并網(wǎng)光伏系統(tǒng)性能測試與評估方法

李 慧，陳心欣，曾湘安，馮江濤，馮 皓

(中國電器科學(xué)研究院有限公司工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510663)

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)性能測試與評估方法

李 慧，陳心欣，曾湘安，馮江濤，馮 皓

(中國電器科學(xué)研究院有限公司工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510663)

我國光伏電站的數(shù)量和規(guī)模逐年增加，光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用需要一套完整的電站性能評估方法做支撐。介紹了針對光伏發(fā)電系統(tǒng)常用的性能測試方法與評估指標(biāo)，對比分析兩種不同的性能評估方法的差異性，為我國開展光伏發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際服役環(huán)境條件下的性能研究提供理論指導(dǎo)。

光伏發(fā)電系統(tǒng)；性能測試；評估指標(biāo)；環(huán)境條件

光伏發(fā)電在我國具有廣闊前景，對應(yīng)的技術(shù)日新月異，組件制造成本不斷下降，已開始進(jìn)入規(guī)模化市場應(yīng)用的階段。由于實(shí)際服役環(huán)境是在日曬雨淋的戶外，光伏組件和發(fā)電系統(tǒng)的性能會隨著實(shí)際服役時(shí)間的增加而衰減，例如，晶硅光伏組件在開路環(huán)境下每年衰減大概0.5%[1-2]，但是在戶外實(shí)際服役環(huán)境條件下的光伏系統(tǒng)可能由于接地、較高的組串電壓和設(shè)備間的不匹配等原因，造成光伏組件的衰減率更高，從而導(dǎo)致光伏系統(tǒng)的投入成本高，發(fā)電量逐年下降，光伏發(fā)電相比傳統(tǒng)的發(fā)電模式利潤低。因此，針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試和評估，研究實(shí)際服役環(huán)境條件對光伏系統(tǒng)性能的影響具有重要意義。本文主要介紹目前國際上通用的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)性能測試方法，對在我國海南瓊海濕熱環(huán)境安裝的小型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析，研究其并網(wǎng)運(yùn)行9個(gè)月的發(fā)電性能。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能測試方法

目前，針對光伏發(fā)電系統(tǒng)性能測試的標(biāo)準(zhǔn)主要是IEC 61724《光伏系統(tǒng)性能監(jiān)測測量、數(shù)據(jù)交換和分析導(dǎo)則》，該標(biāo)準(zhǔn)對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測和性能指標(biāo)參數(shù)的計(jì)算提供了指導(dǎo)。表1為用于性能分析的測量參數(shù)和計(jì)算分析后的導(dǎo)出參數(shù)[3]。其中，太陽輻照度、環(huán)境溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、降水量等可以通過校準(zhǔn)后的輻照表、熱電偶、風(fēng)速風(fēng)向傳感器監(jiān)測得到，光伏方陣電流、電壓和功率可以通過直流霍爾傳感器監(jiān)測得到，也可以由逆變器直接采集，系統(tǒng)交流發(fā)電量可以由交流電能表采集得到。

表1 IEC 61724中規(guī)定的光伏系統(tǒng)性能監(jiān)測的測量參數(shù)和導(dǎo)出參數(shù)

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能評估方法

2.1 性能比評估方法

光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能評定指標(biāo)主要有：系統(tǒng)最終等價(jià)發(fā)電時(shí)Yf、參考等價(jià)輻照時(shí)Yr、性能比PR和比發(fā)電量yield。

系統(tǒng)最終等價(jià)發(fā)電時(shí)Yf是光伏發(fā)電系統(tǒng)每年/月/日凈輸出的交流電量與標(biāo)準(zhǔn)測試條件(STC,1 000 W/m2,25℃)下光伏陣列的額定功率之比，它表示光伏陣列在額定功率運(yùn)行的小時(shí)數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)等價(jià)輻照時(shí)Yr是陣列平面總的太陽輻照量與陣列標(biāo)準(zhǔn)輻照度(1 000 W/m2)之比，即太陽輻照達(dá)到峰值的小時(shí)數(shù)。

性能比PR是系統(tǒng)最終等價(jià)發(fā)電時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)等價(jià)輻照時(shí)之比，它表示系統(tǒng)從直流電量額定值轉(zhuǎn)換為交流輸出電量的總損耗，包括灰塵、積雪、高溫、低輻照強(qiáng)度、失配、線路損失、逆變器轉(zhuǎn)化效率以及設(shè)備故障等產(chǎn)生的損失。與光伏陣列所在的地理位置、安裝傾角、朝向以及裝機(jī)容量無關(guān)。

