上大部分太陽電池生產廠商提供太陽電池組件的參數允許波動范圍是相適應的[10-12]。

統計時段不同，輻射強度實際值S的取值不同。統計時段為每小時，S為每個時間點的實際輻射強度；統計時段為每天和每月，S為將逐日和逐月數據分到逐小時后計算的逐小時傾斜面輻射強度。

1.5.2 輸出功率和理論發電量

在光伏電站設計中，電站的輸出功率和發電量是重要環節。計算方法如下:

式中，Im′、Um′分別為實際輻射強度、實際環境溫度下的最佳工作電流，A；最佳工作電壓，V；時間單位為h，統計時段為每小時時，取1。

統計時段為每天和每月，需將逐日和逐月輻射數據分配到逐小時后計算每小時的理論發電量，即時間取1 h。但統計時段為每月的理論發電量，需將日平均發電量乘以當月天數得出每月發電量，再累加為年發電量。

2 計算實例

2.1 項目簡介

某項目地海拔2980 m，測站所在緯度N97°21′，經度97°16′。本項目總裝機容量為10 MW，主要任務是并網發電，推薦采用分塊發電、集中并網方案。經論證，該項目選用艾默生SSL500型逆變器，TSM-235PC05型235 Wp多晶硅電池。電池組件采用固定安裝式。10 MW太陽能電池陣列由11個多晶硅子方陣組成，每個子方陣由若干路電池組件串并聯而成。每個太陽電池子方陣由電池組件、匯流設備、逆變設備、配電設備及升壓設備構成。

2.2 項目計算約定

本項目采用以下幾個工程計算約定：

1）在計算傾斜面上輻射量時，采用的計算緯度為測站的緯度，即N97°21′。

2）該工程采用2001年1月1日至2001年12月31日的數據進行計算。

3）該工程逆變器個數為22個。綜合考慮設備型號及項目現場氣候、地形地貌等條件，電池組件選取串聯個數為22個。

4）統計時段按每小時、每天、每月3種情況進行分析計算；每天的輻射量由每小時輻射量累加得到，每天的溫度由每小時溫度算數平均而得；每月的輻射量為每天輻射量累加得到，每月的溫度由每天溫度算數平均而得。

2.3 結果分析

2.3.1 3種統計時段的逐月傾斜面輻射量對比分析

各月傾斜面輻射量對比見圖1。由圖1得出，統計時段為每天的傾斜面輻射量最小，為2544.95 kW·h/m2，統計時段為每小時的傾斜面輻射量最大，為2559.47 kW·h/m2，統計時段為每小時比每天的全年傾斜面輻射量多0.57%，二者全年輻射量相差14.52 kW·h/m2，平均每天相差39.78 W·h/m2。這也說明將逐日與逐月數據分配到逐小時，再計算傾斜面輻射量的計算原理具有科學合理性，同時說明了統計時段不同對全年傾斜面輻射量的影響較小。

圖1 各月傾斜面輻射量對比圖Fig.1 Collation map of monthly radiations of the tilted surface

2.3.2 3種統計時段的逐月發電量對比分析

通過計算，統計時段為每月的全年發電量最大，為2661.26萬kW·h；其次為統計時段為每小時，全年發電量2592.89萬kW·h；統計時段為每天的全年發電量最小，為2587.74萬kW·h。同時，由圖2可知，統計時段為每月的年輸出功率最大，故年發電量最大。并由圖3得出，統計時段為每月的年發電量與統計時段為每天的年發電量相差最大，統計時段為每月的發電量比統計時段為每天的發電量多2.84%，全年發電量相差73.51萬kW·h，平均每天發電量相差0.201萬kW·h；統計時段為每小時的年發電量與統計時段為每天的年發電量相差不大，相差0.20%，平均每天發電量相差0.014萬kW·h。其中，在3月份，統計時段為每月和統計時段為每天的發電量相差最大，為10.95萬kW·h；在9月份，統計時段為每小時和每天的發電量相差最小，為0.07萬kW·h。工程設計人員可根據設計精度的要求，選擇數據的統計時段。

圖2 電站輸出功率對比圖Fig.2 Collation map of power outputs in photovoltaic plants

圖3 各月發電量差值對比圖Fig.3 Collation map of monthly power generating capacity differences

3 結論

本文介紹的光伏電站發電量計算方法是一種相對較為成熟的方法，該方法計算簡單，理論清晰。

通過該方法，針對不同統計時段的測量數據對某項目設計得出的電站發電量的計算結果表明：

1）不同的統計時段，在通過水平輻射量計算傾斜輻射量時，得出的月傾斜輻射量結果差別不大。

2）不同的統計時段計算的電站發電量不同。采用小時統計時段與采用天統計時段計算的年發電量差異較小，相差約0.2%，而采用月統計時段與小時、天統計時段計算的年發電量相差較大，約大2.8%。

3）為了不同統計時段計算的結果具有更好的可比性，本文在計算過程中設定了某些假定，例如假定的逆變器的個數及電池組件的串聯個數等，該假定是根據某工程實際情況假定的。針對不同的假定條件對計算結果可能會有些差異。

該結論是在特定項目的基礎上得出的結論，對于其他光電項目得出的結論是否具有相同特點，需要進一步的研究。

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