光伏系統(tǒng)的比發(fā)電量yield為實(shí)際交流發(fā)電量與組件總額定功率的比值，表示每kW發(fā)電量。

2.2 PVUSA能效評定方法

美國公用事業(yè)應(yīng)用光伏(PVUSA)能效評定方法是美國太平洋氣電公司(PG＆E)從1985年開始實(shí)施的研發(fā)項(xiàng)目，在美國公用事業(yè)應(yīng)用光伏測試條件 (PTC，陣列平面輻照度1 000 W/m2，環(huán)境溫度20℃，風(fēng)速1 m/s)下，用線性回歸模型和實(shí)際氣象數(shù)據(jù)對光伏系統(tǒng)的功率進(jìn)行計(jì)算評定的方法，它是基于假設(shè)光伏陣列電流主要取決于輻照度，陣列電壓主要取決于陣列溫度，而陣列溫度又與環(huán)境溫度和風(fēng)速有關(guān)。輻照度、環(huán)境溫度和風(fēng)速的測量數(shù)據(jù)用于一個(gè)線性回歸計(jì)算公式[4]，即：

式中：P為直流或交流功率，kW；IPOA為陣列平面輻照度，W/m2；Tamb為環(huán)境溫度，℃；W為風(fēng)速，m/s；a、b、c、d為回歸系數(shù)。

線性回歸方程中回歸系數(shù)的確定需要對大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行累計(jì)計(jì)算。數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)把采集的電氣數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾篩選并對一定時(shí)間段的數(shù)據(jù)取平均值，然后用于回歸參數(shù)的確定。由于PVUSA模型在低輻照度條件下的性能較低，數(shù)據(jù)過濾時(shí)陣列平面輻照度的選取大于800 W/m2，測量的直流功率大于800 W，交流功率大于700 W，低輻照度或者組件有雪覆蓋的情況下采集的數(shù)據(jù)應(yīng)該過濾掉。

2.3 兩種性能測試方法比較

由于實(shí)際服役環(huán)境條件下的環(huán)境因素存在季節(jié)性的波動(dòng)，尤其是太陽輻照和環(huán)境溫度，從而引起系統(tǒng)性能參數(shù)不穩(wěn)定。

STC條件下的組件溫度為25℃，PVUSA方法使用的回歸模型中系統(tǒng)性能和氣象數(shù)據(jù)測試均在PTC測試條件下進(jìn)行，而實(shí)際運(yùn)行過程中組件電池片的溫度通常已經(jīng)超過50℃。這就要求光伏組件的正面和背面有良好的通風(fēng)散熱，而安裝在屋頂上和光伏建筑一體化(BIPV)型式的光伏組件由于空氣流動(dòng)性差，并網(wǎng)狀態(tài)下的組件溫度更高。

對于性能比PR評估方法來說，太陽輻照量對系統(tǒng)最終等價(jià)發(fā)電時(shí)影響較大，而對性能比參數(shù)影響較小，因?yàn)橛糜赑R值計(jì)算的參數(shù)都根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的輻照量進(jìn)行了統(tǒng)一轉(zhuǎn)化，由于組件溫度對整個(gè)系統(tǒng)的輸出功率有很大影響，PR值在冬季比夏季高0.6～0.8，故環(huán)境溫度的季節(jié)性波動(dòng)對PR值的計(jì)算不能忽視。目前還沒有確定一種溫度修正過的PR計(jì)算方法，故現(xiàn)有的評估方法存在一定的誤差。

PR值通常以每月或者每年的時(shí)間節(jié)點(diǎn)輸出，可以在很短的時(shí)間間隔計(jì)算出來，例如一天或者一周，有利于確定一些偶然因素的發(fā)生，如系統(tǒng)內(nèi)部零部件運(yùn)行出現(xiàn)故障。此外，如果光伏系統(tǒng)的實(shí)際服役環(huán)境有沙塵天氣，也可能導(dǎo)致PR值出現(xiàn)季節(jié)性波動(dòng)。

由于PVUSA評定方法是針對太陽輻照量、環(huán)境溫度和風(fēng)速的線性回歸計(jì)算，可認(rèn)為環(huán)境因素的波動(dòng)對PVUSA方法的影響較小，線性回歸結(jié)果的小波動(dòng)可能是由于光伏組件和逆變器等關(guān)鍵部件的性能非線性、回歸模型誤差和太陽光譜誤差引起的。

3 研究案例

案例選擇對一個(gè)2 kW的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行性能評估研究，該并網(wǎng)系統(tǒng)安裝在海南瓊海，代表我國典型濕熱氣候的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)場(經(jīng)度：110°28′；緯度：19°14′)，安裝傾角19°，朝向正南，選用250 W的多晶硅光伏組件8塊串聯(lián)接入2 kW并網(wǎng)逆變器，通過在逆變器前端和后端分別安裝直流電表和交流電表，實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的直流側(cè)和交流側(cè)的電氣數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的氣候環(huán)境參數(shù)見表2。

表2 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的氣候環(huán)境參數(shù)列表

試驗(yàn)場同時(shí)安裝了一套小型氣象系統(tǒng)，用于對陣列平面太陽輻照量、環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速風(fēng)向等氣候參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過對系統(tǒng)運(yùn)行9個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，系統(tǒng)等價(jià)發(fā)電時(shí)數(shù)和PR結(jié)果見圖1～圖2。

由圖1～圖2的分析結(jié)果可知，不同月份并網(wǎng)系統(tǒng)的最終等價(jià)發(fā)電時(shí)數(shù)波動(dòng)較大，其中4、5、6和8月份的等價(jià)發(fā)電時(shí)數(shù)均超過100 h，而不同月份的PR值波動(dòng)較小，第一季度的PR值大于第二、三季度，這是由于第一季度的環(huán)境溫度最低。

由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間不超過一年，所以PVUSA評估方法中的回歸系數(shù)不能確定，需要對光伏系統(tǒng)進(jìn)行更長時(shí)間的監(jiān)測，通過大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對系統(tǒng)性能衰減情況的研究[1]。

國外一些研究機(jī)構(gòu)針對并網(wǎng)光伏系統(tǒng)進(jìn)行了PVUSA和PR兩種方法的評估分析。桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室對光伏發(fā)電系統(tǒng)性能進(jìn)行了30年的研究，假設(shè)環(huán)境因素對系統(tǒng)性能參數(shù)沒有影響，那么計(jì)算結(jié)果將是一條水平線。實(shí)際的分析結(jié)果是系統(tǒng)最終等價(jià)發(fā)電時(shí)和標(biāo)準(zhǔn)等價(jià)輻照時(shí)對太陽輻照量變化的響應(yīng)波動(dòng)最大，而使用PVUSA方法在PTC測試條件下進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果波動(dòng)較小。

圖1 2015年1～9月并網(wǎng)系統(tǒng)最終等價(jià)發(fā)電時(shí)數(shù)

圖2 2015年1～9月并網(wǎng)系統(tǒng)PR值

美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)對1 kW屋頂非晶硅光伏系統(tǒng)的性能研究顯示，系統(tǒng)直流功率每年衰減10.2 W(0.985%)，交流功率每年衰減10.8 W(1.09%)[5]，在夏季溫度較溫暖的月份系統(tǒng)輸出功率較高，系統(tǒng)年直流季節(jié)波動(dòng)平均為4.9%～－5.4%。同樣采用PR方法針對系統(tǒng)6年時(shí)間的性能衰減進(jìn)行分析，結(jié)果顯示系統(tǒng)年性能衰減1.13%[6]，與PVUSA方法計(jì)算的系統(tǒng)交流功率衰減率－1.09%相吻合，每年的季節(jié)波動(dòng)為4.6%～－7.8%，與PVUSA方法比較，正值接近，負(fù)值相差較大。通過6年的研究，PVUSA方法分析的直流年衰減0.985%，交流年衰減1.09%，季節(jié)波動(dòng)約為10.5%，；PR方法分析，交流年衰減1.13%，季節(jié)波動(dòng)約為12.5%。

4 結(jié)論

兩種針對并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的性能評估方法中，使用PTC條件下的回歸模型計(jì)算的系統(tǒng)性能波動(dòng)較PR測試方法小，由于PVUSA測試過程中需要過濾一部分?jǐn)?shù)據(jù)對回歸系統(tǒng)進(jìn)行確定，測試周期較長，組件溫度高，相比較而言，PR評估方法比較簡單且更能反映環(huán)境因素對系統(tǒng)性能的影響。但是現(xiàn)有的PR評估方法需要大量的數(shù)據(jù)和更優(yōu)化的計(jì)算方法針對環(huán)境溫度進(jìn)行修正，以便能更準(zhǔn)確地反應(yīng)光伏系統(tǒng)的性能。

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Performance test and evaluation method of grid connected photovoltaic system

LI Hui,CHEN Xin-xin,ZENG Xiang-an,FENG Jiang-tao,FENG Hao
(State Key Laboratory of Environmental Adaptability for Industrial Products,China National Electric Apparatus Research Institute Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510663,China)

With the increasing of the number and scale of the PV power plants in China,a complete evaluation method of power station performance was needed by the large scale application of photovoltaic power generation. The performance testing methods and evaluation indexes of photovoltaic(PV) systems were introduced, and the differences of the two methods were compared and analyzed.It was the theoretical guidance for the performance of PV systems in the actual service environment.

photovoltaic(PV)systems;performance testing;evaluation indexes;environmental conditions

TM 615

A

1002-087 X(2017)10-1437-02

2017-03-12

國家科技部國際合作專項(xiàng)(2014DFA61960)；廣州市科學(xué)研究專項(xiàng)(201504010026)

李慧(1984—)，女，山西省人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楣夥a(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性與耐久性。